CFD simulation of complex ejector system in transcritical CO2 systems

The last years have seen an incredible increase of the refrigeration cool load. At the same time, the need to reduce emissions, has made fundamental the pursue of more environmentally friendly solutions. Ejectors represent one of the cheapest solutions in these terms. With an ejector being a non-movable part component, the biggest challenge of this technology is to work in an on-design condition. This problem can be overcome by introducing a multi-ejector pack. However, the ejector is the most critical component of the mentioned system, thus introducing the need for modeling techniques which can be able to provide accurate information about its performance. Thanks to rigorous modeling, a proper evaluation of the refrigeration system operation can be achieved. The present thesis presents the state of art of ejector technologies in the refrigeration field together with the latest models developed to describe the them, which can be divided into: lumped parameter models (based on thermodynamic equations) and Computational Fluid Dynamics (CFD) models. One of the aims of this project was to carry out the numerical simulation of the multi-ejector pack from the facility of SuperSmart rack, using SST k-omega method. Once this was completed, focus was placed on the mesh independence analysis. The mesh convergence order was found to be around 1. By comparing with the experimental data, less than 10% of error is found for the entraintment ratio. At the same time, entropy generation was noticed where high turbulence kinetic energy occurs and this was found to be highly linked to the ejector's geometry. Moreover, it was recorded that the pressure loss is negligible in the collector of the multi-ejector pack. Finally, the bene_t relative to the application of a multi-ejector in a system was evaluated and it was concluded that the coeficient of performance (COP) can be doubled by doubling the ejector efficiency, comparing with ejector's efficiency around 30%.

Negli ultimi anni i carichi di raffreddamento sta aumentando. Allo stesso tempo, l'esigenza di ridurre le emissioni, la richiesta di una soluzione più environmental friendly è sempre più richiesto. L'eiettore rappresenta una delle soluzioni più economica in questo ambito. Questo è una componente non mobile, la sfida più grande di questa tecnologia è operare nelle condizioni off-design. Questo problema è stata superata introducendo il sistema multi-eiettore. Comunque, l'eiettore è una delle componenti più critiche del sistema, così l'introduzione di una modellazione in modo tale che ottengano una soluzione accurata è richiesta per avere una valutazione della sua prestazione. Grazie ad una modellazione rigorosa, una valutazione corretta dell'operazione del sistema di refrigeramento è stata raggiunta. Questa tesi presenta la tecnologia dell'eiettore in campo di refrigerazione insieme agli ultimi modelli che le descrivono, che possono essere divisi in: modello a parametro concentrato (basati sulle equazioni termodinamiche) e modello computazione fluido dinamica (CFD). Uno degli obiettivi di questo progetto era eseguire una simulazione numerica del pacco multi-eiettore dall'impianto di SuperSmart rack, usando SST k-omega. Una volta completato, si è focalizzato sull'analisi dell'indipendenza della griglia. L'ordine della convergenza della griglia intorno a 1 è stata trovata. Paragonando con i dati sperimentali, l'errore del meno di 10% sul rapporto flussi di massa alle entrate è stata trovata. Allo stesso tempo, la generazione dell'entropia è stata individuata dove avviene alto valore di energia cinetica di turbolenza e questo dipende altamente dalla geometria dell'eiettore. Inoltre, è stato registrato che le perdite di pressione nel collettore nel pacchetto di multi-eiettore è trascurabile. Alla fine i benefici riguardante alla applicazione del sistema multi-eiettore è stato valutato e si conclude che il coefficiente della prestazione (COP) risulta raddoppiato nel raddoppiare dell'efficienza dell'eiettore, paragonando con l'efficienza dell'eiettore all'incirca di 30%.