Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorEikevik, Trygve Magne
dc.contributor.authorTønsberg, Even Kristian
dc.date.accessioned2021-09-20T16:44:15Z
dc.date.available2021-09-20T16:44:15Z
dc.date.issued2020
dc.identifierno.ntnu:inspera:57312367:20962991
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2779596
dc.description.abstractDet er et stort behov for tiltak som kan fremme energieffektivitet i dagens samfunn grunnet stadig økende forbruk av energi og naturressurser. Varmepumpeteknologi er et kraftfullt verktøy for å redusere energiforbruk knyttet til oppvarming. Det har vært mangelfull utvikling i varmepumpeteknologi rettet mot industriell bruk, til tross for at energiintensive industrier representerer enorme energibesparingsmuligheter. Framgangen har vært treg på grunn av høye investeringskostnader og et fravær av moden teknologi som er i stand til å oppfylle industrielle driftskrav. Arbeidet presentert i denne rapporten har til hensikt å være et bidrag til den sterkt trengte utviklingen i industriell varmepumpeteknologi. Arbeidet omfatter en kombinert absorpsjons-kompresjons-varmepumpe for produksjon av varmtvann fra overskuddsvarme, og fokuset er satt på varmepumpens kompressor. Målet er å tilegne kunnskap relatert til absorpsjons-/kompresjons-teknologi, skruekompressorer og datamodellering, og å utnytte denne kunnskapen til å utvikle en modelleringsmetode for en skrue-kompressor. Rapporten er delt inn i åtte deler. En kort introduksjon til oppgavens formål blir gitt i den første delen. I den andre delen av rapporten blir virkemåten til grunnleggende varmepumpesykluser forklart, og det demonstreres hvordan disse syklusene kan formes til en kombinert absorpsjons-kompresjons-varmepumpesyklus. Utfordringer knyttet til kombinert absorpsjons-/kompresjons-varmepumper blir funnet gjennom litteraturgransking, og det argumenteres for at kompressoren er en kritisk systemkomponent. Temperaturen ved utgangen av kompressoren blir påvist som en dominerende begrensning. Høye utløpstemperaturer gjør at det ikke er praktisk gjennomførbart å operere med konvensjonelle kompressorer i det ønskede temperaturområdet for varmesluket mellom 140 \degree C og 180 \degree C. Derfor er det behov for utvikling av en ny kompressor som evner å operere ved høyt trykk og høy temperatur. En ammoniakk-vann-skruekompressor med væskeinjeksjon blir avdekket som et lovende alternativ. I den tredje delen av rapporten blir prinsipper angående utforming og drift av skrue-kompressorer demonstrert. En skruekompressor er en type fortregningskompressor hvor gass stenges inne mellom to heliksformede rotorer. Rotorene danner en serie med arbeidskamre hvor volumet til hvert kammer gradvis blir mindre under rotasjon. Kompresjonsprosessen påvises å være veldig kompleks. Små klaringer mellom de to rotorene og kompressorskallet forårsaker lekasjestrømninger mellom tilstøtende arbeidskamre. Dette gir økt driftstemperatur, det senker kompressorens gjennomstrømning, og det reduserer systemets energieffektivitet. Olje eller væske må sprøytes inn i kompressoren for å sikre effektiv drift ved å forsegle klaringene og kjøle ned den komprimerte gassen. I den fjerde delen av rapporten settes fokuset på modellering og simulering av skrue-kompressorer. Numerisk modellering blir fastslått som den mest egnede metoden for oppgavens formål, og to ulike numeriske modeller utviklet av Chamoun et al. (2013) og Tian et al. (2017) studeres grundig. Modellene er basert på ligninger for bevaring av masse og energi. Trykk, temperatur, entalpi og andre termodynamiske egenskaper beregnes gjennom hele kompresjons-prosessen som en funksjon av rotasjonsvinkelen til kompressorens hovedrotor. Videre diskuteres simuleringsplattformer, numeriske prosedyrer og programvare for beregning av termodynamiske egenskaper. Simuleringsplattformen Dymola blir ansett som gunstig på grunn av dens grafiske brukergrensesnitt og de fordelaktige egenskapene til modelleringsspråket Modelica. Kvaliteten på de utforskede numeriske modellene blir vurdert ved å se på simuleringsresultatene presentert av Chamoun et al. (2013) og Tian et al. (2017). Modellen utviklet av Chamoun et al. (2013) tilbyr enkel implementering og kort beregningstid, med den mangler presisjon og utdataen er lite detaljert. Modellen utviklet av Tian et al. (2017) har høyere kompleksitet og bedre presisjon. I den femte delen av rapporten blir en modelleringsmetode for en skruekompressor utviklet basert på kunnskap tilegnet fra litteraturen. Modellen er skrevet i modelleringsspråket Modelica, og den blir implementert og løst i simuleringsplattformen Dymola. Modellen iberegner virkningene av indre lekasjestrømninger, varmetap og væskeinjeksjon, og den kan brukes til både stabil tilstand og transient analyse av slike fenomener. Modellen er tilsiktet effektive undersøkelser av ulike kompressorkonfigurasjoner og driftsforhold, så vel som enkel implementering i større systemmodeller. Vellykkede simuleringer foretas, og et sett med resultater presenteres. Simuleringsresultatene viser blant annet at det er fordelaktig å injesere væske med en lav massefraksjon av ammoniakk, og det blir vist at væsken bør injeseres helt i starten av kompresjonsfasen eller under sugefasen. I den sjette delen av rapporten blir en sekundær modell utviklet ved bruk av Engineering Equation Solver (EES). Denne modellen er designet for detaljert termodynamisk analyse av to-fase prosessen som foregår under kompresjon. EES-modellen er mer begrenset enn Modelica-modellen, og den er kun kapabel til stabil tilstand analyse. Til gjengjeld er EES-modellen, i motsetning til Modelica-modellen, kapabel til å estimere virkninger av ikke-likevekt. Resultater fra to separate beregninger presenteres, én med fullstendig damp-væske-likevekt og én med ikke-likevekt. Resultatene viser at desorpsjon og absorpsjon av ammoniakk utspiller seg under kompresjon, og at desorpsjons-/absorpsjons-raten er lavere i tilfellet med ikke-likevekt. I den syvende delen av rapporten blir simuleringsresultatene diskutert og de to modellerings-metodene sammenlignes med hverandre. Det argumenteres for at Modelica-metoden har størst potensiale for anvendelse og videre utvikling. De mest utfordrene aspektene ved skruekompressormodellering anses å være relatert til indre lekasjestrømninger og fordampning av væske. Videre gis forslag til hvordan modellene kan forbedres og videreutvikles. I den åttende og siste delen av rapporten presenteres konklusjoner og forslag til videre arbeid. Den utviklede skruekompressor-modellen skal valideres mot eksperimentelle resultater fra en testrigg for en kombinert absorpsjons-kompresjons-varmepumpe, og modellen kan integreres inn i en større systemmodell for å simulere den fullstendige varmepumpesyklusen.
dc.description.abstractMeasures to improve energy efficiency is in urgent demand in today's society due to continuously increasing energy consumption and resource depletion. Heat pump technology is a powerful tool to reduce energy consumption related to heating. There has been a lack of development in heat pump technology intended for industrial use, despite the fact that energy intensive industries represent immense energy saving possibilities. Progress has been slow as a result of high investment costs and an absence of mature technology capable of meeting industrial operating requirements. The work presented in this report intends to be a contribution to the much needed development in industrial heat pump technology. The work concerns a combined absorption-compression heat pump for production of hot water from surplus heat, and the focus is set on the heat pump's compressor. The aim is to gather knowledge related to absorption/compression technology, screw compressors and computer modeling, and to utilize this knowledge to develop a modeling approach for a screw compressor. The report is divided into eight sections. A brief introduction to the objectives of the work is given in the first section. In the second section of the report, the working principles of basic heat pump cycles are explained, and it is demonstrated how these cycles can be formed into a combined absorption-compression heat pump cycle. Challenges related to combined absorption-compression heat pumps are found through literature review, and it is reasoned that the compressor is a crucial system component. The temperature at the outlet of the compressor is established to be a dominating constraint. High discharge temperatures makes it unfeasible to operate with conventional compressors in the desired heat sink temperature range between 140 C and 180 C. Therefore, development of a new compressor capable of operating at high pressure and temperature is needed. An ammonia-water screw compressor with liquid injection is discovered as a promising option. In the third section of the report, principles regarding design and operation of screw compressors are demonstrated. A screw compressor is a type of positive displacement compressor where vapor is trapped between two helix-shaped rotors. The rotors form a series of working chambers where the volume of each chamber gradually decreases during rotation. The compression process is found to be very complex. Small clearances between the two rotors and the compressor casing cause leakage flows between adjacent chambers. This gives an increase in operating temperature, it lowers the compressor's throughput, and it decreases the system's energy efficiency. Oil or liquid must be injected into the compressor to ensure efficient operation by sealing the clearances and cooling down the compressed vapor. In the fourth section of the report, the focus is set on modeling and simulation of screw compressors. Numerical modeling is found to be the most suitable approach for the objectives of this work, and two previously developed numerical models by Chamoun et al. (2013) and Tian et al. (2017) are closely investigated. The models are based on equations for conservation of mass and energy. Pressure, temperature, enthalpy and other thermodynamic properties are calculated throughout the compression process as a function of the rotational angle of the compressor's male rotor. Furthermore, discussions about simulation environment, numerical procedures and fluid property software are made. The Dymola simulation environment is found practical due to its graphical user interface and the favourable attributes of the Modelica modeling language. The viability of the investigated numerical models is assessed by looking at the simulation results presented by Chamoun et al. (2013) and Tian et al. (2017). The model developed by Chamoun et al. (2013) offers easy implementation and short computational time, but it lacks accuracy and the output provides little detail. The model developed by Tian et al. (2017) offers higher complexity and better accuracy. In the fifth section of the report, a modeling approach for a screw compressor is developed based on knowledge obtained from the literature. The model is written in the Modelica modeling language, and it is implemented and solved in the Dymola simulation environment. The model takes into account the effects of internal leakage flows, heat losses and liquid injection, and it can be used for both steady-state and transient analysis of such phenomena. The model is aimed at efficient investigations of different compressor arrangements and operating conditions, as well as effortless implementation into bigger system models. Simulations are carried out successfully, and a set of results are presented. Among other things, the simulation results show that it is advantageous to inject liquid with a low ammonia mass fraction, and it is shown that the liquid should be injected at the very beginning of the compression phase or during the suction phase. In the sixth section of the report, a secondary model is developed using the Engineering Equation Solver (EES). This model is designed for detailed thermodynamic analysis of the two-phase process that takes place during compression. The EES model is more limited than the Modelica model, and it is only capable of steady-state analysis. However, opposed to the Modelica model, the EES model is capable of estimating effects of non-equilibrium. Results from two separate calculations are presented, one with complete vapor-liquid equilibrium and one with non-equilibrium conditions. The results show that desorption and absorption of ammonia takes place during compression, and that the rate of desorption/absorption is lower in the case with non-equilibrium. In the seventh section of the report, the simulation results are discussed and the two modeling approaches are compared against each other. It is argued that the Modelica approach has the biggest potential for utilization and further development. The most challenging aspects of screw compressor modeling are found to be related to internal leakages and liquid evaporation. Moreover, suggestions on how to improve and further develop the models are given. In the eighth and final section of the report, conclusions and proposals for further work are presented. The developed screw compressor model is to be validated against experimental results from a combined absorption-compression heat pump test rig, and the model can be integrated into a bigger system model to simulate the complete heat pump cycle.
dc.language
dc.publisherNTNU
dc.titleModeling Approach for a Liquid-Injected NH3-H2O Screw Compressor
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel