Μοντελοποίηση και πειραματική διερεύνηση εκτονωτών θετικής εκτόπισης για συστήματα  μικρής κλίμακας μηχανικού κύκλου συμπίεσης ατμού (VCC)

Μπούκας, Ιωάννης; Boukas, Ioannis

dc.contributor.author	Μπούκας, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Boukas, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2015-12-04T11:57:42Z
dc.date.available	2015-12-04T11:57:42Z
dc.date.issued	2015-12-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41753
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11010
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ανάκτηση ενέργειας	el
dc.subject	Εκτονωτές θετικής εκτόπισης	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Αντλία θερμότητας	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Volumetric expanders	en
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Heat pump	en
dc.subject	Modelling	en
dc.subject	Energy recover	el
dc.title	Μοντελοποίηση και πειραματική διερεύνηση εκτονωτών θετικής εκτόπισης για συστήματα μικρής κλίμακας μηχανικού κύκλου συμπίεσης ατμού (VCC)	el
dc.title	Modelling and experimental study of volumetric expanders for micro-scale VCC systems	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-22
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του ενεργειακού δυναμικού και της ενεργειακής εξοικονόμησης που μπορεί να επιτευχθεί αντικαθιστώντας την στραγγαλιστική βαλβίδα, που είναι υπεύθυνη για την ισενθαλπική εκτόνωση του υγρού εργαζόμενου μέσου σε έναν κύκλο μηχανικής συμπίεσης ατμού (VCC) με έναν εκτονωτή θετικής μετατόπισης. Το εγχείρημα αυτό αποτελεί καινοτομία στο χώρο του κλιματισμού και της ψύξης καθώς δεν έχει πραγματοποιηθεί ως τώρα και αποτελεί ενδιαφέρον αντικείμενο μελέτης, αφού πρόκειται να ανεβάσει σημαντικά την απόδοση του κύκλου, τόσο σε νέες μονάδες όσο και σε ήδη εγκατεστημένες. Έτσι θα εξοικονομηθούν πολύτιμοι πόροι όχι μόνο ενεργειακοί αλλά και οικονομικοί, κάτι που αποτελεί αντικειμενικό σκοπό στη σύγχρονη κοινωνία, όπως εκδηλώνεται μέσα από Ευρωπαϊκές και διεθνείς οδηγίες. Η εξοικονόμηση ενέργειας, άλλωστε, αποτελεί μία από τις βασικότερες επιδιώξεις της ενεργειακής πολιτικής που ακολουθείται τα τελευταία χρόνια από τα περισσότερα κράτη, με στόχο τη μείωση της πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών ρύπων αλλά και αερίων που συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Γι΄ αυτό το λόγο αποτέλεσε πρωταρχικό στόχο η μοντελοποίηση της όλης διαδικασίας, ώστε να αναγνωριστούν οι δυνατότητες και οι παράμετροι που επιδρούν στη λειτουργία μιας τέτοιας εγκατάστασης. Μάλιστα καθώς ο εκτονωτής διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε συνδυασμό με το γεγονός ότι δεν υπάρχει διεθνής βιβλιογραφία σχετική με τη μελέτη της εκτόνωσης οργανικού μέσου σε υγρή φάση, αποτέλεσε επιτακτική ανάγκη η ανάπτυξη ενός ημι-εμπειρικού θερμοδυναμικού μοντέλου ικανού να προσομοιώσει την λειτουργία ενός τέτοιου εκτονωτή κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες και παραμέτρους. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης ημι-εμπειρικού μοντέλου για την εν λόγω διεργασία είναι το μικρό υπολογιστικό κόστος του, καθώς αποφεύγεται η χρήση υπολογιστικά απαιτητικών μεθόδων όπως η υπολογιστική ρευστομηχανική για την περιγραφή του φαινομένου της εκτόνωσης. Παράλληλα, λόγω της φιλοσοφίας της κατασκευής του μοντέλου, είναι εύκολη η αποτελεσματική προσαρμογή του σε πλήθος διαφορετικών δεδομένων. Το μοντέλο που παρουσιάζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία βασίστηκε σε ένα υπάρχον ημι-εμπειρικό μοντέλο σπειροειδών εκτονωτών για υπέρθερμο ατμό οργανικών ρευστών ,το οποίο αναπτύχθηκε από τους Lemort et. al.[1] και χρησιμοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Με την γνώση και την πολυετή εμπειρία σε εκτονωτές θετικής εκτόπισης δημιουργήθηκε ένα μοντέλο ικανό να περιγράψει με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια την λειτουργία ενός τέτοιου εμβολοφόρου εκτονωτή, ο οποίος χρησιμοποιεί σαν εργαζόμενο μέσο οργανικό μίγμα σε κατάσταση κορεσμένου ατμού. Το νέο μοντέλο τροποποιήθηκε σε ορισμένα σημεία και αναγνωρίστηκαν τα νέα όρια λειτουργίας των θερμοδυναμικών μεγεθών. Ο προσδιορισμός των απαιτούμενων παραμέτρων του νέου ημιεμπειρικού μοντέλου πραγματοποιήθηκε, αξιοποιώντας διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα από μια δοκιμαστική διάταξη που αποτελούνταν από έναν εμβολοφόρο εκτονωτή και μια αντλία θερμότητας. Η εγκατάσταση της πειραματικής διάταξης έγινε στα του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος EXP-Heat [2] και οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας. Οι πειραματικές συνθήκες τέθηκαν όμοιες με τις πραγματικές που πρόκειται να εργάζεται η υπό σχεδιασμό εμπορική έκδοση της αντλίας θερμότητας. Οι παράμετροι του μοντέλου ταυτοποιήθηκαν κάνοντας χρήση γενετικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης, καθώς η υπάρχουσα βιβλιογραφία δεν περιέχει επαρκή δεδομένα για αυτό το ερευνητικό πεδίο. Οι γενετικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης αποτελούν μία ευρεστική (heuristic) μέθοδο βελτιστοποίησης που βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε σύνθετα πολυπαραμετρικά προβλήματα αυξημένης δυσκολίας. Κατά αυτό τον τρόπο προέκυψε το ημι-εμπειρικό μοντέλο, το οποίο είναι ικανό να περιγράψει την λειτουργία αυτού του εκτονωτή με μεγάλη αξιοπιστία, επιτυγχάνοντας σφάλμα μικρότερο του 10%. Στη συνέχεια, αντιπαραβλήθηκαν οι τιμές των μεταβλητών που μετρήθηκαν πειραματικά, σε σχέση με εκείνες που προβλέπει το μοντέλο για να διαπιστωθεί η συνοχή του και η ικανότητα πρόβλεψης σε ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας. Μάλιστα η διαδικασία αυτή επιτρέπει και την αναγνώριση των κύριων αιτιών για ενδεχόμενη δυσλειτουργία και των μεγεθών που δεν υπάρχει δυνατότητα να μετρηθούν με μετρητικές διατάξεις, όπως για παράδειγμα η διαρροή μάζας. Αποτελεί δηλαδή ένα χρήσιμο εργαλείο πρόβλεψης και εκτίμησης των μεγεθών που ενδιαφέρουν χωρίς μεγάλο υπολογιστικό κόστος αλλά και χωρίς να καθίσταται αναγκαία η διεξαγωγή περαιτέρω πειραμάτων. Λόγω της αποτελεσματικότητάς του, το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της απόδοσης της εκτονωτικής μηχανής συστημάτων κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας και μέσα στο πλαίσιο τεχνο-οικονομικών μελετών. Πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό του ημι-εμπειρικού μοντέλου τέλος, είναι η ικανότητα του να προσαρμόζεται σε άλλες τεχνολογίες εκτονωτών θετικής εκτόπισης, καθώς και με άλλα εργαζόμενα μέσα.	el
heal.abstract	The main goal of this thesis is to investigate the energy potential and energy saving that can be achieved by replacing the throttle valve, responsible for the expansion of the liquid organic medium in a vapor compressed cycle, with a volumetric expander. This task is an innovation in the field of Air-Conditioning and Refrigeration, and it is considered as an interesting topic of study, because of the increase that will arise in terms of efficiency, in new units as well as adjusting the existing ones. Thus valuable energy and financial recourses will be saved, as international and European commands order. The energy saving, has been one of the major objectives of energy policy followed in recent years by most countries, in order to reduce primary energy consumption and emissions that contribute to global warming Therefore the process of modeling the entire procedure was the main target, in order to identify the potential and the parameters of the whole operation. Due to the fact that the expander has primary role and because of the absence of international literature on expanding liquid phase organic medium, the development of a semi-empirical thermodynamic model capable of simulating the operation of such an expander was imperative. The main advantage of using semi-empirical model for this process is the low computational cost, as it avoids the use of computationally demanding methods such as computational fluid dynamics to describe the phenomenon of expansion. Furthermore, because the concept of the construction of the model, it is easy to effectively adapt to a plurality of different data. This model was developed according to a semi-empirical thermodynamic model that was built by Lemort et. al. [1] and used successfully at the Laboratory of Steam Boilers and Thermal Plants of the National Technical University of Athens. Based on the deep knowledge and the long-time experience of the Laboratory in the field of volumetric expanders, a model was developed, able to describe and predict the function of such an expander that uses organic medium in saturated vapor conditions, with high accuracy. Under this background the new model was developed by altering some equations and by identifying the new limits of the thermodynamic sizes. The determination of the new model’s parameters achieved, by taking advantage of experimental data from a test rig consisted of a 9-cylinder piston expander and a heat pump. The installation of the test rig was part of the European project "EXP-Heat"[2] and the measurements were performed at the University of Firence. The operating conditions were set accordingly to the real conditions of the commercial heat pump. Due to the fact that the current literature does not provide us with sufficient information about the model’s parameters, an optimization’s procedure with the use of genetic algorithms was elected to identify the best values for achieving the greatest possible accuracy. Genetic optimization algorithms are one heuristic optimization method that finds wide application in complex multi-parameter problems of increased difficulty. After the calibration process the produced model was a reliable way to simulate the expander’s operation achieving a total error of lower than 10%. The next stage of the process was to compare every experimental set of values with those predicted from the model, in order to determine its consistency and its predictability in a wide operating range. Indeed, this process allowed the identification of the main causes for possible malfunction and to estimate the values of sizes that cannot be measured such as the mass flow leakages. Thus, this model is a useful tool for prediction and assessment of the sizes of our concern, without the need to conduct further experiments and with a low computational cost. Because of its effectiveness, this model can be used to predict the performance of the expansion machine systems under varying operating conditions and within the context of techno-economic studies A very important asset of this model is the ability to adapt to other volumetric expanders’ technologies and other working fluids by modifying its parameters values.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακκαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Ρακόπουλος, Κωνταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ,
heal.fullTextAvailability	true