Experimental evaluation of work recovery potential in commercial heat pumps using a piston expander prototype.

Πετσανάς, Δημήτριος; Petsanas, Dimitrios

dc.contributor.author	Πετσανάς, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Petsanas, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2017-09-05T07:44:55Z
dc.date.available	2017-09-05T07:44:55Z
dc.date.issued	2017-09-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45511
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14245
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Αντλία θερμότητας	el
dc.subject	Εκτονωτής	el
dc.subject	Εμβολοφόρος	el
dc.subject	Ψυκτικός κύκλος	el
dc.subject	Ανάκτηση ενέργειας	el
dc.subject	Heat pump	en
dc.subject	Expander	en
dc.subject	Piston-type	en
dc.subject	Vapor compression cycle	en
dc.subject	Energy recovery	en
dc.title	Experimental evaluation of work recovery potential in commercial heat pumps using a piston expander prototype.	en
dc.title	Πειραματική αξιολόγηση της δυνατότητας ανάκτησης ενέργειας σε εμπορικές αντλίες θερμότητας με τη χρήση πρότυπου εμβολοφόρου εκτονωτή.	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e28f7158e6b5a7ea8a761c16a60839b122429a60
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-07
heal.abstract	Ο στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να ερευνηθεί η πιθανότητα ανάκτησης ενέργειας σε εμπορικές αντλίες θερμότητας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αντικαθιστώντας τη συμβατική εκτονωτική βαλβίδα με έναν ακτινικό εμβολοφόρο εκτονωτή, προκειμένου να περιοριστούν οι θερμοδυναμικές απώλειες κατά τη διαδικασία της εκτόνωσης. Ο σκοπός του είναι να επιτρέψει στο υγρό υπό υψηλή πίεση να εκτονωθεί έτσι ώστε να παραχθεί μηχανικό έργο που μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μπορεί να τροφοδοτήσει το συμπιεστή της αντλίας θερμότητας, μειώνοντας την ηλεκτρική κατανάλωση του και έτσι κάνοντας το σύστημα ενεργειακά αποδοτικότερο. Ο εκτονωτής που δοκιμάστηκε στο εργαστήριο του ΕΜΠ βασίζεται σε έναν εμπορικό υδραυλικό κινητήρα της εταιρείας Italgroup®. Επανασχεδιάστηκε για χρήση με φρέον και αντίστοιχα κατασκευάστηκε από την εταιρεία στο πλαίσιο του προγράμματος EXP-HEAT, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Μια ειδική διάταξη για την πειραματική αξιολόγηση του ενσωματωμένου στην αντλιά θερμότητας εκτονωτή αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων του ΕΜΠ. Όσον αφορά την ενσωμάτωση του εκτονωτή, ο στόχος ήταν να διατηρηθούν οι αλλαγές στην εμπορική αντλία στο ελάχιστο. Κάτι τέτοιο θα δήλωνε πως η εγκατάσταση ενός τέτοιου εκτονωτή μπορεί να πραγματοποιηθεί εύκολα και θα επέφερε σχετικά μικρό κόστος σε σχέση με τα πλεονεκτήματα του μακροπρόθεσμα. Μια σειρά πειραμάτων ξεκίνησε πριν και μετά την ενσωμάτωση του εκτονωτή στην αντλία θερμότητας για να διαπιστωθεί αν οι αλλαγές είχαν επίδραση στην κανονική λειτουργία της αντλίας θερμότητας (δηλαδή με τον εκτονωτή να μη συμμετέχει). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συμπεριφορά της, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και η παραγόμενη θερμική ισχύς παρέμειναν στα ίδια επίπεδα. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων αφορούσε τη λειτουργία του εκτονωτή. Ο κύριος στόχος αυτού του μέρους ήταν η αξιολόγηση της όποιας αύξησης σε επίδοση της συμβατικής αντλίας θερμότητας. Αύξηση του COP λίγο πάνω από 2% επιτέυχθηκε με πίεση υγρού 16.16 bar στην είσοδο του εκτονωτή. Τα πειραματικά δεδομένα συνιστούν μια συγκεκριμένη σχέση μεταξύ του COP και της πίεσης εισόδου στον εκτονωτή, το οποίο επέτρεψε την εκτίμηση των τιμών του COP για μεγαλύτερες πιέσεις. Μια αρκετά ενθαρρυντική τιμή για αύξηση του COP κατά 3.8% υπολογίστηκε για πίεση εισόδου 25 bar. Ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης του συμπιεστή έφτασε τη μέγιστη τιμή του 17.1% ενώ θα μπορούσε να ξεπεράσει το 24% αν η πίεση εισόδου αυηξηθεί. Κλείνοντας με την επίδοση του εκτονωτή, η παραγόμενη μηχανική ισχύς από την άτρακτο του έφτασε τα 140.36 W, ενώ σύφωνα με εκτίμηση απο τη συσχέτιση των πειραματικών δεδομένων, η ισχύς αυτή θα μπορούσε να ξεπεράσει τα 250 W υπό 25 bar πίεσης εισόδου. Τέλος, μετά το πείραμα της λειτουργίας του εκτονωτή, εξήχθηκαν συμπεράσματα σχετικά με ζητήματα αξιοπιστίας και συντήρησης του πρότυπου εκτονωτή. Ένας έλεγχος του εσωτερικού του εκτονωτή μετά από κάποιες ώρες λειτουργίας έδωσε πολύτιμα στοιχεία σχετικά με τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του, τα οποία αναλύονται στα τελευταία κεφάλαια της εργασίας. Κλείνοντας, το θέμα της αυτοματοποίησης αναλύεται σχετικά με την ανάπτυξη ενός εντελώς αυτοματοποιημένου προϊόντος στη μορφή ενός εργαλείου ενσωμάτωσης που μπορεί να υιοθετηθεί από την αγορά των τομέων θέρμανσης και κλιματισμού.	el
heal.abstract	The goal of this diploma thesis is to investigate the possibility of energy recovery in commercial heat pump units. This can be achieved by replacing the standard throttling valve with a radial piston-type expander in order to minimize the thermodynamic losses during the expansion process. Its purpose is to allow the high pressure liquid to expand in order to produce mechanical work that can be converted into electricity. The produced electrical power can be supplied to the heat pump’s compressor, reducing its electricity consumption, thus making the system more energy efficient. The expander that was tested in the NTUA laboratory is based on a commercial hydraulic motor of Italgroup®. It was redesigned for use with refrigerants and accordingly manufactured by the company in the framework of the EXP-HEAT project funded by the European Commission. A dedicated test rig for the experimental evaluation of the integrated expander in a commercial heat pump unit was developed and constructed in the laboratory of Steam Boilers and Thermal Plants of NTUA. As far as the retrofitting process is concerned, the major goal was to maintain the modifications on the commercial heat pump as few as possible. This would indicate that the installment of such an expander could be materialized quite easily and would induce a relatively low cost compared to the benefits that the expander’s performance can provide in the long term. An initial experimental campaign was launched before and after the expander was incorporated to the heat pump, in order to evaluate the effect of the retrofitting procedure on the performance of the unit in normal operation (i.e. using the initial throttling valve). The results showed that its performance, operational characteristics and output thermal power remained in the same levels. The second series of experiments concerned the expander mode operation. The main objective of this part was the evaluation of the performance boost of the standard heat pump. A COP increase of over 2% was achieved under 16.16 bar of liquid refrigerant pressure at the expander inlet. The experimental data provided a certain relationship between the COP value and the inlet pressure which led to the extrapolation of the obtained results for higher operational pressures. An encouraging value of a theoretical 3.8% COP increase under a pressure of 25 bar was calculated. The expander’s isentropic efficiency reached a maximum value of 17.1% that could theoretically exceed 24% if the inlet pressure is raised at 25 bar. To conclude with the expander’s performance, the produced mechanical power by the expander’s shaft reached 140.36 W, while through the extrapolation process of the obtained experimental data, an estimated value of over 250 W at 25 bar could be attained. Last but not least, after the expander mode operation experiment, certain conclusions were drawn regarding maintenance and reliability issues of the expander prototype. An inspection of the expander’s interior after several operating hours provided valuable clues on the optimization of its performance that are discussed in the final chapters of the thesis. Finally, the topic of automation is discussed in the direction of developing a fully automated product, as a retrofit kit that could be widely adopted by the heating and refrigeration market.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.	en
heal.fullTextAvailability	true