Solar-driven hybrid refrigeration systems based on thermochemical processes

Abstract

Aquesta tesi doctoral proposa dos sistemes híbrids de refrigeració basats en energia solar en els quals l'element comú és un procés termoquímic: un sistema híbrid per absorció / termoquímic activat amb energia solar tèrmica de baixa temperatura (< 120 ºC), i un sistema híbrid per compressió / termoquímic activat amb energia solar fotovoltaica i calor residual. El sistema per absorció / termoquímic és presentat en la seva configuració més simple i els seus components i condicions són discutits. Les prestacions del cicle són estimades de forma preliminar amb alguns parells de treball basats en amoníac, essent NH3/NaSCN i el NH3/BaCl2 dos d'interessants. La simulació preliminar del sistema híbrid mostra que aquest augmenta la fracció solar. El sistema per compressió / termoquímic és definit i simulat en la fase d'acumulació de refrigerant assistida amb compressió. Un model de reacció quasi-estacionari de doble front, que pren en compte les limitacions de transferència de massa i de calor, és utilitzat per estudiar de forma preliminar la influència d'algunes condicions d'operació i paràmetres de disseny sobre la corba de reacció amb el parell amoníac / clorur de bari. S'ha construit un dispositiu experimental per a obtenir dades experimentals de la fase d'acumulació de refrigerant assistida amb compressió, i confrontar aquestes dades amb les prediccions obtingudes del model de reacció de doble front, amb l'objectiu d'ajustar alguns dels paràmetres del model. Es conclou que el model ajustat prediu la corba de reacció amb una exactitud acceptable per a gairebé tots els experiments, amb petites discrepàncies. S'espera que els sistemes híbrids proposats operin amb energia solar, siguin relativament compactes, emmagatzemin energia en menys volum d'emmagatzemament, i tinguin un petit grau d'autonomia (algunes hores dins d'un cicle d'operació diari). Aquests sistemes són interessants per a futurs estudis.

Esta tesis doctoral propone dos sistemas híbridos de refrigeración basados en energía solar donde el elemento común es un proceso termoquímico: un sistema híbrido absorción / termoquímico activado con energía solar térmica de baja temperatura (< 120 ºC), y un sistema híbrido compresión / termoquímico activado con energía solar fotovoltaica y calor residual. El sistema absorción / termoquímico es presentado en su configuración más simple y sus componentes y condiciones de operación discutidas. El desempeño del ciclo es estimado preliminarmente con algunos pares de trabajo con amoníaco, con NH3/NaSCN y NH3/BaCl2 como pares interesantes. La simulación preliminar del sistema híbrido muestra que este aumenta la fracción solar. El sistema compresión / termoquímico es definido y simulado en la fase de acumulación de refrigerante asistida con compresión. Un modelo de reacción cuasi-estacionario de doble frente, que tiene en cuenta limitaciones de transferencia de masa y de calor, es usado para estudiar preliminarmente la influencia de algunas condiciones de operación y parámetros de diseño sobre la curva de reacción con el par amoníaco / cloruro de bario. Se ha construido un dispositivo experimental para obtener datos experimentales de la fase de acumulación de refrigerante asistida con compresor, y confrontar estos datos con las predicciones obtenidas del modelo de reacción de doble frente, con el objetivo de ajustar algunos parámetros del modelo. Se concluye que el modelo ajustado predice la curva de reacción con exactitud aceptable para casi todos los experimentos, con pequeñas discrepancias. Se espera que los sistemas híbridos propuestos operen con energía solar, sean relativamente compactos, almacenen energía en menor volumen, y tengan un pequeño grado de autonomía (unas pocas horas en un ciclo de operación diario). Estos sistemas son interesantes para futuros estudios.

This doctoral thesis proposes two solar-based hybrid refrigeration systems where the central piece is a thermochemical process: an absorption / thermochemical hybrid system driven by low-grade solar thermal energy (< 120 ºC), and a compression / thermochemical hybrid refrigeration system driven by solar-PV energy and waste heat. The absorption / thermochemical hybrid system is presented in its most simple configuration, and its components and operating conditions discussed. A preliminary performance estimation is carried out with some ammonia-based working pairs finding the NH3/NaSCN and NH3/BaCl2 as interesting working pairs. A preliminary simulation of the hybrid system shows that it increases the solar coverage. The compression / thermochemical hybrid system is also defined and simulated in its refrigerant storage phase assisted with compression. A 2-front quasi-steady reaction model which accounts for heat and mass transfer limitations is used to preliminarily study the influence of some operating conditions and design parameters on the system’s reaction curve with the NH3/BaCl2 working pair. An experimental setup has been built to obtain experimental data from the compression-assisted refrigerant storage phase, and confront this data with the predictions obtained from the 2-front reaction model, with the objective of adjusting some parametres of the model. It is concluded that the adjusted model predicts the reaction curve with acceptable accuracy for almost all experiments, with small discrepancies. The proposed hybrid systems are expected to operate with solar energy, be relatively compact, store energy with reduced storage volume, and have a small degree of autonomy (a few hours within a daily operating cycle). These systems are promising for further study.