Μοντελοποίηση και πειραματική διερεύνηση εκτονωτών θετικής εκτόπισης για συστήματα μικρής κλίμακας μηχανικού κύκλου συμπίεσης ατμού (VCC) - Μπούκας, Ιωάννης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων, 2015)
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.