Experimental evaluation of work recovery potential in commercial heat pumps using a piston expander prototype. - Πετσανάς, Δημήτριος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων, 2017)
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.