Σχεδιασμός, ανάπτυξη και πειραματική μελέτη ηλιακού ψύκτη προσρόφησης συνεχούς λειτουργίας

Abstract

The present thesis is a contribution to the field of solar energy utilization for cooling. In particular, the following tasks were accomplished within the framework of this thesis: An innovative computational tool for the analysis of solar air conditioning systems suitable for small buildings was developed. The tool is based on the use of reliable empirical relationships and simple mathematical models, the combination of which had never done before. The tool gives the opportunity for a complete analysis (technological, energy, environmental, and financial) of two representative solar air-conditioning systems. In this way, the influence of various parameters upon the "behavior" of these systems was investigated and a comparison between them was made. An innovative idea to implement an efficient small-capacity solar adsorption chiller was suggested. The proposed device allows the adsorption-regeneration processes to take place in a continuous rotating scheme, in contrast to the existing commercial machines, which operate in batch mode and are characterized by the periodic change of their chambers functionality. The mathematical model of the proposed chiller was developed and implemented in a prototyping analysis, whose purpose was the determination of the operating parameters of the machine as well as the geometry of the internal heat exchanger. Finally, the coefficient of performance and the specific cooling power were calculated. The operating principle of an innovative optical system for the concentration of solar radiation was presented. The system is suitable for the development of solar tri-generation systems and is based on a specially designed total internal reflection mirror. Theoretical analysis of the mirror geometry was made and implemented in a CAD system. The operation of the solid model was obtained by Monte Carlo Ray Tracing simulation, from which the geometrical and optical concentration ratio of the mirror were calculated. Furthermore, the influence of optical and geometrical characteristics of the mirror upon its operation was investigated. Α pilot adsorption machine was designed and constructed. The performance of the machine was investigated under various operating conditions. In particular, this investigation examined the cooling power and the coefficient of performance of the machine under the influence of: (a) the regeneration temperature, (b) the cooling temperature, and (c) the flow rate of hot water at the regeneration circuit.

Η παρούσα διατριβή αποτελεί προσπάθεια συμβολής στο πεδίο αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ψύχους. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατριβής, πραγματοποιήθηκαν οι ακόλουθες εργασίες:Αναπτύχθηκε ένα πρωτοποριακό υπολογιστικό εργαλείο ανάλυσης συστημάτων ηλιακού κλιματισμού μικρών κατοικιών. Το εργαλείο στηρίχθηκε στη χρήση αξιόπιστων εμπειρικών σχέσεων και απλών μαθηματικών μοντέλων, η συνδυασμένη εφαρμογή των οποίων δεν είχε πραγματοποιηθεί ποτέ στο παρελθόν. Η χρήση του εργαλείου παρέχει τη δυνατότητα ολοκληρωμένης μελέτης για εφαρμογή δύο αντιπροσωπευτικών συστημάτων ηλιακού κλιματισμού. Έτσι, διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων στη “συμπεριφορά” των συστημάτων αυτών και πραγματοποιήθηκε η μεταξύ τους σύγκριση.Προτάθηκε μια καινοτομική ιδέα για την υλοποίηση μιας μικρής ισχύος ψυκτικής διάταξης προσρόφησης, με αυξημένο συντελεστή λειτουργίας. Η διάταξη αυτή επιτρέπει στις διεργασίες προσρόφησης-αναγέννησης να λαμβάνουν χώρα σε μια συνεχή, κυκλικά εναλλασσόμενη διαδικασία, σε αντίθεση με τις υπάρχουσες εμπορικές συσκευές, οι οποίες διαθέτουν δύο ξεχωριστούς θαλάμους που εργάζονται ασυνεχώς, εναλλάσσοντας περιοδικά ρόλους. Πραγματοποιήθηκε η μαθηματική προτυποποίηση της καινοτομικής διάταξης, από την οποία καθορίστηκαν τα λειτουργικά της χαρακτηριστικά και η γεωμετρική διαμόρφωση του εσωτερικού της εναλλάκτη. Τελικά, υπολογίστηκαν ο συντελεστής λειτουργίας και η ειδική ψυκτική ισχύς.Παρουσιάστηκε η αρχή λειτουργίας ενός καινοτομικού οπτικού συστήματος συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, κατάλληλου για την κατασκευή συστημάτων “ηλιακής τριπαραγωγής”. Το σύστημα στηρίζεται σε ένα ειδικά σχεδιασμένο κάτοπτρο ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Πραγματοποιήθηκε η θεωρητική ανάλυση της γεωμετρίας του κατόπτρου και υλοποιήθηκε το στερεό μοντέλο σε πρόγραμμα CAD. Ο έλεγχος της λειτουργίας του μοντέλου επιτεύχθηκε με οπτική προσομοίωση Monte Carlo Ray Tracing, από την οποία υπολογίστηκαν ο γεωμετρικός και ο οπτικός λόγος συγκέντρωσης του κατόπτρου. Περαιτέρω, διερευνήθηκε η επίδραση των οπτικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κατόπτρου στη λειτουργία του. Σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια πρότυπη πειραματική διάταξη προσρόφησης. Εξετάστηκε η λειτουργία της διάταξης για διάφορες λειτουργικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η παραγόμενη ψυκτική ισχύς και ο συντελεστής λειτουργίας της διάταξης κάτω από την επίδραση: (α) της θερμοκρασίας αναγέννησης, (β) της θερμοκρασίας δροσισμού, και (γ) της παροχής νερού στο κύκλωμα αναγέννησης.