Mantenga Los Refrigeradores Frescos Con Menos Calentamiento Global
Para hacer que las alternativas al CO 2 sean más asequibles y eficientes en todos los climas, Energy Recovery, Inc. (ERII) diseñó una nueva tecnología que, según afirma, democratiza la refrigeración por CO 2. Al integrar su propia física en el ecosistema de simulación abierto de Ansys para modelar y analizar ampliamente flujos de fluidos complejos, mecánica estructural y transferencia de calor, ERII desarrolló el primer intercambiador de presión rotatorio transcrítico de su tipo construido exclusivamente para sistemas de CO 2. Recupera la energía de expansión en el sistema de refrigeración que de otro modo se habría perdido. Se dice que este desarrollo reducirá drásticamente el consumo de energía y los costos operativos. ERII dice que el PX G1300 (PXG) proporciona soluciones de ahorro de energía para CO 2 a alta presiónsistemas que contribuyen menos al calentamiento global que los sistemas de refrigeración tradicionales. El intercambiador de presión de gas rotativo se puede utilizar en refrigeración y almacenamiento en frío comercial e industrial y, en el futuro, podría utilizarse para refrigeración de centros de datos, bombas de calor, generación de energía geotérmica y almacenamiento de energía renovable.
Figura 1. Energy Recovery, Inc. (ERII) desarrolló el PX G1300, un intercambiador de presión de gas giratorio único, para permitir soluciones de ahorro de energía para sistemas de refrigeración de dióxido de carbono (CO2) transcrítico de alta presión.
Transformando la refrigeración con intercambio de presión de CO 2
Desde 1992, ERII ha desarrollado intercambiadores de presión que reducen drásticamente el consumo de energía y los costos operativos de la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), un proceso de desalinización de agua. Ampliando esta área, ERII utilizó simulación multifísica para desarrollar un intercambiador de presión específicamente para sistemas de refrigeración de CO 2 que, según dice, resuelve el desafío clave asociado con la refrigeración por CO 2 de bajo calentamiento global y lo convierte en una solución viable para una gran parte del mundo…
El PXG es un intercambiador de presión de gas rotativo para intercambio de presión de contacto directo, gas a gas, líquido a gas y fluido supercrítico a gas que está diseñado para mejorar significativamente la eficiencia energética, que se define por el coeficiente de rendimiento (COP). Además, el PXG proporciona tanto expansión como compresión. ERII dice que el PXG recupera más del 95% de la energía de presión perdida en sistemas de refrigeración de CO 2 subcríticos y transcríticos , es decir, sistemas que operan por debajo y por encima del punto crítico de CO 2 , respectivamente. La presión de descarga del compresor es inferior a la presión crítica en CO 2 subcrítico. Sistemas, lo que significa que el refrigerante se puede condensar después de rechazar el calor al ambiente. Por el contrario, en los sistemas transcríticos, la presión de descarga del compresor es mayor que la presión crítica de CO 2 y no hay cambio de fase en dicho estado supercrítico. Por esta razón, el refrigerante CO 2 no se condensa en líquido después de despedir calor al aire ambiente. El PX G1300 se integra perfectamente con cualquiera de los sistemas.
Figura 2. El intercambiador de presión de gas rotativo PX G1300 funciona como compresor y dispositivo de expansión, por lo que puede reducir significativamente el consumo de energía y los costos operativos en los sistemas de refrigeración de CO2. El intercambio de presión dentro del dispositivo PX G1300 se completa en seis pasos principales durante una rotación completa y luego se repite en un proceso continuo miles de veces por minuto.
El PXG es una creación de Azam Thatte, Ph.D., científico jefe de Energy Recovery, Inc., quien anteriormente fue investigador en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Thatte concibió y publicó por primera vez la idea de lograr una compresión transcrítica mediante la recuperación del trabajo de expansión en un intercambiador de presión de gas rotativo. Utilizando los primeros principios de la termodinámica y la dinámica de los gases, propuso que tal compresión podría lograrse sin utilizar energía mecánica o eléctrica externa. Sugirió, en cambio, que la compresión podría lograrse a través de ondas acústicas generadas durante el intercambio de presión de fluido a fluido en contacto directo entre el estado supercrítico de alta presión del fluido y el estado gaseoso de baja presión dentro de un intercambiador de presión rotativo. Sin embargo, para probar esta hipótesis, necesitaba construir alta fidelidad, Modelos multiescala y multifísica para estudiar la compleja física de este desafiante problema. Además, necesitaba combinar la dinámica del gas en macroescala 3D, el transporte térmico y de especies y la propagación de ondas con la física de fluidos de película delgada en microescala 2D, que también tienen una resolución espaciotemporal extremadamente fina, para capturar las escalas de tiempo ultrarrápidas y los matices geométricos de la atmósfera.
Fue entonces cuando Thatte cambió el proceso de investigación y desarrollo de ERII de un enfoque de investigación empírica a una metodología asistida por predicción multifísica utilizando el software de simulación Ansys.
Combinadas con su propio conjunto de ecuaciones diferenciales parciales, las capacidades de dinámica de fluidos computacional (CFD) dentro de Ansys CFX permitieron a Thatte explorar la termodinámica de desequilibrio que ocurre en el estado supercrítico de la materia. Además, observó la interacción entre múltiples fases del fluido (gas, líquido, mezcla líquido-gas y estado supercrítico de CO 2), la interacción fluido-estructura, el transporte térmico y el transporte de especies, todo lo cual ocurre simultáneamente dentro del sistema rotatorio transcrítico. intercambiador de presión. Además, capturó grandes variaciones en escalas de longitud desde la microescala a la macroescala y escalas de tiempo desde microsegundos hasta unos pocos cientos de segundos. Esta exploración e investigación llevaron al desarrollo de la tecnología PX G1300.
La compresión de gas a baja presión (Fluido 1 en la Figura 2) lograda en PXG es “compresión libre”, que no consume energía mecánica o eléctrica externa, a diferencia de los compresores tradicionales. Esto es puramente facilitado por la entalpía extraída durante la expansión del fluido a alta presión (Fluido 2 en la Figura 2). Según Thatte, PXG puede comprimir hasta el 30% del flujo másico total de refrigerante utilizando esta compresión libre y, por lo tanto, reduce el consumo de energía del sistema hasta en un 30%. Además, debido a que la entalpía se extrae durante el proceso de expansión dentro del PXG, produce más líquido que el líquido producido durante la expansión isentálpica a través de la válvula de expansión de un sistema de refrigeración tradicional. Además, debido a que es este líquido frío el que produce refrigeración,
Figura 3. Esta simulación de Ansys CFX ilustra la “compresión libre” lograda a través de ondas acústicas generadas durante el intercambio de presión de fluido a fluido por contacto directo dentro de PXG (izquierda) y la distribución de temperatura (derecha).
Demostrando la física básica y la tecnología PXG con simulación
Dentro del PXG, un rotor multiducto gira a muy alta velocidad, lo que permite una compresión y expansión continua y simultánea a través de ondas acústicas generadas durante el intercambio de presión entre el CO 2 supercrítico de alta presión y el CO 2 gaseoso de baja presión . Las ondas de compresión y expansión se propagan hacia adelante y hacia atrás a la velocidad del sonido a través de los conductos, un descubrimiento que Thatte hizo y demostró mediante simulaciones y análisis de física acoplada.
“Nadie estaba dispuesto a creer en esta hipótesis porque era una idea muy radical de utilizar un estado supercrítico de la materia para comprimir gas a baja presión a través de ondas acústicas generadas durante el intercambio de presión de fluido a fluido en contacto directo”, dice. “La gente no podía creerlo hasta que les mostré la simulación 3D Ansys de alta fidelidad y les expliqué que en realidad esto resuelve las ecuaciones tridimensionales de Navier-Stokes, el transporte térmico, el transporte de especies y el cambio de fase, todo al mismo tiempo”.
Figura 4: Se construyó una configuración experimental para validar las predicciones de la física de PXG y el ahorro de energía. A la izquierda: el enfriador de gas a alta presión con CO2 supercrítico. A la derecha: evaporador y receptor de baja presión con CO2 bifásico y gaseoso.
Tradicionalmente, un compresor alternativo tiene un pistón que comprime el gas, atrapándolo entre una pared estacionaria y un pistón en movimiento; así es como aumenta la presión. Por otro lado, un compresor centrífugo tiene palas que giran a alta velocidad y convierten la energía cinética en energía de presión. El PXG utiliza ondas acústicas para crear un intercambio de presión casi instantáneo a la velocidad del sonido, eliminando en el proceso la pérdida de energía que normalmente ocurre con las tecnologías tradicionales, dice Thatte. Su nombre, PX G1300, es un guiño al primer hito de presión alcanzado durante sus primeras demostraciones a 1300 psi.
“Una vez que mostré los resultados del CFD de física acoplada, la gente poco a poco fue ganando confianza en este concepto y nuestra junta aprobó fondos para construir el primer prototipo y la configuración experimental para probar el concepto experimentalmente”, explica Thatte. “Las simulaciones de Ansys nos permitieron construir modelos de alta fidelidad que desempeñaron un papel muy importante en la investigación de las interacciones multifísicas que ocurren dentro del rotor del intercambiador de presión y para validar el concepto inicial”.
La Figura 4 muestra la configuración experimental que Thatte construyó para validar la física de compresión-expansión de CO2 transcrítico de PXG y su ahorro de energía en el sistema de refrigeración de CO2 . Al integrar PX G1300 en un sistema de refrigeración de CO 2 , ERII dice que ha demostrado experimentalmente una mejora del COP de hasta el 30 % en climas más cálidos y una mejora del COP de más del 20 % en climas relativamente más fríos.
Además de los análisis de fluidos, Thatte evaluó la integridad estructural del dispositivo utilizando Ansys Mechanical . A través de análisis térmicos, Thatte aseguró que los conductos del rotor del PXG pudieran soportar tensiones térmicas de alta temperatura y que la expansión térmica no cerraría excesivamente las holguras hidrodinámicas de los cojinetes a microescala entre el rotor y el estator. También confirmó que la rigidez del soporte de la película de gas evitaría el contacto entre el rotor y el estator, permitiendo que el rotor girara libremente durante el proceso de intercambio de presión.
Los análisis térmicos también ayudaron a ERII a seleccionar y validar el material del núcleo cerámico del dispositivo, junto con el software de gestión de datos de materiales Ansys Granta MI Enterprise . Dentro de Granta, Thatte exploró una amplia variedad de materiales y sus propiedades termofísicas. Además, las soluciones de computación de alto rendimiento (HPC) de Ansys permitieron a Thatte ejecutar simulaciones complejas y computacionalmente intensivas en un clúster de supercomputación que diseñó y construyó en ERII. Thatte también le da crédito al apoyo de Ozen Engineering, Inc., socio de canal Elite de Ansys, para navegar por las complejidades asociadas con la ejecución de dichos modelos de física acoplada en clústeres de supercomputación.
Thatte dice que las herramientas de simulación de Ansys aceleraron significativamente el cronograma desde el descubrimiento inicial y la exploración de conceptos hasta la maduración de la tecnología y la comercialización de productos.
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Figura 5. Los ingenieros de ERII estudiaron el intercambio de presión acústica de alta velocidad dentro de PXG utilizando Ansys CFX para mejorar la eficiencia de la refrigeración con CO2.
“Las metodologías de diseño no sólo sirven para comprender lo que está sucediendo en el nivel científico fundamental, sino también para hacer madurar la tecnología desde la etapa de ideación y conceptualización hasta la comercialización a un ritmo muy rápido”, afirma. “Ansys fue de gran ayuda desde la etapa inicial de conceptualización del PXG. Desde que se me ocurrió la idea por primera vez hasta instalar este producto en un entorno comercial de un supermercado italiano (y ahorrar cerca del 30 % de energía para ese cliente), todo sucedió en un lapso de poco más de dos años, y eso fue en gran medida. en parte debido a los conocimientos que obtuve de las simulaciones Ansys de física acoplada a múltiples escalas”.
ERII también ha adoptado las herramientas de Ansys para otras aplicaciones. En otra línea de productos, el equipo utiliza Ansys BladeModeler para simular y diseñar las turbobombas.
Habiendo demostrado con éxito el ahorro de energía proporcionado por la tecnología PXG, Thatte ahora está explorando aplicaciones novedosas de PXG para aumentar la eficiencia energética de las bombas de calor, la refrigeración de centros de datos, la generación de energía geotérmica y el almacenamiento de energía térmica.