Experimental and numerical investigation of micro-scale radial turbocompressors for miniaturized sustainable energy systems

The need to strengthen efforts to tackle the great energy and environmental challenges that humankind must face demands the development of sustainable and high-effcient novel technological solutions. Miniaturized turbomachinery arises as one promising technology which can be part of different novel environmentally friendly systems, not only in the power sector but also in heating and cooling sector. Particularly, micro-turbocompressors offer a wide range of applicability in these felds, from hydrogen fuel cells turbocharging to renewable thermal based micro-trigeneration systems. Nevertheless, turbocompressor downsizing entails numerous challenges that prevent them from being high-effcient turbomachines. Therefore, the present Thesis is focused on the characterization of these key adverse aerothermal effects derived from miniaturization in order to shed light on their application to renewable thermal based micro-trigeneration systems. The assessment of these aerothermal effects has been undertaken in the present dissertation by means of developing three different methodological approaches. The frst one consists in a similarity-based analytical prediction method to characterize the off-design behavior of one of the most characteristic miniaturization effect: the low Reynolds-number phenomenon. The proposed pseudo-homologous mapping methodology allows to easily predict the offdesign response obtained when the Reynolds-number varies. This method, therefore, provides a straightforward calculation of the effect of considering a different working f u id at any other inlet pressurization rate, which may result in a benefcial effciency increase if moving away from the laminar-to-turbulent f ow regime. The second methodological approach is based on the development of a three-dimensional numerical model for the characterization of these adverse effects on a reference micro-scale machine. This model has been used to validate the proposed analytical model and also to further explore the viscous effects in the transitional flow regime. Moreover, the assessment of a second miniaturization effect is carried out: the tip clearance losses. The quantifcation of this tip clearance flow and its exploration varying the working f u i d and inlet pressurization have been conducted. Finally, a numerical study of the effects derived from the lack of adiabaticity due to the reduced scale of the machine is carried out, being this the third adverse aerothermal effect studied. The resultant diabatic compression has been characterized by means of considering diabatic walls across the different sections of the micro-turbocompressors. The experimental investigation is the last methodological approach to study the identifed miniaturization effects, especially the low Reynolds-number phenomenon. A specifcally designed test rig is developed and commissioned for the reference micro-scale turbocompressor used through this Thesis. This test rig allows to vary the working fluid and its inlet pressurization through a closed-loop cycle. Hence, the Reynolds-number effects can be identifed at different boundary conditions. Moreover, this investigation has required the characterization of the external heat losses effects due to proven non-adiabatic behavior of the machine. This Thesis has led to several important fndings about the infuence of the key adverse aerothermal effects derived from the miniaturization of turbocompressors. Some of them are briefy summarized here after. First, effciency variations in the range of 2-6 absolute percentage points using air and carbon dioxide at different inlet pressures have been analytically, numerically and experimentally proven due to the low Reynolds-number phenomenon. This characterization on the whole experimentally feasible off-design map is in line with the most recent Reynolds-number correction methods. Second, tip leakage f ow structure has been shown to be preserved when moving to other working fuids and inlet pressurization rates keeping pseudo-homologous conditions, which is fundamental for the similarity-based concept raised. Finally, the diffuser and the volute have been proven to be the regions with the largest impact when dealing with diabatic walls while the inlet and the impeller domain provide very low impact. This allows the proposal of heat transfer correction methods for experimentation, starting from the impeller outlet f ow thermodynamic properties. The application of micro-turbocompressors on promising sustainable miniaturization energy systems is fnally assessed in this dissertation. Hence, a novel modular and fexible micro-trigeneration layout, based on micro-turbomachinery, is put forward for the use of low-to-moderate temperature renewable heat sources. The restricted space of design is analyzed for four different confgurations proposed to achieve the smartest heat management of the system. The use of isobutane and propane for these cycles has been proven to provide reasonable exergy effciency values. The implementation of this system has been examined for a 15-kW prototype of an innovative conception of small scale rotatory solar Fresnel collector, intended to reduce costs by means of a simple design. The proposed integration has been proven to be an effcient way to harness renewable thermal energy within a miniaturized power scale. ----------RESUMEN---------- La necesidad de incrementar los esfuerzos para combatir el gran reto energético y medioambiental que se presenta obliga al desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas eficientes que sean sostenibles. Las turbomáquinas de pequeño tamaño, o miniaturizadas, se presentan como una tecnología prometedora que puede participar en diferentes sistemas energéticos novedosos, no solo en el sector de la generación eléctrica, sino también en el transporte y climatización. En concreto, los micro-turbocompresores ofrecen un gran rango de aplicabilidad en dichos sectores, desde la sobrealimentación de pilas de combustible de hidrógeno hasta su uso en micro-trigeneración a partir de fuentes de energía renovable térmica. Sin embargo, la reducción de tamaño de los turbocompresores conlleva diversas problemáticas que los alejan de ser turbomáquinas de alto rendimiento. Por este motivo, la presente tesis está centrada en caracterizar estos efectos aerotérmicos adversos derivados de la miniaturización con el objetivo de proponer su aplicación en sistemas de micro-trigeneración con fuentes renovables térmicas. La valoración de dichos efectos aerotérmicos adversos ha sido realizada en el presente trabajo gracias al desarrollo de tres enfoques metodológicos diferentes. El primero de ellos consiste en un método analítico de predicción basado en la teoría de semejanza para caracterizar el comportamiento fuera de diseño del efecto de miniaturización más característico y con mayor impacto: el fenómeno asociado a bajos números de Reynolds. El concepto de mapeado de puntos pseudo-homólogos hace que la metodología propuesta permita predecir la respuesta fuera de diseño que se obtiene cuando se varía el número de Reynolds. Este método, por lo tanto, proporciona un cálculo directo de dicho efecto considerando otro fluido de trabajo a una presión de entrada diferente. Esto puede resultar en un efecto beneficioso para el rendimiento de la máquina si se aleja del funcionamiento en régimen fluidodinámico transicional entre el laminar y el turbulento. La caracterización de estos efectos adversos se ha llevado a cabo también a través de un análisis numérico en el micro-turbocompresor de referencia elegido para esta tesis. Este es el segundo enfoque metodológico, para el que se ha necesitado construir un modelo numérico tridimensional de dicha máquina. Este ha sido utilizado para validar el anterior modelo analítico y también para entender mejor el comportamiento de los efectos viscosos con flujo en régimen transicional. Además, mediante este método también se ha caracterizado otro importante efecto derivado de la miniaturización: las pérdidas intersticiales. Así, se ha llevado a cabo la cuantificación de este flujo secundario y el análisis de su comportamiento cambiando el fluido y la presión de trabajo. Finalmente, se ha realizado un estudio numérico sobre los efectos causados por la falta de adiabaticidad debido al tamaño reducido de la máquina, siendo este el tercer efecto aerotérmico adverso estudiado. Esto da lugar a una compresión diatérmana, la cual ha sido caracterizada considerando paredes diatérmanas a través de las diferentes secciones de paso del micro-turbocompresor. La investigación experimental desarrollada en esta tesis es el último enfoque metodológico empleado para identificar los efectos derivados de la miniaturización, especialmente el fenómeno debido al bajo número de Reynolds. Con este motivo, se ha desarrollado y construido un banco de ensayos específicamente diseñado para el micro-turbocompresor de referencia utilizado en esta tesis. El banco de ensayos desarrollado permite modificar tanto el fluido como la presión de trabajo gracias a su configuración de ciclo cerrado. Así, los efectos dependientes del número de Reynolds pueden ser identificados mediante diferentes condiciones de contorno. Por otra parte, para su identificación ha sido necesaria la caracterización de las pérdidas de calor externas al compresor, evidenciando así su comportamiento no adiabático debido a su pequeño tamaño. La presente tesis ha conducido al hallazgo de ciertas conclusiones interesantes acerca de la influencia de estos efectos adversos causados por la miniaturización de turbocompresores. Algunas de ellas se resumen a continuación. En primer lugar, se han podido registrar de manera analítica, numérica y experimental variaciones de rendimiento en torno a 2-6 puntos porcentuales utilizando aire y dióxido de carbono a diferentes presiones de trabajo, demostrando así el fenómeno de bajo número de Reynolds. Los resultados de esta caracterización a lo largo de todo el espectro fuera de diseño que se ha podido experimentar están en línea con los métodos de corrección de Reynolds más recientes. En segundo lugar, se ha demostrado que la estructura del flujo secundario a través de los intersticios es invariante al modificar tanto el fluido como la presión de trabajo en condiciones pseudo-homólogas, siendo importante esta conclusión para garantizar el concepto basado en semejanza del método analítico. Finalmente, se ha concluido que el difusor y la voluta son las regiones en las que mayor impacto tienen las paredes diatérmanas, mientras que este es mucho más reducido en la región de entrada y en el rodete. Esto permite la propuesta de métodos de corrección de las pérdidas de calor en experimentación considerando las propiedades del fluido a la salida del rodete. Por último, esta tesis ha evaluado la aplicación de micro-turbocompresores en un prometedor sistema energético sostenible de pequeña potencia. Por ello, se propone un diseño de ciclo para la micro-trigeneración, basado en micro-turbomáquinas, utilizando fuentes renovables térmicas de temperatura moderada. El espacio de diseño restringido es analizado para cuatro configuraciones propuestas con el objetivo de alcanzar la mejor gestión energética del sistema. Así, se concluye que el uso de isobutano y propano proporciona unos valores de rendimiento exergético razonables. La implementación de este sistema se estudia para un prototipo de 15 kW de un colector solar Fresnel rotatorio de pequeña escala, diseñado con el objetivo de reducir costes. La integración propuesta demuestra el potencial de un sistema eficiente para aprovechar energía térmica renovable en una escala de potencia muy pequeña