Analysis of energy saving configurations and employment of geothermal energy for industrial type CO2 refrigeration systems [article]

Anastasia Sliousaregko, National Technological University Of Athens
2020
Αθήνα, Οκτώβριος 2020 ii iii iv v Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο της ολοκλήρωσης του διατμηματικού μεταπτυχιακού προγράμματος "Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας" του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, κατά το εαρινό εξάμηνο του 2020. Αισθάνομαι μεγάλη ικανοποίηση που συμμετείχα σε αυτό το πρόγραμμα, μέσω του οποίου είχα να την ευκαιρία να διευρύνω τους επιστημονικούς και επαγγελματικούς μου ορίζοντες. Επιθυμώ λοιπόν να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στους ανθρώπους,
more » ... υ στους ανθρώπους, χωρίς τους οποίους δεν θα ήταν δυνατή η υλοποίηση αυτού του έργου. Πρωτίστως, οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Μιχάλη Βραχόπουλο, για την ευκαιρία που μου έδωσε και την εμπιστοσύνη του να αναλάβω το συγκεκριμένο θέμα, καθώς και για την καθοδήγηση και τις συμβουλές του καθόλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Μέσα από αυτήν την προσπάθεια, αποκόμισα πολύτιμες γνώσεις και εμπειρίες, οι οποίες αποτέλεσαν το έναυσμα για τη μετέπειτα επαγγελματική μου σταδιοδρομία. Ακολούθως, θέλω να ευχαριστήσω τον κ. Ευάγγελο Συγγούνα, μηχανολόγο μηχανικό του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και υποψήφιο διδάκτορα στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, ο οποίος παρακολούθησε και συμμετείχε ενεργά στην ολοκλήρωση της αυτής της εργασίας. Τον ευχαριστώ ιδιαιτέρως για τον χρόνο που μου διέθεσε, την άριστη συνεργασία, καθώς και τη συνεχή υποστήριξη και επιστημονική του καθοδήγηση. Ακόμη, θέλω να ευχαριστήσω τους φίλους και τους συναδέλφους που υποστήριξαν αυτή την προσπάθεια και συνέβαλαν με τον δικό τους τρόπο στην εξέλιξή της. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στην οικογένειά μου, η οποία με στηρίζει πάντοτε. Τίποτε δεν θα ήταν το ίδιο χωρίς την αμέριστη κατανόηση, υπομονή και αγάπη που μου προσέφερε και προσφέρει. Σε αυτήν οφείλω ο, τι έχω καταφέρει μέχρι σήμερα. vi viii Λέξεις -Κλειδιά: διοξείδιο του άνθρακα, υπερκρίσιμος ψυκτικός κύκλος, εξοικονόμηση ενέργειας, εκτοξευτήρας-ejector, AΠΕ, κανονική γεωθερμία, γεωθερμική αντλία θερμότητας, γεωεναλλάκτης, λογισμικό EES. ix Abstract The objective of this study is the development of energy saving refrigeration cycles that apply in supermarket refrigeration units utilizing carbon dioxide as a refrigerant. The reference system under examination is a conventional two-temperature booster refrigeration system (CBR) with the ambient temperature fluctuating between 1 to 40 o C. To enhance the system's performance, the CBR system is modified by adding an ejector. The two systems are compared and further studied for potential energy improvement by utilizing geothermal energy. A geothermal heat exchanger (GHE) (water medium in constant temperature of 20 o C) is added in the systems in two cases· i) in the place of condenser and ii) after the condenser or gas cooler (as a subcooler). The analysis of all systems is conducted using the Engineering Equation Solver (EES) software. All systems are compared based on COP and total power consumption of the compressors. The results show that the simple ejector system can achieve a decrease in power consumption of approximately 61% compared to the conventional one at 16 ο C ambient temperature. This results in an increase of COP by 157%. At transcritical operation, the decrease in the power consumption reaches 67% at 27 o C, while COP increased by 40%. Ejector is activated for ambient temperatures above 15 ο C, thus for lower temperatures the system could return to the CBR set-up by an automated mechanism. Further performance enhancemed is achived when the systems are intergrated with a GHE. The CBR system with a GHE-subcooler, which is activated above 12 ο C ambient temperature, results in an increase of COP up to 24% at 22 ο C and a decrease in the power consumption up to 19% in comparison with the initial CBR system. However, above 29 ο C the integrated with a GHEcondenser CBR system presents a constant energy lead, with a 22% increase in COP and an 18% decrease in consumptions at 29 ο C, while at 40 o C the performance is enhanced by a maximum of 87% in COP and the consumptions are decreased by 46%. Moreover, the demand on water supply for the GHE-condenser is constant (11,11 kg/sec) and up to 9 times higher than of the GHEsubcooler (in this case the demand fluctuates between 0 to 2,53 kg/sec). For the EBR system which is integrated with a GHE-subcooler, from ambient temperature range between 12 and 31 ο C the system presents an increase of COP by 75% and decrease in consumptions up to 43% comparing to the initial EBR system. However, above 32 ο C the integrated with a GHE-condenser EBR system has a constant energy lead, with a 87% increase in COP and a 47% decrease in consumptions at 32 ο C, while at 40 o C the performance is enhanced by a maximum of 206% in COP and the consumptions are decreased by 67%. Ejector systems generally present less water demand for the GHE, up to 20% less for the GHE-subcooler and 14% for the GHE-condenser in comparison with the matched CBR configurations. Moreover, the EBR system with GHE-subcooler presents a maximum of 230% increase of COP and 70% decrease in consumptions at 16 ο C compared to the reference CBR system, while the EBR with GHEcondenser presents with an increase of 241% and decrease of 71% respectively at 40 ο C.
doi:10.26240/heal.ntua.20069 fatcat:36byt2gzqrazdelfoorfb5rqxi