Numerical and experimental study of a NH3/H2O absorption based combined power and coolling production cycle
Etude numérique et expérimentale d'un cycle combiné de production de froid et d'électricité basé sur la technologie à absorption NH3/H2O
Résumé
In view of increasing global energy demand and concern for the environment, one particular concern is the increasing demand for cooling, which is expected to triple from 2016 until 2050 due to climate change and increasing population. In this context, absorption systems, which have been a relatively niche technology so far, are well suited to the recovery of low temperature energy for the production of cooling. Research has focused on improving the performance of heat driven cooling systems by merging them with power cycles. Hence, system performance is increased by producing power and cooling simultaneously. Additionally, a combined absorption system producing refrigeration and electricity could be better adapted to the whole range of energy demand, from only power to only refrigeration modes with intermediate operation modes producing different ratios of the two useful products.The work carried out in the present PhD thesis regards the experimental and numerical investigation of an absorption-based combined cooling and power production cycle using low temperature heat (80-150 °C). The architecture is that of a single stage ammonia-water absorption chiller to which a power production line, including a turbine for the production of electricity, is integrated in parallel to the cooling production line.The present document presents first an overview of available heat driven thermodynamic cycles for the production of cooling and power. Absorption machines and organic Rankine cycles are identified as mature and efficient technologies and their combination is envisaged to achieve higher efficiencies and to increase the operating flexibility. Then, the development of a prototype is undertaken by integrating an impulse axial turbine into an existing absorption chiller rig. The special characteristics of the expander as well as the simplified architecture of the absorption cycle make the prototype unique. Despite challenges encountered in the development of the system, first experimental results have been obtained giving important insights on the functioning of the cycle.Experimental data from the prototype was also used for the development of accurate numerical models. First, a detailed model of the absorption chiller is developed based on the use of heat and mass exchangers' effectiveness, modelled using dimensionless operating parameters, and adjusted on experimental measures. Subsequently, a 1D real-gas turbine model is developed including a description of the supersonic expansion in the injector and a simplified rotor loss model, whose coefficients were adjusted based on CFD simulations. Experimental tests on the turbine with fluids other than ammonia have proved to model to be robust and applicable to different working fluids. The turbine 1D model is then integrated into the cycle model for parametric analysis of the operating conditions. Since the cycle produces two different useful products, particular attention is paid to its study from an exergetic point of view. Exergoeconomics was used to calculate separately the cost of each product generated by the system, understanding the cost formation process and optimising the overall system. Finally, different possibilities for improving the system are addressed. In particular, its scale-up with the size effect and various architectures that could increase its flexibility such as the use of an ejector for a better regulation of the mass flow.
Les systèmes à absorption, qui ont été jusqu'à présent une technologie de niche, se prêtent bien à la valorisation d'énergie à basse température pour la production de froid. Les scientifiques se sont intéressés à l'amélioration des performances des systèmes de refroidissement tri-thermes (utilisant de la chaleur pour fonctionner) en combinant les cycles à absorption et les cycles de puissance. Ainsi, les performances du système sont améliorées par la production simultanée d'électricité et de refroidissement. En outre, un système à absorption combiné produisant de la réfrigération et de l'électricité pourrait être mieux adapté pour répondre à différents types de besoins, en fonctionnant en mode de production d'électricité seul ou réfrigération seul, ou dans des modes de fonctionnement intermédiaires produisant des ratios différents des deux productions.Le travail mené dans cette thèse concerne l'étude expérimentale et numérique d'un cycle de production combiné de froid et d'électricité basé sur la technologie des machines à absorption utilisant de la chaleur à base température (80-150°C).L'architecture est celle d'une machine à absorption ammoniac-eau simple étage, auquel est intégrée une ligne de production d'électricité, comprenant une turbine pour la production de travail mécanique, en parallèle à la ligne de production de froid.Le présent document présente premièrement une synthèse des principaux cycles thermodynamiques existants pour la production de froid et d'électricité. Les machines à absorption et les cycles organiques de Rankine sont identifiés comme des technologies matures et efficaces et leur combinaison est envisagée pour atteindre des rendements plus élevés et augmenter la flexibilité opérationnelle. Sur la base de cette constatation, le développement d'un prototype est entrepris en intégrant une turbine axiale à action dans une machine à absorption existante. Les caractéristiques très particulières de la turbine ainsi que l'architecture simplifiée du cycle à absorption rendent le prototype unique.Malgré les difficultés rencontrées dans le développement du système, les premiers résultats expérimentaux ont été obtenus, donnant des informations importantes sur le fonctionnement du cycle.Les données expérimentales du prototype ont également été utilisées pour le développement de modèles numériques fiables. D'abord, un modèle détaillé de la machine à absorption est développé, en utilisant des efficacités des échangeurs de chaleur, modélisé en utilisant des paramètres de fonctionnement adimensionnels, et ajusté sur les résultats expérimentaux. Ensuite, un modèle 1D gaz réel de turbine est développé. Ce modelé inclut une description de l'expansion supersonique dans l'injecteur et un modèle simplifié des pertes dans le rotor dont les coefficients ont été ajustés sur la base de simulations CFD réalisées sur la turbine. Des tests expérimentaux sur la turbine avec des fluides autres que l'ammoniac ont prouvé que le modèle est robuste et applicable à différents fluides de travail. Le modèle de la turbine est intégré dans le modèle du cycle à absorption et utilisé pour effectuer une analyse paramétrique sur les conditions de fonctionnement. En particulier, puisqu'il y a deux produit utiles différents, une attention particulière est accordée à l'étude du cycle d'un point de vue exergétique. La méthode de l'analyse exergo-économique a donc été utilisée pour calculer séparément le coût de chaque produit généré, comprendre le processus de formation des coûts et optimiser le système dans sa globalité. Finalement, les possibilités d'amélioration du système sont traitées. En particulier, sa mise à l'échelle et variations d'architecture qui pourraient augmenter sa flexibilité sont examinées. Parmi celles-ci, la possibilité d'intégrer un éjecteur dans le système est considérée, en développant un modèle détaillé d'éjecteur et en le couplant au model de cycle complet.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|