Rising energy demands and the continual push to find more energy efficient technologies have been the impetus for the investigation of waste heat recovery techniques. Diesel engine exhaust heat utilization has the potential to significantly reduce the consumption of fossil fuels and reduce the release of greenhouse gases, because diesel engines are ubiquitous in industry and transportation. The exhaust energy can used to provide refrigeration by implementing an organic Rankine cycle coupled with a vapor-compression cycle. A critical component in this system, and in any waste heat recovery system, is the heat exchanger that extracts the heat from the exhaust. In this study, a cross-flow microchannel heat exchanger was geometrically examined and thermally tested under laboratory conditions. The heat exchanger, referred to as the Heat Recovery Unit (HRU), was designed to transfer diesel exhaust energy to a heat transfer oil. Two methods were developed to measure the geometry of the microchannels. The first was based on image processing of microscope photographs, and the second involved an analysis of profilometer measurements. Both methods revealed that the exhaust channels (air channels) were, on average, smaller in cross-sectional area by 11% when compared to the design. The cross-sectional area of the oil channels were 8% smaller than their design. The hydraulic diameters for both channel geometries were close to their design. Hot air was used to simulate diesel engine exhaust. Thermal testing of the heat exchanger included measurements of heat transfer, effectiveness, air pressure drop, and oil pressure drop. The experimental results for the heat transfer and effectiveness agreed well with the model predictions. However, the measured air pressure drop and oil pressure drop were significantly higher than the model. The discrepancy was attributed to the model's ideal representation of the channel areas. Additionally, since the model did not account for the complex flow path of the oil stream, the measured oil pressure drop was much higher than the predicted pressure drop. The highest duty of the Heat Recovery Unit observed during the experimental tests was 12.3 kW and the highest effectiveness was 97.8%. To examine the flow distribution through the air channels, velocity measurements were collected at the outlet of the Heat Recovery Unit using a hot film anemometer. For unheated air flow, the profile measurements indicated that there was flow maldistribution. A temperature profile was measured and analyzed for a thermally loaded condition. / Graduation date: 2012

[pt] O presente trabalho trata do projeto, modelagem e simulação de uma bancada de testes, com a finalidade de mensurar o desempenho de componentes de refrigeração, para ciclos por compressão de vapor. A configuração da bancada foi concebida para oferecer flexibilidade na escolha dos componentes e estabilidade durante a realização dos experimentos. Um modelo matemático foi desenvolvido e implementado a partir da aplicação dos princípios de conservação da massa e energia para cada um dos volumes de controle dos componentes da bancada. A modelagem considera também as equações de troca de calor, propriedades termodinâmicas e modelos físicos dos componentes, para prever condições de operação da bancada operando em regime permanente. Para a modelagem computacional utilizou-se o software EES-Engineering Equation Solver. O modelo resultante também foi utilizado no pré-dimensionamento dos subsistemas da bancada e na simulação de parâmetros característicos, a fim de delimitar a faixa de capacidades, bem como as variáveis de entrada e saída, necessárias ao controle do sistema. O dimensionamento e a seleção dos equipamentos e componentes foram efetuados com base no refrigerante R134a, como fluido de trabalho. No entanto, o modelo é compatível com a utilização de outros refrigerantes, tais como o R22, R407C, R410A, e outras misturas. O trabalho inclui um modelo para simular o comportamento em regime transiente do tanque inercial térmico com o intuito de estudar a estabilidade e o controle do sistema em regime permanente. A simulação demonstrou que a configuração da bancada garantirá estabilidade e reprodutibilidade dos experimentos nas eventuais variações das condições externas, diferindo, portanto, de grande parte dos sistemas de refrigeração convencionais. / [en] The present work deals with the design, modeling and simulation of a test bench used in evaluating the performance of components of vapor compression refrigeration systems. The mathematical model was developed and implemented based on the application of the conservation of mass and energy principles to each of the control volumes, heat transfer equations, thermodynamic properties for refrigerant and water and existing physical models for the system components were also applied. The software EES-Engineering Equation Solver was used as the computational platform. The resulting simulation program was initially used to size the test bench subsystems and to simulate characteristic parameters in order to determine the range of capacities and input and output variables. Refrigerant R-134a was the working substance considered when sizing and choosing system components, but the model can also be used with R22 refrigerants as well as R410A, R407C and others refrigerant mixtures. The work also includes a transient analysis of the thermal inertial tank with focus on the study of the operational control for the system being operated at steady state. The simulation showed that the layout of the test bench will warrant stability and reproducibility of experiments for eventual changes in the external condition, thus differing from typical conventional vapor compression refrigeration systems.

A preocupação energética tem impulsionado a humanidade a buscar alternativas sustentáveis de energia. Neste contexto, os edifícios de escritórios têm um papel importante, em especial, devido ao elevado consumo de energia dos sistemas de condicionamento de ar. Para esses sistemas, a possibilidade de utilização de energia solar é uma alternativa tecnicamente possível e interessante de ser considerada, principalmente porque, quando a carga térmica do edifício é mais elevada, a radiação solar também é mais elevada. Dentre os sistemas de condicionamento de ar solar, o sistema térmico - que associa coletores solares térmicos com chiller de absorção - é o mais disseminado, na atualidade. Entretanto, dependendo do caso, outras tecnologias podem ser vantajosas. Uma opção, por exemplo, no caso de edifícios de escritórios, é o sistema elétrico - que associa painéis fotovoltaicos ao chiller convencional de compressão de vapor. Neste trabalho, para um edifício de escritórios de 20 pavimentos e 1000 m2 por pavimento, na cidade de São Paulo, no Brasil, duas alternativas de ar condicionado solar tiveram seus desempenhos energéticos analisados: o sistema térmico - com coletores solares térmicos somente na cobertura e o sistema elétrico - com painéis FV somente nas superfícies opacas das fachadas. Para isso, com o software EnergyPlus do Departamento de Energia dos Estados Unidos obteve-se as carga térmica atuantes no edifício e com a aplicação do método de cálculo de consumo de energia dos sistemas de ar condicionado solar, proposto pelo Projeto SOLAIR da União Européia, adaptado para a realidade da pesquisa, obteve-se o desempenho energético dos sistemas. Os resultados mostraram que, para o edifício de 20 pavimentos, o sistema elétrico tem o melhor desempenho energético, economizando 28% e 71% da energia elétrica que consumiria um sistema de ar condicionado convencional, em um dia de verão e de inverno, respectivamente. O sistema térmico, ao contrário, apresentou um desempenho energético ruim para o edifício estudado, consumindo, por exemplo, em um dia de verão, cerca de 4 vezes mais energia elétrica do que um sistema de ar condicionado convencional. Constatouse que isso ocorreu, pois a área coletora limitada à cobertura foi insuficiente para atender a demanda do chiller de absorção, que passou a operar com frações solares baixas, da ordem de 50% e 20%, de pico, no dia de inverno e de verão, respectivamente. Assim, constatou-se que para que o sistema térmico apresente um desempenho energético satisfatório é preciso que o edifício não seja tão alto. De fato, os resultados mostraram que somente se o edifício tivesse no máximo 2 pavimentos, o sistema térmico teria um desempenho energético melhor do que um sistema convencional. No caso de ser aplicado ao edifício térreo de 1000m2 de área, por exemplo, esse sistema economizaria aproximadamente 65% da energia elétrica do sistema convencional. Por fim, constatou-se também que o desempenho energético do sistema térmico seria elevado com a otimização da área e da tecnologia de coletores solares, com o aprimoramento do sistema de aquecimento auxiliar e com a redução da carga térmica do edifício por meio de técnicas passivas de climatização. / Energy concern has driven human kind to seek sustainable energy alternatives. In this context, office buildings have an important role, especially due to the high energy consumption of air conditioning systems. For these systems, the possibility of using solar energy is technically feasible and interesting to be considered, mainly because generally when the building thermal load is higher, the solar radiation is also higher. Among solar airconditioning systems, the thermal system - which combines solar collectors with absorption chiller - is the most widespread, nowadays. However, depending on the case, other technologies may take advantage. One option, for example, in the case of office buildings, is the electrical system - which combines photovoltaic panels with conventional vapor compression chiller. In this work, an office building of 20 floors with 1,000 m2 floor area, in Sao Paulo, Brazil, two technologies of solar air conditioning had their performance analyzed: the thermal system - presenting solar thermal collectors only on the roof and the electrical system with PV panels only on the opaque surfaces of the facades. For this, the software EnergyPlus of the United States Department of Energy obtained the building thermal load and the with the solar air conditioning energy consumption calculating method proposed by SOLAIR project of the European Union and adapted to this work, energy performance of systems was obtained. The results showed that for this building, the electrical system had the best energy performance, saving 28% and 71% of electricity that would consume a conventional air conditioning system in a summer day and a winter day, respectively. The thermal system, in contrast, showed a poor energy performance, consuming, for example, on a summer day, about four times more electricity than a conventional air conditioning system. It was found that this occurred because the collectors area limited to the roof of the building was insufficient to meet the absorption chiller demand, causing low solar fractions in the operation, of around 50% and 20% peak, in a winter day and in a summer day, respectively. Thus, in order of provide a satisfactory energy performance, the thermal system requires that the building not to be so tall. In fact, the results showed that only if the building had up to two floors, the system would perform better than a conventional system. In case of be installed in a building with the ground floor only, and floor area of 1000m2, for example, this system would save about 65% of the electricity comparing to a conventional system. Finally, it was found that this energy performance would be elevated as well with the optimization of solar collectors area and technology, with auxiliary heating system improvement and with the reduction of thermal load of the building by means of passive air conditioning techniques.

A preocupação energética tem impulsionado a humanidade a buscar alternativas sustentáveis de energia. Neste contexto, os edifícios de escritórios têm um papel importante, em especial, devido ao elevado consumo de energia dos sistemas de condicionamento de ar. Para esses sistemas, a possibilidade de utilização de energia solar é uma alternativa tecnicamente possível e interessante de ser considerada, principalmente porque, quando a carga térmica do edifício é mais elevada, a radiação solar também é mais elevada. Dentre os sistemas de condicionamento de ar solar, o sistema térmico - que associa coletores solares térmicos com chiller de absorção - é o mais disseminado, na atualidade. Entretanto, dependendo do caso, outras tecnologias podem ser vantajosas. Uma opção, por exemplo, no caso de edifícios de escritórios, é o sistema elétrico - que associa painéis fotovoltaicos ao chiller convencional de compressão de vapor. Neste trabalho, para um edifício de escritórios de 20 pavimentos e 1000 m2 por pavimento, na cidade de São Paulo, no Brasil, duas alternativas de ar condicionado solar tiveram seus desempenhos energéticos analisados: o sistema térmico - com coletores solares térmicos somente na cobertura e o sistema elétrico - com painéis FV somente nas superfícies opacas das fachadas. Para isso, com o software EnergyPlus do Departamento de Energia dos Estados Unidos obteve-se as carga térmica atuantes no edifício e com a aplicação do método de cálculo de consumo de energia dos sistemas de ar condicionado solar, proposto pelo Projeto SOLAIR da União Européia, adaptado para a realidade da pesquisa, obteve-se o desempenho energético dos sistemas. Os resultados mostraram que, para o edifício de 20 pavimentos, o sistema elétrico tem o melhor desempenho energético, economizando 28% e 71% da energia elétrica que consumiria um sistema de ar condicionado convencional, em um dia de verão e de inverno, respectivamente. O sistema térmico, ao contrário, apresentou um desempenho energético ruim para o edifício estudado, consumindo, por exemplo, em um dia de verão, cerca de 4 vezes mais energia elétrica do que um sistema de ar condicionado convencional. Constatouse que isso ocorreu, pois a área coletora limitada à cobertura foi insuficiente para atender a demanda do chiller de absorção, que passou a operar com frações solares baixas, da ordem de 50% e 20%, de pico, no dia de inverno e de verão, respectivamente. Assim, constatou-se que para que o sistema térmico apresente um desempenho energético satisfatório é preciso que o edifício não seja tão alto. De fato, os resultados mostraram que somente se o edifício tivesse no máximo 2 pavimentos, o sistema térmico teria um desempenho energético melhor do que um sistema convencional. No caso de ser aplicado ao edifício térreo de 1000m2 de área, por exemplo, esse sistema economizaria aproximadamente 65% da energia elétrica do sistema convencional. Por fim, constatou-se também que o desempenho energético do sistema térmico seria elevado com a otimização da área e da tecnologia de coletores solares, com o aprimoramento do sistema de aquecimento auxiliar e com a redução da carga térmica do edifício por meio de técnicas passivas de climatização. / Energy concern has driven human kind to seek sustainable energy alternatives. In this context, office buildings have an important role, especially due to the high energy consumption of air conditioning systems. For these systems, the possibility of using solar energy is technically feasible and interesting to be considered, mainly because generally when the building thermal load is higher, the solar radiation is also higher. Among solar airconditioning systems, the thermal system - which combines solar collectors with absorption chiller - is the most widespread, nowadays. However, depending on the case, other technologies may take advantage. One option, for example, in the case of office buildings, is the electrical system - which combines photovoltaic panels with conventional vapor compression chiller. In this work, an office building of 20 floors with 1,000 m2 floor area, in Sao Paulo, Brazil, two technologies of solar air conditioning had their performance analyzed: the thermal system - presenting solar thermal collectors only on the roof and the electrical system with PV panels only on the opaque surfaces of the facades. For this, the software EnergyPlus of the United States Department of Energy obtained the building thermal load and the with the solar air conditioning energy consumption calculating method proposed by SOLAIR project of the European Union and adapted to this work, energy performance of systems was obtained. The results showed that for this building, the electrical system had the best energy performance, saving 28% and 71% of electricity that would consume a conventional air conditioning system in a summer day and a winter day, respectively. The thermal system, in contrast, showed a poor energy performance, consuming, for example, on a summer day, about four times more electricity than a conventional air conditioning system. It was found that this occurred because the collectors area limited to the roof of the building was insufficient to meet the absorption chiller demand, causing low solar fractions in the operation, of around 50% and 20% peak, in a winter day and in a summer day, respectively. Thus, in order of provide a satisfactory energy performance, the thermal system requires that the building not to be so tall. In fact, the results showed that only if the building had up to two floors, the system would perform better than a conventional system. In case of be installed in a building with the ground floor only, and floor area of 1000m2, for example, this system would save about 65% of the electricity comparing to a conventional system. Finally, it was found that this energy performance would be elevated as well with the optimization of solar collectors area and technology, with auxiliary heating system improvement and with the reduction of thermal load of the building by means of passive air conditioning techniques.

Dans cette thèse nous développons des structures de supervision permettant de définir des consignes optimales pour des actionneurs thermiques, ainsi que des stratégies de commande appropriées pour le pilotage d’une pompe à chaleur (PAC). Pour répondre à ces objectifs, plusieurs étapes ont été réalisées :- Modélisation orientée commande d’une PAC réversible, des thermistances, et de l’environnement permettant de les lier à l’intérieur de l’habitacle. Des modèles physiques ont été définis et intégrés dans une plateforme du type Model-in-the-Loop pour permettre a posteriori la validation des stratégies de commande et d’optimisation. - Commande d’une PAC. La linéarisation du modèle de PAC autour de certains points de fonctionnement a permis le développement de la commande de l’actionneur principal. La structure de commande proposée permet de prendre en compte, en boucle fermée, des contraintes d’état et d’entrée du système. Les performances de cette structure ont été analysées en considérant successivement des régulateurs principaux de type PI et Hinf. Enfin, des algorithmes réalisant le pilotage d’un actionneur secondaire du système ont été également proposés. - Optimisation des actionneurs thermiques. L’utilisation combinée de thermistances et de la PAC présente des avantages en termes de réduction de la consommation énergétique et/ou du maintien de la puissance thermique demandée dans des conditions aux limites de fonctionnement. Le problème d’optimisation a été résolu en deux temps : des solutions hors-ligne ont été obtenues par résolution d’un problème mixte en nombre entier avec modèle prédictif, puis utilisées pour déduire des stratégies embarquables sur le véhicule. / Through this thesis we develop some strategies to define the optimal set points for thermal actuators, as well as an adequate control strategy for a heat pump. To this extent, different steps were carried out:- Control-oriented modeling of a reversible heat pump, thermistors, and the environment connecting these elements to the interior of the car’s cabin. Simplified but non-linear physical models were defined and used to build a Model-in-the-Loop platform, which would later be considered for the validation of the control and optimization strategies. - Control of a heat pump. The linearization of the heat pump model around some operating points was used to develop the control of the electric compressor, being the main actuator. The proposed control structure takes into account, in closed loop, input and state constraints. The performance of the structure was analyzed by using main controllers of PI and Hinf type. Lastly, some control algorithms were also proposed to control a second actuator of the system. - Thermal actuators optimization. Despite the high efficiency of the heat pump, the use of thermistors can be advantageous both for reducing the energetic consumption and/or to ensure the thermal power requests in extreme conditions. The optimization problem was carried out in two steps: offline solutions were firstly obtained solving a mixed-integer problem with predictive model, then used to derive some strategies that could be embedded in the vehicle.

[pt] Em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, o projeto adequado dos circuitos para o refrigerante nos trocadores de calor pode ter um impacto significativo no seu coeficiente de performance (COP). O projeto otimizado dos circuitos de refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor do tipo tubo-aletado não é trivial, devido à complexidade de sua representação assim como o elevado número de possíveis combinações, mesmo quando metodologias inteligentes de otimização são empregadas. No presente trabalho propõe-se uma nova metodologia para a otimização simultânea (condensador e evaporador) dos circuitos do refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor de tipo tubo-aletado. Esta metodologia, aqui denominada como GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), mostra-se mais eficiente que as metodologias até então descritas na literatura. Foi aplicado o método GAFIS, em conjunto com um simulador completo para o sistema de refrigeração, Genesym, na otimização de unidades comerciais de condicionamento de ar de alto desempenho. Estudaram-se casos onde o sistema atingiu aumentos de até 15,3 por cento no coeficiente de performance. Em outros estudos, obtiveram-se casos onde o custo de produção foi reduzido em 3,85 por cento (do custo total da unidade), mantendo-se um similar desempenho (capacidade e COP). Testes de otimização, considerando-se diferentes diâmetros dos tubos, na construção dos trocadores de calor, e sistemas com distribuição não uniforme de velocidade de ar, também foram realizados com o GAFIS. Igualmente foram estudados condensadores de microcanais, devido ao interesse atual da indústria com estes trocadores de calor. A otimização do circuito para o refrigerante, neste caso, é relativamente simples, devido ao baixo custo computacional das simulações. Entretanto, modelos de simulação adequados para estes tipos de trocadores de calor só recentemente começaram a surgir, e não têm sido explorados de maneira adequada até a presente data. Explorou-se no presente trabalho, a influência, no desempenho térmico do condensador, dos parâmetros que definem o circuito do refrigerante. Para tal efeito, desenvolveu-se um modelo de simulação baseado em análise local, validado com dados experimentais disponíveis, de condensadores de microcanais de uso automotivo com diâmetro hidráulico (lado do refrigerante) de 0,9 e 1,0mm, para refrigerantes R-134a, Fluid-H e R-1234yf. Foram encontradas relações diretas entre os parâmetros geométricos que definem os circuitos de refrigerante no condensador e seu desempenho térmico. Tal fato pode ser utilizado como orientação expedita para o projeto do circuito ótimo do condensador. / [en] Refrigerant circuiting in condensers and evaporators has a significant effect in the performance of refrigeration systems. The optimized project of the refrigerant circuits in refrigeration systems with plate-fin heat exchangers is not trivial, due to the complexity of their representation as well as the high number of possible combinations, even when methodologies of intelligent optimization are used. The present work proposes a new methodology for the simultaneous optimization of refrigerant circuiting in air-air refrigeration systems with plate-fin heat exchangers. This new methodology, here defined as GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), has proven to be more efficient than traditional methods. The GAFIS method was applied, in conjunction with a full refrigeration system simulator, Genesym, for the optimization of high performance commercial air-conditioning units. Typical cases were studied and a coefficient of performance improvement of up to 15.3 percent has been observed. In other studies, there were cases where the manufacturer s predicted cost was reduced in 3,85 percent (of total cost of the unit), while a similar thermal performance (capacity and COP) was maintained. Optimization tests, considering different diameters of tube, for the construction of heat exchangers, as well as systems with non-uniform air velocity distribution, were also performed with the GAFIS method. Microchannel condensers were also studied, given the current interest of industry on this kind of heat exchanger. The optimization of the refrigerant circuiting, in this case, would not be a major problem, due to the low computational cost of its simulation. However, simulation models appropriate for these types of heat exchangers have only been recently in use, and, to date, have not been adequately explored. In the present work, the influence on condenser performance of parameters that define the refrigerant circuiting has been investigated. For this purpose, a simulation model, based on local analysis, was developed. It was validated against experimental data, available from automotive microchannel condenser tests, with hydraulic diameters (refrigerantside) of 0.9 and 1.0mm for refrigerants R-134a, Fluid-H and R-1234yf. A direct relation was found between the geometric parameters that define the condenser refrigerant circuiting and its thermal performance. This fact can be appropriately used as guidance for expeditious design practices of the optimal refrigerant circuit of the condenser.

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Systematické řízení tepelných a elektrických toků v plně elektrických automobilech se stává velmi důležitým, protože v těchto typech automobilů není k dispozici dostatek odpadního tepla pro vytápění kabiny. Aby v zimním období nedocházelo ke snížení dojezdu, je nutné použití technologií, které umožní snížení spotřeby energie nutné k vytápění kabiny (např. tepelné čerpadlo, zásobník tepla). Je také zapotřebí vytvořit řídicí algoritmy pro tato zařízení, aby byl zajištěn jejich optimální provoz. V letním období je nezbytné řídit tepelné toky v rámci elektromobilu tak, aby nedocházelo k nadměrnému vybíjení baterie kvůli chlazení kabiny a dalších částí. Tato práce řeší jak návrh řídicích algoritmů, tak i vývoj rozhodovacího algoritmu, který zajistí směřování tepelných toků.