Development modeling and thermodynamic optimization of renewable energy based absorption refrigeration and power systems
Küçük Resim Yok
Tarih
2018
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Karabük Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Bu tezde, ejektör emilim soğutma döngüsünün (E-ARC) üç yeni modifikasyonu, döngü performansının ejektör konumunun etkisini değerlendirmek için geliştirilmiştir. Birinci modifikasyonda, ejektör buharlaştırıcı girişinde bulunur (üçlü basınç seviyesi döngüsü TPL-ARC). İkinci modifikasyonda iki ejektör kullanılırken (çift ejektör emilim soğutma döngüsü DE-ARC), biri evaporatör girişinde, diğeri ise emme girişinde bulunur. Üçüncü modifikasyonda (Düşük basınçlı kondansatör emme soğutma çevrimi), buhar ejektörü, jeneratör buharı boşaltma hattına takılır ve buharın bir kısmı, emme basıncına, jeneratör basıncına eşit basınçta, geri döner. Bu tezde ayrıca, Lityum Bromit-Su (LiBr- H¬2O) çözeltisi ile çalışan yeni modifiye edilmiş absorpsiyon güç çevrimi (APC), geleneksel Rankine, tek aşamalı ve üç aşamalı APC sistemleri ile karşılaştırılmıştır. Konvansiyonel APC'ye ek bir buhar kondenseri entegre edilmiştir ve saf suyun bir kısmı emilmekte ve absorbe ediciden geçmeden yüksek basınca geri pompalanmaktadır. Dahası, gelişmiş emilim gücü çevrimindeki (AAPC) termodinamik verimdeki artışı temsil eden beş farklı durum değerlendirilmiştir. Beş vaka için AAPC'nin termodinamik etkinlikleri, amonyum-su çözeltisi (NH3-H2O), lityum bromit- su çözümü (LiBr-H2O) olmak üzere üç farklı çözüm kullanan konvansiyonel absorpsiyon güç çevrimiyle (C-APC) kıyaslanmıştır). Sonuçlar, ekserji ve enerji verimliliğinin maksimum değerlerinin, sırasıyla, %14.43 ve %71.76 değerleriyle, birinci duruma (kütle buharı akış hızını arttır) göre LiC1-H2O ile elde edildiğini bulmuştur. İlk entegre sistem için, yoğun güneş fotovoltaik (CSPV) enerji tabanlı ejektör absorpsiyonlu soğutma çevrimi (EARC), Libya'da ~ 3.4 kW pik soğutma gerektiren bir ev için termodinamik ve ekserjoekonomik teknikleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Termal enerji depolama ortamı, güneş enerjisi girişi yokken sistemi kullanmak için ısı depolama ortamı olarak Therminol-59'u kullanmaktadır. Toplam sistemin soğutma maliyet akışının, depolama dikkate alındığında saatte 0.29 dolara kadar çıktığı tespit edilirken, termal enerji depolama olmaksızın, 100°C'nin üzerindeki jeneratör sıcaklıklarında, saatte 0.22 dolar civarında olduğu tespit edilmiştir. Sistem, CSPV ekipmanın yüksek yatırım maliyetleri nedeniyle yüksek geri ödeme süreleri sunsa da bu yenilenebilir kaynaklı soğutma sistemi ile yıllık olarak yaklaşık 6,58 ton CO2 emisyonu önlenebilmektedir. Tezin son bölümünde atık ısının yeniden kullanıldığı bir hidrojen üretim sisteminin uygulamalı analizi yapılmıştır. Bu sistemde, elektrolizörü çalıştırmak için gereken elektrik bir LiBr-H2O tabanlı AAPC kullanılarak üretilmektedir. Bu kısımda, sistemin ekserjoekonomik performansı değerlendirilmektedir. Hidrojen maliyeti, 1,89 dolar / kg'lık optimal bir değer ile yenilenebilir kaynaklı üretim sistemleri ile rekabet edebilir durumda olduğu bulunmuştur.
In this thesis, three novel modifications of the ejector absorption refrigeration cycle (E-ARC) are performed to evaluate the influence of the ejector location on the cycle performance. In the first modification, the ejector is located at the evaporator inlet (triple pressure level cycle TPL-ARC). While two ejectors are used in the second modification (double ejector absorption refrigeration cycle DE-ARC). One is located at the evaporator inlet and the other at the absorber inlet. In the third modification (low pressure condenser absorption refrigeration cycle), the steam ejector is installed in the generator vapor discharge line and part of the vapor is returned to the absorber at pressure equal to the generator pressure. Also, a newly modified absorption power cycle (APC) working with Lithium Bromide–Water (LiBr-H¬2O) solution is evaluated and compared with the conventional Rankine, one-stage, and three-stage APC systems. An additional steam condenser is integrated into the conventional APC and part of the pure water is extracted and pumped back to the high pressure without passing through the absorber. Moreover, five cases are evaluated that represent the improvement in the advanced absorption power cycle (AAPC) thermodynamic efficiencies. The thermodynamic efficiencies of the AAPC for the five cases are compared to those of the conventional absorption power cycle (C-APC) using three different solutions, namely ammonia-water solution (NH3-H2O), lithium bromide-water solution (LiBr-H2O), and lithium chloride-water solution (LiCl-H2O). The results found that the maximum values of exergy and energy efficiency are obtained by LiCl-H2O based on case one (increase mass vapor flow rate) with values of %14.43 and %71.76 respectively. For the first integrated system, a concentrated solar photovoltaic (CSPV) energy based ejector absorption refrigeration cycle (EARC) is evaluated using thermodynamic and exergoeconomic tools for a house requiring ~3.4 kW peak cooling in Libya. The thermal energy storage medium uses Therminol-59 as the heat storage medium to utilize the system when there is no solar energy input. Cooling cost flow rate of the overall system is found to be around $0.22 per hour at generator temperatures above 100?C without thermal energy storage, while it is determined to be as high as $0.29 per hour when storage is considered. Even though the system present high payback periods due to high investment costs for the CSPV equipment, almost 6.58 tons of CO2 emissions can be prevented with this renewable based cooling system. In the last part of the thesis an exergoeconomic analysis of a hydrogen production system, which reuses the waste heat is carried out. In this system, the electricity required for operating the electrolyser is produced using a LiBr-H2O based AAPC. During this part, the exergoeconomic performance of the system is evaluated. Cost of hydrogen is found to be competitive to those of renewable energy-driven systems with an optimal value of 1.89 $/kg.
In this thesis, three novel modifications of the ejector absorption refrigeration cycle (E-ARC) are performed to evaluate the influence of the ejector location on the cycle performance. In the first modification, the ejector is located at the evaporator inlet (triple pressure level cycle TPL-ARC). While two ejectors are used in the second modification (double ejector absorption refrigeration cycle DE-ARC). One is located at the evaporator inlet and the other at the absorber inlet. In the third modification (low pressure condenser absorption refrigeration cycle), the steam ejector is installed in the generator vapor discharge line and part of the vapor is returned to the absorber at pressure equal to the generator pressure. Also, a newly modified absorption power cycle (APC) working with Lithium Bromide–Water (LiBr-H¬2O) solution is evaluated and compared with the conventional Rankine, one-stage, and three-stage APC systems. An additional steam condenser is integrated into the conventional APC and part of the pure water is extracted and pumped back to the high pressure without passing through the absorber. Moreover, five cases are evaluated that represent the improvement in the advanced absorption power cycle (AAPC) thermodynamic efficiencies. The thermodynamic efficiencies of the AAPC for the five cases are compared to those of the conventional absorption power cycle (C-APC) using three different solutions, namely ammonia-water solution (NH3-H2O), lithium bromide-water solution (LiBr-H2O), and lithium chloride-water solution (LiCl-H2O). The results found that the maximum values of exergy and energy efficiency are obtained by LiCl-H2O based on case one (increase mass vapor flow rate) with values of %14.43 and %71.76 respectively. For the first integrated system, a concentrated solar photovoltaic (CSPV) energy based ejector absorption refrigeration cycle (EARC) is evaluated using thermodynamic and exergoeconomic tools for a house requiring ~3.4 kW peak cooling in Libya. The thermal energy storage medium uses Therminol-59 as the heat storage medium to utilize the system when there is no solar energy input. Cooling cost flow rate of the overall system is found to be around $0.22 per hour at generator temperatures above 100?C without thermal energy storage, while it is determined to be as high as $0.29 per hour when storage is considered. Even though the system present high payback periods due to high investment costs for the CSPV equipment, almost 6.58 tons of CO2 emissions can be prevented with this renewable based cooling system. In the last part of the thesis an exergoeconomic analysis of a hydrogen production system, which reuses the waste heat is carried out. In this system, the electricity required for operating the electrolyser is produced using a LiBr-H2O based AAPC. During this part, the exergoeconomic performance of the system is evaluated. Cost of hydrogen is found to be competitive to those of renewable energy-driven systems with an optimal value of 1.89 $/kg.
Açıklama
Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Termodinamik Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
