Investigation of alternative absorption cycle working pairs

Σταυρόπουλος Λαζαρόπουλος, Ιάσονας; Stavropoulos Lazaropoulos, Iasonas

dc.contributor.author	Σταυρόπουλος Λαζαρόπουλος, Ιάσονας
dc.contributor.author	Stavropoulos Lazaropoulos, Iasonas
dc.date.accessioned	2019-12-03T11:31:37Z
dc.date.available	2019-12-03T11:31:37Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49536
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17234
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ψύξη	el
dc.subject	Απορρόφηση	el
dc.subject	Εναλλακτικά ζεύγη	el
dc.subject	Aspen plus	en
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Refrigeration	en
dc.subject	Absorption	en
dc.subject	Alternative working pairs	en
dc.subject	Modeling	en
dc.title	Investigation of alternative absorption cycle working pairs	en
dc.title	Αξιολόγηση εναλλακτικών ζευγών για εφαρμογή σε κύκλο ψύξης με απορρόφηση	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Mechanical engineering-Refrigeration	en
heal.classification	Μηχανολογία-Ψύξη	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-27
heal.abstract	Amidst the climate and ecological crisis that plagues the planet due primarily to human activity in the fields of energy, animal agriculture and transport, the need for lifestyle changes at both the government and individual level has emerged in recent years. Regarding energy, laws have been passed in favor of the adoption of renewable sources of energy to minimize carbon dioxide emissions and to avoid dependency on fossil fuels whose reserves are exhausted worldwide. Refrigeration applications are an important part of the energy sector and there is a lot of room for improvement in efficiency, especially with the use of low temperature waste heat from various systems. One of these applications is absorption refrigeration and the subject of this thesis was to evaluate alternative pairs. The most common pairs in absorption refrigeration applications are water/lithium bromide (H2O/LiBr) and ammonia/water (NH3/H2O). Firstly, the single-effect absorption refrigeration cycle for H2O/LiBr was modeled in Aspen Plus, the model was validated in terms of mass and energy balance, results were presented for the state points of the cycle, including the coefficient of performance COP, and a sensitivity analysis was performed for the heat duty of the evaporator (cooling capacity) and the COP as a function of the temperature of the generator and the evaporator for various values of the mass concentration of the absorbent in the rich solution: 40%, 50%, 51.4%, 53%, 55%. The single-effect absorption refrigeration cycle was then modeled for the alternative pairs, in which the refrigerant was water and the absorbent was composed of lithium or sodium compounds, which were: H2O/LiF, H2O/LiCl, H2O/NaOH and H2O/HCOONa. Ternary mixtures were also examined which were: H2O/LiBr+LiNO3 (salt mole ratio 4:1), H2O/LiBr+ZnBr2 (2:1), H2O/LiCl+LiNO3 (2.8:1), H2O/LiCl+ZnCl2 (2:1) and H2O/LiBr+LiI (4:1). Every alternative pair was validated in the same way and the results and sensitivity analysis were presented. The NH3/H2O pair was also modeled for completeness of the comparisons, which required modifications due to some of the ammonia properties. In addition, a financial analysis was performed for every working pair (including ternary mixtures), calculating the various installation costs (ISBL, OSBL, Engineering costs, Contingency charges) as well as the total Fixed Capital Investment costs. Based on the results, higher cooling capacity and COP were obtained for a mass concentration of the absorbent in the rich solution of 40% for all working pairs and the curves of the sensitivity analysis were similar to previous studies. The H2O/HCOONa, H2O/LiF, H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiCl+LiNO3, and H2O/LiBr+ZnBr2 working pairs had the highest cooling capacity over the entire range of the generator and evaporator temperatures, while the conventional NH3/H2O and H2O/LiBr working pairs had the lowest values. Correspondingly, as far as COP is concerned, the H2O/LiF, H2O/HCOONa, H2O/LiBr+ZnBr2, H2O/LiCl+ZnCl2 and H2O/LiBr+LiI working pairs had the highest values, whereas the NH3/H2O and H2O/NaOH working pairs had the lowest values. Based on the results of the economic evaluation, the NH3/H2O working pair had the highest total Fixed Capital Investment cost due to the much higher pressures in the system, while the H2O/NaOH, H2O/LiBr, H2O/LiCl, H2O/LiCl+ZnCl2 and H2O/LiBr+LiNO3 working pairs had the lowest total Fixed Capital Investment costs. Also, the total Fixed Capital Investment cost per kW of cooling capacity (€/kWevap) was calculated and H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiF and H2O/LiBr+ZnBr2 had the lowest values, while NH3/H2O had the highest value by a long margin. Therefore, it is clear that NH3/H2O, H2O/LiBr and H2O/NaOH are the worst working pairs as far as COP and total Fixed Capital Investment cost per kW of cooling capacity are concerned, while the most competitive working pairs are H2O/LiF, H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiBr+ZnBr2 and H2O/HCOONa.	en
heal.abstract	Εν μέσω της κλιματικής και οικολογικής κρίσης που μαστίζει τον πλανήτη εξαιτίας πρωτίστως της ανθρώπινης δραστηριότητας στους τομείς της ενέργειας, της κτηνοτροφίας και των μεταφορών, αναδύεται πιο έντονα τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για αλλαγές στον τρόπο ζωής τόσο σε κυβερνητικό επίπεδο όσο και σε ατομικό. Όσον αφορά στην ενέργεια, έχουν θεσπιστεί νόμοι υπέρ της υιοθέτησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και να μην υπάρχει όσο είναι δυνατόν εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα, τα αποθέματα των οποίων εξαντλούνται παγκοσμίως. Οι εφαρμογές ψύξης είναι σημαντικό κομμάτι του τομέα της ενέργειας και υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης της απόδοσης, ιδιαίτερα με τη χρήση της απορριπτόμενης θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας από διάφορα συστήματα. Μία από αυτές τις εφαρμογές είναι η ψύξη με απορρόφηση και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η αξιολόγηση εναλλακτικών ζευγών. Τα πιο διαδεδομένα ζεύγη σε εφαρμογές ψύξης με απορρόφηση είναι τα νερό/βρωμιούχο λίθιο (H2O/LiBr) και αμμωνία/νερό (NH3/H2O). Αρχικά, μοντελοποιήθηκε ο μονοβάθμιος κύκλος ψύξης με απορρόφηση για το H2O/LiBr στο Aspen Plus, έγινε η επιβεβαίωση της εγκυρότητας του μοντέλου όσον αφορά στα ισοζύγια μάζας και ενέργειας, παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα για τα διάφορα σημεία του κύκλου, συμπεριλαμβανομένου και του συντελεστή συμπεριφοράς COP, και έγινε ανάλυση ευαισθησίας για τη ψυκτική ισχύ του ατμοποιητή και το COP συναρτήσει της θερμοκρασίας της ατμογεννήτριας και του ατμοποιητή για διάφορες τιμές της συγκέντρωσης μάζας του μέσου απορρόφησης στο πλούσιο διάλυμα: 40%, 50%, 51.4%, 53%, 55%. Στη συνέχεια, μοντελοποιήθηκε ο μονοβάθμιος κύκλος ψύξης με απορρόφηση για τα εναλλακτικά ζεύγη, στα οποία το ψυκτικό μέσο ήταν το νερό και το μέσο απορρόφησης αποτελείτο από ενώσεις λιθίου ή νατρίου, τα οποία ήταν: H2O/LiF, H2O/LiCl, H2O/NaOH και H2O/HCOONa. Εξετάστηκαν, επίσης, τριαδικά μείγματα τα οποία ήταν: H2O/LiBr+LiNO3 (μοριακή αναλογία αλάτων 4:1), H2O/LiBr+ZnBr2 (2:1), H2O/LiCl+LiNO3 (2.8:1), H2O/LiCl+ZnCl2 (2:1) and H2O/LiBr+LiI (4:1). Για όλα τα εναλλακτικά ζεύγη έγινε με τον ίδιο τρόπο επιβεβαίωση της εγκυρότητας του μοντέλου και παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα και η ανάλυση ευαισθησίας. Για την πληρότητα των συγκρίσεων μοντελοποιήθηκε και το ζεύγος NH3/H2O, για το οποίο χρειάστηκαν τροποποιήσεις λόγω κάποιων ιδιοτήτων της αμμωνίας. Επιπροσθέτως, εκπονήθηκε οικονομική ανάλυση για όλα τα εργαζόμενα ζεύγη (συμπεριλαμβάνονται τα τριαδικά μείγματα), στην οποία υπολογίστηκαν τα διάφορα κόστη της εγκατάστασης (ISBL, OSBL, Κόστη μηχανικού, Επιπλέον ενδεχόμενα κόστη), καθώς και τα συνολικά κόστη Επενδύσεων Παγίου Κεφαλαίου. Βάσει των αποτελεσμάτων, προέκυψε υψηλότερη ψυκτική ισχύς και απόδοση για συγκέντρωση μάζας του μέσου απορρόφησης στο πλούσιο διάλυμα 40% για όλα τα εργαζόμενα ζεύγη και οι καμπύλες των αναλύσεων ευαισθησίας ήταν οι αναμενόμενες βάσει προηγούμενων μελετών. Σε όλο το εύρος των θερμοκρασιών της ατμογεννήτριας και του ατμοποιητή την υψηλότερη ψυκτική ισχύ είχαν τα ζεύγη H2O/HCOONa, H2O/LiF, H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiCl+LiNO3 και H2O/LiBr+ZnBr2, ενώ τη χαμηλότερη είχαν τα συμβατικά ζεύγη NH3/H2O και H2O/LiBr. Αντίστοιχα, όσον αφορά στο συντελεστή συμπεριφοράς COP, τις υψηλότερες τιμές είχαν τα ζεύγη H2O/LiF, H2O/HCOONa, H2O/LiBr+ZnBr2, H2O/LiCl+ZnCl2 και H2O/LiBr+LiI, ενώ τις χαμηλότερες είχαν τα NH3/H2O και H2O/NaOH. Από οικονομική άποψη, το ζεύγος NH3/H2O είχε το υψηλότερο με διαφορά συνολικό κόστος λόγω των πολύ υψηλότερων πιέσεων που επικρατούν στο σύστημα, ενώ τα ζεύγη H2O/NaOH, H2O/LiBr, H2O/LiCl, H2O/LiCl+ZnCl2 και H2O/LiBr+LiNO3 είχαν τα χαμηλότερα συνολικά κόστη. Επίσης, υπολογίστηκε το συνολικό κόστος Επενδύσεων Παγίου Κεφαλαίου ανά kW ψυκτικής ισχύος (€/kWevap) και βρέθηκε ότι τα H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiF και H2O/LiBr+ZnBr2 είχαν τις χαμηλότερες τιμές, ενώ το ζέυγος NH3/H2O είχε την υψηλότερη τιμή με τεράστια διαφορά από τα υπόλοιπα. Επομένως, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι τα ζεύγη NH3/H2O, H2O/LiBr και H2O/NaOH είναι τα λιγότερο συμφέροντα από άποψη COP και κόστους Επενδύσεων Παγίου Κεφαλαίου ανά kW ψυκτικής ισχύος, ενώ τα πιο ανταγωνιστικά ζεύγη είναι τα H2O/LiF, H2O/LiCl+ZnCl2, H2O/LiBr+ZnBr2 και H2O/HCOONa.	el
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.
heal.fullTextAvailability	false