Characterization and optimization of ejectors using numerical fluid dynamics

Abstract

Der durch fossile Brennstoffe verursachte anthropogene Klimawandel stellt eine große Bedrohung für unseren Planeten dar. Die Dekarbonisierung der Industrie ist daher entscheidend, um das Ziel einer nachhaltigen Zukunft zu erreichen. Eine Möglichkeit zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen in der Industrie ist der Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen, die mit Abwärme und geringen Mengen Strom betrieben werden und so fossile Brennstoffe ersetzen. Herkömmliche Expansionsventile, die in Wärmepumpen eingesetzt werden, sind jedoch aufgrund des irreversiblen Dissipationsprozesses ineffizient. Eine alternative Expansionsvorrichtung, der Ejektor, hat das Potenzial den Coefficient of Performance (COP) von Wärmepumpen um bis zu 26% zu verbessern. Dies macht Wärmepumpen nicht nur effizienter, sondern senkt auch deren Betriebskosten. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Numerischer Strömungsmechanik, Ejektoren für den Einsatz in einer industriellen Wärmepumpe, mit R1233zd(E) als Kältemittel, untersucht. Um den Rechenaufwand für die Simulation der im Ejektor auftretenden Zweiphasenströmung zu reduzieren, wird das Homogeneous Equilibrium Model(HEM) angewendet, welches ein thermisches und mechanisches Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen annimmt. Dieses Modell wurde in die kommerzielle Software Ansys Fluent implementiert. Aus den Simulationen ging hervor, dass Ejektorgeometrien in allen Koordinatenrichtungen mit demselben Faktor skaliert werden können, ohne Einfluss auf die Performance des Ejektors. Dies führt zu einer Erhöhung des Massenstroms und damit zu einer Steigerung der maximalen Leistung. Bei Wärmepumpen, welche eine andere Leistungsabgabe haben als die, für die der Ejektor ursprünglich ausgelegt wurde, kann die Ejektorgeometrie einfach entsprechend skaliert werden. Die Simulation von 300 verschiedenen Geometrien in achsensymmetrischen 2D Simulationen führte zu einer Geometrie mit einem theoretischen Ejektorwirkungsgrad von ≈ 0.3907. Es wurde gezeigt, dass der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann, wenn der Wärmepumpenkreislauf eine Anpassung der Betriebsbedingungen erlaubt, da das Saugdruckverhältnis den Ejektorwirkungsgrad direkt beeinflusst. Der Vergleich der 2D-Simulationen mit 3D-Simulationen zeigte, dass die 2D-Simulationen ein gutes erstes Ergebnis liefern und damit erste Schritte zur Optimierung der Geometrie durchgeführt werden können. Für weitere Untersuchungen werden jedoch 3D-Simulationen empfohlen, insbesondere wenn tangentiale Saugeinlässe gewählt werden.

Anthropogenic climate change caused by fossil fuels is a major threat to our planet. Decarbonization of the industry therefore is crucial to achieve the goal of a sustainable future. One way to reduce carbon emissions in the industry is by the use of high temperature heat pumps, which operate with waste heat and small amounts of electricity, thus replacing fossil fuels. However, traditional expansion valves used in heat pumps are inefficient, due to the irreversible dissipation process occurring inside. An alternative expansion device, the ejector, has the potential to improve the COP (Coefficient of Performance) of heat pumps up to 26\%. This makes heat pumps not only more efficient, but also reduces their operational costs. Utilizing Numerical Fluid Dynamics, ejectors for the use in an industrial heat pump with R1233zd(E) as a refrigerant are investigated in this thesis.To reduce the computational demand of simulating the two-phase flow inside the ejector, the Homogeneous Equilibrium Model (HEM), which assumes thermal and mechanical equilibrium between both phases, is applied. This model was implemented into the commercial software Ansys Fluent. From the simulations it was found that ejector geometries can be scaled with the same factor in all coordinate directions without changing the performance. This leads to an increased mass flow rate, therefore increasing the maximum power output. Thus, for heat pumps which have a power output different from the one for which the ejector was originally designed for, the ejector geometry must simply be scaled accordingly.The testing of 300 different geometries in 2D axisymmetric simulations led to a geometry with a theoretical ejector efficiency of ≈0.3907.It was shown that if the heat pump cycle allows an adaption of the operating conditions, the efficiency can further be increased, as the suction pressure ratio directly influences the ejector efficiency. By a comparison of the 2D simulations with 3D simulations, it was concluded that the 2D simulations give a valuable first result and thus first steps can be taken to optimize the geometry. However for further investigations 3D simulations are recommended, especially if tangential suction inlets are chosen.