Parametric analysis and experimental validation of ammonia water absorption compression heat pump

The energy industry is facing two major challenges: globally increasing demand, and environmental consequences related to energy production and use. The industrial sector accounts for 25% of the final energy consumption in Europe. Process heat reaches 66% of the total energy used in industry. Waste heat in industry is a precious source of energy. However, the low quality of the waste heat, related to its low temperature, does not allow for a straight-forward reutilization as heat source. In this case, the use of heat pumps offers the possibility to utilize the waste heat by extracting the low-grade energy and providing it at a higher temperature, suitable for industrial processes. In this thesis, a model of a hybrid absorption compression heat pump is developed. The heat pump uses an ammonia/water mixture as working fluid. The model is used to simulate different working conditions, and the performances of the system are studied according to the ratio between the weak and strong solution mass flow rates f. The maximum of the sink heat load and the temperature lift are found at f = 0.4. For this working condition, COP is minimum. A trade-off between heat and temperature requirements and efficiency of the system occurs. The effects on the HACHP performances caused by the sink and source inlet temperatures and mass flow rates, as well as the UA of absorber and desorber, are studied. To obtain the maximum sink heat load, high values of UA and sink mass flow rates should be implemented. Reducing the sink mass flow rate while keeping the UA high maximizes the temperature lift, decreasing at the same time the sink heat load. When ṁsink = 0.3 kg/s, UA = 7kW/K and Tsink,in = 60°C, the sink outlet temperature reaches 110.7°C, which is the maximum temperature achieved in the simulations.

Il settore energetico si trova ad affrontare due grandi sfide: l’aumento della domanda a livello globale e le conseguenze ambientali legate alla produzione e all’utilizzo dell’energia. Il settore industriale rappresenta il 25% del consumo finale di energia in Europa. Il calore di processo costituisce il 66% dell’energia totale utilizzata nell’industria. Il calore di scarto industriale è una preziosa fonte di energia. Tuttavia, la bassa qualità di tale calore, legata alla sua bassa temperatura, non consente un riutilizzo diretto come sorgente termica. In questo caso, l’uso delle pompe di calore offre la possibilità di riutilizzare il calore di scarto, estraendo energia a bassa temperatura e restituendola a una temperatura più elevata, adatta ai processi industriali. In questa tesi viene sviluppato un modello di pompa di calore ibrida ad assorbimento-compressione. La pompa di calore utilizza una miscela ammoniaca acqua come fluido di lavoro. Il modello è impiegato per simulare diverse condizioni operative, e le prestazioni del sistema vengono analizzate in funzione del rapporto tra le portate di massa della soluzione debole e della soluzione forte f. Il massimo carico termico lato utenza, o pozzo, e il massimo salto termico si registrano per f = 0,4. In tale condizione operativa, il COP risulta minimo. Esiste quindi un compromesso tra le esigenze di calore e temperatura e l’efficienza del sistema. Vengono inoltre analizzati gli effetti sulla prestazione della HACHP causati dalle temperature e dalle portate in ingresso lato sorgente e pozzo, nonché dal valore di UA dell’assorbitore e del desorbitore. Per ottenere il massimo carico termico lato pozzo, è necessario adottare alti valori di UA e di portata di massa lato utenza. Ridurre la portata lato pozzo mantenendo alto il valore di UA consente di massimizzare il salto termico, riducendo però il carico termico lato pozzo. Quando ṁsink = 0,3 kg/s, UA = 7kW/K e Tsink,in = 60°C, la temperatura in uscita lato pozzo raggiunge i 110,7°C, che rappresenta il valore massimo ottenuto nelle simulazioni.