Analysis of the behavior of an ejector in off-design conditions

Ejectors have been introduced for the first time at the beginning of the 900s, and since then, they have been used a lot in the industrial field. For these reasons, many studies have been made on these devices: these studies can have a modeling or an experimental connotation. Among modeling studies two techniques are used today: analytical approaches and Computational Fluid-Dynamics (CFD) approaches. Both modeling techniques have advantages and limits: the former ensure limited computational time and less cost than experimental method for predicting ejector performance, but they are unable to correctly predict ejector performance especially in off-design conditions due to the inability to describe the internal flow behavior; the latter are able to provide deep understanding of local flow phenomena, but they require a higher computational cost and specific competencies in numerical methods. The integrated CFD-lumped-parameter-model presented in this work combines the benefits of both the described techniques, therefore is able to correctly predict ejector off-design performance, by integrating CFD results, which accounts local flow behavior, with an analytical lumped-parameter model core. The integrated lumped parameter model has a very flexible computational structure, therefore it can be easily implemented in energy power plant simulation tools. The thesis is structured in three parts: in the first part, a description of ejector technology and a review of its modeling state-of-the-art will be provided. In the second part the CFD approach will be outlined, validated and used to study the behavior of an ejector in off-design conditions. In the end, the integration of these two modeling techniques, the application procedures will be described and commented. Finally simple case studies will be proposed in order to show model potentiality.

Gli eiettori sono stati introdotti per la prima volta agli inizi del secolo scorso e da allora hanno trovato un ampio utilizzo in ambito industriale. Per queste ragioni, negli anni sono stati fatti molti studi su questi dispositivi; questi studi possono avere due connotazioni: modellistica o sperimentale. Tra gli studi modellistici al giorno d’oggi sono utilizzate due tecniche: analitiche o numeriche (CFD). Le due tipologie di modelli presentano ciascuna dei vantaggi e degli svantaggi: i primi descrivono il comportamento di un eiettore con un onere computazionale poco rilevante, tuttavia non sono in grado di predirne le prestazioni con grande accuratezza soprattutto in condizioni di fuori progetto a causa dell’impossibilità di descriverne localmente il comportamento fluidodinamico; i secondi invece, consentono di predirre ottimamente la fluidodinamica locale, ma richiedono un onere computazionale decisamente maggiore, così come delle competenze specifiche da parte dell’operatore. Il modello integrato termodinamico-CFD presentato in questo lavoro si pone come obbiettivo quello di combinare i benefici di entrambe le tecniche modellistiche tramite l’integrazione di risultati ottenuti tramite CFD con un modello analitico a parametri concentrati. Il modello sviluppato ha poi il pregio di presentare una struttura molto flessibile, di conseguenza può essere facilmente implementato in codici per la simulazione di impianti energetici. La tesi è strutturata in tre parti: nella prima parte sarà proposta una descrizione della tecnologia degli eiettori seguita da una presentazione sullo stato dell’arte relativo alla modellazione. Nella seconda parte il modello CFD, dopo essere stato validato, verrà utilizzato per studiare il comportamento dell’eiettore al variare delle condizioni operative, al fine di comprendere come la fluidodinamica locale influenzi il comportamento globale. Nell’ultima parte sarà presentata l’integrazione tra le due diverse tipologie di modelli e le modalità applicative. Infine saranno proposti dei semplici casi studio al fine di mostrare le potenzialità del modello sviluppato.