Η παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ρευστομηχανικής και Εφαρμογών Αυτής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα «Ηράκλειτος ΙΙ» στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθησης, Επένδυση στη κοινωνία της γνώσης. Ο έλεγχος του θερμικού φορτίου στη λειτουργία διαφόρων μηχανολογικών ή ηλεκτρολογικών συστημάτων από συστήματα ψύξης, γίνεται όλο και πιο αναγκαίος στη σημερινή εποχή. Τα συστήματα ψύξης κατηγοριοποιούνται σε ενεργά, που μεταφέρουν ενέργεια υπό μορφή αισθητής θερμότητας μέσω ενός υγρού και σε παθητικά συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούν τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του ρευστού λειτουργίας που κυκλοφορεί στην εγκατάσταση, εξαιτίας των τριχοειδών δυνάμεων που αναπτύσσονται από την ύπαρξη πορώδους υλικού. Τα παθητικά συστήματα ψύξης προτιμώνται έναντι των ενεργών, καθώς έχουν τη δυνατότητα να απάγουν περισσότερη θερμότητα, παρουσιάζουν πιο αξιόπιστη λειτουργία, εξαιτίας της έλλειψης κινητών μερών και τέλος, εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μία διάταξη που προσφέρει δυνατότητες ελέγχου του θερμικού φορτίου είναι το κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας, Capillary Pump Loop (CPL), που αποτέλεσε και το αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Αξιοποιεί τις τριχοειδείς δυνάμεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια υγρής-αέριας φάσης του ρευστού λειτουργίας στο πορώδες υλικό που περικλείει ο εξατμιστής στο εσωτερικό του, καθώς και τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης και συμπύκνωσης του ρευστού. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνει την κυκλοφορία του ρευστού λειτουργίας στην εγκατάσταση, χωρίς την παρουσία μηχανικής αντλίας, και τη μεταφορά των απαιτούμενων θερμικών φορτίων σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας αποτελείται από έναν εξατμιστή, ένα συμπυκνωτή, τις γραμμές υγρού και ατμού καθώς και ένα ρεζερβουάρ. Από τη μέχρι τώρα έρευνα είχαν μελετηθεί πειραματικά αρκετά μοντέλα CPL, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη διαδικασία εκκίνησης της διάταξης καθώς και στις συνθήκες μόνιμης λειτουργίας. Σε όλα αυτά τα μοντέλα το θερμικό φορτίο επιβάλλονταν μέσω ηλεκτρικών αντιστάσεων. Στην παρούσα διερεύνηση η διάταξη ενσωμάτωσε τη δυνατότητα η προσφερόμενη θερμότητα να παρέχεται και από την ηλιακή ακτινοβολία αναπτύσσοντας έναν εργαστηριακό ηλιακό προσομοιωτή. Προκειμένου να βελτιώσουμε τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας και να επιτύχουμε υψηλότερη θερμοκρασία στον εξατμιστή του CPL χρησιμοποιήθηκε παραβολικό κάτοπτρο σε συνδυασμό με συγκεντρωτικό συλλέκτη. Η πειραματική εγκατάσταση που σχεδιάσθηκε και κατασκευάστηκε είχε ως στόχο τη μελέτη της συμπεριφοράς του CPL σε θερμικά φορτία υπό μεταβλητές συνθήκες πλήρωσης της εγκατάστασης, ενώ εξετάστηκε και η συμπεριφορά της τριχοειδούς αντλίας όταν ο εξατμιστής βρίσκονταν υπό κλίση ως προς το επίπεδο, και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα αντίστοιχα για λειτουργία σε οριζόντιο επίπεδο. Η παραμετροποίηση της πειραματικής διερεύνησης του CPL αφορούσε τέσσερις τιμές θερμοκρασίας εισόδου του ρευστού, 15, 25, 35 και 45 οC, τρεις τιμές πίεσης πλήρωσης του κυκλώματος, 0,05, 0,15 και 0,25 bar, και, τέλος, τρεις γωνίες κλίσης, 8ο, 16ο και 23ο. Η διάρκεια των πειραμάτων ήταν αρχικά δέκα ώρες, ώστε να προσομοιώνει τη λειτουργία της εγκατάστασης σε διάστημα ηλιοφάνειας κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, αλλά και εικοσιτέσσερις, ώστε να αποτυπωθεί η απρόσκοπτη διατήρηση της κατάστασης σταθερής λειτουργίας του κυκλώματος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται τα υπολογιστικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, 2Δ και 3Δ, όπως σχεδιάστηκαν στο λογισμικό GAMBIT της Fluent Inc., βάση των διαστάσεων του εξατμιστή της πειραματικής εγκατάστασης. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε αφορούσαν το νερό, την ακετόνη, την αμμωνία σαν ρευστά λειτουργίας, τόσο στο επίπεδο όσο και υπό γωνίες κλίσης, παραμετροποιώντας τόσο το θερμαινόμενο μήκος πορώδους επί του συνολικού μήκους του πορώδους του εξατμιστή, όσο και τη θερμοκρασία κορεσμού. Τα δεδομένα για όλα τα ρευστά συγκεντρώθηκαν σε συγκριτικά διαγράμματα, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τα περιθώρια αξιοποίησης αυτών, είτε υπάρχει κλίση είτε όχι. Επιπλέον, τεκμηριώθηκε η επιλογή του νερού σαν καταλληλότερο ρευστό λειτουργίας κάτω από δεδομένες συνθήκες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται ο αριθμητικός κώδικας που δημιουργήθηκε για τη μοντελοποίηση ολόκληρης της εγκατάστασης του CPL και παραθέτουμε συγκριτικά διαγράμματα, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, με τα πειραματικά, τα αριθμητικά και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Στο τελευταίο μέρος έχουμε σχεδιάσει κυκλώματα, αξιοποιώντας την τριχοειδή αντλία, για τη ψύξη/θέρμανση των χώρων μιας κατοικίας για ολόκληρο το έτος. Μια πρόταση που βασίζεται στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ανταποκρίνεται στην επιτακτική ανάγκη για εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη μείωση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, εξοικονομώντας χρήματα και προστατεύοντας το περιβάλλον / Present research was conducted in Fluid Mechanics Laboratory of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department, University of Patras, and was financed by the operational programme «Herakleitos II», Education and Lifelong Learning Investing in knowledge society. Modern demands in controlling heating load of the cooling systems of mechanical or electrical components are increasing. Cooling systems are divided in active and passive systems. In active systems energy is transported due to sensual heat. While in passive systems due to working fluid latent heat of evaporation because of capillary forces developed in the porous wick inside the evaporator. Passive systems are preferred compared to active systems because they can transfer larger amount of heat, are more reliable, since there are no moving parts, and, finally, lifetime period is longer. The Capillary Pumped Loop (CPL) is a device proper for thermal management control, and was investigated in the present PhD study. The CPL operating principle is based on capillary action, developed in the liquid-vapor phase interface of the working liquid in the porous wick inside the evaporator, and working fluid evaporation and condensation latent heat. The result is that the working fluid is displaced inside the loop without any mechanical pump and heat load is transported in large distances. CPL main components are an evaporator, a condenser, a liquid line, a vapor line and a reservoir. Research regarding the CPL experimental models so far concentrated in the evaporator start-up and steady working state conditions. For all those cases heat load was applied through electric resistances. In the present study heat load was alternatively applied through solar radiation using a solar simulator, designed for this purpose. In order to achieve higher temperature in the evaporator external wall and increase solar radiation exploited, a parabolic mirror was used in combination with a solar collector. The experimental installation was designed in such a way to study the behavior of a CPL when heat load was imposed under different loop charging pressures and for several evaporator inclination angles. Experimental results where compared to the results acquired for evaporator operating at zero inclination angle. The initial values of the working fluid temperature were 15, 25, 35 and 45 oC, of the charging pressure 0,05, 0,15, 0,25 bar and of the inclination angle 8, 16 and 23o. The duration of the experiments was initially ten hours, in order to simulate CPL operating during a typical summer day, and then increased to twenty four hours to investigate continuous operation during all day. In the second section of this study two and three dimensions, 2D and 3D, computational models are presented designed in Gambit, Fluent Inc., based on the exact dimensions of the experimental ones. Computational results were derived for water, acetone and ammonia, as working fluid, for zero inclination and the three values of angles mentioned above. Models were customized for different porous wick heated length and working liquid of different saturation temperature. Comparative figures for all working fluids are presented whether evaporator was under inclination angle or not. Moreover, those comparative figures reviled that water was more suitable as working fluid under steady operating state. In the third section the numerical model simulating the overall CPL function is presented and comparative figures between experimental, computational and numerical results are given, for the same operating conditions. In the last section a potential solar CPL heating/cooling system for domestic use is presented. This potential system could meet the demands for using renewable energy sources in order to reduce electrical energy consumption, save money and protect the environment at the same time.

La production d'électricité dépend étroitement de la disponibilité d'une source froide. C'est la raison pour laquelle la plupart des centrales de grande puissance dans le monde sont construites près d'une source d'eau. Le problème de la source froide a été soulevé à plusieurs reprises en France, notamment après les canicules de 2003 et de 2006. Le refroidissement à l'air sec est une des options possibles. Cependant, étant donné le besoin de surface d'échange plus important, le changement de la source froide pour l'air ambiant n'est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.Une des solutions à ce problème imaginées à EDF était de changer l'architecture du cycle de production en considérant un cycle de production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la vapeur d'eau et le deuxième fonctionnant avec de l'ammoniac dont la vapeur à basse pression est beaucoup plus dense que celle de l'eau. Cette solution permet de faciliter l'utilisation d'un aérocondenseur et de réduire la taille de la salle machine.En raison de la nature toxique et corrosive de l'ammoniac, il est intéressant d'étudier la possibilité de remplacer ce dernier par d'autres fluides plus adaptés, notamment en envisageant de nouveaux fluides pour lesquels peu ou pas de données sont disponibles. Nous comparons les fluides sur le plan énergétique et en terme de taille des composants de l'installation.Cette thèse illustre la démarche des différentes étapes de notre travail : la recherche de nouveaux fluides de travail, l'évaluation de performance du système en régime nominal et non-nominal, le dimensionnement des principaux composants du cycle ainsi que l'évaluation de coût et de gain économique éventuel. / This work considers a two stage Rankine cycle architecture slightly different from a standard Rankine cycle for electricity generation. Instead of expanding the steam to extremely low pressure, the vapor leaves the turbine at a higher pressure then having a much smaller specific volume. It is thus possible to greatly reduce the size of the steam turbine. The remaining energy is recovered by a bottoming cycle using a working fluid which has a much higher density than the water steam. Thus, the turbines and heat exchangers are more compact; the turbine exhaust velocity loss is lower. This configuration enables to largely reduce the global size of the steam water turbine and facilitate the use of a dry cooling system.The main advantage of such an air cooled two stage Rankine cycle is the possibility to choose the installation site of a large or medium power plant without the need of a large and constantly available water source; in addition, as compared to water cooled cycles, the risk regarding future operations is reduced (climate conditions may affect water availability or temperature, and imply changes in the water supply regulatory rules).The concept has been investigated by EDF R&D. A 22 MW prototype was developed in 70s using ammonia as the working fluid of the bottoming cycle for its high density and high latent heat. However, this fluid is toxic. In order to search more suitable working fluids for the two stage Rankine cycle application and to identify the optimal cycle configuration, we have established a working fluid selection methodology. Some potential candidates have been identified. We have evaluated the performances of the two stage Rankine cycles operating with different working fluids in both design and off design conditions. For the most acceptable working fluids, components of the cycle have been sized. The power plant concept can then be evaluated on a life cycle cost basis.

Das Lernsystem Thermopr@ctice stellt eine internetgestützte Lernumgebung für das Berechnen von Übungsaufgaben mit dem Computer-Algebrasystem Mathcad dar. Die veränderte Arbeitsweise des Lernenden besteht darin, das herkömmliche Arbeitsblatt durch den Mathcad-Arbeitsbildschirm zu ersetzen und die Aufgabenlösung unmittelbar auf diesem zu erledigen. Dem Lernenden werden die Übungsaufgaben – hier im Fach Technische Thermodynamik – in individuellen Varianten und mit individuellen Zahlenwerten im Mathcad-Format über Internet bereitgestellt. Die Lösung erfolgt in betreuten Übungen oder am heimischen PC. Für die Lösung benötigte Stoffwerte können der Stoffwertsammlung im Internet entnommen bzw. mit Programmbibliotheken, die an Mathcad angeschlossen sind, berechnet werden. Ergänzend wird eine Formelsammlung angeboten, aus der wichtige Formeln auf den Arbeitsbildschirm gezogen werden können. Nach der Berechnung jeder Teilaufgabe sendet der Lernende das Ergebnis an Thermopr@ctice. Im Fehlerfall werden Zwischenergebnisse angefordert. Realisiert wird die Lernumgebung über PHP-Skripte in Verbindung mit einer MySQL-Datenbank. Durch das Lernsystem werden die Studierenden an moderne Arbeitsweisen unter Nutzung eines Computer-Algebrasystems und fachbezogener Programmbibliotheken herangeführt. Da das System zum Selbststudium konzipiert ist, eignet es sich auch für die Weiterbildung und das Fernstudium. Es kann auf alle Lehrfächer übertragen werden, in denen die Aneignung oder Festigung von Wissen über das Berechnen von Übungsaufgaben erfolgt. Thermopr@ctice wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Bildungsportal Sachsen“ des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst entwickelt. Neue Technologien in der Energietechnik, insbesondere Verfahren mit CO2-Abscheidung, bedingen veränderte Arbeitsfluide. Neben reinen Stoffen kommen zunehmend fluide Stoffgemische zum Einsatz, deren thermodynamische Eigenschaften berechnet werden müssen. Dies betrifft feuchte Verbrennungsgasgemische einschließlich CO2/H2O-Gemische sowie feuchte Luft, auch bei hohen Drücken. Daneben sind die Eigenschaften von gasförmigen, flüssigen und festem Kohlendioxid und Mischungen mit verbliebenen Gasen zu berechnen. Auf Grund der Nutzung von Abwärme sind Absorptionskältemaschinen mit Ammoniak-Wasser-Gemischen und Wasser- Lithiumbromid-Gemischen nach wie vor von Interesse. Die Eigenschaften von Ammoniak/Wasser- Gemischen werden auch für die Berechnung des Kalina-Prozesses benötigt. Zur Konzipierung von ORC-Prozessen müssen die Eigenschaften von Silikonölen und Kohlenwasserstoffen berechenbar sein. Für die Optimierung von fortschrittlichen Dampfkraftwerken sind extrem schnelle Algorithmen für die Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf Voraussetzung. Die weltweit an Bedeutung gewinnende Meerwasserentsalzung bedingt eine immer genauere Modellierung der Verfahren, wofür die Eigenschaften von Meerwasser berechenbar sein müssen. Für die Berechnung solcher Prozesse wurden benutzerfreundliche Programmbibliotheken zur Ermittlung der thermodynamischen Zustandsgrößen einschl. Umkehrfunktionen und Transporteigenschaften der Arbeitsfluide erarbeitet. Zur komfortablen Nutzung der Stoffwert-Bibliotheken steht das Add-On FluidMAT für Mathcad® zur Verfügung. Versionen für Studierende der wichtigsten Programme sind verfügbar.