Θερμοδυναμική ανάλυση ψυκτικής μηχανής απορροφήσεως Garimella με μικροκανάλια

Τσιάκαλος, Αλέξανδρος; Tsiakalos, Alexandros

dc.contributor.author	Τσιάκαλος, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Tsiakalos, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2018-09-07T11:20:43Z
dc.date.available	2018-09-07T11:20:43Z
dc.date.issued	2018-09-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47551
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15782
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Αντλίες θερμότητας	el
dc.subject	Αντλίες απορρόφησης	el
dc.subject	Αμμωνία - νερό	el
dc.subject	Μικροκανάλια	el
dc.subject	Απορρόφηση	el
dc.subject	Heat pumps	en
dc.subject	Absorption heat pumps	en
dc.subject	Ammonia - water	en
dc.subject	Microchannels	en
dc.subject	Absorption	en
dc.subject	Φωτοχημική χάραξη	el
dc.subject	Photochemical etching	en
dc.subject	Συσσωμάτωση με διάχυση	el
dc.subject	Diffusion bonding	en
dc.subject	Garimella	en
dc.subject	Solidworks	en
dc.subject	Flow simulation	en
dc.title	Θερμοδυναμική ανάλυση ψυκτικής μηχανής απορροφήσεως Garimella με μικροκανάλια	el
dc.title	Thermodynamic analysis of the Garimella microchannel absorption cooling unit	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αντλίες απορρόφησης αμμωνίας - νερού	el
heal.classification	Ammonia - water absorption heat pumps	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-22
heal.abstract	Οι εφαρμογές της ψύξης και θέρμανσης αποτελούν ένα αδιάσπαστο τμήμα της καθημερινότητας των ανθρώπων σήμερα, καθώς αποτελούν τη βάση για ένα ευρύ φάσμα θερμομηχανικών διεργασιών που δημιουργούν τις κατάλληλες συνθήκες για την διατήρηση ή και βελτίωση του επιπέδου διαβίωσης, τόσο στη βιομηχανία, όσο και στο εμπόριο. Η τεχνολογία πίσω από τις εφαρμογές αυτές υλοποιείται μέσω της λειτουργίας των αντλιών θερμότητας, οι οποίες έχουν την ιδιότητα να αντιστρέφουν την φυσική ροή θερμότητας μεταξύ σωμάτων, και να τη μεταφέρουν από τα ψυχρά στα θερμά. Μεταξύ άλλων, οι δύο πιο διαδεδομένοι τύποι αντλιών θερμότητας είναι οι μηχανικές αντλίες και οι αντλίες απορρόφησης. Η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στην τεχνολογία της απορρόφησης, και αφού διεξαχθεί εκτενής παρουσίαση των διαφορών της με αυτή της ατμοσυμπίεσης, ακολουθεί η ανάλυση της λειτουργίας της, οι εφαρμογές της καθώς και η εξέλιξή της μέσα στα χρόνια, ξεκινώντας από τη σύλληψη της αρχικής ιδέας στα μέσα του 17ου αιώνα. Στα πλαίσια της περιγραφής της εξέλιξής της περιλαμβάνεται και ταξινόμηση των μονάδων που χρησιμοποιούνται σήμερα και τα χαρακτηριστικά τους, καθώς και οι καινοτομίες που αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια οι οποίες την καθιστούν πια μια ανταγωνιστικότατη εναλλακτική της μέχρι σήμερα δημοφιλέστερης τεχνολογίας ατμοσυμπίεσης. Το κυρίως θέμα που πραγματεύεται η συγκεκριμένη εργασία παρόλα αυτά αφορά μια καινοτομία που προέρχεται από δύο ερευνητές του πανεπιστημίου της Georgia στις ΗΠΑ, τους Srinivas Garimella και Matthew Delos Determan, η οποίοι ανέπτυξαν μια πρωτότυπη ψυκτική μονάδα απορρόφησης με μικροκανάλια. Η ανάλυση της μηχανής αυτής ξεκινάει με την πλήρη περιγραφή του τρόπου λειτουργίας της και συνεχίζει με τις μεθόδους κατασκευής της. Στη συνέχεια ακολουθεί η επεξήγηση της λογικής που ακολούθησαν οι ερευνητές κατά την ανάπτυξη του θερμοδυναμικού της μοντέλου, μέσα από την ανάλυση της επίλυσης του κύκλου που τελικά δίνει τις θεωρητικές τιμές για το σημείο σχεδιασμού της. Σύμφωνα με αυτό, διεξάγεται μια εκτενής μελέτη γύρω από τον προσδιορισμό των φυσικών μεγεθών των επιμέρους στοιχείων της μηχανής, και ολοκληρώνεται με την επαλήθευση των υπολογισμών που εκτέλεσαν οι ερευνητές, με τη χρήση ενός υπολογιστικού μοντέλου που αναπτύχθηκε στο Mathcad. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το μοντέλο αυτό συγκρίνονται αφενός με αυτά που υπολόγισαν οι ερευνητές, και αφετέρου με τις θεωρητικές τιμές που προέκυψαν από το θεωρητικό θερμοδυναμικό μοντέλο, ενώ παρουσιάζεται και η βελτίωση στην προσέγγιση του συντελεστή απόδοσης της μηχανής μέσω της χρήσης της μεθόδου UA∙LMTD. Η μελέτη συνεχίζει με τον πλήρη σχεδιασμό της ψυκτικής μονάδας στο SolidWorks, σύμφωνα με τις τιμές που προσδιορίστηκαν από την παραπάνω διαδικασία. Τα βήματα που ακολουθήθηκαν κατά την ανάπτυξη του τρισδιάστατου αυτού μοντέλου περιγράφονται αναλυτικά, από κατασκευή των επιμέρους στοιχείων της μηχανής σε διδιάστατο επίπεδο, έως τη δημιουργία της ολοκληρωμένης τρισδιάστατης συναρμογής. Η ανάλυση της μονάδας ολοκληρώνεται με την θερμο-ρευστομηχανική προσομοίωση των εσωτερικών της διεργασιών, μέσω της επέκτασης Flow Simulation που περιέχει το SolidWorks. Το πρώτο σκέλος της μελέτης αποτελεί μια προσπάθεια αναπαραγωγής των αποτελεσμάτων που παρουσίασαν οι ερευνητές μέσω του προγράμματος ANSYS για μια απλουστευμένη παραλλαγή της μονάδας, η οποία παραλείπει πλήρως την λειτουργία που εκτελούν οι εναλλάκτες της, και την αντιμετωπίζει ως ένα ενιαίο στερεό σώμα. Το βήμα αυτό διεξήχθη με σκοπό την επιβεβαίωση της ακρίβειας του τρισδιάστατου μοντέλου καθώς και της ορθότητας των συνθηκών της ανάλυσης, ενώ αποτέλεσε τη βάση για το δεύτερο σκέλος της μελέτης, το οποίο αφορά την μηχανή με τα κανάλια, όπως ακριβώς είναι κατασκευασμένη. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης αυτής φανερώνουν την πραγματική λειτουργία της μηχανής, δίνοντας μορφή στα διάφορα θερμικά και ρευστομηχανικά της μεγέθη, όπως στις τροχιές των ροών, στις θερμοκρασίες, πιέσεις και συγκεντρώσεις των εργαζόμενων μέσων, καθώς και στον τρόπο που μεταφέρουν τη θερμότητα μέσα από τα κυκλώματα των στοιχείων της. Η συγκεκριμένη μοντελοποίηση πρόκειται για την πρώτη προσπάθεια απεικόνισης της εσωτερικής ροής και της συμπεριφοράς της μέσα στο κύκλωμα, και αποτελεί ένα μοναδικό εργαλείο κατανόησης των θερμικών διεργασιών της συγκεκριμένης μονάδας, ενώ στα πλαίσια της βελτιστοποίησης, σε συνδυασμό με το αρχείο Mathcad, παρέχει τη δυνατότητα πλήρους προσομοίωσης της λειτουργίας της, χωρίς να απαιτείται η κατασκευή νέου πρωτότυπου για κάθε τροποποίηση.	el
heal.abstract	Cooling and heating applications have become an inseparable part of our everyday life today, as they lie behind the operation of a vast range of thermo-mechanical industrial and commercial processes that create the necessary conditions for the preservation and improvement of our living standards. The technology behind these applications manifests through the operation of heat pumps, devices that have the ability to reverse the natural flow of heat between bodies, driving it from a cold area to a warmer one. Among others, the two most widely used types of heat pumps nowadays are mechanical and absorption heat pumps. The current study concentrates on the technology behind absorption systems, and after a thorough presentation of its differences with the conventional vapor compression technology, a detailed analysis of its inner processes and applications, as well as a historical overview of its evolution starting from the initial conception of the idea in the mid-17th century is carried out. In the context of presenting the evolution behind absorption systems, an extensive description of their classifications is provided along with their characteristics, as well as a description of the innovations that have been developed during the last decade, that make absorption technology a very competitive alternative of the, up to recently, more popular vapor compression technology. The main focus of this study, however, revolves around an innovation that has been recently created by two researchers of the Georgia Institute of Technology, USA, Srinivas Garimella and Matthew Delos Determan, who developed a compact prototype absorption cooling unit with microchannels. The study of this cooling unit begins with a thorough description of the fundamentals behind its operation and moves on to the manufacturing techniques used to create the study prototype. Furthermore, the logic behind the development of the system’s thermodynamic model is described in full, through the analysis of the steps the researchers followed while solving the cycle and calculating its design point conditions. According to these values, an extensive analysis of the methods and correlations used to calculate the physical dimensions of the components is carried out and is completed by recreating the steps followed by the researchers using a computational model created in Mathcad. First, the results calculated by this model are compared to the results calculated by the researchers, and second, to the results provided by the theoretical thermodynamic cycle for the design point conditions, while at the same time comparing the theoretical approach with the one that takes the physical dimensions into account using the UA∙LMTD method, when it comes to predicting the system’s coefficient of performance. The study continues with the full development of a 3D model of the cooling unit using SolidWorks, according to the values calculated from the processes above. The steps that were followed during this process are presented analytically, starting from the sketch of each individual component in a 2D environment, to adding all of the components together in a unified assembly. The last step of the study consists of a full thermal and flow simulation of the cooling unit’s inner processes using Flow Simulation, an application that is implemented into SolidWorks. The first part of the study describes an effort to recreate the results presented by the researchers, from their own flow simulation study carried out using ANSYS for a simplified variation of the designed unit, that completely disregards the existence of the heat exchangers and treats the unit as one single solid volume. This step is carried out in order to confirm the accuracy of the 3D model geometry as well as the correctness of the study conditions, and to eventually provide a foundation for the second part of the analysis which concerns the design of the cooling unit including the channels, the way it was meant to be manufactured. The results of this analysis reveal the true operation within this absorption cooling unit, giving shape to its various fluid and thermomechanical properties, such as particle flow trajectories, temperature and heat flux distributions, pressures and concentrations of the working fluids, as well as in the way they transfer heat throughout the circuits of the different components. This specific study constitutes a first effort to visualize the internal flow and its behavior throughout the system and is a unique tool that can be used for understanding the thermal processes of this particular unit, while in the context of optimization and in conjunction with the Mathcad model, it provides a platform for system simulation and testing, without the need to refabricate a prototype for every variable alternation.	en
heal.advisorName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη	el
heal.committeeMemberName	Στέγγου - Σαγιά, Αθηνά	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	178 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true