ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΨΥΞΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΨΥΞΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Κουσίδης Βεργής ΑΕΜ:5262 Επιβλέπων: Παναγιώτης Σεφερλής Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2016

2 Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μοντελοποίηση συστημάτων ψύξης απορρόφησης και η μελέτη της ενεργειακής τους απόδοσης μέσω παραμετρικής ανάλυσης. Αναπτύχθηκαν διαγράμματα ροής κύκλων ψύξης απορρόφησης απλής και διπλή πλήρωσης με χρήση εργαζόμενων μέσων όπως το Η2Ο/LiBr και ΝΗ3/Η2Ο, τα οποία είναι ευρέως διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται εκτενώς σε εμπορικά διαθέσιμα συστήματα. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκαν τα μοντέλα των αντίστοιχων διαγραμμάτων ροής με χρήση ενός εναλλακτικού ψυκτικού μέσου, του C4H10/C2H6O, το οποίο έχει μελετηθεί ελάχιστα στην διαθέσιμη επιστημονική βιβλιογραφία. Έτσι, αναπτύχθηκαν συνολικά έξι συνδυασμοί διαγραμμάτων ροής και ψυκτικών μέσων. Τα αποτελέσματα από την προσομοίωση τεσσάρων από τους παραπάνω συνδυασμούς (απλής- διπλής πλήρωσης για Η2Ο/LiBr και ΝΗ3/Η2Ο) συγκρίθηκαν με δημοσιευμένα αποτελέσματα προσομοιώσεων και πειραματικών διατάξεων και κατέδειξαν πολύ καλή σύγκλιση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από αυτή την εργασία. Στη συνέχεια μελετήθηκε η ενεργειακή απόδοση των έξι διαφορετικών συστημάτων μέσα από την μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας που ορίστηκαν ως ελεύθερες μεταβλητές, επιτρέποντας την σύγκριση μεταξύ των κύκλων απλής και διπλής-πλήρωσης και των αντίστοιχων ρευστών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι ο κύκλος με χρήση Η2Ο/LiBr, ειδικότερα ο αυτός της διπλής- πλήρωσης αποτελεί την καλύτερη επιλογή όσον αφορά την ενεργειακή συμπεριφορά. i

3 Ευχαριστίες Καταρχάς θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ κ. Π. Σεφερλή για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε με την ανάθεση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στο Δρ. Α. Παπαδόπουλο, Ερευνητή Γ. στο Εθνικό Κέντρο Ερευνών και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α) διότι η καθοδήγηση, η διαρκής μας συνεργασία και οι συμβουλές του υπήρξαν καθοριστικές για την εκπόνηση της εργασίας. Επιπρόσθετα ευχαριστώ του διδάκτορες του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ., Κυριακίδη Αλέξανδρο και Ζαρογιάννη Θεόδωρο για το ζεστό κλίμα εργασίας που μου προσέφεραν. Τέλος, τους γονείς και τους φίλους μου για τη συνεχή στήριξη τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Κουσίδης Βεργής ii

4 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1.Εισαγωγή Ψύξη-Κλιματισμός και Μηχανές Ψύξης Απορρόφησης Εφαρμογές της ψύξης απορρόφησης Σκοπός της Διπλωματικής Εργασίας Δομή της Έκθεσης της Διπλωματικής Εργασίας... 5 Κεφάλαιο 2.Παρουσίαση Κύκλων Κύκλοι απλής-πλήρωσης Κύκλος LiBr/Η 2Ο Κύκλος NH3/Η2Ο Κύκλος Βουτανίου/Αιθανόλης Κύκλοι Διπλής-Πλήρωσης Κύκλος LiBr/Η 2Ο Κύκλος διπλής-πλήρωσης ΝΗ 3/Η 2Ο Κύκλος Βουτανίου/Αιθανόλης Εργαζόμενα μέσα Κεφάλαιο 3.Μοντελοποίηση και Προσομοίωση Επιλογή λογισμικού Κύκλος απλής-πλήρωσης LiBr/Η 2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Κύκλος απλής-πλήρωσης NH 3/Η 2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Κύκλος απλής πλήρωσης C 4H 10/C 2H 6O Ανάπτυξη μοντέλου Αποτελέσματα προσομοίωσης Κύκλος Διπλής-Πλήρωσης LiBr/Η 2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Κύκλος διπλής πλήρωσης ΝΗ 3/Η 2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Κύκλος διπλής πλήρωσης Βουτανίου/Αιθανόλης iii

5 Κεφάλαιο 4.Παραμετρική Ανάλυση Μεθοδολογία Αποτελέσματα και συζήτηση Κύκλοι απλής πλήρωσης Κύκλοι διπλής πλήρωσης Κεφάλαιο 5.Συμπεράσματα-Προτάσεις Συμπεράσματα Προτάσεις Βιβλιογραφία iv

6 Κεφάλαιο 1.Εισαγωγή 1.1 Ψύξη-Κλιματισμός και Μηχανές Ψύξης Απορρόφησης Με βάση το τρόπο διαβίωσης σήμερα, τόσο η ψύξη όσο και ο κλιματισμός αποτελούν αναγκαιότητα. Δεν χρειάζεται να γίνεται καν λόγος για τη χρησιμότητα των μηχανών ψύξης για τη διατήρηση των τροφίμων, τοv δροσισμό κ.ο.κ. Ο ψυκτικός κύκλος στον οποίο βασίζονται οι περισσότερες μηχανές ψύξης-κλιματισμού είναι αυτός της συμπίεσης ατμών. Στο Σχήμα 1.1 βλέπουμε έναn τέτοιο κύκλο. Κύρια εξαρτήματά του είναι ο συμπιεστής (αναρροφά και καταθλίβει το ψυκτικό αέριο), ο συμπυκνωτής (συμπυκνώνει το ψυκτικό αέριο), η βαλβίδα εκτόνωσης (εκτονώνει το ψυκτικό υγρό, ρυθμίζοντας την ποσότητά του προς τον εξατμιστή, ώστε να είναι ανάλογη προς τα ψυκτικά φορτία του χώρου) και ο εξατμιστής (στον οποίο εξατμίζεται το ψυκτικό υγρό απορροφώντας θερμότητα από τον ψυχόμενο χώρο). Προφανώς γίνεται λόγος για την πιο απλοϊκή διάταξη μια μηχανής ψύξης συμπίεσης ατμών, η οποία θα έπρεπε να συνοδεύεται με πρόσθετα βοηθητικά εξαρτήματα. Σχήμα 1.1 Ψυκτικός κύκλος συμπίεσης ατμών [1] Για τη λειτουργία του συμπιεστή της παραπάνω διάταξης απαιτείται η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Τόσο η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας όσο και η ανάγκη για την εύρεση ενός κύκλου που να εργάζεται με είσοδο ήπιων μορφών ενέργειας για περιβαλλοντικούς λόγους οδήγησαν στη δημιουργία εναλλακτικών μηχανών ψύξης. Μια τέτοια τεχνολογία είναι η ψύξη με απορρόφηση. Στον κύκλο απορρόφησης ο συμπιεστής αντικαθίσταται από τον απορροφητήρα (absorber) και την γεννήτρια (generator) (Σχήμα 1.2) και η απαιτούμενη ενέργεια για τη λειτουργία αυτού του 1

7 κύκλου δίνεται υπό μορφή θερμότητας στη γεννήτρια. Η πρόσδοση της θερμότητας γίνεται με τη μορφή ζεστού νερού ή ατμού σε αντίθεση με τον συμβατικό ψυκτικό κύκλο όπου το ψυκτικό μέσο είναι συνήθως ένα καθαρό ρευστό, στους κύκλους απορρόφησης χρησιμοποιούνται δυαδικά μίγματα τα ώστε να είναι δυνατή η αποφυγή του συμπιεστή. Οι κύκλοι αυτοί, θα αναλυθούν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στα επόμενα Κεφάλαια. Σχήμα 1.2 Κύκλος ψύξης απορρόφησης 1.2 Εφαρμογές της ψύξης απορρόφησης Οι εφαρμογές στις οποίες συναντάμε μηχανές ψύξης απορρόφησης δεν είναι λίγες. Αντιθέτως άν ανατρέξουμε στη βιβλιογραφία ή τον παγκόσμιο διαδικτυακό ιστό θα βρούμε πληθώρα τέτοιων εφαρμογών. Έτσι για να αναδειχθεί η χρησιμότητα τους αναφέρονται οι εξής σημαντικές εφαρμογές τους: 1) Ψύξη και Κλιματισμός σε Μεγάλα Κτίρια Η πιο σημαντική εφαρμογή των ψυκτών απορρόφησης παγκοσμίως αφορά τη χρήση τους στη ψύξη κτιρίων. Μεγάλης ισχύος (βιομηχανικής κλίμακας) ψύκτες συναντώνται σε μεγάλα κτίρια, όπου παρέχουν κρύο νερό και μέσω της ροής τους σε εναλλάκτες θερμότητας παρέχουν κλιματισμό στο κτίριο [2]. 2) Ανάκτηση Θερμότητας στη Βιομηχανία Πέρα από τις εφαρμογές κλιματισμού, οι ψύκτες απορρόφησης έχουν τη δυνατότητα για χρήση σε εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας σε βιομηχανική κλίμακα, σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες. Μεγάλες βιομηχανικές μονάδες συνήθως έχουν υποδιαδικασίες που λειτουργούν σε διαφορετικά επίπεδα θερμοκρασιών και απαιτούν είτε θέρμανση είτε ψύξη. Για το λόγο αυτό μπορούμε να 2

8 κάνουμε χρήση της απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας μιας διαδικασίας ώστε να παρέχουμε την ψύξη, μέσω ψύκτη απορρόφησης, που απαιτείται για μια άλλη διαδικασία [3]. 3) Ψύξη με Χρήση Ηλιακής Ενέργειας Μπορεί μέσω ηλιακών συλλεκτών να γίνει χρήση της ηλιακής θερμικής ενέργειας για τη τροφοδοσία ψύκτη απορρόφησης. Τέτοιες τεχνολογίες κάνουν άμεση χρήση μιας ανανεώσιμης πηγής ενέργειας και έχουν γίνει πολλές έρευνες στις μέρες μας για την ανάπτυξη μίας τέτοιας τεχνολογίας [4]. 1.3 Σκοπός της Διπλωματικής Εργασίας Η ανάπτυξη αποδοτικών κύκλων ψύξης απορρόφησης απαιτεί την διερεύνηση : α) Διαφορετικών διατάξεων διασύνδεσης των συσκευών σε ένα διάγραμμα ροής, β) Διαφορετικών ψυκτικών μέσων. Η ανάπτυξη και χρήση μοντέλων ψυκτών απορρόφησης αποτελεί ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την διερεύνηση τέτοιων συστημάτων με σκοπό να γίνει μια γρήγορη και συστηματική αποτίμηση των πιθανών σχεδιαστικών επιλογών. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια σημαντική προσπάθεια μοντελοποίησης κύκλων ψύξης απορρόφησης στην σχετική επιστημονική βιβλιογραφία. Οι Somers et al. [5] κατασκεύασαν μοντέλο ψύξης απορρόφησης κύκλου απλής και διπλήςπλήρωσης H2O/LiBr ροής σε σειρά με τη χρήση λογισμικού Aspen plus. Το μοντέλο τους επιβεβαιώθηκε συγκρινόμενο με πειραματικά δεδομένα. Στην εργασία αυτή αναδεικνύονται και τα προτερήματα που έχει η μοντελοποίηση στο λογισμικό Aspen plus έναντι άλλων λογισμικών. Οι Kaushik και Arora [6] έκαναν ένα υπολογιστικό μοντέλο για τους ίδιους κύκλους. Προχώρησαν σε μια ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση των κύκλων μέσω των μοντέλων που κατασκευάσανε και αποδείξανε ότι ο απορροφητήρας είναι το βασικό εξάρτημα κατά το σχεδιασμό. Οι Liao et al. [7] μοντελοποίησαν κύκλο απλής-πλήρωσης με το λογισμικό EES, ερεύνησαν ζητήματα κρυσταλλοποίησης του μίγματος H2O/LiBr, καθώς και την ένταξη των ψυκτών απορρόφησης σε ευρύτερα συστήματα ψύξης, θέρμανσης και παραγωγής έργου (CHP Systems). Μοντέλα κύκλων διπλής-πλήρωσης ροής σε σειρά έφτιαξαν και οι Gomri και Hakimi [8] και Xu et al. [9]. Οι πρώτοι χρησιμοποίησαν ένα καινούριο σετ καταστατικών εξισώσεων για την εύρεση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του H2O/LiBr και προχώρησαν σε μια εξεργειακή ανάλυση του μοντέλου, ενώ οι δεύτεροι ανέλυσαν την επιρροή διαφόρων παραμέτρων στο COP του συστήματος. Μοντέλα διπλήπλήρωσης παράλληλης ροής βλέπουμε από τους Liu και Wang [10] και τους Xu και Dai [11]. Οι τελευταίοι κινήθηκαν σε παρόμοια πλαίσια με την εργασία τους για τον κύκλο διπλής-πλήρωσης με ροή σε σειρά [9], ενώ οι πρώτοι παρουσίασαν μοντέλο που λειτουργεί με πηγή ηλιακή ενέργεια και φυσικό αέριο, παρουσιάζοντας παράλληλα και μια οικονομοτεχνική μελέτη. Οι Brunet et al. [12] παρουσίασαν μοντέλο κύκλου απλής- πλήρωσης ΝΗ3/H2O στο Aspen plus. Η εργασία τους περιλαμβάνει επίσης βελτιστοποίηση πολλών κριτηρίων (multi-objective optimization), ανάλυση κόστους καθώς και ανάλυση του κύκλου ζωής. Οι Adewusi και Zubair 3

9 [13] δημιούργησαν στο λογισμικό EES τόσο μοντέλο ΝΗ3/H2O απλής-πλήρωσης όσο και διπλής. Την κατασκευή του μοντέλου ακολουθεί και μια παραμετρική ανάλυση για την ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση των συστημάτων. Τέλος η Tora [14] παρουσίασε μια ανάλυση των ιδιοτήτων που θα έπρεπε να έχουν τα εργαζόμενα μέσα ενός ψύκτη απορρόφησης. Μέσω του λογισμικού ProCAMD εντόπισε μίγματα ρευστών που έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες για τη χρήση τους στη ψύξη απορρόφησης. Ένα εξ αυτών ήταν το C4H10/C2H6O για το οποίο προχώρησε σε μια προσομοίωση για κύκλο απλής-πλήρωσης στο λογισμικό Aspen plus. Μπορούμε στη βιβλιογραφία να βρούμε και μοντέλα διαφορετικών και πιο σύνθετων κύκλων τα οποία αναπτύχθηκαν με τη χρήση διάφορων λογισμικών όπως αυτό των Florides et al. [15]. Αυτοί ανέπτυξαν μοντέλο ψύξης απορρόφησης ΝΗ3/H2O με χρήση ηλιακής ενέργειας ως θερμή πηγή,. Μελετήθηκε η απόδοση του μοντέλου για μετεωρολογικό προφίλ της Λευκωσίας στην Κύπρο και παρουσιάστηκε μια οικονομοτεχνική ανάλυση. Για τη δημιουργία αυτής της εργασίας έγινε χρήση του λογισμικού TRNSYS. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη μοντέλων κύκλων απλής και διπλής-πλήρωσης με εργαζόμενα ρευστά H2O/LiBr (Νερό/Βρωμιούχο Λίθιο), ΝΗ3/H2O (Αμμωνία/ Νερό) και C4H10/C2H6O (Βουτάνιο/Αιθανόλη). Οι συγκεκριμένοι κύκλοι καθώς και τα ψυκτικά μέσα H2O/LiBr και ΝΗ3/H2O επιλέχθηκαν γιατί είναι τα πιο ευρέως διαδεδομένα στην βιβλιογραφία, οπότε: α) Παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον από την πλευρά της πρακτικής εφαρμογής, β) Υπάρχουν αρκετές δημοσιευμένες πληροφορίες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και την επαλήθευση των αντίστοιχων μοντέλων. Το μίγμα C4H10/C2H6O επιλέχθηκε καθώς είναι ένα νέο ψυκτικό μέσο [14, 16] το οποίο έχει προταθεί ως πιθανή επιλογή αντικατάστασης των H2O/LiBr και ΝΗ3/H2O, έχει μελετηθεί ελάχιστα και συνεπώς χρίζει περεταίρω διερεύνησης. Η μοντελοποίηση έγινε στο λογισμικό Aspen plus το οποίο παρέχει δυνατότητες προσομοίωσης μιγμάτων που παρουσιάζων μια εξαιρετικά μη ιδανική θερμοδυναμική συμπεριφορά, όπως τα χρησιμοποιούμενα. Τα διαγράμματα ροής τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη ανάπτυξη των μοντέλων προήλθαν από της πηγές [4], [6] και [10]. Μάλιστα η εργασία αυτή πρωτοτυπεί στην κατασκευή μοντέλων στο συγκεκριμένο λογισμικό όσον αφορά: α) Το μοντέλο διπλής-πλήρωσης ροής σε σειρά του H2O/LiBr, β) Τα μοντέλα της διπλής-πλήρωσης ΝΗ3/H2O και C4H10/C2H6O. Στο σκοπό βέβαια εν κατακλείδι εντάσσεται και η μελέτη της ενεργειακής συμπεριφοράς όλων των κύκλων που αναλύονται μέσω παραμετρικής ανάλυσης. 4

10 1.4 Δομή της Εργασίας Αναλυτικά ο τρόπος με το οποίο δομήθηκε η εργασία είναι ο εξής: Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στου κύκλους με τους οποίους ασχολήθηκε η παρούσα εργασία. Δίνεται μια αναλυτική περιγραφή αυτών και αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας. Τέλος γίνεται αναφορά στα εργαζόμενα ρευστά των κύκλων αυτών και στις ιδιότητες τους. Στο Κεφάλαιο 3 δίνεται ο τρόπος με τον οποίο έγινε η προσομοίωση των μοντέλων των κύκλων ψύξης απορρόφησης που αναλύθηκαν στο Κεφάλαιο 2. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μοντέλων σε συγκεκριμένες συνθήκες εισόδου και επιβεβαιώνονται μέσω τις σύγκρισης αποτελεσμάτων άλλων από βιβλιογραφικά δεδομένα που προέκυψαν από την χρήση μοντέλων προσομοίωσης ή πειραμάτων. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται μια παραμετρική ανάλυση του εκάστοτε κύκλου και παρουσιάζεται η ενεργειακή συμπεριφορά μέσω της μεταβολής των συνθηκών εισόδου ως προς σημαντικά κριτήρια απόδοσης. Στην αρχή του Κεφαλαίου δίνεται και η διαδικασία υλοποίησης της παραμετρικής ανάλυσης. Στο Κεφάλαιο 5 δίνεται μια σύνοψη των συμπερασμάτων που προκύπτουν από την εργασία και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. 5

11 Κεφάλαιο 2.Παρουσίαση Κύκλων 2.1 Κύκλοι απλής-πλήρωσης Κύκλος LiBr/Η2Ο Ο απλής πλήρωσης κύκλος απορρόφησης ο οποίος χρησιμοποιεί μίγμα βρωμιούχου λιθίου (LiBr)/νερού (Η2Ο)/ως εργαζόμενο ρευστό είναι ίσως ο πιο απλός τρόπος παρουσίασης και λειτουργίας ενός τέτοιου κύκλου. Σχήμα 2.1 Απλής-πλήρωσης κύκλος LiBr/Η 2Ο [17] Στο παραπάνω Σχήμα παρατηρούμε την απόδοση ενός τέτοιου κύκλου. Τα πιο σημαντικά εξαρτήματα παρουσιάζονται με την επιμέρους σχετική ετικέτα ενώ στα ρεύματα ρευστού μεταξύ αυτών αποδίδονται νούμερα. Το Σχήμα μας δείχνει τη ροή ενέργειας εκτός του κύκλου με βελάκια ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής με τέσσερις μεταβλητές ρυθμών μεταφοράς θερμότητας και έναν όρο έργου αντλίας. Οι κύκλοι απορρόφησης με τη χρήση LiBr/Η2Ο, χρησιμοποιούν το νερό ως ψυκτικό μέσο και το LiBr ως μέσο απορρόφησης. Ατμός ψυκτικού μέσου (νερό) ρέει από τον εξατμιστή (evaporator) προς τον απορροφητήρα (absorber) όπου αναμιγνύεται με ένα υδροσκοπικό απορροφητικό μέσο (LiBr). Ροή ψυκτικού διατηρείται μέσω διαδικασίας βρασμού στον εξατμιστή δημιουργώντας το απαιτούμενο φαινόμενο ψύξης. Η διαδικασία απορρόφησης είναι εξώθερμη και για τον λόγο αυτό χρειάζεται σταθερή ψύξη ώστε να διατηρείται η θερμοκρασία στον απορροφητήρα. Καθώς εισέρχεται όλο και περισσότερο ψυκτικό στο απορροφητικό μέσο ως είναι φυσικό η δυνατότητα 6

12 του για απορρόφηση ατμών νερού μειώνεται. Για να διατηρείται λοιπόν η απορροφητική ισχύς, μέρος του διαλύματος (ισχυρό διάλυμα χαμηλής συγκέντρωσης LiBr) συνεχώς αντλείται σε υψηλότερη πίεση στη γεννήτρια (desorber ή αλλιώς generator). Εκεί συνεχώς θερμαίνεται προκαλώντας την εξάτμιση του ψυκτικού μέσου, το οποίο διαχωρίζεται από το υπόλοιπο μίγμα. Το υπόλοιπο λοιπόν αυτό μίγμα αυξημένης πλέον συγκέντρωσης LiBr (ασθενές διάλυμα) επιστρέφει στον απορροφητήρα διαμέσου μιας ρυθμιστικής βαλβίδας. Ο υψηλής πίεσης ψυκτικός ατμός ρέει από τη γεννήτρια προς τον συμπυκνωτή, όπου υγροποιείται και επιστρέφει μέσω ρυθμιστικής βαλβίδας στον εξατμιστήρα, ολοκληρώνοντας τον κύκλο. Στον κύκλο εισάγεται και ένας εναλλάκτης θερμότητας για την προθέρμανση του ισχυρού διαλύματος που εξέρχεται από τον απορροφητήρα κάνοντας χρήση του θερμού μίγματος που επιστέφει από τη γεννήτρια. Με αυτό τον τρόπο μειώνουμε την είσοδο θερμότητας στην γεννήτρια και την εξαγωγή θερμότητας στον απορροφητήρα, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης του κύκλου Ισοζύγιο Μάζας Σε σταθερή κατάσταση, ισχύει η αρχή της διατήρησης της μάζας σε κάθε εξάρτημα. Θεωρούμε ότι δεν υπάρχει καμία χημική αντίδραση μεταξύ του νερού και του LiBr, Το ισοζύγιο μάζας στην γεννήτρια έχει ως εξής: m 3 = m 4 + m 7 Yποθέτοντας ότι ο ατμός που φεύγει από τη γεννήτρια έχει μηδενική περιεκτικότητα σε LiBr, το ισοζύγιο μάζας μας δίνει: m 3x 3 = m 4x 4 Όπου x ι (ι = 3,4) είναι το κλάσμα μάζας του LiBr. Το ισοζύγιο μάζας για το νερό μπορούμε να το εξάγουμε μέσω των προηγούμενων εξισώσεων, ως εξής. m 3 (1 x 3 ) = m 4 (1 x 4 ) + m 7 (2.3) Με ανάλογο τρόπο μπορούν να αναπαραχθούν τα ισοζύγια μάζας σε όλο τον κύκλο. (2.1) (2.2) Θερμοδυναμικές καταστάσεις εντός του κύκλου Η θερμοδυναμική κατάσταση σε κάθε σημείο του κύκλου πρέπει να οριστεί πλήρως ώστε να μπορέσουμε να κατανοήσουμε τον κύκλο. Ακολουθεί ένας Πίνακας με μια σύνοψη των καταστάσεων των αριθμημένων σημείων της Σχήματος 2.1. Όπως βλέπουμε στον Πίνακα 2.1, σε τρία σημεία υπάρχει κορεσμένο υγρό (1,4 και 8), σε ένα υπάρχει κορεσμένος ατμός (10), σε τρία υπάρχει υπόψυκτο υγρό (2,3 και 5), σε ένα υπάρχει υπέρθερμος ατμός (7), και σε δύο καταστάσεις συνυπάρχουν η υγρή με την αέρια φάση για ένα σύνολο 10 σημείων. 7

13 Ισοζύγιο ενέργειας Σημείο Κατάσταση Σύσταση 1 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 2 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 3 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 4 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 5 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 6 Υγρό-ατμός Μίγμα 7 Υπέρθερμος υδρατμός Καθαρό νερό 8 Κορεσμένο νερό Καθαρό νερό 9 Νερό-υδρατμός Καθαρό νερό 10 Κορεσμένος υδρατμός Καθαρό νερό Πίνακας2.1 Θερμοδυναμικές καταστάσεις κύκλου απλή-πλήρωσης LiBr/Η2Ο Στη συνέχεια κρίνεται σκόπιμο να οριστεί το ενεργειακό ισοζύγιο σε κάθε εξάρτημα. Στο εξατμιστή θα έχουμε: Q e = m 10h 10 m 9h 9 Παρόμοια στον συμπυκνωτή: (2.4) Q c = m 7h 7 m 8h 8 Οι παραπάνω εξισώσει μπορούν να απλοποιηθούν ελάχιστα διότι η ροή μάζας είναι ίδια στην είσοδο και την έξοδο στα δύο αυτά εξαρτήματα (π.χ. m 10 = m 9). Για την ακρίβεια, η ροή μάζας είναι ίδια σε όλο το κύκλωμα του ψυκτικού. Το ίδιο θα μπορούσαμε να κάνουμε και στα σημεία, τα οποία δεν μεταβάλλεται η ενθαλπία. Τέτοια σημεία είναι στις βαλβίδες όπου γίνεται ισενθαλπική εκτόνωση (π.χ. h 5 = h 6 ). Το ενεργειακό ισοζύγιο στη γεννήτρια μπορεί να γραφεί: (2.5) Q g = m 7h 7 + m 4h 4 m 3h 3 (2.6) Και παρόμοια στον απορροφητή: Q a = m 10h 10 + m 6h 6 m 1h 1 Για τη θερμή πλευρά του εναλλάκτη θερμότητας το ισοζύγιο γράφεται: Q hx h = m 4h 4 m 5h 5 Για την ψυχρή πλευρά του εναλλάκτη: Q hx c = m 3h 3 m 2h 2 Όπου: Q hx h = Q hx c (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) 8

14 Η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος ορίζεται ως ο λόγος του πραγματικού προς τον μέγιστο δυνατό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας. Ο μέγιστος δυνατός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας είναι το γινόμενο του ελάχιστους ρυθμού θερμοχωρητικότητας επί την θερμοκρασιακή διαφορά των ρευμάτων εισόδου. Κι επειδή ο ελάχιστος ρυθμός θερμοχωρητικότητας ισχύει για το θερμό ρεύμα θα έχουμε: ε shx = T 4 T 5 T 4 T 2 (2.11) Τέλος για την αντλία ομοίως προκύπτει ότι: W = m 2h 2 m 1h 1 (2.12) Το έργο της αντλίας είναι πολύ μικρό σε σχέση με τις ροές θερμότητας, για τον λόγο αυτό μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο. Σύμφωνα με αυτή την παραδοχή ο βαθμός απόδοσης (COP) υπολογίζεται χωρίς να συνυπολογίζεται το έργο της αντλίας. Παρ όλο όμως που θεωρείται αμελητέο το έργο της αντλίας, στη κατασκευή μιας διάταξης ψύξης απορρόφησης, θα πρέπει να γίνεται προσεκτικός σχεδιασμός της αντλίας. Έτσι αφού έχουν υπολογιστεί οι ροές θερμότητες υπολογίζουμε το βαθμό απόδοσης ως εξής: COP = Q e Q g (2.13) Συνθήκες Λειτουργίας Πιέσεις Η υψηλότερη πίεση σε ένα απλής-πλήρωσης κύκλο LiBr/H20 είναι τυπικά μικρότερη των 10 kpa απόλυτης πίεσης. Έτσι ολόκληρη η διάταξη λειτουργεί κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό το χαρακτηριστικό προϋποθέτει λοιπόν αεροστεγή σχεδιασμό για να αποφευχθεί η είσοδος αέρα. Θερμοκρασίες, Για μια αποτελεσματική εφαρμογή κλιματισμού, η θερμοκρασία στον εξατμιστή t e πρέπει να είναι αρκετά χαμηλή για την αφύγρανση του αέρα. Στην πράξη κυμαίνεται μεταξύ των 4.5 εώς 10 o C ανάλογα τις συνθήκες φορτίου. Οι θερμοκρασίες στις οποίες αποβάλλεται θερμότητα t a και t c για τον απορροφητήρα και συμπυκνωτή, αντίστοιχα, μεταβάλλεται αναλόγως το χρησιμοποιούμενο μέσο για την ψύξη (νερό, αέρας), συνθήκες περιβάλλοντος για τις θερμοκρασίες υγρού και ξηρού βολβού και εάν οι γραμμές ψύξης είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα. Μία τυπική τιμή είναι αυτή των 40 o C. Η θερμοκρασία της γεννήτριας t g εξαρτάται από την εκάστοτε διαθέσιμη θερμή πηγή (ηλιακή ενέργεια, φυσικό αέριο, ατμός). Παρ όλα αυτά, μια ελάχιστη θερμοκρασία των 80 ο C πρέπει να διατηρείται για την ομαλή λειτουργία. Συγκεντρώσεις (Διάγραμμα Dühring) Σε αυτό το σημείο κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια αναφορά στα διαγράμματα Dühring διότι αποτελούν ένα σημαντικό βήμα για την οπτικοποίηση των δεδομένων λειτουργιάς ενός κύκλου απορρόφησης. Παρουσιάζεται στο Σχήμα

15 Σχήμα 2.2 Διάγραμμα Dühring μίγματος LiBr/Η2Ο [18] 10

16 Το διάγραμμα αυτό δίνει το σημείο βρασμού για μίγματα διαφόρων συγκεντρώσεων, και για διάφορες πιέσεις προχωρώντας σε μια γραμμή σταθερής σύστασης. Με τη χρήση των διαγραμμάτων αυτών μπορεί να αποφευχθεί πλήθος λαθών ελέγχοντας το μίγμα μας. Ένα τέτοιο λάθος κατά τον σχεδιασμό θα μπορούσε να είναι η λειτουργία του κύκλου πέρα της γραμμής κρυσταλλοποίσης (crystallization line). Οι συγκεντρώσεις x1 και x4 του ασθενούς και ισχυρού διαλύματος αντίστοιχα, δεν θα πρέπει να ξεπερνούν τα όρια της κρυσταλλοποίησης όπως αυτά ορίζονται στο διάγραμμα Dühring. Άλλα μπορούν να αφορούν τη μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία, λογικές θερμοκρασίες όπου αποβάλλεται θερμότητα, τιμές πίεσης, καθώς και συγκεντρώσεων LiBr. Οι τιμές βέβαια οι οποίες θεωρούνται λογικές εξαρτώνται από την εκάστοτε εφαρμογή. Η δυνατότητα λοιπόν παρουσίασης όλων αυτών των τιμών σε ένα διάγραμμα προσφέρει ένα γρήγορο έλεγχο των συνθηκών λειτουργίας. Εάν παραβιάζουν τα όρια που έχουν τεθεί κατά τον σχεδιασμό, οι ελεύθερες μεταβλητές πρέπει να αναθεωρηθούν και να ξαναγίνει ο σχεδιασμός του διαγράμματος Κύκλος NH3/Η2Ο Ο κύκλος αμμωνίας (ΝΗ3)/νερού (Η2Ο) είναι παρεμφερής με αυτόν του LiBr/H2O. Ωστόσο διακρίνεται από κάποιες βασικές διαφορές. Στον συγκεκριμένο κύκλο το ψυκτικό μέσο είναι η NH3 και όχι το H2O, το οποίο είναι το μέσο απορρόφησης στο οποίο διαλύεται η NH3 και δημιουργείται μίγμα ΝΗ3/Η2Ο. Ο κύκλος παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3 Κύκλος απλής-πλήρωσης ΝΗ 3/Η 2Ο [19] Η πίεση ατμών του μέσου απορρόφησης (Η2Ο) δεν είναι αμελητέα σε σχέση με αυτή της ΝΗ3. Αυτό έχει ως συνέπεια ο ατμός που παράγεται στη γεννήτρια να έχει μια συγκεκριμένη ποσότητα νερού (τυπικά γύρω στο 5% κατά μάζα). Η συγκέντρωση του νερού στον ατμό εξαρτάται από τη σύσταση του υγρού μίγματος που εισέρχεται στη γεννήτρια, τη θερμοκρασία και τον σχεδιασμό 11

17 της γεννήτριας. Οποιαδήποτε ποσότητα όμως νερού είναι επιβλαβής για την απόδοση του συστήματος. Συγκρίνοντας τον λοιπόν με το κύκλο που αναλύθηκε προηγουμένως, παρατηρούμε ότι στη συγκεκριμένη περίπτωση απαιτείται ένα επιπλέον εξάρτημα, ο ανορθωτής (rectifier). Στον ανορθωτή το μίγμα που εξέρχεται από τη γεννήτρια ψύχεται με αποτέλεσμα οι ατμοί του νερού μαζί με σωματίδια αμμωνίας να συμπυκνώνονται. Αυτό το ασθενές μίγμα νερού/αμμωνίας επιστρέφει στη γεννήτρια. Σε αντιδιαστολή επίσης προς το κύκλωμα του LiBr/H2O, οι συγκεντρώσεις δηλώνονται με βάση το ψυκτικό μέσο, την αμμωνία και εξακολουθεί ισχυρό να είναι το μίγμα το οποίο εξέρχεται από τον απορροφητήρα και οδεύει στη γεννήτρια και ασθενές το μίγμα που επιστρέφει από την γεννήτρια στον απορροφητήρα και όχι το ανάποδο. Όπως είναι κατανοητό τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας γράφονται ομοίως με το κύκλο του LiBr και δεν κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν και εδώ. Εναλλάκτης ψυκτικού μέσου Στον κύκλο της αμμωνίας ένας τρόπος αύξησης της απόδοσης είναι η εισαγωγή ενός εναλλάκτη στο κύκλωμα του ψυκτικού μέσου. Ο νέος αυτός κύκλος για τον οποίο γίνεται αναφορά είναι αυτός που θα μας απασχολήσει και στη συνέχεια θα μοντελοποιηθεί. Σχήμα 2.4 Κύκλος απλής-πλήρωσης ΝΗ3/Η2Ο με εναλλάκτη ψυκτικού [20] Με τη χρήση αυτού του εναλλάκτη το ρεύμα το όποιο φεύγει από το συμπυκνωτή γίνεται υπόψυκτο, εναλλάσσοντας θερμότητα με το ψυχρό ρεύμα ψυκτικού που βγαίνει από τον 12

18 εξατμιστή, το οποίο με τη σειρά του θερμαίνεται πριν την είσοδο του στον απορροφητήρα. Η χρησιμότητα του εναλλάκτη ψυκτικού είναι διττή [21] 1. Το πιο απλό όφελος είναι ότι ο εναλλάκτης μειώνει την ενθαλπία του συμπυκνώματος, μειώνοντας έτσι και την ενθαλπία στην είσοδο του εξατμιστή. Από τη στιγμή όμως που η ενθαλπία στην έξοδο του εξατμιστή εξακολουθεί και παραμένει ίδια, η ψυκτική ισχύς ανά μονάδα μάζας του εργαζόμενου μέσου αυξάνεται, δίνοντας οφέλη στην απόδοση. 2. Το δεύτερο έχει να κάνει με τη διαχείριση νερού στον εξατμιστή. Όταν ο ατμός αμμωνίας που εξέρχεται από τον ανορθωτή δεν είναι πολύ αυξημένης καθαρότητας, τότε η ολίσθηση θερμοκρασίας στον εξατμιστή (η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου και εξόδου στον εξατμιστή) μπορεί να γίνει σημαντική. Ακόμα και με περιεχόμενο νερού μόνο στο 1%, η ολίσθηση της θερμοκρασίας που σχετίζεται με τη διαδικασίας εξάτμισης μπορεί να ξεπεράσει τα 10Κ για ποιότητα ατμού μεγαλύτερη του Αυτή η ολίσθηση μπορεί να ελαχιστοποιηθεί εάν επιτρέψουμε στην έξοδο του εξατμιστή μια μικρή ποσότητα υγρού. Το υγρό όμως αυτό με τη σειρά του υποβαθμίζει την απόδοση του κύκλου διότι θα πρέπει να εξατμιστεί στην γεννήτρια ενώ δεν προσφέρει καμία ψυκτική ισχύ. Ο καλύτερος λοιπόν τρόπος για να αντιμετωπίσουμε τη μικρή ποσότητα του νερού που παρευρίσκεται στο κύκλωμα του ψυκτικού, είναι να εξατμίσουμε το υγρό στην έξοδο του εξατμιστή με έναν εναλλάκτη ψυκτικού. Η χρήση του εναλλάκτη ψυκτικού παρέχει και διαχείριση του νερού και οφέλη στην απόδοση λόγω αυξημένης ψυκτικής ισχύος του εξατμιστή. Παρέχοντας μια μέθοδο για τη διαχείριση του νερού, ο εναλλάκτης ψυκτικού μπορεί να μειώσει τις απαιτήσεις για έναν υψηλής-απόδοσης ανορθωτή και έτσι να αυξήσει την απόδοση με διάφορους τρόπους. Υπάρχουν ωστόσο και πιθανά μειονεκτήματα, τα οποία όμως δεν μπορούν να έρθουν σε αντιπαράθεση με τα πλεονεκτήματα που προσφέρει. Μερικά ίσως είναι: 1. Η υψηλή πίεση εξατμιστή 2. Η χαμηλότερη θερμοκρασία εξόδου θερμότητας στον απορροφητήρα 3. Οι χαμηλότερες συγκεντρώσεις αμμωνίας στα διάφορα ρεύματα, που οδηγούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες γεννήτριας 13

19 Θερμοδυναμικές καταστάσεις εντός του κύκλου Η καταστάσεις σε κάθε σημείο του κύκλου σύμφωνα με την παραπάνω περιγραφή του κύκλου είναι οι εξής: Σημείο Κατάσταση Σύσταση 1 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 2 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 3 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 4 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 5 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 6 υγρό-ατμός Μίγμα 7 Υπέρθερμος ατμός Μίγμα 8 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 9 Υπέρθερμος ατμός ΝΗ3 με μικρή παρουσία Η2Ο 10 Κορεσμένο υγρό ΝΗ3 με μικρή παρουσία Η2Ο 11 Υπόψυκτο υγρό ΝΗ3με μικρή παρουσία Η2Ο 12 Υγρό-ατμός ΝΗ3 με μικρή παρουσία Η2Ο 13 Κορεσμένος ατμός με ελάχιστο ΝΗ3 με μικρή παρουσία Η2Ο υγρό 14 Υπέρθερμός ατμός ΝΗ3 με μικρή παρουσία Η2Ο Πίνακας 2.2 Θερμοδυναμικές καταστάσεις κύκλου απλής- πλήρωσης ΝΗ3/Η2Ο Συνθήκες Λειτουργίας Πιέσεις και Θερμοκρασίες Σε πίεση περιβάλλοντος δηλαδή 1 atm η θερμοκρασία εξάτμισης της αμμωνίας είναι ο C. Αυτό σημαίνει ότι στον εξατμιστή μπορεί να έχουμε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Επειδή όμως όπως προείπαμε στο κύκλωμα του ψυκτικού υπάρχει η παρουσία μικρής ποσότητας νερού δεν είναι δυνατή η λειτουργία σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες διότι αυτό θα στερεοποιηθεί. Για αυτόν λοιπόν τον λόγο ένας κύκλος ΝΗ3/Η2Ο λειτουργεί σε υψηλότερες πιέσεις στον εξατμιστή από αυτή του περιβάλλοντος, ώστε να έχουμε και αύξηση της θερμοκρασίας εξάτμισης της αμμωνίας. Στην πράξη για ένα κύκλο απορρόφησης αμμωνίας η θερμοκρασία εξάτμισης t e κυμαίνεται μεταξύ των -15 εώς 5 o C. Προφανώς η επιλογή της θερμοκρασίας στον εξατμιστή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εφαρμογή για την οποία θα σχεδιαστεί η επιθυμητή διάταξη. Όπως φαίνεται λόγω της χαμηλότερης θερμοκρασίας εξάτμισης της αμμωνίας ο κύκλος αυτός είναι κατάλληλος σε μεγάλο βαθμό και για ψύξη. Για τις θερμοκρασίες t a και t c για τον απορροφητήρα και συμπυκνωτή, ισχύουν οι ίδιες συνθήκες με το εργαζόμενο ζεύγος LiBr/νερού. Η υψηλή πίεση στον κύκλο, δηλαδή η πίεση στη γεννήτρια και στο συμπυκνωτή, για τη ομαλή λειτουργία του είναι περίπου 15 φορές η ατμοσφαιρική. Η θερμοκρασία έτσι της γεννήτριας t g θα είναι αυξημένη και είναι περίπου κοντά στου 100 ο C και μπορεί να φτάνει εώς και τους 130 o C. 14

20 Συγκεντρώσεις Σε αντίθεση με τον προηγούμενο κύκλο, στο διάλυμα αμμωνίας/νερού, δεν υπάρχουν προβλήματα στερεοποίησης. Από αυτή την άποψη σχεδιαστικά υπάρχει μία μεγαλύτερη ελευθερία όσον αφορά τις συγκεντρώσεις του μίγματος προς ή από τον απορροφητήρα Κύκλος Βουτανίου/Αιθανόλης Αυτός ο κύκλος, ο όποιος χρησιμοποιεί βουτάνιο (C4H10) και αιθανόλη (C2H6O) ως εργαζόμενο μίγμα, δεν θ αναλυθεί καθώς η λειτουργία του είναι ίδιος παρόμοια με της αμμωνίας/νερού. Ωστόσο, θα μοντελοποιηθεί στο επόμενο κεφάλαιο. Η χρήση για παράδειγμα του ανορθωτή κρίνεται και εδώ απαραίτητη αφού σε πίεση περιβάλλοντος οι θερμοκρασίες βρασμού είναι -1 o C και 78.4 o C, για το βουτάνιο και την αιθανόλη αντίστοιχα, οι οποίες βρίσκονται αρκετά κοντά η μια στην άλλη. Όσον αφορά τις συνθήκες λειτουργίας, είναι περίπου όμοιες με αυτές του κύκλου βρωμιούχου λιθίου/νερού. Για συγκεντρώσεις βουτανίου στην έξοδο του απορροφητήρα από 0.2 εώς 0.33 θα έχουμε θερμοκρασία γεννήτριας t g 92 o C, θερμοκρασία εξατμιστή t c 0-20 o C, και θερμοκρασία απορροφητήρα t a o C. 2.2 Κύκλοι Διπλής-Πλήρωσης Κύκλος LiBr/Η2Ο Υπάρχουν πολλοί και διαφορετικοί τρόποι σχεδίασης ενός διπλής-πλήρωσης κύκλου LiBr/H2O. Κάθε διαφορετικός τρόπος σχεδίασης επιδρά στις συνθήκες λειτουργίας και στην απόδοση του κύκλου. Εμείς θα ασχοληθούμε ωστόσο μόνο με τον παρακάτω, ο οποίος είναι ίσως από τους πιο συνηθισμένους και αποτελεί ένα κατά σειρά διπλής-πλήρωσης κύκλο LiBr/H2O. Σχήμα 2.5 Κύκλος διπλής-πλήρωσης LiBr/Η2Ο σε σειρά 15

21 Βλέπουμε ότι στον παραπάνω κύκλο έχουμε δύο επιπλέον εξαρτήματα, μια γεννήτρια ακόμα καθώς και ακόμα ένα εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος. Το ασθενές μίγμα που εξέρχεται από τον απορροφητήρα αντλείται, και δια μέσω του χαμηλής πίεσης εναλλάκτη θερμότητας διέρχεται στον υψηλής πίεσης εναλλάκτη και από κει στην γεννήτρια υψηλής πίεσης (HP Generator). Εκεί θερμαίνεται και μέρος του νερού εξατμίζεται και διαχωρίζεται από το υπόλοιπο μίγμα. Το μίγμα αυτό ρέει προς τη γεννήτρια χαμηλής πίεσης (LP Generator), όπου θερμαίνεται από τον υδρατμό που εξέρχεται από την γεννήτρια υψηλής πίεσης. Έτσι πάλι μέρος του νερού εξατμίζεται και πλέον το δημιουργούμενο από τη γεννήτρια χαμηλής πίεσης ισχυρό μίγμα διέρχεται μέσω του εναλλάκτη χαμηλής πίεσης στον απορροφητήρα. Ο παραγόμενος ατμός από την γεννήτρια υψηλής καθώς και χαμηλής πίεσης εισέρχονται στον συμπυκνωτή οπού υγροποιείται και στην συνέχεια οδεύει προς τον εξατμιστή. Ο κύκλος λοιπόν του ψυκτικού είναι ίδιος ακριβώς με αυτόν του απλής-πλήρωσης κύκλου. Η γεννήτρια χαμηλής πίεσης και ο συμπυκνωτής της διπλής-πλήρωσης μηχανής λειτουργούν στις ίδιες περίπου συνθήκες με μια απλής-πλήρωσης. Η θερμοκρασία και πίεση λειτουργίας όμως της γεννήτριας υψηλής πίεσης είναι εμφανώς αυξημένες. Εκεί γίνεται και η είσοδος της θερμότητας στο κύκλο. Ο βαθμός απόδοσης (COP) μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι αυξημένος διότι είναι σε θέση να εκμεταλλευτεί την αυξημένης διαθεσιμότητας θερμότητα εισαγωγής σε υψηλή θερμοκρασία. Μ αυτό τον τρόπο μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί σε ένα στάδιο μικρότερης πίεσης και θερμοκρασίας μέσω εσωτερικής εναλλαγής θερμότητας. Συγκριτικά λοιπόν με ένα απλής-πλήρωσης κύκλο, ο διπλής-πλήρωσης δέχεται ως είσοδο θερμότητα σε υψηλότερη θερμοκρασία, ενώ εξάγει θερμότητα και παράγει ψυκτική ισχύ σε ίδια περίπου θερμοκρασία. Μπορεί λοιπόν να δούμε έναν κύκλο διπλής-πλήρωσης ως κύκλο τριών θερμοκρασιακών επιπέδων. Ο κύκλος αυτός λειτουργεί επίσης σε τρία επίπεδα πίεσης. Η γεννήτρια υψηλής πίεσης λειτουργεί σε υψηλή, η γεννήτρια χαμηλής πίεσης και ο συμπυκνωτής σε ενδιάμεση, ενώ ο εξατμιστής με τον απορροφητήρα στη χαμηλότερη πίεση. Ο όρος διπλής αναφέρεται στο γεγονός ότι η είσοδος θερμότητας σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιείται δύο φορές για τη δημιουργία υδρατμών. Όπως προ είπαμε υδρατμός παράγεται στη γεννήτρια υψηλής πίεσης με την απ ευθείας είσοδο θερμότητας, ο οποίος με τη σειρά του θερμαίνει το μίγμα εξόδου από τη γεννήτρια υψηλής πίεσης εντός της γεννήτριας χαμηλής πίεσης και παράγεται επιπλέον υδρατμός. Στο σημείο αυτό κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια εισαγωγή και στον όρο στάδιο. Ένας κύκλος απορρόφησης μπορεί πάντα να διαχωριστεί σε επιμέρους βασικά στάδια, τα οποία είναι κύκλοι απλής-πλήρωσης. Ο παραπάνω κύκλος λοιπόν μπορεί να διαχωριστεί σε δύο στάδια. Τα στάδια που διακρίνονται είναι τα εξής, / και Οι δυο αυτές έννοιες ( στάδια και πλήρωση ) έχουν διαφορετική σημασία. Είναι δυνατό για παράδειγμα να έχουμε ένα κύκλο δύο σταδίων, που μπορεί να είναι τριπλής πλήρωσης. Έτσι, ο όρος στάδιο αναφέρεται στη φυσική περιγραφή του κύκλου, ενώ ο όρος πλήρωση αναφέρεται στο επίπεδο της απόδοσης του κύκλου. Ο αριθμός των πληρώσεων είναι μια προσέγγιση της αύξησης της απόδοσης (COP), η οποία αναμένεται. Στην πραγματικότητα, μια μηχανή διπλής 16

22 πλήρωσης έχει απόδοση μικρότερη από δύο φορές την απόδοση της μηχανής απλής πλήρωσης λόγω των απωλειών θερμότητας σχετιζόμενες με τη κλιμακωτή χρήση ενέργειας στο σύστημα. Θερμοδυναμικές καταστάσεις εντός του κύκλου Ορίζονται όπως και στους προηγούμενους κύκλους και οι καταστάσεις σε κάθε σημείο μιας μηχανής διπλής πλήρωσης: Συνθήκες Λειτουργίας Σημείο Κατάσταση Σύσταση 1 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 2 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 3 Υπόψυκτο υγρό(τυπικά) Μίγμα 4 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 5 Υπόψυκτο υγρό(τυπικά) Μίγμα 6 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 7 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 8 υγρό-ατμός Μίγμα 9 Κορεσμένο υγρό Μίγμα 10 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα 11 υγρό-ατμός Μίγμα 12 Υπέρθερμος ατμός Καθαρό Νερό 13 Κορεσμένος ατμός Καθαρό Νερό 14 υγρό-ατμός Καθαρό Νερό 15 Υπέρθερμος ατμός Καθαρό Νερό 16 Κορεσμένο υγρό Καθαρό Νερό 17 υγρό-ατμός Καθαρό Νερό 18 Κορεσμένος ατμός Καθαρό Νερό Πίνακας 2.3 Θερμοδυναμικές καταστάσεις κύκλου διπλής-πλήρωσης LiBr/Η2Ο Οι συνθήκες λειτουργίας είναι όμοιες με αυτές του κύκλου απλής-πλήρωσης εκτός από αυτές της γεννήτριας υψηλής πίεσης. Αυτό μπορεί να γίνει άμεσα κατανοητό εάν σκεφτούμε ότι το στάδιο χαμηλής πίεσης λειτουργεί σε ίδιες τιμές πίεσης με τον κύκλο απλής πλήρωσης. Στη γεννήτρια υψηλής πίεσης μια τυπική τιμή πίεση μπορεί να είναι γύρω στα 93 kpa, οπότε αναμένουμε θερμοκρασίες σε αυτή τη γεννήτρια κοντά στους 130 ο C Κύκλος διπλής-πλήρωσης ΝΗ3/Η2Ο Το Σχήμα 2.6 δείχνει ένα παράδειγμα ενός κύκλου διπλής-πλήρωσης και δύο-σταδίων για ένα σύστημα αμμωνίας/νερού. Το αριστερό στάδιο του κύκλου είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το τυπικό σύστημα απλής πλήρωσης. Αποτελείται από το κύκλωμα του μίγματος με τον απορροφητήρα1 (Absorber1), τη γεννήτρια1 (Generator1), τον εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος1 (SHX1), τον ανορθωτή1 (Rectifier1) και την αντλία1 (Pump1). Επιπρόσθετα, περιλαμβάνει τον συμπυκνωτή (Condeser), τον εναλλάκτη του ψυκτικού (CEHX) και τον εξατμιστή (Evaporator) που ανήκουν και στα δύο στάδια. Το κύκλωμα του μίγματος του δευτέρου σταδίου έχει ως ένδειξη 2 δίπλα στο όνομα των 17

23 αντίστοιχων συσκευών. Τα δύο αυτά στάδια συνδέονται με εσωτερική εναλλαγή θερμότητας. Η θερμότητα που απαιτείται στη γεννήτρια 1 δίνεται από τη θερμότητα που εξάγεται από τον ανορθωτή και τον απορροφητήρα 2. Ο ατμός και στους δύο απορροφητήρες προέρχεται από τον εξατμιστή, και ο ατμός υψηλής καθαρότητας που παράγεται και στις δύο γεννήτριες (και τους ανορθωτές) στέλνεται στο συμπυκνωτή. Έτσι, και οι συμπυκνωτής και ο εξατμιστής κάνουν διπλή δουλειά, με την έννοια ότι εξυπηρετούν δύο στάδια. Στον κύκλο, κάθε μονάδα εισόδου θερμότητας στην γεννήτρια 2 παράγει ατμό ψυκτικού που με τη σειρά του παράγει συγκεκριμένη ποσότητα ψύξης στον εξατμιστή. Όταν ο ατμός προερχόμενος από την γεννήτρια2 απορροφάται στον απορροφητήρα2, η κατά συνέπεια έξοδος θερμότητας για την απορρόφηση χρησιμοποιείται μαζί με τη έξοδο θερμότητας από τον ανορθωτή2, για την λειτουργία και παραγωγή μιας δεύτερης ποσότητας ατμού ψυκτικού, αυτή τη φορά στη γεννήτρια1. Ο παραγόμενος ατμός από την γεννήτρια 1 επίσης συμπυκνώνεται και εξατμίζεται, παράγοντας επιπλέον ισχύ ψύξης. Μ αυτόν τον τρόπο η θερμότητα με την οποία προμηθεύουμε τη γεννήτρια2 χρησιμοποιείται δύο φορές για τη δημιουργία ατμού ψυκτικού. Από θερμοδυναμική σκοπιά, η βελτίωση επίδοσης του συστήματος είναι δυνατή και πετυχαίνετε, από το γεγονός ότι η θερμοκρασία στην οποία εισάγεται θερμότητα στην γεννήτρια 2 είναι υψηλότερη συγκριτικά με αυτή ενός κύκλου απλής πλήρωσης. Σχήμα 2.6 Κύκλος διπλής-πλήρωσης ΝΗ3/Η2Ο [13] Συγκρινόμενος με τον κύκλο διπλής πλήρωσης LiBr/H2O, ο κύκλος έχει σημαντικά διαφορετική όψη. Ενώ το σύστημα LiBr/H2O έχει τρία επίπεδα πίεσης, το σύστημα ΝΗ3/Η2Ο που παρουσιάζεται εδώ έχει μόνο δύο. Ένα σύστημα ΝΗ3/Η2Ο δύο σταδίων μπορεί ρυθμισμένο σε τρία 18

24 επίπεδα πίεσης, να σχεδιαστεί όπως ακριβώς αυτό του LiBr/H2O, αλλά η υψηλότερη πίεση θα ήταν πάρα πολύ υψηλή. Για μια τυπική εφαρμογή κλιματισμού, θα έφτανε τα 7MPa, μια πραγματικά τεράστια σχεδιαστική δυσκολία. Η οργάνωση του κύκλου με αυτό τον τρόπο σε δύο στάδια, αποφεύγει την υψηλή πίεση εγκαθιστώντας ένα δεύτερο στάδιο στα δεξιά διατηρώντας δύο επίπεδα πίεσης. Σε αντίθεση με το LiBr/H2O, το πεδίο συγκέντρωσης του μίγματος ΝΗ3/Η2Ο είναι πολύ πιο ευρύ παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα για μια τέτοια διαμόρφωση. Η περιοχή κρυσταλλοποίησης του LiBr/H2O στενεύει πολύ το διαθέσιμο σχεδιαστικό εύρος του μίγματος. Επιπρόσθετα, όπως θα δούμε και στη συνέχεια με τη παρουσίαση των μοντέλων, η θερμική ισχύς απορρόφησης ή της γεννήτριας είναι πάντα μεγαλύτερη από αυτές κατά την συμπύκνωση και εξάτμιση λόγω των συνεπειών της απελευθέρωσης θερμότητας κατά τη μίξη του εργαζόμενου μίγματος. Στο σύστημα NH3/H2O, θερμότητα από τον απορροφητήρα2 καθώς και αυτή από τον ανορθωτή2, χρησιμοποιείται ώστε να λειτουργεί η γεννήτρια1. Αυτή η τροποποίηση παράγει επιπλέον ατμό μέσω της εσωτερικής εναλλαγής θερμότητας σε αντίθεση με αυτή του συστήματος διπλής πλήρωσης LiBr/H2O στο όποιο χρησιμοποιείται η θερμότητα συμπύκνωσης του ρεύματος 12 (Σχήμα 2.5). Από την άλλη η διαλυτότητα του νερού στις χαμηλές συγκεντρώσεις αμμωνία παρούσες στη γεννήτρια2, σημαίνει ότι θα υπάρχει σχετικά μεγάλο περιεχόμενο νερού στον ατμό του ρεύματος 22. Το νερό αυτό στη συνέχεια αφαιρείται από τους ανορθωτές, αφήνοντας μικρή σχετικά ροή ψυκτικού στο ρεύμα 27. Το στάδιο 1 δουλεύει καλά κάτω από αυτή την τροποποίηση, αλλά το στάδιο 2 συνεισφέρει περιορισμένα στην αύξηση της απόδοσης. Θα πρέπει να έχουμε κατά νου ότι τα ρεύματα ατμών αμμωνίας προερχόμενα από τις γεννήτριες είναι διαφορετικών συγκεντρώσεων. Το σύστημα λειτουργεί μόνο σε μόνιμη κατάσταση (steadystate) όπου και οι δύο ανορθωτές παράγουν ατμό ιδίων συγκεντρώσεων, από τη στιγμή που κάθε επιμέρους κύκλωμα πρέπει να διατηρεί τη συνολική μάζα, τη μάζα νερού και αμμωνίας. Στο παράδειγμα εδώ, αυτή η απαίτηση ικανοποιείται από την επιβολή μόνιμης κατάστασης ισορροπία της μάζας σε όλα τα εξαρτήματα. Όμως, στην πράξη είναι πολύ δύσκολο να ικανοποιούμε αυτή την προϋπόθεση. Θερμοδυναμικές καταστάσεις εντός του κύκλου Οι θερμοδυναμικές καταστάσεις για το κύκλο για τον οποίο γίνεται λόγος εδώ είναι πολύ εύκολο να εξαχθούν αν σκεφτούμε ότι αποτελείται από δύο στάδια, το ένα δίπλα στο άλλο, που το καθένα αποτελεί ένα κύκλο απλής πλήρωσης. Έτσι δεν κρίνεται σκόπιμο να γίνει αναφορά στις θερμοδυναμικές καταστάσεις και δίνεται ως συμβουλή στον αναγνώστη να ανατρέξει στο υποκεφάλαιο Συνθήκες Λειτουργίας Έχουμε πανομοιότυπες συνθήκες λειτουργίας με αυτές του κύκλου απλής πλήρωσης. Μάλιστα λειτουργούν σε ίδιες συνθήκες πίεσης και όπως έγινε λόγος και παραπάνω το αριστερό στάδιο του κύκλου είναι σχεδόν ίδιο με τον κύκλο απλής πλήρωσης Κύκλος Βουτανίου/Αιθανόλης Είναι κύκλος ίδιος με αυτόν της αμμωνίας/νερού δύο σταδίων και διπλής πλήρωσης. Δεν χρειάζεται λοιπόν να γίνει παραπάνω λόγος εδώ. 19

25 2.3 Εργαζόμενα μέσα Πολλά ακόμα εργαζόμενα μέσα έχουν δοκιμαστεί σε κύκλους απορρόφησης. Αυτά περιλαμβάνουν νερό/υδροξείδιο του νατρίου (Η2Ο/ΝaΟΗ), νερό/θειικό οξύ (H2O/H2SO4), αμμωνία/θειοκυανικό νάτριο (NH3/Na (SCN)2) και εκατοντάδες άλλα μίγματα [14][22][23][24][25][26]. Η βιβλιογραφία περιέχει αρκετές έρευνες στις ιδιότητες εναλλακτικών ρευστών. Μερικά από αυτά τα ρευστά είναι για εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως για υψηλή θερμοκρασία, ενώ άλλα προτείνονται ως βελτιωμένων ιδιοτήτων επί των συμβατικών (H2O/Libr, NH3/H2O). Ο λόγος για τον οποίο κανένα από αυτά τα ρευστά δεν έχει ακόμα κατακτήσει μία θέση στην αγορά οφείλεται στην δυσκολία τους να ανταγωνιστούν τον συνδυασμό των ιδιοτήτων που έχουν τα συμβατικά ρευστά. Γενικά, τα προτεινόμενα εναλλακτικά μέσα μπορεί να αναδεικνύουν ένα ελάττωμα των συμβατικών ρευστών, αλλά σε αυτά τα ίδια αναδεικνύονται πολλά περισσότερα. Οι επιθυμητές ιδιότητες για χρήση ενός εργαζόμενου μέσου ως ρευστό απορρόφησης έχουν καταγραφεί από άλλους συγγραφείς [27]. Μια σύνοψη των παρακάτω ιδιοτήτων δίνεται στον πίνακα 2.4. Μερικές από τις επιθυμητές ιδιότητες μπορεί μερικές φορές να είναι αλληλοαποκλειόμενες. Ένα παράδειγμα είναι η ανάγκη 1) για υψηλή διαλυτότητα μεταξύ ψυκτικού και απορροφητή και 2) χαμηλή απελευθέρωση θερμότητας κατά την μίξη. Είναι κατανοητό λοιπόν πως δεν γίνεται να βρεθεί ρευστό μίγμα που να τηρεί όλα τα κριτήρια. Έτσι πρέπει να αναλογιστούμε και τους συμβιβασμούς που γίνονται για τα υπάρχοντα ρευστά. Τα δύο λοιπόν συμβατικά εργαζόμενα μέσα (NH3/H2O και H2O/LiBr) χρησιμοποιούν ψυκτικά τα οποία έχουν υψηλή λανθάνουσα θερμότητα. Αυτό είναι προνομιακό για το σχεδιασμό του ψυκτικού κύκλου διότι ελαχιστοποιεί τη ροή του ψυκτικού. Από την άλλη, κανένα ρευστό δεν έχει ιδανική πίεση ατμών. Η πίεση για την αμμωνία είναι άβολα υψηλή, ενώ οι πίεση του νερού ιδιαίτερα χαμηλή. Το LiBr πλεονεκτεί ως απορροφητής γιατί είναι αρκετά μη-πτητικό, οδηγώντας στο σχεδιασμό κύκλων που δεν απαιτούν τη χρήση ανορθωτή. Το H2O πλεονεκτεί ως απορροφητής γιατί δεν κρυσταλλοποιείται (στο πεδίο θερμοκρασιών και συστάσεων που μας ενδιαφέρουν). Πολλές ακόμα ιδιότητες είναι σημαντικές πέρα από αυτές που αναφέρονται εδώ. Το προτιμώμενο εργαζόμενο ρευστό για την εκάστοτε εφαρμογή εξαρτάται σε γενικές γραμμές από όλο το σύνολο των ιδιοτήτων. Μια σημαντική ιδιότητα είναι η θερμοκρασία πήξης του νερού, που περιορίζει τη χρήση H2O/LiBr (και άλλα συστήματα που χρησιμοποιούν το νερό ως ψυκτικό) σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 0 ο C. Η περιοριστική φύση των απαιτήσεων έχει ως αποτέλεσμα σε πολύ μικρή επιτυχία άλλων ρευστών εκτός των συμβατικών 20

26 Ιδιότητα NH3/H2O H2O/LiBr Ψυκτικό Υψηλή λανθάνουσα Μεσαία Καλύτερη θερμότητα Ενδιάμεση πίεση ατμών Ιδιαίτερα υψηλή Αισθητά Χαμηλή Χαμηλή θερμοκρασία πήξης Άριστη Περιορισμένη εφαρμογή Χαμηλό ιξώδες Καλό Απορροφητής Χαμηλή πίεση ατμών Κακή Τέλεια Χαμηλό ιξώδες Δεκτό Μίγμα Εμφάνιση στερεάς Όχι Ναι κατάστασης Χαμηλή τοξικότητα Κακή καλή Διαλυτότητα μεταξύ Καλή ψυκτικού και απορροφητή Πίνακας 2.4 Σύγκριση μιγμάτων LiBr/H2O και ΝΗ3/Η2Ο ως προς τις επιθυμητές ιδιότητες Στην εργασία αυτή γίνεται και η εισαγωγή ενός εναλλακτικού εργαζόμενου ρευστού μίγματος, αυτό του βουτανίου/αιθανόλης, όπως είδαμε. Η επιλογή του μίγματος αυτού έγινε βασιζόμενη στα παρακάτω κριτήρια [14]. Σχετικά με το καθαρό ψυκτικό (βουτάνιο): Χαμηλή θερμοκρασία βρασμού σε ατμοσφαιρική πίεση Υψηλή λανθάνο υσα θερμότητα εξάτμισης Χαμηλή θερμοκρασία πήξης Σχετικά με το μίγμα: Η θερμοκρασία βρασμού του μίγματος να είναι τέτοια ώστε να μπορεί πραγματοποιηθεί από χαμηλής ποιότητας πηγές θερμότητας Υψηλή αναμιξιμότητα του ψυκτικού με τον απορροφητή Τη μη δημιουργία στερεής κατάστασης και άλατος Το βουτάνιο ως ψυκτικό, λοιπόν έχει υψηλή λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης σχεδόν ίση με αυτή της αμμωνίας, όμως η θερμοκρασία εξάτμισης του είναι υψηλότερη. Δεν υπερέχει της αμμωνίας ως ψυκτικό, είναι όμως παρόμοιο. 21

27 Το εργαζόμενο μίγμα ρευστών στο σύνολο του από την άλλη μπορεί να προσφέρει ψύξη συγκρινόμενη με τα επίπεδα του μίγματος H2O/LiBr, ξεπερνώντας το μάλιστα στα εξής σημεία: 1) Δεν χρειάζεται να δουλεύει σε κενό αέρος, 2)Η ψύξη στο συμπυκνωτή μπορεί να γίνει με χρήση αέρα περιβάλλοντος, όπως και νερού, 3) δεν υπάρχει κίνδυνος κρυσταλλοποίησης. Διακρίνεται για το μίγμα αυτό όμως ένα σημαντικό μειονέκτημα. Για να προσφέρει ψύξη ανάλογη με αυτή του μίγματος νερού/αμμωνίας, ο βαθμός απόδοσης (COP) του κύκλου θα είναι πολύ μικρός, όπως θα δούμε και στη συνέχεια. Τελικά, το μίγμα βουτανίου/αιθανόλης δεν είναι συγκρίσιμο αποδοτικά με τα συμβατικά μίγματα, ωστόσο αποτελεί μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα εναλλακτική, η οποία μάλιστα έχει τη δυνατότητα να λειτουργήσει σε ένα ψύκτη απορρόφησης. 22

28 Κεφάλαιο 3.Μοντελοποίηση και Προσομοίωση 3.1 Επιλογή λογισμικού Για τη ανάπτυξη των μοντέλων των κύκλων για τους οποίους έγινε λόγος στο προηγούμενο κεφάλαιο έγινε χρήση του προγράμματος προσομοίωσης Aspen plus [29]. Μοντελοποίηση ψυκτών απορρόφησης έχει γίνει και στο παρελθόν με ποικίλα εξειδικευμένα λογισμικά [29]. Η μοντελοποίηση σήμερα γίνεται κυρίως με τη χρήση δύο προγραμμάτων: 1) ABSIM, του Oak Ridge National Laboratory [30] και 2) το Engineering-Equation Solver (EES) του University of Wisconsin [31]. Το EES επιτρέπει στο χρήστη να υπολογίζει θερμοδυναμικές ιδιότητες εργαζομένων ρευστών, δίνοντας αποτελέσματα με πολύ καλή ακρίβεια συγκρινόμενα με αυτά πειραματικών δεδομένων. Υπάρχουν όμως ορισμένοι περιορισμοί στη χρήση αυτού του προγράμματος: Οι εξισώσεις γράφονται από το χρήστη, κάνοντας τη μοντελοποίση σύνθετων διαδικασιών κουραστική και επιδεκτική σε λάθη του χρήστη. Δεν υπάρχουν εργαλεία για τη ανάλυση των μοντέλων, όπως εργαλεία για ανάλυση ευαισθησίας και εργαλεία βελτιστοποίησης. Δεν μπορεί το μοντέλο να ενταχθεί σε ένα άλλο ευρύτερο που το περιλαμβάνει. Τα μοντέλο στο περιβάλλον του Aspen plus μπορεί να λύσει όλες αυτές τις δυσχέρειες. Πριν προχωρήσουμε σε μια ανάλυση των μοντέλων πρέπει να τονίσουμε ότι για να γίνει δυνατή η κατασκευή των μοντέλων έγιναν ορισμένες βασικές παραδοχές σε καθένα από αυτά. Οικουμενικά για όλα θεωρήθηκε ότι: 1) η πτώση πίεσης σε κάθε εξάρτημα του κύκλου, όπως και στους αγωγούς δεν λαμβάνεται υπόψη, 2) η είσοδος έργου στις αντλίες είναι αμελητέα. 3.2 Κύκλος απλής-πλήρωσης LiBr/Η2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Το σχετικό διάγραμμα ροής που δημιουργήθηκε στο Aspen plus παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.1. Όπως βλέπουμε χρησιμοποιήθηκαν heater blocks για τη προσομοίωση κάθε συσκευής του κύκλου, έκτος από τη γεννήτρια. Για τη γεννήτρια εισήχθη flash block ώστε να γίνει ο διαχωρισμός της υγρής με την αέρια φάση. Η αντλία και οι βαλβίδες εκτόνωσης προσομοιώνονται με τα pump και valve blocks, αντίστοιχα. Για τα τρία αυτά εξαρτήματα(μια αντλία και δύο βαλβίδες) θεωρήθηκε ένα αδιαβατικό μοντέλο. Τέλος μέσω ενός calculator block ορίστηκε η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη ώστε να μπορέσει να γίνει ο υπολογισμός της θερμοκρασίας στο ρεύμα 5 και στη συνέχεια μέσω του ισοζυγίου ενέργειας στον εναλλάκτη του μίγματος και ο υπολογισμός της θερμοκρασίας του ρεύματος 3. Η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος ορίζεται ως ο λόγος του πραγματικού προς τη μέγιστο δυνατό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας. Ο μέγιστος δυνατός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας είναι το γινόμενο του ελάχιστου ρυθμού θερμοχωρητικότητας επί τη 23

29 θερμοκρασιακή διαφορά των ρευμάτων εισόδου. Κι επειδή ο ελάχιστος ρυθμός θερμοχωρητικότητας ισχύει για το θερμό ρεύμα θα έχουμε: ε shx = T 4 T 5 T 4 T 2 (3.1) Σχήμα 3.1 Διάγραμμα ροής της απλής-πλήρωσης κύκλου LiBr/H 2O στο Aspen plus Κατά τη κατασκευή του μοντέλου, η ποιότητα του ατμού, δηλαδή ο λόγος της ποσότητας του ατμού ενός μίγματος ή καθαρής ουσίας προς τη συνολική ποσότητα, υποτέθηκε για τέσσερα σημεία-ρεύματα του Σχήματος 3.1 (Πίνακας 3.1). Αυτά είναι οι τρεις καταστάσεις κορεσμένου υγρού (1,4 και 8) και η κατάσταση κορεσμένου ατμού (10). Αυτές οι υποθέσεις έγιναν για ευκολία στη μοντελοποίηση. Σε μια πραγματική μηχανή, οι συνθήκες σε αυτά τα σημεία δεν θα είναι ακριβώς αυτές της κορεσμένης κατάστασης. Παρ όλα αυτά, η παραδοχή αυτή παρέχει έναν αξιόλογο σχεδιαστικό στόχο, τυπικό για ψύκτες απορρόφησης. Τα υγρά ρεύματα θα αναμενόταν να είναι υπόψυκτα και τα ρεύματα ατμού υπέρθερμα. Ακόμα και αυτές οι καταστάσεις μπορούν να μοντελοποιηθούν, απαιτούνται όμως επιπλέον δεδομένα εισόδου και η ενσωμάτωση τους θα εισήγαγε μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στο σύστημα μας. Η εμπειρία δείχνει ότι για τυπικούς σχεδιαστικούς υπολογισμούς, αυτές οι παραδοχές παρέχουν επαρκή ακρίβεια [2]. 24

30 Ρεύματα Κατάσταση Σύσταση Επισημάνσεις Σχήματος Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 μίγμα 2 Υπόψυκτο υγρό μίγμα Μίγμα Υπολογίζεται από το ισεντροπικό μοντέλο της αντλίας 3 Υπόψυκτο υγρό μίγμα 4 Κορεσμένο υγρό μίγμα 5 Υπόψυκτο υγρό μίγμα 6 Μίγμα υγρούατμού Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 Μίγμα Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης Θεωρείται ότι έχει μηδενική περιεκτικότητα άλατος 7 Υπέρθερμος υδρατμός Καθαρό Νερό 8 Κορεσμένο νερό Καθαρό Νερό Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 9 Νερό-υδρατμός Καθαρό Νερό Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 10 Κορεσμένος υδρατμός Καθαρό Νερό Η ποιότητα ατμού ορίζεται 1 Πίνακας 3.1Θερμοδυναμικές καταστάσεις και επισημάνσεις επ αυτών για τον απλής-πλήρωσης κύκλο LiBr/Η 2Ο Η κατάσταση του ατμού στην έξοδο της γεννήτριας (ρεύμα 7) ορίζεται ως υπέρθερμος υδρατμός, δεομένου ότι το ρεύμα αυτό είναι καθαρό νερό σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία κορεσμού στην πίεση της γεννήτριας. Τυπικά, ακόμα για το μοντέλο του κύκλου, συνθήκες κορεσμένου μίγματος ορίστηκαν και στα τρία υπόλοιπα μεγάλα εξαρτήματα (απορροφητήρας, συμπυκνωτής και εξατμιστής). Η συνθήκες εξόδου στις βαλβίδες εκτόνωσης καθορίστηκαν από το ισοζύγιο ενέργειας στις βαλβίδες, θεωρώντας αδιαβατική εκτόνωση. Όπως μάλιστα παρατηρούμε, μέρος του ρεύματος που εισέρχεται σε κάθε μία βαλβίδα εξατμίζεται. Αυτό συμβαίνει λόγω σημαντικών αλλαγών στον όγκο μέσω της εκτόνωσης σε μια πίεση υποδεκαπλάσια περίπου. Για τον λόγο αυτό, η πτώση θερμοκρασίας που λαμβάνει χώρα σε κάθε βαλβίδα εκτόνωσης, συμβαίνει διότι ο ατμός έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από το υγρό. Έτσι, μέρος της ενέργειας εξάγεται από το υγρό για να οδηγήσει σε αλλαγή φάσης. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται με την ισορροπία σε μια θερμοκρασία μικρότερη της αρχικής. Το μέγεθος της πτώσης θερμοκρασίας σχετίζεται με την ποσότητα του δημιουργούμενο ατμού. Μια σύνοψη όλων το παραπάνω παρουσιάζεται στον Πίνακα 3.1 Το μοντέλο Electrolyte Non-Random two-liquid (ELECNRTL) επιλέχθηκε ώστε να εξάγουμε απαραίτητες ιδιότητες ισορροπίας του μίγματος LiBr/Η2Ο. Ο συντελεστής ενεργότητας (activity coefficient) του υγρού μίγματος υπολογίζεται από το μοντέλο ELECNRTL με τη χρήση των 25

31 γνωστών τιμών των συγκεντρώσεων στην υγρή φάση. Το ELECNRTL είναι μία επαρκής μέθοδος για την επίλυση δυαδικού μίγματος, όπου η ισορροπία επικρατεί μεταξύ υγρού και αερίου. Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι το ELECNRTL μοντέλο είναι σε καλή συμφωνία με τις πειραματικές τιμές της φάσης ισορροπίας για το μίγμα του LiBr/Η2Ο [32].Η προσομοίωση συγκρίθηκε με μία έρευνα που έγινε στο Πανεπιστήμιο του Maryland στην όποια χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Engineering-Equation-Solver (EES) [7]. Για να χρησιμοποιηθεί σωστά το μοντέλο ELECNRTL, ο χρήστης Aspen plus πρέπει αφού επιλέξει τα συστατικά (στην προκειμένη περίπτωση Η2Ο και LiBr) να συνεχίσει με το electrolyte wizard, το οποίο θα εμφανίσει μια σειρά από χημικές αντιδράσεις. Στην περίπτωση μας οι σχετικές αντιδράσεις είναι αυτές του σχηματισμού/διαχωρισμού του βρωμιούχου λιθίου και του νερού. LiBr Br + Li + H 2 O OH + H + (3.2) (3.3) Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Οι ακόλουθες παράμετροι και παραδοχές χρησιμοποιήθηκαν για τη προσομοίωση: Συγκέντρωση του ασθενούς μίγματος: (λόγος μάζας κατά LiBr) Ροή μάζας του ασθενούς μίγματος: 0.31 kg/s Η χαμηλή και υψηλή πίεση του συστήματος ορίστηκαν και kpa, αντίστοιχα. Η θερμική ισχύς εισόδου στη γεννήτρια Qgen=90.7 kw Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του μίγματος ε=0.7 Αφού λοιπόν κάνουμε όλα τα παραπάνω και κάνοντας χρήση των παραδοχών είμαστε σε θέση να εξάγουμε τις παραμέτρους κάτω από τις οποίες λειτουργεί το σύστημα μας. Ρεύματα Σχήματος 3.1 T( o C) P(kPa) X (kg LiBr/ kg μίγματος) m(kg/s) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) Q (ποιότητα) Πίνακας 3.2(a)Παράμετροι λειτουργίας κύκλου της πηγής [7] (b)παράμετροι λειτουργίας του κύκλου απλήςπλήρωσης LiBr από το Aspen Διευκρινιστικά βλέπουμε ότι υπάρχει συμφωνία στις τιμές της βιβλιογραφικής πηγής και του μοντέλου, με σφάλματα μικρά και μικρότερα του 3%. Εξαίρεση αποτελεί η τιμή θερμοκρασίας στο ρεύμα 7, όπου υπάρχει εμφανής θερμοκρασιακή διαφορά. Αυτή πιθανόν να οφείλεται στην χρήση διαφορετικών μοντέλων για την πρόβλεψη των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του μίγματος 26

32 στην γεννήτρια, τα οποία δεν αναφέρονται λεπτομερώς στην συγκεκριμένη εργασία [7].Με τον Πίνακα 3.2 λοιπόν είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε το σχετικό διάγραμμα του Dühring. Όπως βλέπουμε από το διάγραμμα Dühring (Σχήμα 3.2) ο κύκλος μας λειτουργεί σωστά και δεν έχουμε εμφάνιση στερεού άλατος στις σωληνώσεις. Περιγραφή Σύμβολο Θερμική ισχύς (kw) (a) (b) Γεννήτρια Qgen 90.7 Συμπυκνωτής Qcond Εξατμιστής Qevap Απορροφητήρας Qabs Εναλλάκτης Μίγματος Qhx Βαθμός απόδοσης COP Πίνακας 3.3 Ροή θερμότητας στα διάφορα εξαρτήματα του κύκλου (a) πηγή [7], (b) Μοντέλο στο Aspen. Με μαύρη γραμματοσειρά είναι οι τιμές όπου έχουμε ροή θερμότητας από η προς τον κύκλο, ενώ με κόκκινη εκεί όπου έχουμε εσωτερική εναλλαγή θερμότητας. Τέλος δίνεται ο Πίνακας 3.3. Όπως παρατηρούμε και εδώ έχουμε μικρά σφάλματα, κάτι που ενισχύει την παραδοχή μας για τη χρήση flash block. 27

33 Σχήμα 3.2 Διάγραμμα Dühring με τις συνθήκες λειτουργίας του κύκλου απλής-πλήρωσης LiBr/Η 2Ο 28

34 3.3 Κύκλος απλής-πλήρωσης NH3/Η2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Το διάγραμμα ροής που κατασκευάσαμε στο Aspen plus μπορούμε να το δούμε στο Σχήμα 3.3. Προφανώς παρατηρούμε διαφορές με τον κύκλο απλής-πλήρωσης LiBr/Η2Ο. Η γεννήτρια προσομοιώνεται με αποστακτική στήλη όπως και ο ανορθωτής (rectifier) που κάνει την εμφάνιση του στον κύκλο αυτό. Ο λόγος για τον οποίο καθ ένα από αυτά τα εξαρτήματα παρουσιάζεται ως αποστακτική στήλη ξεχωριστά γίνεται, ώστε να υπάρχει μια οπτικοποίηση των συνθηκών των ρευμάτων εξόδου σε αυτά. Θα μπορούσε κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί μια αποστακτική στήλη με μεγαλύτερο αριθμό σταδίων από αυτό που δηλώνεται στη καθεμιά, όπου θα ορίζουμε ως συνθήκες λειτουργίας της αποστακτικής στήλης για την εύρεση των υπολοίπων παραμέτρων, την ισχύ του αναβραστήρα (reboiler duty) που αντιστοιχεί στην θερμική ισχύ εισόδου στην γεννήτρια (Qgen) και την ισχύ του συμπυκνωτή της αποστακτικής στήλης (condenser duty) που αντιστοιχεί στη θερμική ισχύ εξόδου του ανορθωτή (Qrec) ώστε να έχουμε καθαρότητα αμμωνίας στο προϊόν αποστάξεως όπως είναι επιθυμητό στην συγκεκριμένη εργασία. Ωστόσο με τον τρόπο αυτό, δεν θα μπορούσαμε να δούμε τις συνθήκες στα ρεύματα 7 και 8, διότι δεν θα υπήρχαν στο διάγραμμα ροής. Για την περίπτωση μας, που χρησιμοποιούμε δύο αποστακτικές στήλες, τις προσομοιώνουμε ως εξής: 1) για τη γεννήτρια ορίζουμε ως ισχύ αναβραστήρα την Q gen και ισχύ συμπυκνωτή αποστακτικής στήλης μια πολύ μικρή ποσότητα (π.χ.-1 kw) ώστε να εκτελεστούν οι υπολογισμοί (αν δεν οριστεί το μοντέλο δεν εκτελείται από το συγκεκριμένο λογισμικό), 2) για τον ανορθωτή ορίζουμε ως ισχύ αναβραστήρα μία πολύ μικρή ποσότητα (π.χ. 1 kw) για τον ίδιο λόγο όπως και στην περίπτωση (1) και μέσω ενός design spec ορίζουμε την ισχύ του συμπυκνωτή της αποστακτικής στήλης τόσο όσο να μας παρέχει καθαρότητα στο ρεύμα 9, σε αμμωνία. Καθορίζοντας ως design spec το κλάσμα μάζας αμμωνίας στο ρεύμα 9, το λογισμικό μεταβάλει την ισχύ του ανορθωτή (Qrec) ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή καθαρότητα. Στο διάγραμμα ροής βλέπουμε ακόμα και την είσοδο του εναλλάκτη του ψυκτικού (CEHX). Για τον εναλλάκτη αυτόν μέσω της αποτελεσματικότητας του που ορίζεται υπολογίζεται το ρεύμα 14 και στη συνέχεια μέσω του ισοζυγίου ενέργειας το ρεύμα 11. Για τον εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος δεν θα γίνει καμία αναφορά διότι ισχύουν ακριβώς ότι έχει ειπωθεί στο προηγούμενο υποκεφάλαιο με τις ίδιες ακριβώς μεταβλητές. Ακόμα με τον ίδιο ακριβώς τρόπο ορίζεται και η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του ψυκτικού, ωστόσο κρίνεται σκόπιμο να αναγραφεί και ο σχετικός τύπος. ε cehx = T 13 T 14 T 13 T 10 (3.4) 29

35 Σχήμα 3.3 Διάγραμμα ροής της απλής-πλήρωσης κύκλου ΝΗ 3/Η 2Ο στο Aspen plus Στον κύκλο, λοιπόν, της NH3/Η2Ο πάλι γίνεται η υπόθεση της ποιότητας ατμού για πέντε σημεία του κύκλου. Αυτά είναι τέσσερις καταστάσεις κορεσμένου υγρού (1,4,8 και 10) και στο ρεύμα 13 ορίζεται ποιότητα ατμού Αναφερθήκαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο στο γεγονός ότι υπάρχει τεράστια δυσκολία στο διαχωρισμό του μίγματος NH3/Η2Ο και ότι ακόμα και στην έξοδο του ανορθωτή δεν κατορθώνουμε να έχουμε 100% καθαρότητα NH3. Έτσι στο κύκλωμα του ψυκτικού μέσου θα έχουμε, στην προκειμένη περίπτωση, και μια μικρή παρουσία νερού. Η παρουσία όμως αυτή του νερού δημιουργεί προβλήματα στον εξατμιστή διότι μετά την εξάτμιση του προκαλεί μεγάλη ανόρθωση στη θερμοκρασία. Θέτοντας, έτσι την ποιότητα του ατμού στην προαναφερθείσα τιμή δεχόμαστε στην έξοδο από τον εξατμιστή μικρή ποσότητα υγρού νερού, κάτι το οποίο δεν προκαλεί ανόρθωση στη θερμοκρασία. Η ποσότητα αυτή στη συνέχεια θα εξατμιστεί αφού διέλθει στον εναλλάκτη ψυκτικού, για τη σωστή λειτουργία του κύκλου Κι εδώ όπως και πριν για το LiBr/Η2Ο, οι συνθήκες εξόδου στην εκάστοτε βαλβίδα υπολογίστηκαν σύμφωνα με τα σχετικά ισενθαλπικά μοντέλα προσομοίωσης. Βασιζόμενοι λοιπόν, στην προ υπάρχουσα εμπειρία μας με τις βαλβίδες εκτόνωσης στην περίπτωση του LiBr/Η2Ο, θα περιμέναμε μια μικρή πτώση της θερμοκρασίας καθώς το μίγμα εκτονώνεται στη ρυθμιστική βαλβίδα από το σημείο 5 στο σημείο 6. Από την άλλη, στη περίπτωση που εξετάζουμε τώρα, βλέπουμε τη θερμοκρασία να αυξάνεται ως συνέπεια του γεγονότος ότι εισέρχεται στην βαλβίδα αρκετά υπόψυκτο ώστε να μη λαμβάνει χώρα κάποια εκτόνωση του. Η μηχανική ενέργεια που διαχέεται εντός της βαλβίδας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, προκαλώντας μια μικρή 30

36 θερμοκρασιακή αύξηση. Αυτό το φαινόμενο συναντάται σχεδόν αποκλειστικά στο μίγμα NH3/Η2Ο συγκριτικά με το μίγμα LiBr/Η2Ο λόγω της μεγάλης αλλαγής στην πίεση από υψηλή σε χαμηλή Έχουμε να κάνουμε λοιπόν για όλα αυτά τις επισημάνσεις για κάθε σημείο του κύκλου που φαίνονται στο Πίνακα 3.5 Ρεύματα Κατάσταση Σύσταση Επισημάνσεις του Σχήματος Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 2 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το ισεντροπικό μοντέλο της αντλίας 3 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος 4 Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 5 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας του μίγματος 6 υγρό-ατμός Μίγμα Μικρή αύξηση της θερμοκρασίας 7 Υπέρθερμος ατμός Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο της αποστακτικής στήλης 8 Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 9 Υπέρθερμος ατμός αμμωνία με μικρή Ορίζεται συγκέντρωση ΝΗ παρουσία νερού 10 Κορεσμένο υγρό αμμωνία με μικρή Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 παρουσία νερού 11 Υπόψυκτο υγρό αμμωνία με μικρή παρουσία νερού Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας ψυκτικού 12 Υγρό-ατμός αμμωνία με μικρή παρουσία νερού Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 13 Κορεσμένος ατμός αμμωνία με μικρή Ορίζεται ποιότητα ατμού με ελάχιστο υγρό παρουσία νερού 14 Υπέρθερμός ατμός αμμωνία με μικρή παρουσία νερού Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας ψυκτικού Πίνακας 3.5Θερμοδυναμικές καταστάσεις και επισημάνσεις επ αυτών για τον απλής-πλήρωσης κύκλο NH3/Η2Ο Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Οι ακόλουθες παράμετροι και παραδοχές χρησιμοποιήθηκαν για τη προσομοίωση:συγκέντρωση του ισχυρού μίγματος: (λόγος μάζας κατά NH3) Ροή μάζας του ισχυρού μίγματος: 1 kg/s Η χαμηλή και υψηλή πίεση του συστήματος ορίστηκαν και kpa, αντίστοιχα. Η θερμική ισχύς εισόδου στη γεννήτρια Qgen=267.9 kw Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του μίγματος εshx=1 Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του ψυκτικού εcehx=

37 Για το μίγμα NH3/Η2Ο ξαναχρησιμοποιήθηκε τον μοντέλο ELECNRTL, το οποίο μας έδωσε τιμές στις συνθήκες λειτουργίας με μικρή απόκλιση από υπάρχουσες έρευνες που έκαναν χρήση του EES λογισμικού[13] (Πίνακας 3.6). Για τον λόγο αυτό μπορούμε να θεωρήσουμε αποδεκτές τις παραδοχές που έγιναν όπως και το καταστατικό μοντέλο που χρησιμοποιείται. Ρεύμα T( o C) P(kPa) X (kg ΝΗ 3/ kg μίγματος) m(kg/s) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) Πίνακας 3.6(a)Παράμετροι λειτουργίας κύκλου της πηγής [13] (b)παράμετροι λειτουργίας του κύκλου απλήςπλήρωσης ΝΗ 3 από το Aspen Τέλος παρουσιάζεται η θερμική ισχύς κάθε εξαρτήματος του κύκλου (Πίνακας 3.7). Υπολείπεται στον Πίνακα το έργο της αντλίας που υπολογίστηκε ίσο με 2.7 kw. Βλέπουμε ότι το COP είναι σε αντίθεση με το κύκλο LiBr/H2O που βρέθηκε Η μείωση αυτή μπορεί να εντοπιστεί σε διάφορους λόγους όπως χαμηλή θερμοκρασία στον εξατμιστή ή απώλεια θερμότητας στον ανορθωτή. Συγκρίσεις και περαιτέρω συζήτηση παρουσιάζονται στο επόμενο κεφάλαιο. Περιγραφή Σύμβολο Θερμική Ισχύς (kw) (a) (b) Γεννήτρια Qgen Συμπυκνωτής Qcond Εξατμιστής Qevap Απορροφητήρας Qabs Ανορθωτής Qrect Εναλλάκτης Qshx Μίγματος Εναλλάκτης Qcehx Ψυκτικού Βαθμός Απόδοσης COP Πίνακας 3.7 Ροή θερμότητας στα διάφορα εξαρτήματα του κύκλου (a) πηγή [13], (b) Μοντέλο στο Aspen Q 32

38 3.4 Κύκλος απλής πλήρωσης C 4 H 10 /C 2 H 6 O Ανάπτυξη μοντέλου Όπως έχουμε δει ο κύκλος του C4H10/C2H6O είναι όμοιος σε πάρα πολλά σημεία με αυτό της NH3/Η2Ο. Αρχικά έχουν ακριβώς το ίδιο διάγραμμα ροής, γι αυτό θα ανατρέξουμε στο Σχήμα 3.3. Αποτελείται από ακριβώς τα ίδια blocks και ο τρόπος με τον οποίο εισήχθησαν οι διάφορες παράμετροι για την επίλυση του συστήματος είναι ο ίδιος. Μια εμφανής διαφορά είναι ότι στη βαλβίδα μεταξύ του ρεύματος 5 και 6 έχουμε εκτόνωση και πτώση της θερμοκρασίας. Αυτό είναι λογικό αν σκεφτούμε ότι η πίεση κυμαίνεται μεταξύ της 1 έως 4 atm και όχι μεταξύ 2.5 έως Ακόμα, επειδή το εργαζόμενο μίγμα αποτελείται από δύο οργανικές ενώσεις χρησιμοποιήσαμε άλλο καταστατικό μοντέλο. Έγινε χρήση της καταστατικής εξίσωσης Peng-Robinson η οποία παρέχει πολύ καλά αποτελέσματα για οργανικές ενώσεις. Τέλος, μπορούμε να δούμε το χαμηλό COP σε σύγκριση με τους άλλους κύκλους. O σχεδιασμός βέβαια έγινε για την ακραία περίπτωση να έχουμε 0 ο C στον εξατμιστή. (θυμίζουμε ότι η θερμοκρασία βρασμού του βουτανίου σε 1 atm είναι -1 o C.) Αποτελέσματα προσομοίωσης Οι ακόλουθες παράμετροι και παραδοχές χρησιμοποιήθηκαν για τη προσομοίωση: Συγκέντρωση του ισχυρού μίγματος: 0.33 (λόγος μάζας κατά βουτάνιο) Ροή μάζας του ισχυρού μίγματος: kg/s Η χαμηλή και υψηλή πίεση του συστήματος ορίστηκαν και kpa, αντίστοιχα. Η θερμική ισχύς εισόδου στη γεννήτρια Qgen=102 kw Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του μίγματος εshx=0.4 Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του ψυκτικού εcehx=0.93 Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μπορούμε να τα δούμε στους Πίνακες 3.8 και 3.9. Μπορούμε μάλιστα να συγκρίνουμε με αυτά της πηγής [14], όπου και εκεί έγινε μια προσπάθεια δημιουργίας ενός τέτοιου μοντέλου στο Aspen. Ρεύμα T( o C) P(kPa) X (kg C4H10/ m(kg/s) Q kg μίγματος)

39 Πίνακας 3.6: Παράμετροι λειτουργίας του κύκλου απλής-πλήρωσης βουτανίου/αιθανόλης από το Aspen Περιγραφή Σύμβολο Θερμική Ισχύς (kw) Γεννήτρια Qgen 102 Συμπυκνωτής Qcond -23 Εξατμιστής Qevap Απορροφητήρας Qabs Ανορθωτής Qrect -44 Εναλλάκτης Qshx Μίγματος Εναλλάκτης Qcehx 5.05 Ψυκτικού Βαθμός Απόδοσης COP 0.23 Πίνακας 3.7: Ροή θερμότητας στα διάφορα εξαρτήματα του κύκλου από το μοντέλο στο Aspen 3.5 Κύκλος Διπλής-Πλήρωσης LiBr/Η2Ο Ανάπτυξη μοντέλου Το διάγραμμα ροής παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.4. Όπως βλέπουμε χρησιμοποιήθηκαν τύποι blocks γνωστά από το μοντέλο του απλής-πλήρωσης κύκλου LiBr/Η2Ο. Η μόνη ίσως σχεδιαστική ιδιαιτερότητα είναι ότι το ρεύμα 13 διέρχεται μέσω ενός heater block και εξέρχεται ως κορεσμένο υγρό. Αυτή η παραδοχή έγινε ώστε η ενέργεια που απαιτείται για τη διαδικασία αυτή, να τροφοδοτηθεί στην γεννήτρια χαμηλής πίεσης για τη λειτουργία της. Μέσω τέλος των αποτελεσματικοτήτων και των ισοζυγίων ενέργειας σε κάθε εναλλάκτη, χαμηλής και υψηλής πίεσης, υπολογίζονται τα σχετικά ρεύματα που τους αφορούν. Οι αποτελεσματικότητα στους εναλλάκτες ορίζεται: Για τον εναλλάκτη χαμηλής πίεσης ε lphx = T 9 T 10 T 9 T 2 Για τον εναλλάκτη υψηλής πίεσης ε hphx = T 6 T 7 T 6 T 4 (3.4) (3.5) Ο Drain heat exchanger σύμφωνα με τον κύκλο στο Σχήμα 2.4 είναι ένας εναλλάκτης που παρεμβάλλεται στο ρεύμα 4 (σχήμα 3.5). Ο λόγος για τον οποίο, ο κύκλος προσομοιώθηκε με τη χρήση του εναλλάκτη αυτού, είναι αυτός της επιβεβαίωσης του μοντέλου με πειραματικά [9]. Για την χρήση ενός τέτοιου εναλλάκτη απαιτείται ατμός ως κινητήρια θερμή πηγή για την γεννήτρια υψηλής πίεσης. Ο ατμός αυτός μετά την έξοδο του από γεννήτρια υψηλής πίεσης χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του ρεύματος 4. Επειδή στόχος αυτής της εργασίας δεν 34

40 αποτελεί ο ορισμός και η επιρροή της κινητήριας θερμής πηγής, ο εναλλάκτης αυτός για τα αποτελέσματα του επομένου κεφαλαίου αφαιρέθηκε. Σχήμα 3.4 Διάγραμμα ροής της διπλής-πλήρωσης κύκλου LiBr/H 2O στο Aspen plus Όπως σε κάθε κύκλο και εδώ η ποιότητα ατμού, υποτέθηκε σε ορισμένα σημεία. Αυτά είναι οι τέσσερις καταστάσεις κορεσμένου υγρού (1,7,10 και 17) και δύο καταστάσεις κορεσμένου ατμού (14 και 19). Στην ίδια φιλοσοφία η κατάσταση του ατμού στην έξοδο στις γεννήτριες (ρεύμα 13 και 16) ορίζεται ως υπέρθερμος υδρατμός. Στις βαλβίδες υπάρχει εκτόνωση του μίγματος, πτώση της θερμοκρασίας και δημιουργία μικρής ποσότητα ατμού. 35

41 Ρεύματα Κατάσταση Σύσταση Επισημάνσεις Σχήματος Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 2 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το ισεντροπικό μοντέλο της αντλίας 1 3 Υπόψυκτο υγρό(τυπικά) Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας χαμηλής πίεσης του μίγματος 4 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το ισεντροπικό μοντέλο της αντλίας 2 5 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του drain heat exhanger 6 Υπόψυκτο υγρό(τυπικά) Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας υψηλής πίεσης του μίγματος 7 Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 8 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας υψηλής πίεσης του μίγματος 9 υγρό-ατμός Μίγμα Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 10 Κορεσμένο υγρό Μίγμα Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 11 Υπόψυκτο υγρό Μίγμα Υπολογίζεται από το μοντέλο του εναλλάκτη θερμότητας χαμηλής πίεσης του μίγματος 12 υγρό-ατμός Μίγμα Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 13 Υπέρθερμος ατμός Καθαρό Νερό Θεωρείται ότι έχει μηδενική περιεκτικότητα άλατος 14 Κορεσμένος ατμός Καθαρό Νερό Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 15 υγρό-ατμός Καθαρό Νερό Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 16 Υπέρθερμος ατμός Καθαρό Νερό Θεωρείται ότι έχει μηδενική περιεκτικότητα άλατος 17 Κορεσμένο υγρό Καθαρό Νερό Η ποιότητα ατμού ορίζεται 0 18 υγρό-ατμός Καθαρό Νερό Σχηματισμός ατμού κατά τη διέλευση υγρού από τη βαλβίδα εκτόνωσης 19 Κορεσμένος ατμός Καθαρό Νερό Η ποιότητα ατμού ορίζεται 1 Πίνακας 3.8Θερμοδυναμικές καταστάσεις και επισημάνσεις επ αυτών για τον διπλής-πλήρωσης κύκλο LiBr/Η 2Ο 36

42 3.5.2 Προσομοίωση και επαλήθευση αποτελεσμάτων Οι ακόλουθες παράμετροι και παραδοχές χρησιμοποιήθηκαν για τη προσομοίωση: Συγκέντρωση του ισχυρού μίγματος: (λόγος μάζας κατά LiBr/Η2Ο) Ροή μάζας του ισχυρού μίγματος: kg/s Η χαμηλή, η μεσαία και η υψηλή πίεση του συστήματος ορίστηκαν 0.872, και 93 kpa, αντίστοιχα. Η θερμική ισχύς εισόδου στη γεννήτρια Qgen=245.1 kw Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του μίγματος υψηλής πίεσης εlphx=0.88 Αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη του μίγματος χαμηλής πίεσης εhphx=0.81 Η θερμική ισχύς εισόδου στον Drain heat exchanger Qdrain=40.1kW Στους Πίνακες 3.8 και 3.9 βλέπουμε τις συνθήκες λειτουργίας και τη θερμική ισχύ σε κάθε εξάρτημα και γίνεται σύγκριση με υπάρχουσα πειραματικά δεδομένα. Παρατηρούμε ότι το COP στο κύκλο αυτό είναι της τάξεως του 1.5, σχεδόν διπλάσιο από αυτό του κύκλου απλής-πλήρωσης. Για το λόγο αυτό λοιπόν οι κύκλοι αυτοί υπερισχύουν στην αγορά των ψυκτών απορρόφησης. Στο τέλος αυτής της ενότητας παρουσιάζεται και το διάγραμμα Dühring (Σχήμα 3.5). Ο κύκλος λειτουργεί εκτός των ορίων κρυσταλλοποίησης του LiBr. Ρεύμα T( o C) P(kPa) X (kg LiBr/ kg μίγματος) m(kg/s) Q (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) Πίνακας 3.9(a)Παράμετροι λειτουργίας κύκλου της πηγής [9] (b)παράμετροι λειτουργίας του κύκλου διπλήςπλήρωσης LiBr από το Aspen 37

43 Περιγραφή Σύμβολο Θερμική ισχύς (a) (b) Γεννήτρια υψηλής πίεσης Qhpg Συμπυκνωτής Qcond Εξατμιστής Qevap Απορροφητήρας Qabs Qdrain 40.1 Γεννήτρια χαμηλής Qlpg πίεσης Εναλλάκτης Qlphx μίγματος χαμηλής πίεσης Εναλλάκτης Qhphx μίγματος υψηλής πίεσης Βαθμός απόδοσης COP Πίνακας 3.10 Ροή θερμότητας στα διάφορα εξαρτήματα του κύκλου (a) πηγή [9], (b) Μοντέλο στο Aspen 38

44 Σχήμα 3.5 Διάγραμμα Dühring με τις συνθήκες λειτουργίας του κύκλου διπλής-πλήρωσης LiBr/Η 2Ο 39