Combined absorption power and refrigeration systems driven by low and mid-grade heat sources

Abstract

Hi ha una gran abundància de fonts de calor de baixa i mitja temperatura (<300 ° C), com pot ser la solar tèrmica, geotèrmica o calor residual de diversos processos tèrmics. Els principals serveis energètics com l'aire condicionat, la refrigeració o l'electricitat es generen en general per separat mitjançant diverses tecnologies de conversió d'energia independents. La majoria dels usuaris finals necessiten almenys més d'un servei energètic: un exemple típic d'això ho constitueix el servei energètic a edificis. La producció combinada d'electricitat (descentralitzada) i de fred mitjançant sistemes eficients de conversió d'energia accionats tèrmicament és una de la solució tecnològica adequada per fer front als actuals reptes relacionats amb l'energia a nivell mundial.

L'objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament d'una nova classe de cicles d'absorció per a la producció d'energia mecànica o elèctrica i refrigeració mitjançant fonts d'energia de baixa i mitjana temperatura. Per aconseguir aquest objectiu, es presenta primer una revisió dels cicles d'absorció combinats proposats a la literatura. Es presenten i discuteixen més els criteris d'acompliment utilitzats en la literatura. A continuació, es proposen diversos nous cicles d'absorció combinats. Aquests són analitzats i discutits des del punt de vista energètic i exergètic per a la utilització eficaç de les fonts de calor de baixa i mitjana temperatura. Com fluids de treball s’han utilitzat mescles a base d'amoníac: NH3 / H2O, NH3 / LiNO3 i NH3 / NaSCN. S'ha desenvolupat un model semi-empíric per a un expansor de desplaçament utilitzant amoníac (i barreja d’amoníac / aigua amb alta concentració d'amoníac) com a fluid de treball. Aquest model s'ha integrat en alguns dels cicles d'absorció combinats proposats en aquesta tesi. Posteriorment, s'ha realitzat un model de sistema d'absorció per a la producció de potència i refrigeració solar (SAPCS) per usar-lo en l'eina de simulació dinàmica TRNSYS com un cas representatiu per a la integració dels cicles d'absorció combinats amb una planta termosolar.

Existe una gran abundancia de fuentes de calor de baja y media temperatura (<300 ° C), como puede ser la solar térmica, geotérmica o calor residual de diversos procesos térmicos. Los principales servicios energéticos como el aire acondicionado, la refrigeración o la electricidad se generan por lo general por separado mediante diversas tecnologías de conversión de energía independientes. La mayoría de los usuarios finales necesitan por lo menos más de un servicio energético: un ejemplo típico de esto lo constituye el servicio energético a edificios. La producción combinada de electricidad (descentralizada) y de frío mediante sistemas eficientes de conversión de energía accionados térmicamente es una de la solución tecnológica adecuada para hacer frente a los actuales desafíos relacionados con la energía a nivel mundial. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva clase de los ciclos de absorción para la producción de energía mecánica o eléctrica y refrigeración mediante fuentes de energía de baja y media temperatura. Para lograr este objetivo, se presenta primero una revisión de los ciclos de absorción combinados propuestos en la literatura. A continuación, se proponen varios nuevos ciclos de absorción combinados. Estos son analizados y discutidos desde el punto de vista energético y exergético para la utilización eficaz de las fuentes de calor de baja y media temperatura. Como fluidos de trabajo se utilizaron mezclas a base de fluidos de trabajo de amoníaco: NH3 / H2O, NH3 / LiNO3 y NH3 / NaSCN. Se ha desarrollado un modelo semi-empírico para un expansor de desplazamiento usando amoniaco (y mezcla de amoniaco / agua con alta concentración de amoniaco) como fluido de trabajo. Este modelo se ha integrado en algunos de los ciclos de absorción combinados propuestos en esta tesis. Posteriormente, se ha realizado un modelo de sistema de absorción para la producción de potencia y refrigeración solar (SAPCS) para usarlo en la herramienta de simulación dinámica TRNSYS como un caso representativo para la integración de los ciclos de absorción combinados con una planta termosolar. En conclusión esta tesis contribuirá al desarrollo de una nueva clase de sistemas de absorción capaces de proporcionar energía y refrigeración de forma simultánea y/o alternativamente, mediante la utilización de fuentes de calor

Low and mid-grade heat sources (< 300 °C), such as solar thermal, geothermal and waste heat from various thermal processes are abundantly available. Air-conditioning, refrigeration and electricity are useful forms of energy products, usually produced using separate energy conversion technologies. Most end-users need at least dual energy products: typical example could be buildings applications. The combined production of electricity (decentralized) and cold using efficient thermally-driven energy conversion systems are one of the suitable technological solution to address the current global energy related challenges.

The aim of this thesis is the development of a new class of absorption cycles to produce mechanical or electrical energy and cooling using energy sources at low or medium temperature. To achieve this aim, first combined absorption cycles proposed in the literature are reviewed. The concept of combined absorption cycles are explained in terms of idealized energy conversion systems. Performance criteria used in the literature are presented and discussed. Then, several new combined absorption cycles are proposed, analysed and discussed from the energetic and exergetic viewpoints for the effective utilization of low and mid-grade heat sources. Ammonia based working fluid mixtures were used: NH3/H2O, NH3/LiNO3 and NH3/NaSCN. A semi-empirical model for a scroll expander using ammonia (and ammonia/water mixture with high concentration of ammonia) as working fluid is developed. It is integrated into some of the proposed combined absorption cycles in this Thesis. Then, a Solar Absorption Power and Cooling System (SAPCS) model is developed for its use in TRNSYS software as a simulation tool and it is used to demonstrate a representative case for the integration of combined absorption cycles with solar thermal plant.

In conclusion this thesis will contribute to the development of new class of absorption systems able to provide power and refrigeration simultaneously and/or alternatively by utilizing low and mid-grade heat sources.