Μοντελοποίηση και πειραματική αξιολόγηση συστημάτων εξατμιστικής ψύξης

Abstract

This PhD thesis focuses on evaporative cooling technology, especially the Maisotsenko cycle (M-cycle); this cycle is the most advanced implementation of evaporative cooling and promises much higher efficiency than conventional techniques, using less water and, more importantly, the best quality of supply air to the cooled space. The thesis is structured starting from the description of current technology and building a solid theoretical background for better understanding of the heat and mass transfer phenomena; thereby familiarity with the operation of evaporative cooling systems, special underlying principles, sizes quantifying their performance and fundamental thermophysical phenomena that determine wholly behavior are ensured. The connection with the earlier research work is done by the development of a computational model on direct evaporative coolers, adding an additional functional parameter (water temperature). Thereafter, M-cycle is analytically developed, exploring how it is feasible operation and high performance and, based on a experimental rig, the behavior in various environment conditions is studied; the experimental procedure confirms the construction standards, not only in terms of thermodynamic characteristics of the supply air (at a temperature lower than that of the corresponding wet bulb temperature and the humidity ratio in common with that of the environment) but also in terms of water consumption (approximately 2.6kg evaporating water per kWh of cooling). To study and configuration cycle, full thermodynamic energetic model is structured, which follows the basic geometry of the cycle and is based on combining energetic and thermorfluid methods; customization confirms the independence of M-cycle efficiency instead of ambient conditions and negate in practice, some assumptions were maintained geometric configuration (in relation to the air flows through the duct). An additional cylindrical configuration achieves even lower water consumption. Finally, consider the applicability of evaporative cooling as an alternative method of producing building air conditioning, by using rainwater, in order not to burden of potable water.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στις τεχνολογίες εξατμιστικής ψύξης με έμφαση στον κύκλο Maisotsenko∙ ο κύκλος αυτός αποτελεί την πλέον εξελιγμένη υλοποίηση εξατμιστικής ψύξης και υπόσχεται σαφώς υψηλότερες αποδόσεις από τις συμβατικές τεχνικές, χαμηλότερη κατανάλωση νερού και, κυρίως, βέλτιστη ποιότητα του προσαγόμενου αέρα στον κλιματιζόμενο χώρο. Η Διατριβή διαρθρώνεται εκκινώντας από την περιγραφή των τρεχουσών τεχνολογιών και την κατασκευή ενός στερεού θεωρητικού υποβάθρου, για την καλύτερη κατανόηση των φαινομένων∙ με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η εξοικείωση με τον τρόπο λειτουργίας των συστημάτων εξατμιστικής ψύξης, τις ιδιαίτερες αρχές που τα διέπουν, τα μεγέθη που ποσοτικοποιούν την απόδοσή τους και τα θεμελιώδη θερμοφυσικά φαινόμενα που καθορίζουν την εν όλω συμπεριφορά τους. Η σύνδεση με την προγενέστερη εμπειρία εξασφαλίζεται με την ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου, σχετικού με τους άμεσους εξατμιστικούς ψύκτες, προσθέτοντας μια επιπλέον λειτουργική παράμετρο (τη θερμοκρασία του νερού). Ακολούθως, αναπτύσσεται αναλυτικά ο κύκλος Maisotsenko, διερευνάται το πώς καθίσταται εφικτή η λειτουργία και η υψηλή απόδοσή του και, βάσει μιας επί τούτου κατασκευασμένης πειραματικής διάταξης, μελετάται η συμπεριφορά του σε διάφορα περιβάλλοντα∙ η πειραματική διαδικασία επιβεβαιώνει τις κατασκευαστικές προδιαγραφές, τόσο από άποψης θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών του προσαγόμενου αέρα (υπό θερμοκρασία χαμηλότερη αυτής της αντίστοιχης υγρού βολβού του περιβάλλοντος και με λόγο υγρασίας κοινό με αυτόν του περιβάλλοντος), όσο και σε όρους κατανάλωσης νερού (εξατμίζοντας περίπου 2.6kg νερού για κάθε ωφέλιμη kWh ψύξης). Με σκοπό τη μελέτη και παραμετροποίηση του κύκλου, αναπτύσσεται πλήρες θερμοδυναμικό ενεργειακό μοντέλο, το οποίο τηρεί τη βασική γεωμετρική διαμόρφωση του κύκλου και βασίζεται στη σύζευξη ενεργειακών και θερμορρευστομηχανικών μεθόδων∙ η παραμετροποίηση επιβεβαιώνει την ανεξαρτησία του βαθμού απόδοσης του κύκλου Maisotsenko από τις συνθήκες περιβάλλοντος και αναιρεί στην πράξη κάποιες παραδοχές που τηρήθηκαν κατά τη γεωμετρική διαμόρφωση (σε σχέση με τις ροές αέρα μέσω των αεραγωγών). Τέλος, εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής της εξατμιστικής ψύξης ως εναλλακτική μέθοδος παραγωγής κτηριακού κλιματισμού με χρήση όμβριων υδάτων, με σκοπό τη μη επιβάρυνση των αποθεμάτων πόσιμου νερού.