بهینه‌سازی هندسی اجکتور فراصوتی برای بهبود عملکرد آن در سیستم‌‌های تبرید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شریف

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

ظر به نیاز روزافزون به سامانه‌های تبرید و تهویه مطبوع و به طبع آن افزایش مصرف انرژی الکتریکی و تولید گازهای گلخانه‌ای، استفادهاز سامانه‌های تبریداجکتوری راه‌ حل مناسبی برای جایگزین کردن سامانه‌ هایتبرید تراکمی متداول به نظرمی‌رسد. مشکل اصلی سامانه ‌های تبریداجکتوری، پایین بودن ضریب عملکرد آن‌ها است.در این سامانه‌ها، ضریب عملکرد به‌طور مستقیم به عملکرد اجکتور بستگی دارد. یکی از مهم‌ترین پیش‌نیازها برای بهبودعملکرد اجکتور، انجام یک شبیه‌سازی عددی دقیق و مطمئن برای پیش‌بینی مؤلفه‌هایمحلی وکلی جریان در اجکتور است.در این مطالعه،در ابتدا با استفاده ازدینامیک سیالات محاسباتی برای جریان دوبعدی،دارای تقارن محوری، حالت‌پایا وتراکم‌ پذیردرون اجکتور فراصوتی، شبیه‌سازی عددی انجام شد.در قسمت بعدی این پژوهش، بهینه‌سازی هندسی برای چهار پارامترهندسی تأثیرگذار اجکتور، یک‌بار با تابع هدف نسبت مکش و بار دیگر با تابع هدف بازده اگزرژی انجام‌ شده است. استفاده از تابع هدف بازده اگزرژی برای اولین بار است که بر روی اجکتور انجام می‌گیرد. درنتیجه انجام بهینه‌سازی با تابع هدف نسبت مکش،هندسه اجکتوری حاصل شد که با تغییرناچیزدر فشار خروجی اجکتور، نسبت مکش آن به‌طورنسبی53 %افزایش داشته است.همچنین با انجام بهینه‌سازی هندسی با تابع هدف بازده اگزرژی، اجکتوری حاصل شدکه بازده اگزرژی آن به‌طور نسبی 36/6 %افزایش داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Shape Optimization of Supersonic Ejector to Enhance its Performance in Refrigeration Applications

نویسندگان [English]

  • Farid Aligolzadeh 1
  • Ali Hakkaki-Fard 2
1 MSc student, Sharif University of Technology
2 Mechanical Engineering/Sharif University/Assistant Professor
چکیده [English]

Due to an increasing need for refrigeration systems and their growing electrical demand and greenhouse gases production, using ejector refrigeration systems would be a suitable substitution for conventional cooling systems. Main drawback of ejector refrigeration systems is their low coefficient of performance. The key component to improve the cycle performance is the ejector. Prerequisite of improving ejector performance is an accurate computational fluid dynamics simulation for predicting its entrainment ratio. In this study, a two dimensional, axisymmetric, steady state, compressible flow computational fluid dynamics simulation of a supersonic ejector is performed. In the second part of this study, geometrical optimization of the simulated ejector for two different objective functions is performed. The first objective function considered was the ejector entrainment ratio. The optimization with this objective function led to 53% relative improvement in the entrainment ratio with a negligible decrease in critical pressure. The second, objective function considered was the exergy efficiency in which the optimization showed 39.6% relative improvement. The exergy efficiency is used for the first time in the literature as the objective function for optimization of ejector geometry.

کلیدواژه‌ها [English]

  • computational fluid dynamics
  • Supersonic ejector
  • Shape optimization
  • Entrainment ratio
  • Exergy efficiency
[1]  L. Pérez-Lombard, J. Ortiz, C. Pout, A review on buildings energy consumption information, Energy and buildings, 40(3) (2008) 394-398.
[2]  J. Gagan, K. Śmierciew, M. Łukaszuk, D. Butrymowicz, Investigations of thermal performance of ejection refrigeration system driven by low grade heat, Applied Thermal Engineering, 130 (2018) 1121-1138.
[3]  K. Ullah, R. Saidur,  H.  Ping,  R. Akikur,  N.  Shuvo, A review of solar thermal refrigeration and cooling methods, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24 (2013) 499-513.
[4]I. Sarbu, C. Sebarchievici, Review of solar refrigeration and cooling systems, Energy and Buildings, 67 (2013) 286-297.
[5]  S. He, Y. Li, R. Wang, Progress of mathematical modeling on ejectors, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(8) (2009) 1760-1780.
[6]  M. Hamzaoui, H. Nesreddine, Z. Aidoun, M. Balistrou, Experimental study of a low grade heat driven ejector cooling system using the working fluid R245fa, International Journal of Refrigeration, 86 (2018) 388- 400.
[7]  G. Besagni, R. Mereu, F. Inzoli, Ejector refrigeration:  A comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53 (2016) 373-407.
[8]  Y. Bartosiewicz, Z. Aidoun, P. Desevaux, Y. Mercadier, Numerical and experimental investigations on supersonic ejectors, International Journal of Heat and Fluid Flow, 26(1) (2005) 56-70.
[9]    A. Hakkaki-Fard, Z. Aidoun, M. Ouzzane, A computational methodology for ejector design and performance maximisation, Energy Conversion and Management, 105 (2015) 1291-1302.
 [10]  W. Fu, Y. Li, Z. Liu, H. Wu, T. Wu, Numerical study for the influences of primary nozzle on steam ejector performance, Applied Thermal Engineering, 106 (2016) 1148-1156.
[11]   N. Ruangtrakoon, T. Thongtip, S. Aphornratana, T. Sriveerakul, CFD simulation on the effect of primary nozzle geometries for a steam ejector in refrigeration cycle, International Journal of Thermal Sciences, 63 (2013) 133-145.
[12]   L. Wang, J. Yan, C. Wang,  X.  Li,  Numerical  study on optimization of ejector primary nozzle geometries, International Journal of Refrigeration, 76 (2017) 219- 229.
[13]   M.S. Lee, H. Lee, Y. Hwang, R. Radermacher, H.M. Jeong, Optimization of two-phase R600a ejector geometries using a non-equilibrium CFD model, Applied Thermal Engineering, 109 (2016) 272-282.
[14]  M. Palacz, J. Smolka, W. Kus, A. Fic, Z. Bulinski, A.J. Nowak, K. Banasiak, A. Hafner, CFD-based shape optimisation of a CO2 two-phase ejector mixing section, Applied Thermal Engineering, 95 (2016) 62-69.
[15]   J.A. Expósito Carrillo, F.J. Sánchez de La Flor, J.M. Salmerón Lissén, Single-phase ejector geometry optimisation by means of a multi-objective evolutionary algorithm and a surrogate CFD model, Energy, 164 (2018) 46-64.
[16]   R.K. McGovern, G. Prakash Narayan, J.H. Lienhard, Analysis of reversible ejectors and definition of an ejector efficiency, International Journal of Thermal Sciences, 54 (2012) 153-166.
[17]   S. Varga,  P.M.S.  Lebre, A.C. Oliveira, CFD study of  a variable area ratio ejector using R600a and R152a refrigerants, International Journal of Refrigeration, 36(1) (2013) 157-165.
[18] ANSYS FLUENT Theory Guide, ANSYS Inc. , Canonburg, PA, 2015.
[19] ANSYS FLUENT user’s guide ANSYS Inc., Canonburg, PA, 2015.
[20] S. Croquer, S. Poncet, Z. Aidoun, Turbulence modeling of a single-phase R134a supersonic ejector. Part 1: Numerical benchmark, International Journal of Refrigeration, 61 (2016) 140-152.
[21] M. Yazdani, A.A. Alahyari, T.D. Radcliff, Numerical modeling of two-phase supersonic ejectors for work- recovery applications, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55(21-22) (2012) 5744-5753.
[22] Y. Zhu, P. Jiang, Experimental and numerical investigation of the effect of shock wave characteristics on the ejector performance, International Journal of Refrigeration, 40 (2014) 31-42.
[23] C. Li, Y.Z. Li, Investigation of entrainment behavior and characteristics of gas–liquid ejectors based on CFD simulation, Chemical Engineering Science, 66(3) (2011) 405-416.
[24] K. Pianthong, W. Seehanam, M. Behnia, T. Sriveerakul, S.   Aphornratana,   Investigation   and    improvement of ejector refrigeration system using computational  fluid dynamics technique, Energy Conversion and Management, 48(9) (2007) 2556-2564.
[25]  A. Hakkaki-Fard, M. Poirier, Z. Aidoun, M. Ouzzane, D. Giguère, An experimental study of ejectors supported by CFD, in: Refrigeration Science and Technology, 2015, pp. 2030-2037.
[26] A. Hemidi, F. Henry, S. Leclaire, J.M. Seynhaeve, Y. Bartosiewicz, CFD analysis of a supersonic air ejector. Part I: Experimental validation of single-phase and two- phase operation, Applied Thermal Engineering, 29(8-9) (2009) 1523-1531.
[27] L. Su, CFD Simulation and Shape Optimization of Supersonic Ejectors for Refrigeration and Desalination Applications, Washington University in St. Louis, 2015
[28]F. Aligolzadeh, A. Hakkaki-Fard, Studying the effect of equation of state and turbulence modeling on numerical simulation of a supersonic ejector, in: 17'th Conference On Fluid Dynamics, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran, 2017.