Θερμοδυναμική ανάλυση ψυκτικών συστημάτων προσρόφησης

Abstract

The objective of this Thesis is to study the operation of closed type adsorption cooling systems both theoretically and experimentally. The goal of this study is to explore their behavior for a wide range of operating conditions and to evaluate their performance taking into consideration various performance indicators. The prospect of operating these systems using solar energy is examined extensively. From the literature review it is found that significant progress has been made in recent years in the field of adsorption chillers. However, although this kind of chillers has been studied extensively, the parameters that affect significantly their operation have not yet been determined. Furthermore, the techniques that have been applied in order to improve their performance have not yet succeeded in achieving wider application of these systems.The theoretical approach begins with the modeling of the chiller. The mathematical model is validated using experimental data available in the international literature. Then a parametric study and a sensitivity analysis are carried out in order to determine the parameters that affect the operation of the chiller significantly. It was observed that the cooling water temperature at the inlet of the chiller is the parameter with the greatest influence in its operation. Subsequently, taking into account the sensitivity analysis results, various techniques are proposed in order to improve the performance of the chiller. The examined techniques are the reduction of cooling water temperature at the outlet of cooling tower, the application of heat recovery, the utilization of nanofluids as heat transfer fluid and the utilization of different working pairs. A mathematical model which simulates the behavior of an adsorption solar cooling system for various climatic conditions is developed. Then, a parametric study and a sensitivity analysis are carried out in order to determine the parameters that affect decisively the performance of such systems. It is resulted that the heat losses coefficient of the collectors is the parameter with the greatest influence on the performance of the system. The potential of applying such a system under climatic conditions of eastern Mediterranean is examined subsequently. Various types of solar collectors are considered during the calculations including hybrid photovoltaic thermal collectors PV/T. It is observed that the cooling system which operates under Nicosia climatic conditions presents the best performance. Then a solar electrical cooling system, a solar thermal cooling system and a hybrid solar electrical-thermal cooling system are examined. The first one utilizes photovoltaic collectors in order to drive a conventional vapor compression chiller. The second one utilizes an adsorption chiller powered by solar thermal collectors and the third one utilizes photovoltaic-thermal collectors in order to provide energy to both a conventional and an adsorption chiller. It is noted that, the system that utilizes the advanced thermal collectors presents the shorter payback period. A prototype solar cooling system is developed, installed and studied in the context of this Thesis in the laboratory of Applied Thermodynamics of the School of Mechanical Engineering and utilizes two types of solar collectors (ETC and PV/T) in order to supply with heat an adsorption chiller. The adsorption chiller was modelled and its operation was simulated. The mathematical model was validated using experimental data. The manipulation of the experimental measurements shows that the energy balance is satisfied during the chiller’s operation. During the conduction of the experiments, measurements are carried out for a wide range of operating conditions and cooling capacity values between 1.53–6.03 kW and coefficient of performance values between 0.23–0.56 are achieved.

Αντικείμενο της Διατριβής είναι η μελέτη της λειτουργίας των ψυκτικών συστημάτων προσρόφησης κλειστού κύκλου τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Στόχος είναι να διερευνηθεί η συμπεριφορά τους για ένα μεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας και να αξιολογηθεί η απόδοση τους λαμβάνοντας υπόψη διάφορους δείκτες αξιολόγησης. Η προοπτική τροφοδοσίας αυτών των συστημάτων κάνοντας χρήση ηλιακής ενέργειας εξετάζεται εκτενώς. Από τη μελέτη της βιβλιογραφίας διαπιστώνεται ότι τα τελευταία χρόνια έχει γίνει σημαντική πρόοδος στο πεδίο των ψυκτών προσρόφησης. Ωστόσο, παρότι αυτού του είδους οι ψύκτες έχουν μελετηθεί αρκετά, δεν έχουν ακόμα καθοριστεί οι παράμετροι που επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία τους. Επίσης, οι τεχνικές που έχουν εφαρμοστεί για να βελτιωθεί η απόδοση τους δεν έχουν ακόμα καταφέρει να επιτύχουν την ευρύτερη εφαρμογή αυτών των συστημάτων.Η θεωρητική προσέγγιση ξεκινά με τη μοντελοποίηση του ψύκτη προσρόφησης. Η ισχύς του μαθηματικού μοντέλου επαληθεύθηκε κάνοντας χρήση πειραματικών δεδομένων που είναι διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση και ανάλυση ευαισθησίας ώστε να καθοριστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία του ψύκτη. Παρατηρήθηκε ότι η θερμοκρασία του νερού ψύξης στην είσοδο του ψύκτη είναι η παράμετρος που έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην απόδοσή του.Ακολούθως, λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας προτείνονται διάφορες τεχνικές ώστε να βελτιωθεί η απόδοση του ψύκτη. Οι τεχνικές που εξετάζονται είναι η μείωση της θερμοκρασίας του νερού ψύξης στην έξοδο του πύργου ψύξης, η εφαρμογή ανάκτησης θερμότητας, η χρήση νανορευστών ως μέσο μεταφοράς θερμότητας και η χρήση διαφορετικών εργαζόμενων ζευγών. Παρατηρήθηκε ότι όλες οι τεχνικές έχουν θετική επίδραση στην απόδοση του ψύκτη.Προκειμένου να μελετηθεί η λειτουργία των ηλιακών συστημάτων ψύξης με προσρόφηση αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο προσομοιώνει τη συμπεριφορά τους για διάφορες κλιματικές συνθήκες. Στη συνέχεια πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση και ανάλυση ευαισθησίας έτσι ώστε να εντοπιστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν καθοριστικά τη λειτουργία αυτών των συστημάτων. Από την ανάλυση αυτή προκύπτει ότι ο συντελεστής θερμικών απωλειών του συλλέκτη είναι η παράμετρος με τη μεγαλύτερη επιρροή στην απόδοση του συστήματος. Η πιθανότητα εφαρμογής ενός τέτοιου συστήματος υπό κλιματικές συνθήκες ανατολικής Μεσογείου εξετάζεται στη συνέχεια. Διάφοροι τύποι ηλιακών συλλεκτών λαμβάνονται υπόψη κατά τους υπολογισμούς συμπεριλαμβανομένων και υβριδικών φωτοβολταϊκών θερμικών συλλεκτών PV/T. Παρατηρείται ότι το σύστημα που λειτουργεί υπό κλιματικές συνθήκες Λευκωσίας παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση. Στη συνέχεια εξετάζεται, ένα ηλιακό ηλεκτροκίνητο σύστημα ψύξης, ένα ηλιακό θερμοκίνητο σύστημα ψύξης και ένα υβριδικό ηλιακό ηλεκτρικό-θερμικό σύστημα ψύξης. Το πρώτο χρησιμοποιεί φωτοβολταϊκούς συλλέκτες για να τροφοδοτήσει ένα συμβατικό ψύκτη συμπίεσης ατμών. Στο δεύτερο χρησιμοποιείται ένας ψύκτης προσρόφησης ο οποίος τροφοδοτείται από θερμικούς ηλιακούς συλλέκτες ενώ στο τρίτο χρησιμοποιούνται φωτοβολταϊκοί-θερμικοί συλλέκτες για να παρέχουν ενέργεια τόσο σε έναν συμβατικό όσο και σε έναν ψύκτη προσρόφησης. Διαπιστώνεται ότι το σύστημα που χρησιμοποιεί τους προηγμένους θερμικούς συλλέκτες είναι αυτό που αποσβαίνεται στο μικρότερο χρονικό διάστημα.Στο πλαίσιο της διατριβής, σχεδιάζεται, εγκαθίσταται και ερευνάται ένα πρωτότυπο σύστημα ηλιακής ψύξης στο εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών και χρησιμοποιεί δύο ειδών συλλέκτες (κενού και PV/T) ώστε να παρέχει θερμότητα σε έναν ψύκτη προσρόφησης. Ο ψύκτης προσρόφησης μοντελοποιήθηκε ώστε να μπορεί να προσομοιωθεί η λειτουργία του. Η ισχύς του μαθηματικού μοντέλου επικυρώθηκε ύστερα από σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα. Μετά από επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων προκύπτει ότι το ισοζύγιο ενέργειας τηρείται ικανοποιητικά κατά τη λειτουργία του ψύκτη. Κατά την εκτέλεση των πειραμάτων, διεξάγονται μετρήσεις σε ένα μεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας και επιτυγχάνονται τιμές ψυκτικής ισχύος μεταξύ 1.53–6.03 kW και συντελεστές συμπεριφοράς μεταξύ 0.23–0.56.