Θερμοδυναμική ανάλυση ψυκτικής μηχανής απορροφήσεως Garimella με μικροκανάλια - Τσιάκαλος, Αλέξανδρος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας, 2018)
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.