Προσομοίωση ψυκτικών κύκλων με απορρόφηση με συστήματα νερό/ιοντικό υγρό και ψυκτικών κύκλων συμπίεσης ατμών με CO2

Καλλίτσης, Κωνσταντίνος; Kallitsis, Konstantinos

dc.contributor.author	Καλλίτσης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Kallitsis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2019-12-23T09:51:11Z
dc.date.available	2019-12-23T09:51:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49634
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17332
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείρηση Ενέργειας”	el
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	Ψυκτικός κύκλος με απορρόφηση	el
dc.subject	Ψυκτικός κύκλος με συμπίεση ατμών	el
dc.subject	Ιμιδαζολικά ιοντικά υγρά	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.subject	Περίσσεια ελεύθερης ενέργειας Gibbs	el
dc.subject	Absorption refrigeration cycle	en
dc.subject	Vapor compression refrigeration cycle	en
dc.subject	Imidazolium ionic liquids	en
dc.subject	Carbon dioxide	en
dc.subject	Excess Gibbs free energy	en
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.title	Προσομοίωση ψυκτικών κύκλων με απορρόφηση με συστήματα νερό/ιοντικό υγρό και ψυκτικών κύκλων συμπίεσης ατμών με CO2	el
dc.title	Simulation of absorption refrigeration cycles with water/ionic liquid systems and vapor compression refrigeration cycles with CO2	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.classification	Ψύξη	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-03
heal.abstract	Η ικανοποίηση της συνεχώς αυξανόμενης ζήτησης σε ψύξη απαιτεί την ανάπτυξη αποδοτικών και αξιόπιστων συστημάτων, με ταυτόχρονη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Το εργαζόμενο σύστημα νερό/LiBr, ένα από τα δημοφιλέστερα που χρησιμοποιούνται σε ψυκτικούς κύκλους με απορρόφηση, παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα όπως διαβρωτικότητα και κίνδυνο κρυστάλλωσης. Έτσι, η αναζήτηση νέων εργαζόμενων ζευγών αποτελεί τομέα σημαντικής έρευνας. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση ιοντικών υγρών ως μέσα απορρόφησης νερού παρουσιάζεται ως μια πολλά υποσχόμενη λύση. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν πιέσεις προς τη μείωση της χρήσης HFCs σε κύκλους συμπίεσης ατμών, λόγω της συμμετοχής τους στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ένα από τα ψυκτικά που εξετάζεται να τους αντικαταστήσει είναι το CO2, εξαιτίας της σχεδόν μηδενικής του περιβαλλοντικής επίδρασης και άλλων πλεονεκτημάτων, όπως το χαμηλό κόστος, η μη τοξικότητα και η μη ευφλεκτότητα. Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η μελέτη του ψυκτικού κύκλου με απορρόφηση με εργαζόμενα συστήματα νερό/ιοντικό υγρό και του ψυκτικού κύκλου με συμπίεση ατμών με ψυκτικό μέσο διοξείδιο του άνθρακα, χρησιμοποιώντας τον προσομοιωτή Aspen Plus. Το πρώτο μέρος της εργασίας αφορά την αξιολόγηση ιοντικών υγρών ως απορροφητικά μέσα νερού σε ψυκτικούς κύκλους με απορρόφηση. Τα ιοντικά υγρά που εξετάστηκαν αποτελούνται από ιμιδαζολικά κατιόντα, [CnMIM], με n=1-6 και από τα ακόλουθα ανιόντα: [DMP], [Cl], [EtSO4], [Br], [BF4] και [OTf]. Για λόγους σύγκρισης, μελετήθηκε και το συμβατικό μέσο απορρόφησης, LiBr. Η περιγραφή της ισορροπίας φάσεων ατμού-υγρού του εργαζόμενου συστήματος έγινε με το μοντέλο UNIFAC, στην περίπτωση των ιοντικών υγρών και με την εξίσωση NRTL, στην περίπτωση του LiBr. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε μία μέθοδος συνεισφοράς ομάδων για την πρόρρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας των ιοντικών υγρών. Η αξιολόγηση των απορροφητικών μέσων πραγματοποιήθηκε σε σύστημα μίας βαθμίδας, θεωρώντας το σενάριο αναφοράς διαθέσιμης θερμότητας στους 100οC και επιθυμητού επιπέδου ψύξης στους 10οC. Για κάθε εργαζόμενο σύστημα υπολογίστηκαν ο συντελεστής λειτουργίας (COP) και ο λόγος ανακυκλοφορίας (f). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας του κατιόντος ιμιδαζολίου οδηγεί σε χειρότερη συμπεριφορά, ενώ από τα ιοντικά υγρά που εξετάστηκαν, αυτά με ανιόν [Cl] και [DMP] εμφανίζουν τους καλύτερους δείκτες απόδοσης. Στις ίδιες συνθήκες, το συμβατικό απορροφητικό μέσο, LiBr, παρουσίασε τιμή COP παραπλήσια εκείνης των καλύτερων ιοντικών υγρών, αλλά μικρότερη τιμή f. Ιδιαίτερη σημασία παρουσιάζει η συσχέτιση της απόδοσης του ψυκτικού κύκλου με τα χαρακτηριστικά του εργαζόμενου συστήματος. Η ελάχιστη τιμή της περίσσειας της ελεύθερης ενέργειας Gibbs του εργαζόμενου συστήματος (GEmin) χρησιμοποιείται συχνά για την αξιολόγηση της καταλληλότητας των απορροφητικών μέσων. Στην εργασία αυτή εξετάστηκε η αξιοπιστία του παραπάνω κριτηρίου. Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με ιοντικά υγρά, παρατηρήθηκε ότι η τιμή GEmin δεν οδηγεί σε αξιόπιστα αποτελέσματα, ιδιαίτερα κατά τη σύγκριση ιοντικών υγρών με διαφορετικά ανιόντα. Αντίθετα, διαπιστώθηκε σαφής συσχέτιση μεταξύ της τιμής του COP και του γινομένου του λόγου ανακυκλοφορίας με την ειδική θερμοχωρητικότητα του ρεύματος εισόδου της γεννήτριας. Στη συνέχεια, διερευνήθηκαν δυνατότητες βελτίωσης της τιμής του COP του ψυκτικού κύκλου με [DMIM]-[Cl], το ιοντικό υγρό που παρουσίασε την καλύτερη συμπεριφορά στο σενάριο αναφοράς. Ανάλυση ευαισθησίας του ψυκτικού κύκλου μίας βαθμίδας έδειξε ότι το COP εμφανίζει μειωμένη ευαισθησία σε μεταβολές της θερμοκρασίας λειτουργίας της γεννήτριας. Αντιθέτως, ψυκτικοί κύκλοι δύο βαθμίδων παρουσίασαν σημαντικά υψηλότερες τιμές COP, με αύξηση της θερμοκρασίας της προσφερόμενης θερμότητας στους 120-160οC. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας διερευνήθηκε η προοπτική χρήσης CO2 σε ψυκτικούς κύκλους με συμπίεση ατμών. Μελετήθηκαν δύο διαφορετικές ψυκτικές διατάξεις, ο κύκλος δύο βαθμίδων με δοχείο ισορροπίας και θάλαμο ανάμιξης και ο κύκλος μίας βαθμίδας με στρόβιλο. Για την εξαγωγή συμπερασμάτων, τα αποτελέσματα του CO2 συγκρίθηκαν με αυτά δύο συμβατικών ψυκτικών μέσων, του προπανίου και του R-32. Για τις ιδιότητες των ψυκτικών μέσων χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο REFPROP, που είναι ενσωματωμένο στον προσομοιωτή Aspen Plus. Οι ψυκτικοί κύκλοι εξετάστηκαν σε θερμοκρασιακό εύρος απορρόφησης θερμότητας -45 έως 0οC και απόρριψης θερμότητας 25 έως 45οC. Έτσι, στους κύκλους με CO2 εξετάστηκαν οι περιπτώσεις απόρριψης θερμότητας τόσο στην υποκρίσιμη, όσο και στην υπερκρίσιμη περιοχή. Σε κάθε περίπτωση υπολογίστηκαν οι βέλτιστες τιμές του συντελεστή λειτουργίας (COP) και οι τιμές του καθαρού ψυκτικού αποτελέσματος (NRE) στις συνθήκες βέλτιστου COP. Οι ψυκτικοί κύκλοι με CO2 παρουσίασαν μικρότερες τιμές COP και NRE, σε σχέση με τους αντίστοιχους κύκλους των συμβατικών ψυκτικών μέσων. Επιπλέον, η χρήση CO2 οδήγησε σε μεγαλύτερες πιέσεις λειτουργίας, αλλά μικρότερες τιμές λόγου συμπίεσης, συγκρινόμενη με τη χρήση των συμβατικών ψυκτικών. Τέλος, μεταξύ των δύο ψυκτικών διατάξεων που εξετάστηκαν, ο κύκλος μίας βαθμίδας με στρόβιλο παρουσίασε μεγαλύτερες τιμές COP και NRE, όταν χρησιμοποιήθηκε CO2, ενώ στην περίπτωση των συμβατικών ψυκτικών μέσων και οι δύο διατάξεις παρουσίασαν παρόμοιες αποδόσεις.	el
heal.abstract	Meeting the ever-increasing demand for refrigeration requires the development of efficient and reliable systems, while reducing the environmental footprint. The water/LiBr working system, one of the most popular in absorption refrigeration cycles, has significant disadvantages such as corrosivity and risk of crystallization. Thus, the search for new working pairs is a field of important research. In recent years, the use of ionic liquids as water absorbents is presented as a promising solution. On the other hand, there is pressure to reduce the use of HFCs in vapor compression cycles because of their greenhouse effect. One of the refrigerants investigated as a substitute is CO2, due to its near-zero environmental impact and other benefits, such as low cost, non-toxicity and non-flammability. The purpose of the present postgraduate thesis is the study of the absorption refrigeration cycle with water/ionic liquid working systems and the vapor compression refrigeration cycle with carbon dioxide, using the Aspen Plus simulator. The first part of this work concerns the evaluation of ionic liquids as water absorbents in absorption refrigeration cycles. The ionic liquids examined consist of imidazolic cations, [CnMIM], with n=1-6 and the following anions: [DMP], [Cl], [EtSO4], [Br], [BF4] and [OTf]. For comparison purposes, the conventional absorbent, LiBr, was also studied. The description of the vapor-liquid phase equilibrium of the working system was done with the UNIFAC model, in the case of ionic liquids and with the NRTL equation, in the case of LiBr. In addition, a group contribution method was used in order to predict the specific heat capacity of the ionic liquids. The evaluation of the absorbents was carried out in a single effect system, considering the reference scenario of available heat at 100°C and of desired refrigeration level at 10°C. For each working system, the coefficient of performance (COP) and the circulation ratio (f) were calculated. The results showed that an increase in the carbon chain length of the imidazole cation leads to a worse behavior, whereas among ionic liquids tested, those with anion [Cl] and [DMP] show the best performance indices. Under the same conditions, the conventional absorbent, LiBr, exhibited a COP value similar to that of the best ionic liquids, but a lower f value. Of particular importance is the correlation between the performance of the refrigeration cycle and the characteristics of its working system. The minimum value of the excess Gibbs free energy of the working system (GEmin) is often used to assess the suitability of absorbents. The reliability of this criterion was examined in this work. Using the results of the simulations with ionic liquids, it was observed that the GEmin value does not lead to reliable results, particularly when comparing ionic liquids with different anions. Instead, a clear correlation was found between the COP value and the product of circulation ratio with the specific heat capacity of the generator input stream. Thereafter, possibilities of improving the COP of the refrigerant cycle were investigated with [DMIM]-[Cl], the ionic liquid which has shown the best behavior in the reference scenario. Single effect refrigeration cycle sensitivity analysis showed that COP exhibits reduced sensitivity to changes in the operating temperature of the generator. In contrast, double effect refrigeration cycles showed significantly higher COP values, with an increase in the temperature of the offered heat at 120-160°C. The second part of the thesis investigated the prospect of using CO2 in vapor compression refrigeration cycles. Two different refrigeration systems, the two-stage cycle with flash and mixing chamber and the one-stage cycle with turbine, were studied. To draw conclusions, CO2 results were compared to those of two conventional refrigerants, propane and R-32. The REFPROP model, which is integrated in Aspen Plus simulator, was used for the properties of the refrigerants. Refrigeration cycles were tested at a heat absorption temperature range of -45 to 0°C and a heat rejection temperature range of 25 to 45°C. Thus, the cases of heat rejection in both subcritical and supercritical region were examined in CO2 cycles. In each case, the optimum coefficient of performance (COP) and the net refrigeration effect (NRE) at optimal COP conditions were calculated. CO2 refrigeration cycles showed lower COP and NRE values, relative to the corresponding cycles with conventional refrigerants. In addition, the use of CO2 has led to higher operating pressures, but lower compression ratios, compared to conventional refrigerants. Finally, between the two refrigerant systems tested, the one-stage cycle with turbine showed higher COP and NRE values when CO2 was used, while in the case of conventional refrigerants both systems showed similar performance.	en
heal.sponsor	Grivalia Properties	el
heal.advisorName	Επαμεινώνδας, Βουτσάς	el
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Βλυσίδης, Απόστολος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	134 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true