Πρόβλεψη ιδιοτήτων καθαρών ψυκτικών ρευστών καθώς και μιγμάτων ψυκτικών. Εφαρμογή σε κύκλα ψύξης με συμπίεση ατμών

Κολυβά, Μιχαέλα; Koliva, Michaela

dc.contributor.author	Κολυβά, Μιχαέλα	el
dc.contributor.author	Koliva, Michaela	en
dc.date.accessioned	2024-04-01T09:18:44Z
dc.date.available	2024-04-01T09:18:44Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59079
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26775
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	Ψυκτικά μέσα	el
dc.subject	Ισορροπία φάσεων ατμών-υγρού	el
dc.subject	Ψυκτικά κύκλα	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Refrigerants	en
dc.subject	UMR-MCPRU	en
dc.subject	Vapor-liquid phase equilibria	en
dc.subject	Refrigerant cycles	en
dc.subject	Simulation	en
dc.title	Πρόβλεψη ιδιοτήτων καθαρών ψυκτικών ρευστών καθώς και μιγμάτων ψυκτικών. Εφαρμογή σε κύκλα ψύξης με συμπίεση ατμών	el
heal.type	bachelorThesis	el
heal.classification	thermodynamics	en
heal.language	el	el
heal.access	free	el
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-09-29
heal.abstract	Η ανάγκη συμμόρφωσης με τους πρόσφατους Κανονισμούς και οδηγίες έχει ως απόρροια την εντατικοποίηση στην αναζήτηση βιώσιμων και περιβαλλοντικά φιλικών ψυκτικών μέσων. Απαιτείται η εύρεση νέων ψυκτικών μέσων που δύνανται να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στα διάφορα οικιακά και βιομηχανικά ψυκτικά συστήματα, επιτυγχάνοντας το μικρότερο δυνατό οικολογικό αποτύπωμα. Σε αυτό το πλαίσιο, τα μίγματα που αποτελούνται από εναλλακτικά ψυκτικά μέσα παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον, διότι προσφέρουν τη δυνατότητα επιλογής της σύνθεσής τους ώστε να εμφανίζουν τις επιθυμητές ιδιότητες σε κάθε εφαρμογή. Ωστόσο η διαθεσιμότητα πειραματικών δεδομένων που αφορούν τις θερμοφυσικές ιδιότητες των εναλλακτικών ψυκτικών είναι περιορισμένη, ενώ είναι ακόμη μικρότερη στις περιπτώσεις των μιγμάτων αυτών. Το γεγονός αυτό δυσχεραίνει την πρόβλεψη της αποτελεσματικότητας των νέων ψυκτικών μέσων και την εκτίμηση της προοπτικής χρήσης τους στα συστήματα ψύξης. Κατά συνέπεια, είναι πολύ σημαντική η ανάπτυξη θερμοδυναμικών μοντέλων που να μπορούν να προβλέπουν με ικανοποιητική ακρίβεια τη θερμοδυναμική συμπεριφορά των καθαρών ψυκτικών μέσων και των μιγμάτων τους, απαιτώντας το ελάχιστο πλήθος πειραματικών δεδομένων. Στην παρούσα εργασία διερευνάται η χρήση του θερμοδυναμικού μοντέλου UMR-MCPRU στον υπολογισμό της ισορροπίας φάσεων ατμών-υγρού στα καθαρά ψυκτικά και στα μίγματα τους. Το μοντέλο συγκαταλέγεται στην κατηγορία των EoS/GE και συνδυάζει την κυβική καταστατική εξίσωση Peng-Robinson με το μοντέλο συντελεστού ενεργότητας UNIFAC, χρησιμοποιώντας τους κανόνες ανάμιξης UMR. Αρχικά, δημιουργήθηκε μία βάση πειραματικών δεδομένων για τα καθαρά συστατικά, η οποία περιλαμβάνει δεδομένα τάσης ατμών, γραμμομοριακού όγκου κορεσμένης υγρής και ατμώδους φάσης, ειδικών θερμοτήτων κορεσμένης υγρής και ατμώδους φάσης και ενθαλπίας εξάτμισης. Με στόχο την ακριβή περιγραφή της τάσης ατμών των καθαρών συστατικών, χρησιμοποιήθηκε η έκφραση των Mathias-Copeman (MC) για τον ελκτικό όρο της Peng-Robinson, πραγματοποιώντας προσαρμογή των τριών παραμέτρων της στα δεδομένα τάσης ατμών και ειδικών θερμοτήτων. Η έκφραση MC πέτυχε καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με την έκφραση Soave, οδηγώντας σε μέσο σχετικό σφάλμα υπολογισμού της τάσης ατμών της τάξης 0.5%, έναντι του 4.3% της κλασσικά χρησιμοποιούμενης έκφρασης Soave. Τα σφάλματα υπολογισμού της ισοβαρούς ειδικής θερμότητας κορεσμένης υγρής και ατμώδους φάσης των καθαρών συστατικών με χρήση του μοντέλου MCPR προέκυψαν ίσα με 6.6% και 12.7% αντίστοιχα. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο γραμμομοριακός όγκος στην κορεσμένη υγρή και στην κορεσμένη ατμώδη κατάσταση. Προκειμένου να βελτιωθούν τα αποτελέσματα, η εξίσωση MCPR τροποποιήθηκε με την προσθήκη διόρθωσης όγκου που υπολογίστηκε ώστε να ελαχιστοποιεί τον μέσο όρο των μέσων σχετικών σφαλμάτων του γραμμομοριακού όγκου υγρής φάσης. Τα σφάλματα υπολογισμού του γραμμομοριακού όγκου των καθαρών συστατικών με την MCPR με προσθήκη διόρθωσης όγκου προέκυψαν ίσα με 2.7% στην κορεσμένη υγρή και 1.2 % στην κορεσμένη ατμώδη φάση. Οι υπολογισμοί που αφορούν τα καθαρά συστατικά ολοκληρώνονται με τον προσδιορισμό της ενθαλπίας εξάτμισης. Το σφάλμα της MCPR στον υπολογισμό της ενθαλπίας εξάτμισης προέκυψε ίσο με 1.4%. Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν οι παράμετροι αλληλεπίδρασης της UNIFAC μέσω προσαρμογής σε πειραματικά δεδομένα ισορροπίας φάσεων δυαδικών μιγμάτων. Για συγκριτικούς λόγους, η ισορροπία φάσεων ατμών-υγρού προβλέφθηκε και με το μοντέλο REFPROP το οποίο χρησιμοποιείται στη μελέτη ψυκτικών μέσων και είναι ενσωματωμένο στο υπολογιστικό πακέτο του Aspen Hysys © V11. Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί Πίεσης Σημείου Φυσαλίδας. Τα δύο μοντέλα δίνουν εξίσου καλά αποτελέσματα, με το μέσο σχετικό σφάλμα πρόβλεψης της τάσης ατμών να είναι ίσο με 1.57% με το UMR-MCPRU και 1.55% με το REFPROP. Το μέσο σχετικό σφάλμα πρόβλεψης της γραμμομοριακής σύστασης ατμώδους φάσης είναι 0.99% με το UMR-MCPRU και 1.15% με το REFPROP. Μετά την ολοκλήρωση των υπολογισμών στα δυαδικά μίγματα, οι παράμετροι αλληλεπίδρασης της UNIFAC χρησιμοποιήθηκαν για την πρόρρηση της ισορροπίας φάσεων ατμών-υγρού τριαδικών μιγμάτων των μελετούμενων ψυκτικών μέσων. Όπως και στα δυαδικά μίγματα, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα του REFPROP. To μέσo σχετικό σφάλμα στον υπολογισμό της πίεσης σημείου φυσαλίδας είναι 2.60% με το UMR-MCPRU και 1.16% με το REFPROP. Τα μέσα σφάλματα γραμμομοριακής σύστασης ατμώδους φάσης των τριών συστατικών κάθε μίγματος είναι 1.46%, 1.59% και 2.97% με το UMR-MCPRU και 0.94%, 0.94% και 1.41% με το REFPROP. Τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά και για τα δύο θερμοδυναμικά μοντέλα. Συγκριτικά, το REFPROP φαίνεται να προβλέπει ακριβέστερα την ισορροπία φάσεων των πολυσυστατικών μιγμάτων.Τέλος, προκειμένου το UMR-MCPRU να αξιολογηθεί όσο το δυνατόν πληρέστερα, προσομοιώθηκε η λειτουργία ψυκτικού κύκλου με συμπίεση ατμών στο περιβάλλον του UniSim Design R492. Έγινε προσομοίωση ψυκτικού κύκλου με συμπίεση ατμών σε μία βαθμίδα και σε δύο βαθμίδες, χρησιμοποιώντας καθαρά ψυκτικά μέσα, δυαδικά και τριαδικά μίγματα. Το UMR-MCPRU εισάχθηκε στο UniSim Design της εταιρείας Honeywell με το πρωτόκολλο Cape-Open, ενώ τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα του REFPROP. Τα μεγέθη που υπολογίστηκαν με τα δύο μοντέλα είναι η θερμοκρασία και η πίεση σε διάφορα σημεία του κύκλου και η μαζική και η ογκομετρική παροχή του ψυκτικού. Ακόμη, υπολογίστηκαν η θερμότητα που απομακρύνεται από τον εξατμιστήρα, το καταναλισκόμενο έργο συμπίεσης και ο συντελεστής λειτουργίας του κύκλου. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν με το UMR-MCPRU διαφέρουν ελάχιστα από αυτά που προκύπτουν με το REFPROP, ενισχύοντας την αξιοπιστία του μοντέλου. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδεικνύουν πως η χρήση του μοντέλου UMR-MCPRU για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς ψυκτικών μέσων σε συστήματα ψύξης οδηγεί σε έγκυρα αποτελέσματα. Πρόκειται για ένα αξιόπιστο και εύχρηστο θερμοδυναμικό μοντέλο που δύναται να χρησιμοποιηθεί σε αυτού του είδους τα συστήματα, στα οποία χρησιμοποιείται ευρέως το εμπορικό μοντέλο REFPROP. (el)	el
heal.abstract	The need of compliance with the recent regulations and guidelines has resulted in the intensification of the research for sustainable and environmentally friendly refrigerants. It is necessary to find new refrigerants that can be used effectively in various domestic and industrial refrigeration systems, leaving the smallest possible ecological footprint. In this context, mixtures of alternative refrigerants are interesting, because they offer the possibility of selecting their composition in order to achieve the desired properties in each application. However, the availability of experimental data concerning the thermophysical properties of alternative refrigerants is limited, even more regarding their mixtures. This fact makes it difficult to predict the effectiveness of new refrigerants and to estimate the prospect of their use in refrigeration systems. It is very important to develop thermodynamic models that can precisely predict the thermodynamic behavior of pure refrigerants and mixtures, requiring the minimum amount of experimental data. In this work, the use of the thermodynamic model UMR-MCPRU for the calculation of the vapor-liquid phase equilibrium of pure refrigerants and their mixtures is studied. The model belongs to the category of EoS/GE and combines the cubic equation of state Peng-Robinson with the UNIFAC group-contribution activity coefficient model, using the UMR mixing rules. First, an experimental data base for the pure components was created, which includes data on vapor pressure, saturated liquid and vapor molar volumes, saturated liquid and vapor specific heats, and enthalpies of vaporization. Aiming to accurately describe the vapor pressure of the pure components, the Mathias-Copeman expression (MC) was used for the Peng-Robinson attractive term, fitting its three parameters to the vapor pressure and specific heat experimental data. The MC expression achieved better results compared to the Soave expression, leading to an average relative deviation (ARD) in vapor pressure of 0.5%, compared to Soave's 4.3% which is conventionally used. The ARDs of the isobar specific heat at saturated liquid and vapor phases of the pure components using the MCPR model were found to be equal to 6.6% and 12.7%, respectively. The molar volume at the saturated liquid and vapor states was then calculated. In order to improve the results, the MCPR equation was modified by adding a volume translation, calculated to minimize the ARD of the liquid phase molar volume. The ARDs of the molar volume of the pure components with MCPR were equal to 2.7% in the saturated liquid and 1.2% in the saturated vapor phase. Calculations involving the pure components are completed by determining the enthalpy of vaporization. The error of MCPR in calculating the enthalpy of vaporization was found to be equal to 1.4%. The UNIFAC interaction parameters employed by UMR-MCPRU were then calculated by fitting to vapor-liquid phase equilibrium experimental data of binary mixtures. For comparative purposes, the vapor-liquid phase equilibrium was also calculated with the REFPROP model, which is recommended for the study of refrigerants and is included in Aspen Hysys © V11. Bubble Point calculations were performed. The two models perform equally well, with the average relative error in vapor pressure being equal to 1.57% with UMR-MCPRU and 1.55% with REFPROP. The average relative error in the molar composition of the vapor phases is 0.99% with UMR-MCPRU and 1.15% with REFPROP.After the calculations on the binary mixtures, the UNIFAC interaction parameters were used to predict the vapor-liquid phase equilibria of the ternary mixtures of the studied refrigerants. As with binary mixtures, the results were compared to those of REFPROP. The average relative deviation in vapor pressure calculation is 2.60% with UMR-MCPRU and 1.16% with REFPROP. The ARDs in the molar composition of the vapor phase of the three components of each mixture are 1.46%, 1.59% and 2.97% with UMR-MCPRU and 0.94%, 0.94% and 1.41% with REFPROP. The results are sufficiently good for both thermodynamic models. In comparison, REFPROP appears to be more accurate at the prediction of the phase equilibria of multicomponent mixtures. Finally, in order to evaluate the UMR-MCPRU model, the operation of a vapor compression refrigeration cycle was simulated using the UniSim Design R492 environment. A single-stage and a two-stage vapor compression refrigeration cycle was simulated using pure refrigerants, binary and ternary mixtures. UMR-MCPRU was integrated into the UniSim Design of Honeywell company with the Cape-Open protocol, and the results were compared with those of REFPROP model. The values calculated with the two models are the temperature and pressure at various points of the cycle and the mass and volumetric flow of the refrigerant. In addition, the heat that is removing from the evaporator, the work of compression and the operating coefficient of the cycle were calculated. The results obtained with UMR-MCPRU are similar to those obtained with REFPROP, enhancing the reliability of the model. The results of the present work indicate that the use of the UMR-MCPRU model for predicting the behavior of refrigerants in refrigeration systems leads to accurate results. It is a reliable and easy-to-use thermodynamic model that can be used in this kind of systems, where the commercial REFPROP model is widely used.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Λούλη, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Ζαννίκος, Φανούριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua	el
heal.numberOfPages	107 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false