Θερμοδυναμική ανάλυση συστημάτων θερμικής αποθήκευσης και ηλιακής ψύξης με χρήση νανορευστών

Abstract

The objective of this dissertation is to investigate the operation and efficiency of an adsorption solar cooling system as well as the application of nanotechnology in the form of nanofluids in the fundamental applications of Mechanical Engineering such as heat and mass transfer. In particular, the aim of the present research is the experimental and computational study of a hybrid system which involves thermal energy production through evacuated tube solar collectors, power generation and heat generation via hybrid parabolic thermal-photovoltaic solar collectors, storage of heat in storage tanks and its consumption in order to drive a zeolite adsorption cooler cooling production without the use of environmentally harmful organic refrigerants. Thermal energy storage is further examined through the experimental study of a system featuring paraffin-type organic phase change material. The evaluation of the above system also includes the use of nanoparticles in order to examine the improvement of its performance. From the study of available literature, it is concluded that significant progress has been made in the field of nanofluids. Most of the theoretical and experimental work regards the properties of nanofluids and their effect on heat and mass transfer applications. However, the literature review shows that important steps remain before their commercial use, steps concerning their production, their stability and their cost. The study of nanofluids, in the context of this dissertation, involves the modeling of the natural and forced convection of nanofluids flow in microchannels, the assessment of the nanofluids utilization in condensers and evaporators and the effect of nanoparticles on carbon dioxide absorption. Thereafter, thermal energy storage systems are examined. Among the various thermal energy storage technologies, phase change materials (PCM) exhibit considerable advantages, making them ideal for storing heat but also for maintaining a constant temperature for a long time. PCMs take advantage of the latent heat of melting and thus they store more energy than materials which utilize only sensible heat. In addition, during phase change, PCMs maintain a constant temperature, contributing to the reduction of the required thermal and cooling loads of buildings. Despite the above advantages, phase change materials require a long time to switch from solid to liquid phase and vice versa due to their low thermal conductivity. The study of phase change materials is multifaceted and includes numerical, computational and experimental analysis. In specific, one-dimensional and two-dimensional mathematical models are developed to study phase change of organic and inorganic PCMs. The validity of the one-dimensional model is verified through the analytical solution while the two-dimensional model is compared with available data from the international literature. The PCMs are evaluated for their melting time, storage capacity and buoyancy induced velocity filed. The experimental study involves the design and installation of a concentric tube heat exchanger which contains organic PCM and the evaluation of its thermal behavior through multiple experiments. In order to improve the material’s conductivity, Cu and Al2O3 nanoparticles are gradually added and the composite PCM featuring single and hybrid type nanoparticles is evaluated for melting time and stored capacity. In the context of the dissertation, a prototype solar cooling system is designed, installed and investigated in the Laboratory of Applied Thermodynamics. The system uses two types of collectors (ETC and PVT) to provide heat to a zeolite-type adsorption cooler. The two types of collectors are evaluated experimentally and computationally by developing mathematical models which are validated against data deriving from the experimental process. The results of the theoretical models as well as the experimental data prove the satisfactory performance of the collectors throughout the year. The performance of the cooler is considered, through the experimental evaluation, to be sufficient. During the experiments, the energy balance is satisfied to a sufficient degree. Finally, the integrated unit is modeled in TRNSYS environment and it is evaluated through energy, environmental and economic performance indicators.

Αντικείμενο της Διατριβής είναι η διερεύνηση της λειτουργίας των συστημάτων ηλιακής ψύξης με προσρόφηση και η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας με την μορφή των νανορευστών στις κλασσικές εφαρμογές της Μηχανικής όπως η μεταφορά θερμότητας. Συγκεκριμένα, στόχος της παρούσας έρευνας είναι η πειραματική και υπολογιστική μελέτη ενός υβριδικού συστήματος το οποίο περιλαμβάνει παραγωγή θερμότητας μέσω ηλιακών συλλεκτών κενού, ηλεκτροπαραγωγή και παραγωγή θερμότητας μέσω υβριδικών παραβολικών θερμοφωτοβολταϊκών πλαισίων, αποθήκευση της θερμότητας σε δοχεία αποθήκευσης και κατανάλωση της σε ένα ψύκτη προσρόφησης ζεόλιθου για την παραγωγή ψύξης χωρίς την αξιοποίηση επιβλαβών για το περιβάλλον οργανικών ψυκτικών μέσων. Η θερμική αποθήκευση εξετάζεται περαιτέρω με την πειραματική μελέτη συστήματος που φέρει οργανικό υλικό αλλαγής φάσης τύπου παραφίνης. Η αξιολόγηση του παραπάνω συστήματος περιλαμβάνει και την χρήση νανοσωματιδίων προκειμένου να εξεταστεί η βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσης του. Από τη μελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας διαπιστώνεται η σημαντική πρόοδος στο πεδίο των νανορευστών. Πλείστες θεωρητικές και πειραματικές εργασίες έχουν εκπονηθεί για τη μελέτη των ιδιοτήτων των νανορευστών και για την επίδραση τους σε εφαρμογές μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Εντούτοις, η επισκόπηση της βιβλιογραφίας αποδεικνύει ότι απομένουν σημαντικά βήματα πριν την εμπορική χρήση τους, βήματα που αφορούν την παραγωγή τους, τη σταθερότητά τους και το κόστος τους. Η μελέτη των νανορευστών, στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση της φυσικής και εξαναγκασμένης συναγωγής της ροής νανορευστών σε μικροκανάλια, την αξιολόγηση της χρήσης νανορευστών σε συμπυκνωτές και ατμοποιητές καθώς και την επίδραση των νανοσωματιδίων στην απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα. Ακολούθως, εξετάζονται τα συστήματα θερμικής αποθήκευσης. Μεταξύ των διάφορων τεχνολογιών αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) εμφανίζουν σημαντικά πλεονεκτήματα καθιστώντας τα ιδανικά για την αποθήκευση θερμότητας αλλά και για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα PCM εκμεταλλεύονται τη λανθάνουσα θερμότητα τήξης με αποτέλεσμα να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια σε σχέση με υλικά που απορροφούν ενέργεια εκμεταλλευόμενα μόνο την αισθητή θερμότητα. Επιπλέον κατά την αλλαγή φάσης, τα PCM διατηρούν περίπου σταθερή θερμοκρασία συμβάλλοντας στη μείωση του απαιτούμενου θερμικού και ψυκτικού φορτίου των κτηρίων. Παρά τα παραπάνω πλεονεκτήματα τα υλικά αλλαγής φάσης χρειάζονται μεγάλο χρονικό διάστημα για να μεταβούν από τη στερεή στην υγρή κατάσταση και αντίστροφα, λόγω του χαμηλού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Η μελέτη των υλικών αλλαγής φάσης είναι πολύπλευρη και περιλαμβάνει αριθμητική, υπολογιστική και πειραματική μελέτη. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται μονοδιάστατο και δισδιάστατο μαθηματικό μοντέλο για τη μελέτη αλλαγής φάσης οργανικών και ανόργανων PCM. Η ισχύς του μονοδιάστατου μοντέλου επαληθεύεται μέσω της αναλυτικής λύσης ενώ του δισδιάστατου μέσω σύγκρισης με διαθέσιμα δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τα PCM αξιολογούνται ως προς το χρόνο τήξης, την ικανότητα αποθήκευσης και το πεδίο ταχυτήτων που επάγεται κατά τη τήξη λόγω άνωσης. Η πειραματική μελέτη περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την εγκατάσταση μονάδας που φέρει οργανικό υλικό αλλαγής φάσης σε εναλλάκτη ομόκεντρων κυλίνδρων και τον προσδιορισμό μέσω πολλαπλών πειραματικών διεργασιών της συμπεριφοράς του PCM. Προκειμένου να βελτιωθεί η συμπεριφορά του υλικού μέσω αύξησης της αγωγιμότητας του, προστίθενται σταδιακά νανοσωματίδια Cu και Al2O3 και το σύνθετο PCM που φέρει νανοσωματίδια μονού και υβριδικού τύπου αξιολογείται ως προς το χρόνο τήξης και την αποθηκευόμενη θερμότητα. Στο πλαίσιο της Διατριβής, σχεδιάζεται, εγκαθίσταται και ερευνάται ένα πρωτότυπο σύστημα ηλιακής ψύξης στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών. Το σύστημα χρησιμοποιεί δύο ειδών συλλέκτες (κενού και PVT) ώστε να παρέχει θερμότητα σε ένα ψύκτη προσρόφησης τύπου ζεόλιθου. Τα δύο είδη συλλεκτών αξιολογούνται πειραματικά και υπολογιστικά μέσω ανάπτυξης κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων και τα οποία επικυρώνονται μέσω της πειραματικής διαδικασίας. Τα αποτελέσματα των θεωρητικών μοντέλων αλλά και τα πειραματικά δεδομένα κατόπιν επεξεργασίας αποδεικνύουν την ικανοποιητική απόδοση των εξεταζόμενων συλλεκτών καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Ικανοποιητική κρίνεται δε και η απόδοση του ψύκτη μέσω της πειραματικής αξιολόγησης. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρατηρείται η τήρηση του ισοζυγίου ενέργειας σε επαρκή βαθμό. Τέλος, η ολοκληρωμένη εγκατάσταση μοντελοποιείται σε περιβάλλον TRNSYS και αξιολογείται βάσει ενεργειακών, περιβαλλοντικών και οικονομικών δεικτών.