Αναλυτική, αριθμητική και πειραματική έρευνα για την βελτιστοποίηση της απόδοσης ψυκτικών συστημάτων και διατάξεων ηλεκτροπαραγωγής κύκλου Rankine με χρήση CO₂: εφαρμογή θερμικής συμπίεσης και άλλες τεχνικές

Abstract

Carbon dioxide – CO₂ refrigerant (R744) is considered as the only long-term sustainable alternative solution for the sectors of refrigeration and Rankine power generation cycles, in the scope of the investigation for more energy efficient configurations and the employment phase-out of conventional refrigerants of high Global Warming Potential (GWP). CO₂ can fulfil both above requirements, having on the one hand excellent thermophysical properties leading to enhanced heat transfer conditions, and being on the other hand a natural refrigerant with neutral environmental impact (GWP=1). However, the important drawback of CO₂ utilization in the aforementioned applications is linked with its low critical point (~31°C). More precisely, the CO₂ employment in refrigeration systems operating under high ambient temperatures and in Rankine cycles, leads these applications to the so-called transcritical operation, which is accompanied with reduced energy performance. The solution to the above issue lies in the integration of innovative configurations and operation logics in these systems, and in the exploitation of the Renewable Energy Sources (RES) and specifically of the low temperature renewable heat sources, which offer significant harvesting potential, in order to optimize energy efficiency. In the context of current Doctoral Dissertation, theoretical and experimental analytical approaches are conducted, for the optimization of the refrigeration systems and power generation Rankine cycle configurations using CO₂ as working refrigerant. More precisely, the results of novel configurations and operation logics integration in these systems, such as the thermal compression logic and other techniques are investigated and presented respectively. Chapter 1 presents the current energy crisis, which leads to the need of sustainable alternative refrigerants adoption. Additionally, the typical CO₂ topologies are analyzed, as well as the innovative configurations for the increment of their energy performance. At the same time, an introduction to the conventional Rankine cycles and to the modified configurations integrating the thermal compression concept is also made. Chapter 2 presents a comparative analysis and evaluation of transcritical CO₂ refrigeration system, before and after the employment of energy efficiency optimization configurations. More precisely, the system performance enhancement is investigated through the adoption of the parallel compressor, the adiabatic cooling and the evaporators overfeeding using a liquid ejector, measures. Results show that the annual power consumption reduction is over 20% for the optimized operation case, against the initial typical configuration. Chapter 3 analyzes the exploitation of Renewable Energy Sources (RES) for the performance enhancement of CO₂ refrigeration systems, through the subcooling concept. More precisely, an energetic, exergetic and technoeconomic study is conducted on the integration of a solar-powered absorption chiller for the efficiency improvement in a CO₂ commercial refrigeration system. In comparison to the conventional booster system, the achieved subcooling leads to maximum hourly Coefficient of Performance (COP) increment of 47,34%, while the annual electricity consumption is reduced by 8,12%, resulting in energy savings of 27,45 MWh/year. At the same time, the integration of an absorption chiller powered by waste heat in a transcritical CO₂ system is also investigated. The latter leads to over 5% annual power consumption reduction, corresponding to 8,44 MWh/year for the examined system. Chapter 4 presents an energetic analysis of geothermal source heat pump using CO₂ for covering the heating and cooling needs of a greenhouse. The proposed configuration achieves higher energy performance in comparison to a conventional air-cooler heat pump using R32, up to 36,2% and 65,4% for cooling and heating operation respectively. The above figures lead to annual energy saving percentage of 17,6%. Chapter 5 investigates marine refrigeration systems using CO₂ energy optimization. More precisely, a novel CO₂ refrigeration system using vapor ejector is introduced, for which using the conventional exergy analysis is calculated 10.97 kW of total exergy destruction, which highest portions are accounted for the devices of gas cooler, the vapor ejector and the CPV. However, the results of the advanced exergy analysis indicate that 33,6% of the total exergy destruction rate in the configuration can be avoided, corresponding to endogenous and exogenous irreversibilities with percentage of 16,4% and 17,2% respectively, suggesting the low stage compressor as the device with the higher percentage of avoidable exergy destruction of 90%. The proposed system shows increased COP up to 13,2% in comparison to a conventional baseline direct expansion system using R407F. Chapter 6 includes an experimental study of a conventional central air-conditioning unit of a bulk-carrier vessel. The examined system employs R407F and is analyzed parametrically, using a simulation model which is validated with experimental measurements. The results show that the increment in sea-water temperature can lead to COP and System Efficiency Index (SEI) reduction up to 75,9% and 6,6% respectively. Chapter 7 conducts an experimental analysis of a novel pumpless power generation Rankine cycle configuration which integrates the thermal compression concept. The examined topology utilizes R245fa as working refrigerant and its investigation shows time-averaged maximum values of 4,5% and 31,0% for thermal and exergy efficiency respectively. At the same time, the pumpless system results in higher thermal and exergy efficiency figures by 7,7% and 7,5% respectively than the conventional Organic Rankine Cycles (ORC), for heat source temperature of 90°C and heat sink of 40°C. Chapter 8 proposes an innovative pumpless transcritical power generation Rankine cycle using CO₂ incorporating the thermal compression concept, which is powered by heat produced in evacuated tubes solar collectors. The results show that the proposed topology improves the thermal efficiency by over 15% compared to the conventional ORC alternatives. At the same time, the annual operation of the investigated application produces 5,22 MWh/year for the examined building, corresponding to 5,72% higher power generation in comparison to the typical CO₂ configurations. Chapter 9 highlights the innovative aspects of the present dissertation, summarizes its main findings and conclusions, and outlines directions for future research.

Το διοξείδιο του άνθρακα – CO₂ ως ψυκτικό μέσο (R744) αποτελεί τη μόνη μακροπρόθεσμα βιώσιμη λύση σε ό,τι αφορά στους τομείς της ψύξης και της ηλεκτροπαραγωγής κύκλου Rankine, στο πλαίσιο της αναζήτησης αποδοτικότερων διατάξεων ενεργειακής απόδοσης και του περιορισμού της χρήσης των συμβατικών ψυκτικών ρευστών υψηλού δυναμικού υπερθέρμανσης (GWP). Το CO₂ μπορεί να ικανοποιήσει τις παραπάνω προϋποθέσεις, καθώς αφενός διαθέτει εξαιρετικές θερμοφυσικές ιδιότητες οδηγώντας σε βελτιωμένες συνθήκες μετάδοσης θερμότητας, σε σχέση με τα συμβατικά ψυκτικά μέσα, και αφετέρου το CO₂ αποτελεί ένα φυσικό ψυκτικό μέσο με ουδέτερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα (GWP=1). Ωστόσο, το μεγάλο μειονέκτημα της χρήσης του CO₂ στις παραπάνω εφαρμογές σχετίζεται με το χαμηλό του κρίσιμο σημείο (~31°C). Συγκεκριμένα, η χρήση του CO₂ σε ψυκτικά συστήματα που λειτουργούν υπό υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σε κύκλους Rankine, οδηγεί τις τοπολογίες αυτές στη λεγόμενη διακρίσιμη (transcritical) λειτουργία, η οποία συνοδεύεται από μειωμένη ενεργειακή απόδοση. Η λύση στο παραπάνω πρόβλημα βρίσκεται στην εφαρμογή καινοτόμων διατάξεων και στρατηγικών λειτουργίας στα συστήματα αυτά, και στην αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) και συγκεκριμένα των ανανεώσιμων πηγών θερμότητας χαμηλής ενθαλπίας, οι οποίες προσφέρουν σημαντικό δυναμικό αξιοποίησης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, πραγματοποιούνται τόσο θεωρητικές όσο και πειραματικές αναλυτικές προσεγγίσεις, για την βελτιστοποίηση των ψυκτικών συστημάτων και των διατάξεων ηλεκτροπαραγωγής κύκλου Rankine που χρησιμοποιούν το CO₂ ως εργαζόμενο μέσο. Συγκεκριμένα, μελετώνται και παρουσιάζονται αποτελέσματα της ενσωμάτωσης καινοτόμων διατάξεων και στρατηγικών λειτουργίας στα συστήματα αυτά, όπως π.χ. η λογική της θερμικής συμπίεσης και άλλες τεχνικές. Στο Κεφάλαιο 1 διερευνάται η ανάγκη υιοθέτησης βιώσιμων εναλλακτικών ψυκτικών ρευστών ως αποτέλεσμα της υπάρχουσας ενεργειακής κρίσης. Ακολούθως, αναλύονται οι συνήθεις τοπολογίες ψυκτικών συστημάτων CO₂, καθώς και οι καινοτόμες διατάξεις αύξησης της ενεργειακής τους απόδοσης. Ταυτόχρονα, γίνεται εισαγωγή στους συμβατικούς κύκλους Rankine και στις τροποποιημένες διατάξεις τους που ενσωματώνουν τη λογική της θερμικής συμπίεσης. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μία συγκριτική μελέτη και αξιολόγηση ενός διακρίσιμου ψυκτικού συστήματος CO₂, πριν και μετά την εφαρμογή διατάξεων βελτιστοποίησης της απόδοσής του. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η αύξηση της απόδοσης του συστήματος με χρήση των διατάξεων του παράλληλου συμπιεστή, της αδιαβατικής ψύξης και της υπερπλήρωσης των ατμοποιητών μέσω της χρήσης εκτοξευτήρα υγρού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ετήσια εξοικονόμηση ηλεκτρικής ισχύος ξεπερνάει το 20% για την βελτιστοποιημένη περίπτωση λειτουργίας, έναντι της αρχικής τυπικής διάταξης. Στο Κεφάλαιο 3 αναλύεται η αξιοποίηση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) για την αύξηση της απόδοσης ψυκτικών διατάξεων CO₂, μέσω της τεχνικής της υπόψυξης. Πιο αναλυτικά, πραγματοποιείται ενεργειακή, εξεργειακή και τεχνοοικονομική μελέτη της ενσωμάτωσης ενός ηλιακά-τροφοδοτούμενου ψύκτη απορρόφησης για τη βελτίωση της απόδοσης ψυκτικής εγκατάστασης εμπορικής ψύξης με CO₂. Σε σύγκριση με το συμβατικό διβάθμιο σύστημα, η υπόψυξη που επιτυγχάνεται οδηγεί σε μέγιστη ωριαία αύξηση του COP κατά 47,34%, ενώ η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος μειώνεται κατά 8,12% που οδηγεί σε εξοικονόμηση ενέργειας κατά 27,45 MWh/έτος. Ταυτόχρονα, εξετάζεται η ενσωμάτωση ψύκτη απορρόφησης τροφοδοτούμενου με απορριπτόμενη θερμότητα σε διακρίσιμο ψυκτικό σύστημα CO₂. Το παραπάνω οδηγεί σε άνω του 5% ετήσια εξοικονόμηση ενέργειας που αντιστοιχεί σε 8,44 MWh/έτος για το εξεταζόμενο σύστημα. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η ενεργειακή ανάλυση γεωθερμικής αντλίας θερμότητας CO₂ για την κάλυψη αναγκών κλιματισμού θερμοκηπίου. Η προτεινόμενη διάταξη επιτυγχάνει υψηλότερη ενεργειακή απόδοση σε σχέση με μία συμβατική αερόψυκτη αντλία θερμότητας με εργαζόμενο μέσο το R32, έως και 36,2% και 65,4% για τη λειτουργία ψύξης και θέρμανσης αντίστοιχα. Τα παραπάνω οδηγούν σε ετήσιο ποσοστό εξοικονόμησης ενέργειας 17,6%. Στο Κεφάλαιο 5 εξετάζεται η βελτιστοποίηση της απόδοσης ψυκτικών συστημάτων πλοίων με χρήση CO₂. Συγκεκριμένα, εισάγεται ένα καινοτόμο ψυκτικό σύστημα CO₂, με χρήση εκτοξευτήρα ατμού για το οποίο υπολογίζεται μέσω συμβατικής εξεργειακής ανάλυσης συνολική καταστροφή εξέργειας της τάξης των 10,97 kW, με το μεγαλύτερο μέρος της να οφείλεται στα εξαρτήματα του ψύκτη αερίου, του εκτοξευτήρα ατμού και της βαλβίδας CPV. Ωστόσο τα αποτελέσματα της προηγμένης εξεργειακής ανάλυσης υποδεικνύουν, ότι το 33,6% της καταστροφής εξέργειας στη διάταξη μπορεί να αποφευχθεί, αντιστοιχώντας σε ενδογενείς και εξωγενείς μη-αντιστρεπτότητες με ποσοστά 16,4% και 17,2% αντιστοίχως, χαρακτηρίζοντας τον συμπιεστή χαμηλής βαθμίδας ως το εξάρτημα με τη μεγαλύτερη αποφευκτέα καταστροφή εξέργειας της τάξης του 90%. Το προτεινόμενο σύστημα, έχει αυξημένο COP έως και 13,2% σε σύγκριση με ένα συμβατικό σύστημα αναφοράς άμεσης εκτόνωσης με χρήση ψυκτικού μέσου R407F. Στο Κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται πειραματική ανάλυση μίας συμβατικής κεντρικής κλιματιστικής μονάδας φορτηγού πλοίου. Το εξεταζόμενο σύστημα χρησιμοποιεί ψυκτικό μέσο R407F και αναλύεται παραμετρικά, με χρήση μοντέλου προσομοίωσης το οποίο επαληθεύεται μέσω των πειραματικών μετρήσεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας της θάλασσας μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του COP και του SEI έως 75,9% και 6,6% αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται πειραματική ανάλυση μίας καινοτόμου διάταξης ηλεκτροπαραγωγής κύκλου Rankine που ενσωματώνει τη μέθοδο της θερμικής συμπίεσης. Για την εξεταζόμενη τοπολογία που χρησιμοποιεί ψυκτικό μέσο R245fa, προκύπτουν μέσες χρονικά μέγιστες τιμές θερμικού και εξεργειακού βαθμού απόδοσης, ως 4,5% και 31,0% αντίστοιχα. Ταυτόχρονα, το σύστημα χωρίς αντλία υπολογίζεται ότι έχει κατά 7,7% και 7,5% υψηλότερο θερμικό και εξεργειακό βαθμό απόδοσης αντίστοιχα σε σχέση με το συμβατικό ORC, για θερμοκρασία πηγής 90°C και απόρριψης θερμότητας 40°C. Στο Κεφάλαιο 8 προτείνεται ένα καινοτόμο σύστημα ηλεκτροπαραγωγής διακρίσιμου κύκλου Rankine με χρήση CO₂ που ενσωματώνει τη μέθοδο της θερμικής συμπίεσης, το οποίο τροφοδοτείται μέσω ηλιακών συλλεκτών κενού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τοπολογία βελτιώνει τον θερμικό βαθμό απόδοσης περισσότερο από 15% σε σχέση τα συμβατικά ORC. Ταυτόχρονα, η ετήσια λειτουργία της προτεινόμενης εφαρμογής παράγει 5,22 MWh/έτος για την κάλυψη μέρους των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας για το εξεταζόμενο κτίριο, που αντιστοιχεί σε κατά 5,72% αυξημένη ηλεκτροπαραγωγή σε σχέση με τις τυπικές διατάξεις ORC. Στο Κεφάλαιο 9 τονίζονται τα καινοτόμα στοιχεία της παρούσας Διατριβής, συνοψίζονται τα κύρια αποτελέσματα και συμπεράσματα, ενώ επίσης αναφέρονται προοπτικές μελλοντικής έρευνας.