Mots-clé
(Allemand)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Description succincte
(Allemand)
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Le but du projet vise le développement et l'analyse d'un compresseur radial à deux étages sur paliers à gaz pour des pompes à chaleur bi-étagées à moyenne et haute températures. Le système visé n'aura pas besoin de lubrification par huile et sera hermétique. Le résultat de ce projet est une esquisse du compresseur radial bi-étagé sur paliers à gaz intégrable dans une pompe à chaleur air/eau (A-12W60) selon le cahier de charges de Swiss Retrofit Heat Pump. Le résultat des calculs des roues de compresseur (pour un fonctionnement en pleine charge et en charge partielle), des paliers à gaz et du moteur électrique permettront d'établir un calcul détaillé de l'efficacité de la pompe à chaleur et de comparer le nouveau concept avec des solutions existantes.
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Publications / Résultats
(Français)
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Ce projet de recherche mené chez OFTTech SA et au Laboratoire d'Energétique industrielle sous le mandat de l'Office Fédéral de l'Energie vise le développement et l'analyse d'un compresseur radial à deux étages sur paliers à gaz pour des pompes à chaleur bi-étagés à moyenne et haute température. Le système visé n'aura pas besoin de lubrification par huile et sera hermétique. Dans une première phase achevée en novembre 2002 [1], une esquisse du compresseur bi-étagé a été établie et son efficacité calculée. Le présent projet couvre la réalisation et l'essai d'un prototype mono-étagé qui permettra de tester les paliers, le moteur électrique ainsi que la roue de compresseur (proof of concept).Le design de l'unité de compression se subdivise en 4 parties essentielles: le design du rotor et des paliers, le design du moteur électrique, le design de la roue de compresseur et le design du système complet. Le design du rotor ,des paliers ainsi que du moteur électrique a été achevé. Les parties paliers ainsi que du moteur électrique ont été mis en fabrication. Le design du compresseur est bien avancé et nécessite encore quelques calculs d'optimisation à l'aide d'un outil de simulation d'écoulement 3D. La construction du système de compression est en route.Le but est de tester un premier prototype sans roue de compresseur en Février pour mesurer le comportement des paliers et du moteur électrique et permettra de finaliser sa régulation. Par la suite le compresseur sera monté sur l'arbre et des premiers essais de compresseur dans une boucle de pompe à chaleur mono-étagé sont prévus en Mars-Avril.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
OFTTech SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Favrat,Daniel
Schiffmann,Jürg
Molyneaux,Alex
Documents annexés
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Rapport final
(Allemand)
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Das Hauptziel einer Retrofit-Wärmepumpe ist eine Variante zu Gas- und Ölheizungen für Einfamilienhäuser zu stellen. Um dies zu ermöglichen, muss die Wärmepumpe fähig sein, Wasser bei einer Aussenlufttempe-ratur von -12°C, auf eine Temperatur von 60°C zu erhitzen (bei einem minimalen Temperaturhub von 10 K) und dabei mindestens 10 kW an Heizleistung abgeben können. Ein zweistufiger Zyklus stellt die im Mo-ment technologisch vernünftigste Lösung dar, um akzeptable Leistungszahlen zu erhalten, die es erlauben mit konventionellen Gas- und Ölheizungen zu konkurrenzieren.
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und die Untersuchung eines zweistufigen Verdichters auf Gaslager für zweistufige Wärmepumpen für hohe Temperaturhübe im Einfamilienhaus-Segment. Diese Verdichter-Einheit benötigt durch ihre aerodynamischen Lager keine Ölschmierung mehr und ist absolut hermetisch. In einer ersten Phase, welche im November 2001 [1] vorgestellt wurde, wurde die Machbarkeit eines solchen Systems analysiert und deren Wirkungsgrad berechnet. Das aktuelle Projekt hat zum Ziel einen einstufigen Verdichter zu bauen um die Grundfunktionen Lager, Antrieb und Verdichter zu testen (proof of concept). Diese Arbeit ist im Laboratoire d’énergétique industrielle (LENI) an der ETH in Lausanne entstanden.
Die Entwicklung der Verdichtereinheit teilt sich in 4 Punkte auf: Die Auslegung der Lager und der Welle, die Auslegung des Antriebs (Elektromotor und dessen Leistungselektronik), die Auslegung des Verdichters so-wie die CAD Konstruktion der Einheit selbst. Der vorliegende Bericht legt die Auslegungsprozeduren sowie die Resultate der ersten Versuchsreihen dar.
Nach einem ersten Misserfolg wurde eine schrittweise Test-Methodik eingeführt. So wurden verschiedene Teststände entwickelt, welche es erlaubt haben die Lagereinheit sowie den Elektromotor separat zu testen. Die Lagereinheit wurde erfolgreich bis 150'000 U/Min mit Luft angetrieben. Der Antrieb der Lager mit dem Elektromotor hat sich als etwas schwieriger entpuppt; so hat einer der zwei Motoren es den Lagern nicht erlaubt richtig zu funktionieren. Mit dem zweiten Motor wurden Versuche bis 104'000 U/Min gefahren, bevor die Lager touchiert haben und vernichtet wurden. Leider stehen keine weiteren Lagereinheiten für weitere Versuche mehr zur Verfügung und deshalb konnten wir im Rahmen dieses Projekt den Verdichter noch nicht validieren. Unsere Anstrengungen richten sich auf die Suche nach einem weiteren geeigneten Industriepartner, um das Projekt weiterführen zu können.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Offtech SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schiffmann,Jürg
Favrat,D.
Molyneaux,Alex
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Rapport final
(Anglais)
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The primary objective for a retrofit heat pump is to produce heating water at 60 C (with at least 10 C tem-perature rise) with an external air temperature of -12 C and a heating supply of a minimum of 10 kW. This would enable the heat pump to replace oil or gas boilers. To enable such a heat pump a two-stage com-pressor is the most promising technical solution.
The final goal is the development and the analysis of a twin stage radial compressor on gas bearings for application in high temperature heatpumps. The application of gas-lubricated bearings avoids the need for lubrication. In November 2001 the feasibility of such a unit has been analysed and calculated. Now the aim is to build and test a first single stage compressor as a proof of concept. This work has been performed at the Industrial Energy Laboratory (LENI) of the EPFL in Lausanne and was sponsored by the Swiss Federal Office of Energy.
The compressor development is subdivided into 4 parts: bearing unit, motor and drive, design of impeller and design of the complete unit. The report describes the detailed design procedure and the results of the first tests.
After a first bearing touchdown a "Step by Step" procedure has been implemented. Several test rigs have allowed testing the bearing unit and the motor separately. The bearing unit has been run to speeds up to 150'000 rpm with an air turbine. Driving with the motor has revealed to be trickier; the first motor has not allowed the bearings to run properly at low speeds. Only the second motor has worked well to speeds up to 104'000 rpm where the bearings have touched down and have been destroyed. As there are no more bearing units at disposition the tests had to be stopped. The project shall be finished in cooperation with an industrial partner.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Offtech SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schiffmann,Jürg
Favrat,D.
Molyneaux,Alex
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Rapport final
(Français)
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L’objectif d’une pompe à chaleur retrofit est de pouvoir au moins produire de l’eau chaude à 60°C avec une élévation de température de 10 K pour une température extérieure de -12°C. Sa source froide est l’air extérieur. Au point A-12W60 elle doit fournir une puissance de chauffage de 10 kW au moins. Ces caracté-ristiques sont nécessaires pour remplacer la plupart des chaudières à mazout et à gaz. Pour atteindre des coefficients de performance acceptables et concurrencer les chaudières conventionnelles un cycle bi-étagé représente la solution technique la plus avancée en ce moment.
Ce projet de recherche mené au Laboratoire d'Energétique industrielle sous le mandat de l'Office Fédéral de l'Energie vise le développement et l'analyse d'un compresseur radial à deux étages sur paliers à gaz pour des pompes à chaleur bi-étagés à moyenne et haute température. Le système visé n'aura pas besoin de lubrification par huile et sera hermétique. Dans une première phase achevée en novembre 2002 [1], une esquisse du compresseur bi-étagé a été établie et son efficacité calculée. Le présent projet couvre la réalisa-tion et l'essai d'un prototype mono-étagé en vue de tester les paliers, le moteur électrique ainsi que la roue de compresseur (proof of concept).
Le design de l'unité de compression se subdivise en 4 parties: le design du rotor et des paliers, le design du moteur électrique, le design de la roue de compresseur et le design de l'unité de compression. Le rapport illustre la procédure de design appliquée dans ce cas de figure ainsi que les résultats des premiers tests ef-fectués avec le prototype.
Après une première casse de palier une approche "pas par pas" a été adoptée. Un stand pour tester sépa-rément le système palier et le système d'entraînement a été mis en place. Le système palier a permis de tourner sans aucun problème jusqu'à 150'000 t/min (entraînement par une turbine à air). L'entraînement du système palier par le moteur électrique s'est montré plus difficile puisqu’un des deux moteurs n'a pas permis le bon fonctionnement des paliers à basse vitesse. Le deuxième moteur a pu tourner sur paliers à air jusqu'à une vitesse de 104'000 t/min avant de produire une nouvelle casse, suite à un dééquilibrage inat-tendu. Malheureusement l'absence de pièces de paliers supplémentaires a empêché une reprise rapide des essais pour passer à la validation du compresseur même. Tous les efforts sont mis en place pour convaincre un autre partenaire industriel pour supporter la suite du projet.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Offtech SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schiffmann,Jürg
Favrat,D.
Molyneaux,Alex
Documents annexés
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