Α. Περιοχές Ανάπτυξης Έρευνας

H ανάλυση και ο σχεδιασμός θερμοδυναμικών κύκλων απορρόφησης

• Εργοπαραγωγοί μονάδες υψηλής απόδοσης με εργαζόμενο μίγμα το μίγμα ΝΗ3/Η2Ο.
• ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα LiBr/ZnBr/CH3OH καταλλήλων για αξιοποίηση της θερμότητας ηλιακών λιμνών.
• Ψυκτικές Μηχανές Επαναπορροφήσεως / Μηχανικής Συμπιέσεως με εργαζόμενο μέσο το μίγμα LiBr/H2O (ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ).
• Κύκλος Kalina.
• Μονάδες Παραγωγής Μηχανικής Ισχύος NH3/H2O οι οποίες χρησιμοποιούν ως πηγή θερμότητας ηλιακούς συλλέκτες και υπερτερούν έναντι του κύκλου Rankine.
• Ψυκτικές Μηχανές Επαναπορροφήσεως NH3/H2O.
• Ψυκτικές Μηχανές Επαναπορροφήσεως LiBr/NH3/H2O.
• ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα ΝΗ3/NaSCN.
• ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα NH3/LiNO3.
• ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα Προπανίου/n-Εξαδεκανίου.
• Κύκλος επαναπορροφήσεως/μηχανικής συμπιέσεως Προπανίου/n-Εξαδεκανίου για κλιματιστικές εφαρμογές.
• Συνδυασμένος ψυκτικός κύκλος απορροφήσεως ΝΗ3/H2O / μηχανικής συμπιέσεως με εργαζόμενο μέσο το R134a.
• Συμπαραγωγή από συνδυασμένο κύκλο Εργοπαραγωγού Μηχανή Απορροφήσεως ΝΗ3/Η2Ο και Αεριστροβίλου.
• Θερμαντλία μηχανικής συμπιέσεως με εργαζόμενο μέσο μίγμα TFE/ΝΜΡ.

H μοντελοποίηση της συμπεριφοράς θερμοδυναμικών συστημάτων και ο προσδιορισμός της βέλτιστης περιοχής λειτουργίας τους.

Έχουν αναπτυχθεί μοντέλα τα οποία προσομοιώνουν την συμπεριφορά ΨΜΑ, Θ/Ε και Θ/Α ΝΗ3/Η2Ο και καθορίζουν την βέλτιστη περιοχή λειτουργίας τους. Στην συνέχεια, η έρευνα επεκτάθηκε σε θερμοδυναμικά μοντέλα που αφορούσαν ΨΜΑ και Θ/Ε LiBr/H2O.

Επίσης έχει παρουσιασθεί ένα σύνθετο ψυκτικό σύστημα απορροφήσεως, το οποίο αποτελείται από δυο συζευγμένες θερμικά ΨΜΑ ΝΗ3/Η2Ο και Η2Ο/LiBr, με συντελεστή συμπεριφοράς πολύ υψηλό.

Ενδιαφέροντα αποτελέσματα έχουν προκύψει για κύκλους παραγωγής ισχύος οι οποίοι αξιοποιούν θερμότητα χαμηλού θερμοκρασιακού δυναμικού ή λειτουργούν με αρκετά υψηλότερο βαθμό αποδόσεως από τον αντίστοιχο του κύκλου Rankine.

Αξιόλογο τμήμα της ερευνητικής δραστηριότητας στον τομέα αυτό αφορά τη θερμοδυναμική προσομοίωση μονάδων επαναπορροφήσεως/μηχανικής συμπιέσεως με εργαζόμενα μέσα τα μίγματα ΝΗ3/Η2Ο, Η2Ο/LiBr, NH3/H2O/LiBr.

Ακόμη έχει επιτευχθεί η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς εργοπαραγωγών μονάδων απορρροφήσεως ΝΗ3/Η2Ο. Ιδιαίτερα για τον κύκλο Kalina έχει επιτευχθεί πλήρης θερμοδυναμική ανάλυση, παραμετρική μελέτη και βελτιστοποίηση της λειτουργίας του.

Μοντελοποίηση της συμπεριφοράς θερμαντλίας μηχανικής συμπιέσεως με εργαζόμενο μίγμα το TFE/NMP.

Νομογραφήματα προσδιορισμού λειτουργικής συμπεριφοράς επιπέδων ψυκτικών στοιχείων με σύζευξη με ΨΜΑ Η2Ο/LiBr.

Προσομοίωση της συμπεριφοράς ΨΜΑ ΝΗ3-NaSCN, NH3-LiNO3 και προσδιορισμός των λειτουργικών χαρακτηριστικών της μονάδας μέσω αναλυτικών σχέσεων και νομογραφήματος.

Μοντελοποίηση της συμπεριφοράς και αποδοτικότητας των ΨΜΑ Προπανίου/n-Εξαδεκανίου.

ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα ΝΗ3/NaSCN.

ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα ΝΗ3/LiNO3.

ΨΜΑ με εργαζόμενο μέσο το μίγμα Προπανίου/n-Εξαδεκανίου.

Μονάδα επαναπορροφήσεως/μηχανικής συμπιέσεως Προπανίου/n-Εξαδεκανίου για κλιματιστικές εφαρμογές.

Συνδυασμένος ψυκτικός κύκλος απορρόφησης ΝΗ3/Η2Ο / μηχανικής συμπιέσεως με εργαζόμενο μέσο το R134a.

Συνδυασμένη μονάδα συμπαραγωγή Εργοπαραγωγού Μηχανής Απορροφήσεως ΝΗ3/Η2Ο και Αερισστροβίλου.

Θερμαντλία μηχανικής συμπίεσης με εργαζόμενο μέσο μίγμα TFE/NMP.

Μελέτη του Ατμοποιητή και Απορροφητή Μεθυλαμίνης μικρής ΨΜΑ στην οποία το Υδρογόνο χρησιμοποείται σαν Αδρανές Αέριο.

Ο υπολογισμός θερμοδυναμικών ιδιοτήτων καθαρών ουσιών και μιγμάτων.

Τα μοντέλα προσομοίωσης των κύκλων απορροφήσεως αλλά και γενικότερα των θερμοδυναμικών κύκλων απαιτούν την χρησιμοποίηση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων μεταφοράς των εργαζομένων μέσων. Όταν τα δεδομένα δεν είναι διαθέσιμα από πειραματικές μετρήσεις (ως συνήθως συμβαίνει) τότε η ισχύς της προσομοίωσης εξαρτάται από την ακρίβεια των χρησιμοποιούμενων συσχετίσεων.

Προσεγγίζονται οι ιδιόιητες των καθαρών υγρών όπως και οι ιδιότητες μεταφοράς (Συντελεστής διαχύσεως, θερμική αγωγιμότητα, συνεκτικότητα κτλ.) των καθατών ουσιών και μιγμάτων. Ακόμη έχουν δημιουργηθεί υοπολογιστικοί κώδικες σύγχρονων μοντέλων προσέγγισης των συναρτήσεων υπέρβασης υγρών μιγμάτων από τις οποίες προκύπτουν σε συνδυασμό με άλλες κωδικοποιημένες μονάδες οι θερμοδυναμικές ιδιότητες ισορροπίας υγρής-ατμώδους φάσεως διμερών μιγμάτων.

Διμερή ή τριμερή μίγματα τα οποία έχουν μελετηθεί αναλυτικά μέχρι σήμερα είναι τα ΝΗ3/Η2Ο, LiBr/H2O, LiBr/NH3/H2O, LiBr/ZnBr/CH3OH, NH3/NaSCN, NH3/LiNO3, TFE/NMP, NMA/H2, NH3/H2, C3H8/n-C16H34.

Οι ρουτίνες οι οποίες έχουν δημιουργηθεί για τα μίγματα αυτά προσεγγίζουν βέβαια με ικανοποιητική ακρίβεια και την θερμοδυναμική συμπεριφορά των συστατικών των μιγμάτων.

Ηλιακές εφαρμογές μονάδων απορροφήσεως.

Έχει μελετηθεί η δυνατότητα αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για την λειτουργία των μονάδων απορρόφησης ΝΗ3/Η2Ο. Η ερευνητική δραστηριότητα στο αντικείμενο αφορά την μελέτη ηλιακών μονάδων Η2Ο/LiBr οι οποίες παρουσιάζουν υψηλότερους συντελεστές συμπεριφοράς έναντι των αντίστοιχων μονάδων ΝΗ3/Η2Ο.

Επίσης έχουν αναπτυχθεί αριθμητικά μοντέλα τα οποία περιγράφουν την συμπεριφορά σύνθετων ηλιακών ΨΜΑ, ΝΗ3/Η2Ο - Η2Ο/LiBr των οποίων οι επιδόσεις είναι πολύ ανώτερες των συμβατικών ΨΜΑ. Στις σύνθετες ΨΜΑ οι θερμοκρασίες στις οποίες απορρίπτεται η θερμότητα από την μονάδα ΝΗ3/Η2Ο επιτρέπουν την αξιοποίησή της ως πηγή θερμότητας για την λειτουργία της μονάδας Η2Ο/LiBr.

΄Ενα άλλο ενδιαφέρον σύστημα ηλιακής ΨΜΑ ΝΗ3/Η2Ο έχει μελετηθεί το οποίο παράγει ψυκτική ισχύ σε πολυ χαμηλές θερμοκρασίες.

Ακόμη έχουν δημιουργηθεί μοντέλα για εγκαταστάσεις απορροφήσεως στις οποίες πηγή θερμότητας αποτελούν ηλιακές λίμνες ενώ εργαζόμενο μέσο της ΨΜΑ αποτελεί το τριμερές μίγμα LiBr/ZnBr/CH3OH.

Έχει μοντελοποιηθεί η συμπεριφορά μιας ηλιακής κλιματιστικής μονάδας απορροφήσεως Η2Ο/LiBr σε σύζευξη με ψυκτικά στοιχεία οροφής.

Ηλιακή θερμαντλία απορροφήσεως TFE-NMP σε σύζευξη με μονάδα θερμάνσεως δαπέδου.

Έχει γίνει συγκριτική παρουσίαση της συμπεριφοράς Ηλιακών Μονάδων Απορροφήσεως ΝΗ3-ΝaSCN και ΝΗ3-LiNO3 για την περιοχή των Αθηνών.

Κατασκευάσθηκαν νομογραφήματα και συσχετίσεις που αφορούν το βέλτιστο σχεδιασμό μιας ηλιακής λίμνης στην Ελλάδα.

Μέθοδος θερμοδυναμικής ανάλυσης μη αναστρέψιμων διφασικών διεργασιών διμερούς μίγματος.

Ανάπτυξη μιας νέας αντίληψης και μεθόδου για την μελέτη των μη αναστρέψιμων διφασικών διεργασιών διμερών μιγμάτων και καθαρών ουσιών. Αξιοιποίηση της μεθόδου σε θερμοδυναμικές διεργασίες ομορροής.

Γενικεύση της μεθόδου υστέρησης σε θερμοδυναμικές διεργασίες αντιρροής. Μοντελοποίηση της διφασικής αντιρροής μίγματος εξετάζοντας την υστέρηση κατά την συναλλαγή μάζας υγρού-αερίου.

Επέκταση της μεθόδου για την μελέτη των μη ευρισκομένων σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας διεργασιών ΨΜΑ Η2Ο/LiBr. Σημαντική προσπάθεια έχει αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διεργασίες και πραγματικούς κύκλους άλλων μηχανών απορροφήσεως.

Μοντελοποίηση της συμπεριφοράς ψυκτικών μονάδων εγχυτήρα και συνδυασμένων κύκλων απορρόφησης - εγχυτήρα.

Υπάρχουν ελάχιστες θεωρητικές μελέτες προσομοίωσης της συμπεριφοράς του εγχυτήρα παρά την ποικιλία εγχυτήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα σε πολλές εφαρμογές. Για την θερμοδυναμική μελέτη των ψυκτικών μονάδων εγχυτήρος έχει αναπτυχθεί υπολογιστικό μοντέλο βασισμένο στην θεωρία των Munday και Βagster (Υπόθεση ύπαρξης δυο διακριτών ρευμάτων, του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος).

Έχει αναλυθεί η συμπεριφορά ψυκτικών μονάδων δι'εγχυτήρος με διαφορετικά εργαζόμενα μέσα, όπως αμμωνία, νερό, μίγμα αυτών, μεθανόλης και μίγματος νερού-μεθανόλης. Προκύπτει ότι η θερμοδυναμική τους συμπεριφορά σε πολλές περιπτώσεις επιτρέπει την λειτουργία τους σε κλιματιστικές εφαρμογές, αξιοποιώντας ήπιες μορφές ενέργειας χαμηλών θερμοκρασιών.

Επίσης έχει μελετηθεί η συμπεριφορά θερμικών αντλιών σε συνδυασμένο κύκλο εγχυτήρα - απορρόφησης επιτυγχάνοντας βελτίωση της απόδοσης των κλασσικών μονάδων απορρόφησης.

Μηχανές Stirling

Προσπάθειες γίνονται ευρέως για την αξιοποίηση Μηχανών Stirling:

1. Σε Ηλιακά Ενεργειακά Συστήματα Dish-Stirling.

2. Σε παραγωγή ενέργειας από βιομάζα

3. Σε μηχανές ΧΔΘ για την εκμετάλλευση της Γεωθερμικής Ενέργειας.

Από τη ερευνητική μας ομάδα έχουν δημιουργηθεί αλγόριθμοι και υπολογιστικός κώδικας για την μηχανή Stirling - χρησιμοποιώντας το αδιαβατικό μοντέλο προσέγγισης της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς - όπως περιγράφεται από τους Urieli και Berchowitz στο βιβλίο τους "Stirling Cycle Engine Analysis" (1984). Ως υπολογιστικό περιβάλλον για την δημιουργία του σχετικού λογισμικού επελέγη το φιλικό πρός τον χρήστη πρόγραμμα Mathcad της Mathsoft.

Aπό τις πιό νέες εφαρμογές του κύκλου Stirling είναι η Μηχανή Ελευθέρου Εμβόλου (FPSE) οι οποίες στηρίχονται μόνο στις πιέσεις των αερίων για να μεταφέρουν την κίνηση στα παλινδρομούντα μέρη. Μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον συγκεντρώνει η θερμοδυναμική μοντελοποίηση των FPSEs και ο προσδιορισμός των συνθηκών ευσταθούς λειτουργίας των FPSEs. Γίνεται χρήση της τεχνικής γραμμικοποίησης των εξισώσεων δυναμικής ισορροπίας, όπως προτάθηκε πρόσφατα από τους De Monte και Benvenuto, και η μέθοδος εφαρμόζεται στην μηχανή RE-1000 της Sunpower Inc. ως τυπικής και γνωστής FPSE.

Β. Εργαστηριακός Εξοπλισμός

Εγκαταστάσεις - Πειραματικές Διατάξεις

Στις πειραματικές ενεργειακές μονάδες του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής προσετέθη πρόσφατα μεγάλη Ψυκτική Εγκατάσταση Απορροφήσεως 100 RT με Αναλογικό Προσομοιωτή Φορτίου., Ατμογεννήτρια παρέχουσα άμεσα ατμό χαμηλών θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών και Ψυκτικό Πύργο 750 kW (ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ).

Κατά τον σχεδιασμό της εγκατάστασης ελήφθησαν υπόψη τόσο οι ερευνητικές όσο και οι εκπαιδευτικές ανάγκες του εργαστηρίου, προκειμένου να χρησιμοποιείται πολλαπλώς για πειραματικούς σκοπούς, για την εκτέλεση εργαστηριακών ασκήσεων αλλά και με την δυνατότητα ανάληψης μέρους του ψυκτικού φορτίου του εργαστηρίου κατά τους θερινούς μήνες.

Επιστημονικά όργανα - Μετρητικές διατάξεις

Αναλυτικός κατάλογος με καταγραφή όλων των διατάξεων και οργάνων υπάρχει από συστάσεως του εργαστηρίου.

Πειραματικές συσκευές

Οι εργαστηριακές και της απορροφήσεως ανταποκρινόμενη πλήρως και στους τρείς στόχους (Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας / Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού, Θερμότητας & Ψύξης / Εξοικονόμηση Ενέργειας).

Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές

Επαρκές δίκτυο.

Λογισμικά

Με την βοήθεια σε Η/Υ (ΜΑΤΗCAD - ORIGIN) πραγματοποιούνται παραμετρικές μελέτες για τους συνδυασμένους ψυκτικούς κύκλους εγχυτήρος - απορρόφησης. Έχουν δημιουργηθεί κώδικες προσομοίωσης για το μέγιστο συντελεστή συμπεριφοράς COP των παραπάνω ψυκτικών κύκλων με ανεξάρτητες μεταβλητές τις θερμοκρασίες ατμογεννήτριας, συμπυκνωτή και ατμοποιητή.

Έχει δημιουργηθεί υπολογιστικός κώδικας (AMOCO) στο φιλικό πρόγραμμα Mathcad, χρησιμοποιώντας το Αδιαβατικό μοντέλο μελέτης των μηχανών Stirling, με την βοήθεια του οποίου υπολογίζονται με μεγάλη ακρίβεια, σημαντικά θερμοδυναμικά μεγέθη (πίεση, θερμοκρασίες, ροές μάζας, θερμότητες στον θερμαντήρα, τον αναγεννητή και τον ψύκτη, παραγόμενο έργο ανα κύκλο, θεωρητική ισχύς εξόδου και απόδοση πρό των απωλειών). Ο κώδικας αυτός εζητήθη και εδόθη δωρεάν σε μέλη της επιστημονικής κοινότητας (Harry Siebert, Donald Isaac κ.α) και σε εταιρείες κατασκευής μηχανών Stirling (ΤΑΜΙΝ).

Λοιπός εξοπλισμός

Ο κλασσικός εξοπλισμός του εργαστηρίου Θερμοδυναμικής

Γ. Μελλοντική Ανάπτυξη - Κατευθύνσεις

Γίνονται προσπάθειες για την αγορά:

• Μηχανής ισχύος Stirling με δυνατότητα καύσης ποικιλίας καυσίμων.

• Free Piston μικρού μεγέθους.

• Ψυκτικής μηχανής μετά ακροφυσίου.