Σχεδιασμός, ανάπτυξη και πειραματική μελέτη ηλιακού ψύκτη προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ : ΑΝΑΛΥΣΗΣ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ & ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Σχεδιασμός, ανάπτυξη και πειραματική μελέτη ηλιακού ψύκτη προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας Υποψήφιος Διδάκτωρ : Νικόλαος Στεφανάκης Τριμελής Επιτροπή : Ι. Παλυβός, Αναπλ. Καθηγητής ΕΜΠ (Επιβλέπων) Α. Μπουντουβής, Καθηγητής ΕΜΠ Α. Παπαϊωάννου, Αναπλ. Καθηγητής ΕΜΠ Ημερομηνία Έναρξης : Εισαγωγή Η απειλή της ανθρωπότητας από τις έντονες κλιματικές αλλαγές σε συνδυασμό με την συνεχή αύξηση των τιμών του πετρελαίου, αποτελούν δύο σημαντικές αφορμές για να έρθουν στο προσκήνιο εναλλακτικές τεχνολογίες που θα είναι φιλικές προς το περιβάλλον και ταυτόχρονα οικονομικά βιώσιμες. Στο πλαίσιο αυτό η χρήση της ηλιακής ενέργειας για κλιματισμό αποτελεί μία ερευνητική περιοχή έντονου ενδιαφέροντος που μπορεί να προσφέρει εναλλακτικές λύσεις στα ανυπέρβλητα περιβαλλοντικά και οικονομικά προβλήματα τα οποία δημιουργεί η χρήση των συμβατικών κλιματιστικών μονάδων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την μελέτη ενός καινοτόμου ηλιακού ψύκτη προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας. 1. Αντικείμενο και στόχοι διδακτορικής διατριβής Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός η ανάπτυξη και η πειραματική μελέτη ενός καινοτόμου ηλιακού ψύκτη προσρόφησης (adsorption chiller) συνεχούς λειτουργίας. Ο ψύκτης θα είναι σχετικά μικρής ισχύος (<5kW C ) και με την βοήθεια ζεστού νερού, θερμοκρασίας 55 C έως 90 C προερχόμενου από ηλιακούς συλλέκτες, θα παράγει ψυχρό νερό 6 C έως 12 C, κατάλληλο για χρήση σε συστήματα κλιματισμού. O βαθμός απόδοσης (COP) του Ψύκτη αναμένεται να είναι μεγαλύτερος από 0,6. Η καινοτομία του ψύκτη έγκειται στην λειτουργία σε συνεχή κύκλο σε αντίθεση με τις υπάρχουσες μηχανές που λειτουργούν με ασυνεχή τρόπο. Ο στόχος της διατριβής είναι η επιτυχής υλοποίηση του αναφερόμενου ψύκτη. 2. Σημερινό επίπεδο γνώσεων Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για κλιματισμό αποτέλεσε αντικείμενο ερευνητικής μελέτης για πολλές δεκαετίες. Τα τελευταία χρόνια, λόγω των αυστηρών περιβαλλοντικών κανονισμών και των ενεργειακών προβλημάτων, η έμφαση στην έρευνα για την επίτευξη κλιματισμού με τρόπους φιλικούς προς το περιβάλλον έγινε επιτακτική ανάγκη. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν αρκετά συστήματα που προσδοκούσαν να αντικαταστήσουν με ανταγωνιστικό τρόπο τα συμβατικά συστήματα κλιματισμού, τα οποία ως γνωστόν καταναλώνουν μεγάλα

2 ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Μία από τις τεχνολογίες που κίνησαν το ενδιαφέρον των ερευνητών ήταν αυτή της προσρόφησης (adsorption) για την μετατροπή θερμικής ενέργειας, προερχόμενης π.χ. από συμβατικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, σε ψυκτική ισχύ. Οι ερευνητικές δραστηριότητες του ανωτέρω ερευνητικού πεδίου σχετίζονται κυρίως με συστήματα τα οποία λειτουργούν σε κύκλο ημι-συνεχούς αναγέννησης (semi-continuous regenerative cycle) του προσροφητικού μέσου, σε τουλάχιστον δύο θαλάμους. Συστήματα ψύξης με προσρόφηση μελετήθηκαν τόσο σε θεωρητικό [1-15], όσο και πειραματικό επίπεδο [16-19]. Οι μεγάλες δυνατότητες αξιοποίησης του ηλιακού δυναμικού για κλιματισμό, με τα πολυάριθμα θετικά κοινωνικά, περιβαλλοντικά και οικονομικά αποτελέσματα που θα μπορούσαν να επιτευχθούν, έχουν παρουσιασθεί σε αρκετές μελέτες [20,21]. Οι μελέτες αυτές υποδεικνύουν την ανάγκη βελτίωσης της απόδοσης των ψυκτικών μηχανών προσρόφησης. Σχήμα 1: Καμπύλες COP για τους εμπορικά διαθέσιμους ψύκτες προσρόφησης και απορρόφησης Ψύκτες απορρόφησης και προσρόφησης είναι διαθέσιμοι εμπορικά σε ένα μεγάλο εύρος ψυκτικής ισχύος. Παρόλα αυτά υπάρχουν μόνο λίγα συστήματα μικρής σχετικά ψυκτικής ισχύος (<100kW C ), ενώ δεν υπάρχει κανένα εμπορικό σύστημα με ισχύ μικρότερη των 30kW C. Για περιπτώσεις τροφοδοσίας με ζεστό νερό θερμοκρασίας 55 C έως 80 C, προερχόμενο από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, τα μέχρι στιγμής ανεπτυγμένα ψυκτικά συστήματα περιορίζονται σε COP της τάξης του 0,6 (Σχήμα 1), με αποτέλεσμα η οικονομική βιωσιμότητα των συστημάτων αυτών να είναι ιδιαίτερα δύσκολη. 3. Συμβολή της διατριβής Ο προτεινόμενος ψύκτης προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας στοχεύει στην άρση των αδυναμιών που περιγράφτηκαν. Ο τρόπος λειτουργίας του νέου ψύκτη θα επιτρέπει σχεδόν πλήρη ανάκτηση της θερμότητας των εναλλασσόμενων κυκλικά χώρων προσρόφησης και αναγέννησης του Silica gel και μάλιστα περίπου στο ίδιο επίπεδο θερμοκρασίας, πράγμα που ελαχιστοποιεί τις απώλειες και βελτιώνει τον βαθμό απόδοσης, ενώ παράλληλα επιτρέπει την κατασκευή μικρών μοντέλων (<40kW C ) με υψηλό βαθμό απόδοσης (>0,7).

3 Επιπλέον η ελαχιστοποίηση των κινούμενων μερών και η εγγενής καλή θερμική μόνωση αναμένεται να συμβάλουν στην αύξηση της αξιοπιστίας και του βαθμού απόδοσης και στην μείωση του κόστους του νέου ψύκτη προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας. Με την υλοποίηση του συστήματος θα είναι δυνατόν να επιτευχθεί ηλιακός κλιματισμός π.χ. μιας κατοικία επιφάνειας έως 200 τ.μ., χρησιμοποιώντας ζεστό νερό από συμβατικούς ηλιακούς συλλέκτες, κάτι που δεν έχει επιτευχθεί με οικονομικό τρόπο από κανένα εμπορικό σύστημα. 4. Φάσεις διατριβής Χρονοδιάγραμμα Οι φάσεις της διατριβής είναι οι ακόλουθες: Φάση 1: Προαναπτυξιακή Φάση Φάση 2: Σχεδίαση Πρωτοτύπου Φάση 3: Κατασκευή Πρωτοτύπου Φάση 4: Πειραματικές Μετρήσεις Φάση 5: Αξιολόγηση/ Συγγραφή Η χρονική διάρκεια κάθε φάσης φαίνεται στο παρακάτω χρονοδιάγραμμα. Φάσεις Τρίμηνα Διάγραμμα 1: Χρονοδιάγραμμα Υλοποίησης του Ερευνητικού Έργου 5. Πρόοδος Αποτελέσματα Σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα έχουν ξεκινήσει η Προαναπτυξιακή Φάση, η Σχεδίαση του Συστήματος, η Κατασκευή του Πρωτοτύπου. Στα πλαίσια των φάσεων αυτών έχουν πραγματοποιηθεί τα παρακάτω: Στα πλαίσια την Προαναπτυξιακής Φάσης πραγματοποιήθηκε επανάληψη των απαραίτητων γνωστικών πεδίων (θερμοδυναμικής, φαινομένων μεταφοράς, μηχανολογίας, προγραμματισμού) για την μελέτη του ηλιακού ψύκτη. Η επανάληψη των γνώσεων έγινε μέσα από την πλέον έγκυρη ελληνική και διεθνή βιβλιογραφία.. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική επισκόπηση άρθρων που έχουν δημοσιευθεί σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά (International Journal of Refrigeration, Journal of Solar Energy Engineering, ASHRAE Journal, Renewable Energy, Energy, κτλ.), και σχετίζονται με ηλιακό κλιματισμό με την διεργασία της προσρόφησης. Τα άρθρα ταξινομήθηκαν σε κατηγορίες για την εύκολη διαχείριση τους. Τέλος, Επιπλέον, διατυπώθηκε η αρχή λειτουργίας του συστήματος και καθορίστηκαν τα διάφορα υποσυστήματα. Τα δομικά στοιχεία του καινοτομικού ψύκτη παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Στο στάδιο της σχεδίασης του συστήματος πραγματοποιήθηκε η βασική σχεδίαση του συστήματος και εκτελέσθηκε τμήμα της λεπτομερής σχεδίασης μέσω συστήματος CAD Παραμετρικής Στερεάς Μοντελοποίησης (Parametric Solid Modeling). Ακόμα, πραγματοποιήθηκε μια αρχική διαστασιολόγηση και επιλογή των διάφορων εξαρτημάτων (σωληνώσεις, αντλία κενού, σύνδεσμοι κτλ) και εξετάσθηκαν πιθανοί

4 προμηθευτές. Η σχεδίαση του εσωτερικού εναλλάκτη φαίνεται στο Σχήμα 3 ενώ η διαδικασία απορρόφησης αναγέννησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 4. Σχήμα 2: Δομικά Στοιχεία του Καινοτομικού Ψύκτη Προσρόφησης Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση του Εσωτερικού Εναλλάκτη

5 Σχήμα 4: Διεργασίες Προσρόφησης και Αναγέννησης Κατά το στάδιο της κατασκευής του συστήματος υλοποιήθηκαν οι περιστρεφόμενοι σωλήνες του εσωτερικού εναλλάκτη και έγινε μια αποτυχημένη προσπάθεια κατασκευής του κεντρικού σκελετού από βακελίτη. Τέλος, κατά το στάδιο του ελέγχου και της αξιολόγησης του συστήματος αποφασίστηκαν τα κριτήρια αξιολόγησης του καινοτομικού ψύκτη προσρόφησης και προσδιορίσθηκαν οι παράμετροι που τα καθορίζουν [22]. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν οι ακόλουθες δημοσιεύσεις: 1. Ν. Στεφανάκης, Ε. Βογιατζής, Α. Παπαδόπουλος, Ι. Παλυβός, Καινοτομικός Ψύκτης Προσρόφησης Συνεχούς Λειτουργίας για Ηλιακό Κλιματισμό Κτιρίων, 8ο Εθνικό Συνέδριο για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Θεσσαλονίκη, Μαρτίου "International Journal of Energy Research" (DOI /er.1278) Βιβλιογραφία 1. K.Sumathy, K.H.Yeung, Li Yong, Technology development in the solar adsorption refrigeration systems, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 29, Issue 4, Pages , A.Sakoda, and M.Suzuki, Fundamental study on solar powered adsorption

6 cooling system, Journal of Chemical Engineering of Japan, 17, Pages 52-57, G.Cacciola and G.Restuccia, Reversible adsorption heat pump: a thermodynamic model, International Journal of Refrigeration, Volume 18, Issue 2, Pages , G.Restuccia and G.Cacciola, Performances of adsorption systems for ambient heating and air conditioning, International Journal of Refrigeration, Volume 22, Issue 1, Pages 18-26, M.Pons, Analysis of the adsorption cycles with thermal regeneration based on the entropic mean temperatures, Applied Thermal Engineering, Volume 17, Issue 7, Pages , H.T.Chua, K.C.Ng, W.Wang, C.Yap, X.L.Wang, Transient modeling of a twobed silica gel water adsorption chiller, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 47, Pages , Jincan Chen, Performance characteristics of a two-stage irreversible combined refrigeration system at maximum coefficient of performance, Energy Conversion and Management, Volume 40, Issue 18, Pages , K. C. A. Alam, B. B. Saha, A. Akisawa and T. Kashiwagi, Optimization of a solar driven adsorption refrigeration system, Energy Conversion and Management, Volume 42, Issue 6, Pages , F.Ziegler and G.Grossman, Heat-transfer enhancement by additives, International Journal of Refrigeration, Volume 19, Issue 5, Pages , G.Restuccia, A.Freni, S.Vasta, Yu Aristov, Selective water sorbent for solid sorption chiller: experimental results and modeling, International Journal of Refrigeration, Volume 27, Pages , Jones J.A, Sorption refrigeration research at JPL/NASA, In: Proceedings of the Solid Sorpτion Refrigeration, Paris, A.O. Dieng and R.Z. Wang, Literature review on solar adsorption technologies for ice-making and air-conditioning purposes and recent developments in solar technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5, Pages , C. Schweigler et all. (Ed.), Proceedings of the International Sorption Heat Pump Conference, Munich, March Leonard Leonardovich Vasiliev, Donatos Algirdo Mishkinis, Alexander Antonovich Antukh and Leonid Leonardovich Vasiliev, Jr., A solar and electrical solid sorption refrigerator, International Journal of Thermal Sciences, Volume 38, Issue 3, Pages , International Energy Agency, Ongoing research relevant for solar assisted air conditioning systems, Technical Report, October Theocharis Tsoutsos, Joanna Anagnostou, Colin Pritchard, Michalis Karagiorgas and Dimosthenis Agoris, Solar cooling technologies in Greece. An economic viability analysis, Applied Thermal Engineering, Volume 23, Issue 11, Pages , August A. M. Papadopoulos, S. Oxizidis and N. Kyriakis, Perspectives of solar cooling in view of the developments in the air-conditioning sector, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 7, Issue 5, Pages , October SACE, Evaluation Report SACE Solar Air Conditioning in Europe -, NNE5/2001/25, August 2003.