Πειραματική μελέτη λειτουργίας ψύκτη κύκλου υπερκρίσιμου CO2

Αλεξόπουλος, Χαράλαμπος; Alexopoulos, Charalampos

dc.contributor.author	Αλεξόπουλος, Χαράλαμπος	el
dc.contributor.author	Alexopoulos, Charalampos	en
dc.date.accessioned	2020-09-25T10:05:34Z
dc.date.available	2020-09-25T10:05:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51156
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18854
dc.rights	Default License
dc.subject	Ψύξη	el
dc.subject	Υπερκρίσιμο	el
dc.subject	On - design ανάλυση	el
dc.subject	Off - design ανάλυση	el
dc.subject	Refrigeration	en
dc.subject	Supercritical	en
dc.subject	On - design analysis	en
dc.subject	Off - design analysis	en
dc.subject	Carbon dioxide	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.title	Πειραματική μελέτη λειτουργίας ψύκτη κύκλου υπερκρίσιμου CO2	el
dc.title	Experimental performance investigation of gas cooler used in a supercritical CO2 cycle	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ψύξη	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-02-21
heal.abstract	Αυτή η διπλωματική εργασία αποτελεί μέρος ενός project στο Πανεπιστήμιο του Bayreuth. Το project αποσκοπεί στην μελέτη ενός αποδοτικού συστήματος κλιματισμού για οικιακές εφαρμογές με την χρήση φυσικών ψυκτικών υγρών. Το σύστημα στοχεύει στην κάλυψη των απαιτούμενων φορτίων κλιματισμού για πολυκατοικίες σε τέσσερις ευρωπαϊκές χώρες: Γερμανία (88 W/m²), Ισπανία (120 W/m²), Ελλάδα (143 W/m²), Κύπρος (180 W/m²). Με βάση αυτά τα φορτία, τρία συστήματα κλιματισμού ερευνήθηκαν, χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα (CO2) για ψυκτικό μέσο. Το CO2 είναι ένα φυσικό, χαμηλού κόστους, μη εύφλεκτο, μη τοξικό ψυκτικό με καλές θερμοδυναμικές ιδιότητες. Για αυτό το λόγο έχει αναδειχθεί ως ένα αξιόπιστο φυσικό μέσο για την αντικατάσταση των HFCs. Τα συστήματα ψύξης με CO2 χαρακτηρίζονται από τις υψηλές σχετικά πέσεις, επιβάλλοντας ιδιαίτερη προσοχή στον σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτεί ο σχεδιασμός του συμπυκνωτή (gas cooler) που αποτελεί ένα από τα πιο κρίσιμα στοιχεία αυτών των συστημάτων. Ένας από τους πιο διαδεδομένους και καθιερωμένους τύπους εναλλάκτη για αυτές τις εφαρμογές είναι ο τύπος σωλήνων με πτερύγια. Σε αυτή τη διατριβή, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση σχεδιασμού ενός οικονομικά αποδοτικού και αξιόπιστου εναλλάκτη τύπου σωλήνων με πτερύγια. Οι οριακές συνθήκες του συστήματος έχουν καθοριστεί με την χρήση του προγράμματος Aspen και με βάση αυτών, καθορίστηκε το σημείο σχεδιασμού του συστήματος. Επιπλέον, δύο διαφορετικά σημεία σχεδιασμού καθορίστηκαν με βάση την ύπαρξη inverter. Για τον σχεδιασμό του συμπυκνωτή (gas cooler) γράφτηκε κώδικας στην Matlab R2019a μελετώντας τρεις διαφορετικούς σωλήνες με πτερύγια και δύο αριθμούς σειρών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύστημα με inverter χρειάζεται μεγαλύτερο εναλλάκτη σε σχέση με το σύστημα χωρίς inverter. Εκτός αυτού, χρησιμοποιεί σωλήνες με πτερύγια με μεγαλύτερη εξωτερική διάμετρο. Πιο συγκεκριμένα, συμπυκνωτής με επιφάνεια συναλλαγής 2.106 m² και ένας σωλήνας με εξωτερική διάμετρο do = 0.0185 m υπολογίστηκε για το σύστημα με inverter. Για το σύστημα χωρίς inverter υπολογίστηκε συμπυκνωτής με επιφάνεια συναλλαγής 1.1697 m² και ένας σωλήνας με εξωτερική διάμετρο do = 0.00735 m. Στην συνέχεια της διατριβής αυτής, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση της απόδοσης των εναλλακτών που σχεδιάστηκαν με βάση το σημείο σχεδιασμού. Οι υπολογισμοί έγιναν με την χρήση ενός κώδικα που δημιουργήθηκε στην Matlab R2019a. Ο κώδικας αυτός επικυρώθηκε με ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Bayreuth. Για το πείραμα χρησιμοποιήθηκε ένα test-rig που βρισκόταν στο Πανεπιστήμιο. Η πειραματική διάταξη αποτελούταν από έναν συμπυκνωτή, θερμαντήρα, βαλβίδα ροής μάζας με κατάλληλο μετρητικό εξοπλισμό και νερό για ψυκτικό μέσο. Επιπλέον, τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν για διαφορετικές θερμοκρασίες εισόδου νερού, συχνότητες ανεμιστήρα και παροχής μάζας νερού. Με αυτόν τον τρόπο, διεξήχθησαν αποκλίσεις μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και των υπολογισμών και μεταξύ των σχέσεων για τους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας για αέρα και ψυκτικό υγρό. Συγκεκριμένα για το συντελεστή μεταφορά θερμότητας από την πλευρά του ψυκτικού υγρού iii χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις του Gnielinski και του Dittus Boelter, ενώ για τον αέρα οι σχέσεις του VDI-Heat Atlas, Gianolo and Cuti, και Schmidt. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι αποκλίσεις μεταξύ των σχέσεων για την πλευρά του ψυκτικού υγρού είναι περίπου 1 %. Όσον αφορά τις αποκλίσεις μεταξύ των σχέσεων για την πλευρά του αέρα, η σχέση του VDI-Heat Atlas έδειξε τα πιο ακριβή αποτελέσματα, ενώ για την σχέση του Gianolo and Cuti έδειξαν σημαντική διαφορά. Συνολικά, τα πιο ακριβή αποτελέσματα ελήφθησαν εφαρμόζοντας τις σχέσεις VDI-Heat Atlas και Gnielinski για την πλευρά του αέρα και του ψυκτικού υγρού, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα, επίσης έδειξαν ότι οι αποκλίσεις επηρεάζονται ιδιαίτερα από την συχνότητα περιστροφής του ανεμιστήρα. Τελικά, οι υπολογισμοί του κώδικα προσεγγίζουν ικανοποιητικά τα πειραματικά αποτελέσματα για συχνότητες του ανεμιστήρα από 60 - 80 Hz. Οι αποκλίσεις σε αυτό το εύρος συχνοτήτων είναι περίπου 8 %. Το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής αυτής εμπεριέχει την ανάλυση του συμπυκνωτή σε διαφορετικές συνθήκες από τις συνθήκες σχεδιασμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο COP του συστήματος με inverter είναι σημαντικά μεγαλύτερος. Πιο συγκεκριμένα, ο COP του συστήματος με inverter για θερμοκρασία περιβάλλοντος Tamb = 20 ° C είναι 4.6, ενώ ο COP του συστήματος χωρίς inverter είναι 4.3. Επιπλέον, το σύστημα χωρίς inverter δεν μπορεί να ακολουθήσει τα ευρωπαϊκά πρότυπα χωρίς άλλες εφαρμογές, όπως την ρύθμιση της πίεσης λειτουργίας του συστήματος. Από την άλλη πλευρά, το σύστημα με inverter συμβαδίζει με τα ευρωπαϊκά πρότυπα και επιτυγχάνει ευρωπαϊκό λόγο εποχιακής ενεργειακής απόδοσης (ESEER) 4.11. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα με inverter χαρακτηρίζεται από την κατηγορία Α.	el
heal.abstract	This thesis is a part of a large project initiated by the University of Bayreuth, Energy Department. The project aims to develop an efficient air conditioning system for residential applications based on natural working fluids. The target of the system is to cover the required air conditioning loads for multi-family houses in four European countries: Germany (88 W/m²), Spain (120 W/m²), Greece (143 W/m²), Cyprus (180 W/m²). Based on those loads, three different refrigeration cycles for an air-conditioning system were investigated that use carbon dioxide (CO2) as a working fluid. CO2 is a natural, low cost, non-flammable, non-toxic refrigerant with good thermophysical properties. Even if it has emerged as a credible natural refrigerant to replace HFCs, CO2 refrigeration systems operate at relatively high pressures and this imposes special design and control considerations. The gas cooler is a very crucial component of these systems and can have a significant influence on their performance. The finned tube type for gas coolers is well established in the HVAC and refrigeration industries. In this thesis, an on-design analysis of a cost-efficient and reliable detailed air finned gas cooler design has been carried out. The boundary conditions of the system have been defined and based on those, two different concepts have been investigated with respect to the use of an inverter. For both of them, the on-design point has been determined and thus a gas cooler’s design has been defined. For this purpose, a script in Matlab R2019a has been created. The investigation included three potential finned tubes and two potential numbers of rows. The results show that the system with an inverter needs a bigger gas cooler as the gas cooler’s duty is bigger. Besides, it uses finned tubes with bigger outside diameter. More specifically, a gas cooler with a bundle area of 2.106 m² and a finned tube with an outside diameter of do = 0.0185 m was defined for the system including an inverter. On the other hand, for the no-inverter system a gas cooler with a bundle area of 1.1697 m² and a finned tube with an outside diameter of do = 0.00735 m was defined. Another aspect of the thesis is an analysis of the off-design performance of the gas coolers. A script in Matlab R2019a has been created and validated with an experiment carried out at the University of Bayreuth. A test rig was used consisting of a condenser, a heater, a mass flow valve and, appropriate measurements. The water was used as a refrigerant and the experiments were carried out for different water inlet temperatures, fan frequencies, and water mass flows. The off-design script was run regarding the experimental values and the deviations between the model and the experimental results were extracted. Besides that, a comparison between potential heat transfer correlations for the air side as well as the refrigerant side heat transfer coefficient has been extracted. Particularly, the Gnielinski and Dittus-Boelter correlation were used for the refrigerant side heat transfer coefficient and the VDI-Heat Atlas, Gianolo and Cuti and Schmidt correlations were used for the air side heat transfer coefficient. The results showed that the deviations between the refrigerant heat transfer correlations are about 1 %. As far as the deviations between the air-side heat transfer correlations, the VDI-Heat Atlas showed the most accurate results, while the Gianolo and Cuti showed significantly bigger deviations. The most accurate results were v obtained using the VDI-Heat Atlas and Gnielinski correlation for the air and refrigerant side, accordingly. The results showed that the deviations are highly-affected by the fan frequency and the script can approach adequately the experiments for fan frequencies from 60 – 80 Hz. The deviations in that fan frequency range are about 8 %. The off-design performance for the two concepts has been investigated. The results showed that the COP of the system with an inverter is significantly higher. The COP of the inverter system for an ambient temperature of Tamb = 20 °C is 4.6 while the no-inverter system’s COP is 4.3. Furthermore, the no-inverter system cannot follow the European seasonal energy efficiency standards without investigating other processes such as the regulation of the system’s pressure process. On the other hand, the inverter system follows adequately the European seasonal energy efficiency standards with a European seasonal energy efficiency ratio of 4.11. That means the inverter system is characterized by the A energy efficient class.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	119 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false