Equivalent temperature-based approach for thermal design and the selection of optimal working fluids for refrigeration and organic Rankine cycles

Les systèmes de réfrigération et de puissance représentent la plus grande part de la consommation d'énergie dans les secteurs résidentiel et commercial à travers le monde. Les projections de la demande mondiale d'énergie montrent même une tendance vers une hausse significative au cours des prochaines années. Par conséquent et en raison des sources d'énergie fossiles limitées et de l'impact environnemental, l'optimisation de ces cycles thermodynamiques a attiré beaucoup l'attention des chercheurs. Les performances économiques, environnementales et de fonctionnement des cycles dépendent fortement de la sélection du fluide de travail, ainsi que des caractéristiques de conception et de fonctionnement du cycle. Le choix du fluide de travail est un problème complexe car il implique la sélection du fluide de travail approprié parmi un grand nombre de candidats ainsi que l’ensemble des conditions de fonctionnement possibles pour chaque candidat. Pour résoudre ce problème, une approche systématique doit être définie pour filtrer les alternatives. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'introduire une approche systématique pour la conception thermique et la sélection des fluides de travail optimaux pour les cycles de Rankine organique et de réfrigération basés sur le concept de température équivalente. L'approche systématique introduite se compose de deux étapes, à savoir: l'optimisation des performances à l'échelle du système; et la conception à l'échelle des composants. Dans la première étape, l'efficacité maximale possible du système dans des circonstances idéales est déterminée, indépendamment du fluide de travail, basée sur les conditions existantes de la source externe. Étant donné que la température équivalente exprime implicitement la température de saturation, le sous-refroidissement et les degrés de surchauffe, l'utilisation d'une température équivalente au lieu de la température réelle nous fournit un nombre réduit de paramètres pour le problème d'optimisation. De plus, l'interprétation géométrique de la température équivalente sur le diagramme h-s ouvre la voie au calcul de la génération d'entropie à travers les composants du système qui reste un problème non résolu dans la littérature. Les résultats de l'optimisation des performances à l'échelle du système, ensuite, établissent des critères thermodynamiques pour présélectionner les fluides de travail potentiels. Dans la deuxième étape, une procédure de reconstruction est définie pour corréler les résultats d'optimisation, qui sont en termes de température équivalente, avec les paramètres de fonctionnement réels pour chaque fluide de travail présélectionné. Étant donné que les propriétés individuelles des fluides de travail présélectionnés sont disponibles, l'efficacité de la première loi et la conductance thermique totale sont considérées comme deux indicateurs économiques pour évaluer les performances de chaque fluide de travail. Par conséquent, le fluide de travail le plus approprié pourrait être sélectionné. L'approche a d'abord été appliquée à la réfrigération par compression de vapeur et au cycle organique de Rankine. Les résultats ont démontré la supériorité de cette approche par rapport aux approches existantes dans la littérature. Il a été démontré que l'utilisation d'une température équivalente entraînait un problème d'optimisation précis et, à son tour, une meilleure conception des systèmes. Par la suite, l'approche a été étendue au système de réfrigération à éjection où la complexité du flux de fluide à l'intérieur de l'éjecteur crée un obstacle d'optimisation à l'échelle du système. De plus, certaines hypothèses préliminaires, concernant les différences de température dans les échangeurs de chaleur, empêchent les chercheurs d'atteindre une approche de conception systématique efficace. Pour simplifier la complexité des phénomènes à l'intérieur de l'éjecteur, il a été remplacé par un compresseur-expanseur hypothétique, puis le taux de génération d'entropie résultant a été caractérisé en utilisant l'efficacité de l'éjecteur. Nous avons ensuite déterminé les variables d'optimisation et jeté les bases d'une détermination systématique des états de fonctionnement des fluides de travail potentiels, sans aucune hypothèse préliminaire. Pour valider notre conception thermodynamique, une technique CFD a été utilisée pour déterminer les paramètres géométriques de l'éjecteur qui fournissent les conditions d’opération désirées.Abstract: Refrigeration and power systems account for the largest portion of energy use by residential and commercial sectors around the world. Global energy demand projections show even a significant increasing trend by upcoming years. As a result and due to limited fossil fuel energy sources and the environmental impact of rising energy consumption, the optimization of such thermodynamic cycles has drawn much attention from researchers. The economic, environmental and operating performance of the cycles depends heavily on the selection of the working fluid, as well as the design and operating characteristics of the cycle. The choice of the working fluid is a complex problem because it implies the selection of the appropriate working fluid among a huge number of candidates as well as the sets of possible operating conditions for each candidate. To address this issue, a systematic approach needs to be defined to screen the alternatives. The main objective of this research project is to introduce a systematic approach for the thermal design and selection of the optimal working fluids for organic Rankine and refrigeration cycles based on the equivalent temperature concept. The introduced systematic approach is composed of two steps, namely: system-scale performance optimization; and component-scale design. In the first step, the maximum possible efficiency of the system under ideal circumstances is determined, independently of the working fluid, based on the existing external source conditions. Since equivalent temperature implicitly expresses the saturation temperature, subcooling, and superheating degrees, using equivalent temperature instead of actual temperature provides us with a reduced number of parameters for the optimization problem. Furthermore, the geometrical interpretation of equivalent temperature on the h-s diagram paves the way for the calculation of entropy generation through the system components which remained an unsolved issue in the literature. The results of system-scale performance optimization, then, establish thermodynamic criteria to pre-select the potential working fluids. In the second step, a reconstruction procedure is defined to correlate the optimization results, which are in terms of equivalent temperature, with the actual operating parameters for each pre-selected working fluid. Since the individual properties of the pre-selected working fluids are available, first-law efficiency and total thermal conductance are considered as two economic indicators to evaluate the performance of each working fluid. As a result, the most appropriate working fluid could be selected. The approach was, first, applied to the vapor-compression refrigeration and organic Rankine cycle (ORC). The results demonstrated the superiority of this approach compared to the existing approaches in the literature. It was shown that using equivalent temperature resulted in a precise optimization problem and, in turn, a better design of the systems. Afterward, the approach was extended to the ejector refrigeration system where the complexity of fluid flow inside the ejector creates an obstacle for system-scale optimization. Moreover, some preliminary assumptions, regarding temperature differences in heat exchangers, prevent researchers from reaching an efficient systematic design approach. To simplify the complexity of phenomena inside the ejector, it was replaced by a hypothetical expander-compressor, and then the resultant entropy generation rate was characterized by using the efficiency of the ejector. We subsequently determined the optimization variables and laid the foundation for a systematic determination of operating states for potential working fluids, without any preliminary assumptions. To validate our thermodynamic design, a CFD technique was employed to determine the ejector geometry parameters that deliver the desired operating conditions