Design of a hybrid absorption/compression high temperature heat pump test rig

Abstract

Energiforbruket i verden i dag er økende og produksjonssektoren har en stor andel av energiforbruket (EIA, 2017). 38% av det globale energiforbruket i produksjonssektoren stammer fra dampsystemer. Mye av overskuddsvarmen fra dampsystemene blir ikke brukt siden varmen fra disse er av for lav temperatur til å bli brukt direkte i en industriellprosess (Banerjee et al., 2012). En av de beste måtene å utnytte overskuddsvarmen på og øke temperaturen på den er ved hjelp av en absorpsjons/kompresjon varmepumpe, som også vil minke det primære energiforbruket som går med til oppvarming av dampen (Brunin et al., 1997). Absorpsjons/kompresjon varmepumpe er en kombinasjon dampkomprimerings-varmepumpe og absorbsjonsvarmepumpe som bruker en blanding av ammoniakk og vann som arbeidsmedium. Ved bruk av en binær blanding så er det lettere å oppnå kapasitetskontroll på grunn av den ekstra frihetsgraden i systemet. I tillegg vil det oppstå en gildene temperatur i absorberen og desorberen som vil føre til reduksjon i irreversibiliteten til systemet. Det vil også være lettere å oppnå høyere temperaturer for et relativt lavt trykk enn med en dampkomprimerings-varmepumpe som bruker ammoniakk.

Fem forskjellige absorpsjons/kompresjon varmepumpemodeller med forskjellige systemkonfigurasjoner ble laget for å undersøke hvilken av de som var best til å bli benyttet som en testrigg. Modellene er en videreutvikling av modellen som ble laget av Bjørvik (2018). Alle de ulike modellene ble testet i fire forskjellige simuleringer med forskjellige inngangsparametere. Fast for alle simuleringene var at varmekilden hadde en temperatur på 50 0C og at varmesluket også hadde en inngangstemperatur på 50 0C. Den beste konfigurasjonen å bruke som en testrigg var den med innsprøytning fra løsningskretsen og den oppnådde en utgangstemperatur i varmesluket på 109,5 0C i simulering nummer 3 med en effektfaktor (COP) på 3.28. Denne konfigurasjonen inneholder en skruekompressor som får innsprøytning av væske fra løsningskretsen for å smøre, tette og kjøle ned kompressoren. Siden en av hoved begrensningene til varmepumpen er kompressorens trykkgasstemperatur.

Videre ble samme type kompressor med to forskjellige volumforhold på henholdsvis 3.65 og 5.80 testet i simuleringsmodellen for å finne ut hvilken av de som passet testriggen best. Konklusjonen ble at den som hadde et volumforhold på 3,65 var den beste løsningen. Så ble simuleringsmodellen med innsprøytning av væske fra løsningskretsen og kompressoren med et volumforhold på 3,65 testet med forskjellige verdier for inngangsparameterne. Dette var for å finne de optimale driftsforholdene. Det optimale innsprøytnings forholde ble funnet til å være fra 0,07 til 0,12, mens det optimale sirkulasjonsforholdet for testriggen ble funnet til å være fra 0,55 til 0,60. Med et innsprøytnings forhold på 0,1 og et sirkulasjonsforhold på 0,57 ble den oppnådde temperaturen i varmesluket ble på 97,55 0C, med en COP på 3,74. For å validere modellen ble resultater fra andre studier sammenlignet med resultatene fra modellene. I sammenligningen med Nordtvedt (2005) ble avviket for oppnådd temperatur i varmesluket på 0,32%, mens COP hadde et avvik på 2,79%.

Today the energy consumption worldwide is increasing, and the manufacturing sector have a big share of the world energy use (EIA, 2017). 38% of the global energy use in the manufacturing sector was from steam systems. There a big amount of the surplus heat from this steam system is not utilized, since the heat is often of too low temperatures and cannot be utilize directly in an industrial process (Banerjee et al., 2012). Hybrid absorption/compression heat pump (HACHP) is one of the best ways to utilize the surplus heat and to elevate the temperature, while reducing the use of primary energy for heating of the steam (Brunin et al., 1997). The HACHP is a combination of vapour-compression heat pump and absorption heat pump using ammonia/water as working fluid. With use of a binary fluid it is easier to achieve capacity control due to the extra degree of freedom, and temperature glide in the desorber and absorber will occur, which will reduce the irreversibility of the system. Moreover, it is easier to achieve higher temperature than for vapour compression heat pump using ammonia at relative low pressures.

Five different HACHP models with different system configuration were made to evaluate, which of them was the best option to use as a test rig. The models are further development of the simulation model made by Bjørvik (2018). All configurations were teste in four different cases with different input parameters there the working fluid absorb heat from water at 50 0C in all cases and the inlet sink temperature was also 50 0C. The injection from lean solution was considered as the best solution for the test rig, achieving to heat the sink from 50 0C up to 109.5 0C in case 3 with a coefficient of performances (COP) on 3.28. Injection from the lean solution consist of a screw compressor, which get liquid injection from the lean solution to lubricate, seal and cool down the compressor, since one of the main constrain in the heat pump is the compressor discharges temperature.

Moreover, the same type of screw compressor with two different volume ratios at 3.65 and 5.80 were tested in the simulation model with injection from lean solution to figured out, which of them suits the test rig best. The conclusion was that the one with a volume ratio at 3.65 was the best option. Furthermore, the simulation model with the injection from lean solution and the compressor with a volume ratio at 3.65 were teste with different inputs values for different input parameters to find the optimal operational condition. The optimal injection ratio was concluded to be from 0.07 to 0.12, while the optimal circulation ratio for the test rig was from 0.55 to 0.60. With an injection ratio at 0.1 and a circulation ratio at 0.57 the outlet sink temperature were 97.55 0C with an COP at 3.74. To validate the models, they were compared with results from other research. In the comparison with Nordtvedt (2005) the deviation in the achieved outlet sink temperature was at 0.32%, while the COP had a deviation on 2.79%.