Lumped parameter and CFD modelling of ejectors for refrigeration applications

Most of the actual refrigeration systems are activated by electricity and their use has increased during the recent years so much to move the peak electricity consumptions from winter to summer seasons. A possible solution to reduce electricity consumptions is the use of thermal refrigeration systems, such as those based on ejectors. The ejector refrigeration systems are characterized by high reliability and low costs and can exploit low-grade energy sources (i.e. solar energy or waste heat from industrial processes). The ejector is the most critical component of these systems and modelling techniques able to provide accurate information about its performance are needed for a proper evaluation of the refrigeration system operation. The ejector modelling techniques can be divided into lumped parameter models (based on thermodynamic equations) and Computational Fluid Dynamics (CFD) models. The aims of this thesis are to analyze and apply both modelling techniques to case studies and to propose an integrated lumped parameter-CFD model for supersonic ejector. This modelling technique could combine the simplicity of the lumped parameter models with the detailed description of local fluid dynamics phenomena provided by the CFD models. The thesis is structured in five chapters. In the first and in the second chapter, the state of the art of ejector technology and ejector modelling are presented and discussed. The third chapter concerns the analysis of the lumped parameter models and their implementation to examine the influence of the operating conditions and working fluids on ejector performance. The fourth chapter concerns the CFD modelling technique and is composed of two parts. In the first part, a CFD approach is validated comparing the performance of the main RANS turbulence models and their different wall treatments. In the second part, the validated CFD approach is used to examine the performance of three different ejector geometric shapes as a function of the operating conditions. In the fifth chapter, the integrated lumped parameter-CFD model is presented for supersonic ejectors.

La maggior parte dei sistemi di refrigerazione esistenti è attivata da energia elettrica e il loro utilizzo è diventato talmente importante da spostare il picco di consumi di energia elettrica dai mesi invernali a quelli estivi. Una possibile soluzione per ridurre i consumi sono i sistemi di refrigerazione attivati da energia termica, come gli impianti basati su eiettori. Questi sistemi, oltre ad avere un'affidabilità molto elevata e bassi costi, possono essere progettati per utilizzare energia termica di basso pregio (come può essere quella derivante da pannelli solari o il calore di scarto dei processi industriali). L’eiettore è il componente critico di questi impianti ed è quindi necessario avere a disposizione strumenti che possano fornire informazioni precise sulle sue prestazioni. Le tecniche utilizzate per la modellazione degli eiettori comprendono i modelli termodinamici a parametri concentrati e i modelli di termofluidodinamica computazionale (CFD). Questa tesi si pone come obiettivi l’analisi e l’impiego di entrambi gli approcci nello studio di concreti casi applicativi e proporre un modello integrato termodinamico-CFD per eiettori supersonici. Questa tecnica modellistica può unire la semplicità di implementazione dei modelli a parametri concentrati con la descrizione dettagliata dei fenomeni fluidodinamici locali fornita dai modelli CFD. La tesi è strutturata in cinque capitoli. Nel primo e nel secondo capitolo vengono presentati, rispettivamente, lo stato dell’arte della tecnologia basata sugli eiettori e delle tecniche di modellazione utilizzate. Il terzo capitolo riguarda l’analisi dei modelli a parametri concentrati e la loro implementazione per esaminare l’influenza delle condizioni operative e dei fluidi di lavoro sulle prestazioni dell’eiettore. Il quarto capitolo riguarda l’approccio CFD ed è suddiviso in due parti. La prima parte è costituita da un’analisi di validazione dell’approccio CFD, confrontando le prestazioni dei principali modelli di turbolenza RANS e dei diversi trattamenti a parete. Nella seconda parte, il modello CFD validato viene utilizzato per esaminare le prestazioni di tre diverse configurazioni geometriche di un eiettore al variare delle condizioni operative. Nel quinto capitolo viene presentato il modello integrato termodinamico-CFD per eiettori supersonici.