Development and modelling of a water-ammonia heat transformer to upgrade low-temperature waste heat

The aim this work is the development of a prototype water-ammonia heat transformer, starting from a given machine concept. Using water-ammonia as working fluid, instead of water-salts mixtures reported in literature, allows to recover very low grade waste heat (<65°C) and lift it of about 20°C with a single-stage cycle. Indeed such temperature lift could ease the integration of otherwise useless waste heat in district heating networks, or allow the integration of old buildings with higher temperature needs in fourth generation district heating networks, characterized by very low feed temperatures. Such an application could benefit from low condensation temperatures, improving the cycle performances, in colder days of peak heating demand. Though absorption heat transformers are not an untested technology, their use with ammonia-water and in this temperature range has never been reported, so the research was carried out both experimentally and through thermodynamic simulation. Major outcomes of this research are the achievement of a stably working prototype with good performances and the interpretation of the experimental results through a tuned model, able to give a full picture of all cycle parameters. The most relevant point is the importance a good separation of liquid and vapour at restrictor outlet has for the cycle stability. The issue was solved experimentally through the design of an appropriate separator, and cycle rearrangements to mitigate the problem are proposed and simulated with the help of the tuned model, to suggest possible future improvements. In addition, a possible improvement proposed in literature (the use of NH3-LiNO3 as working couple) was simulated and assessed, concluding that the detrimental effect on heat transfer would outweigh the thermodynamic benefits of such a choice.

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di un prototipo di trasformatore di calore ad assorbimento ad acqua ammoniaca, a partire da un'idea di ciclo esistente. L’uso di acqua-ammoniaca come fluido di lavoro, in luogo delle coppie acqua-sali riportate in letteratura, permette di sfruttare calore di scarto a temperatura molto bassa (<65°C) e aumentarne la temperatura di circa 20°C con un ciclo a singolo stadio. Un simile incremento di temperatura può facilitare l’integrazione nelle reti di teleriscaldamento di calore di scarto a bassa temperatura attualmente inutilizzato, oppure permettere l’integrazione di vecchi edifici (che richiedono acqua a temperature elevata per il riscaldamento) in future reti di teleriscaldamento di quarta generazione, caratterizzate da temperature di mandata molto basse. Applicazioni di questo tipo sono particolarmente adatte ai trasformatori di calore, che potrebbero beneficiare di temperature di condensazione più basse, in grado di migliorare le prestazioni del ciclo, nelle giornate invernali più fredde in cui la richiesta termica per il riscaldamento degli ambienti è maggiore. Malgrado i trasformatori di calore siano già stati sperimentati, il loro impiego con acqua-ammoniaca e a queste temperature non è mai stato riportato in letteratura. La ricerca è stata quindi portata avanti parallelamente sia in modo sperimentale che attraverso simulazioni termodinamiche. I principali risultati del lavoro sono l’aver ottenuto un prototipo funzionante in modo stabile con buone prestazioni e l’interpretazione dei risultati sperimentali con un modello termodinamico appositamente tarato e in grado di dare un quadro completo di tutti i parametri cel ciclo. Il punto più rilevante emerso dall’analisi è la grande importanza per la stabilità del ciclo di una corretta separazione tra liquido e vapore all’uscita della valvola di laminazione. Il problema è stato risolto nell’apparato sperimentale riprogettando un separatore adeguato; contemporaneamente varianti del ciclo atte a mitigare il problema sono proposte e analizzate con l’aiuto del modello, al fine di suggerire possibili miglioramenti futuri. Inoltre, è stato valutato e simulato un possibile miglioramento proposto in letteratura: l’uso della soluzione NH3-LiNO3 come fluido di lavoro. È stato possibile concludere che l’effetto peggiorativo che la sostituzione del fluido avrebbe sui coefficienti di scambio ne vanificherebbe i benefici sul piano termodinamico, rendendo tale soluzione di fatto poco competitiva.