Transient simulation and experimental study of the gas-fired ammonia-water absorption heat pump systems : development of an efficient numerical framework

In recent years, the interests in absorption heat pumps (AHPs) have escalated due to the worldwide efforts in decreasing the use of fossil-based vapor compression system. In this PhD research two important aspects of AHPs (steady state and dynamic behavior) are analyzed and finally an efficient experimentally validated numerical framework which is able to predict transient behavior of the AHPs with high accuracy has been developed. As mentioned, the research is divided into two parts as follow; Part (a): Steady state and seasonal performance analysis of three AHP cycles; When designing a gas driven heat pump, the selection of the cycle impacts both on complexity and efficiency. Among absorption cycles, the nominal efficiency usually increases with complexity. However, heat pumps are required to operate over a wide range of conditions, of different temperatures and capacity. In the first part of current thesis, three alternative cycles, i.e single-effect (SE), generator-absorber heat-exchange (GAX) and vapor-exchange (VX) for a gas-driven air-source ammonia-water absorption heat pump are compared, considering small-scale space heating as target application. For each cycle, both full-load under various temperature conditions and seasonal performances are predicted by means of numerical simulations. Small capacity appliances are usually equipped with fixed geometry restrictors, meaning that the solution mass flow rate is driven by the pressure difference across the associated restrictor valve. This feature is included in the modeling assumption as it affects the temperature of the generator and, ultimately, the performance at the various conditions. At full load, the VX cycle resulted to achieve the highest Gas Utilization Efficiency (GUE), followed by the GAX and SE. The differences among the cycles are higher at low thermal lift conditions, where the GAX effect is achieved in both the GAX and VX cycles, while are limited at high thermal lift. Looking at the seasonal performances, calculated on the basis of the method prescribed in the European standard EN 12309, the differences among the cycles became much narrower, with the Seasonal GUE ranging between 1.427 (SE) and 1.493 (VX). The small differences in terms of seasonal performances are explained considering that, in the prescribed working conditions, the GAX effect is only partially exploited. Part (b): Transient Behavior assessments of a Single-Effect Ammonia-Water Absorption Heat Pump System; In the second part of the PhD research which is also the main part and objective of the PhD thesis, the long-term transient response of a single-effect ammonia-water gas-fired absorption heat pump prototype is investigated both numerically and experimentally. For the numerical model, heat and mass transfer components are divided into four groups; (a) tubular heat exchangers comprising condenser, evaporator, absorber, solution and refrigerant heat exchangers, (b) tray column heat exchanger comprising gas-fired generator, (c) refrigerant and solution tanks, (d) solution pump and restrictors. Components of groups a-c are modelled based on discretized volumes in which the unsteady mass, species and energy conservation equations are imposed, whereas solution pump and restrictors are idealized as algebraic models. The experimental analysis covers a period of over 10 hours, during which various step changes are applied to system inputs like gas power, inlet water temperature, solution and refrigerant flow rates, and brine inlet temperature. The results of the numerical model are compared with the experimental data which show good agreement in both transient and near steady state operation. Results show that, during transient operation average deviations are less than 2.94% and near steady-state conditions are less than 1.70%. The accuracy of the numerical model in predicting both the transient response and the steady-state values of the measurable outputs, makes it a valuable tool to gain insight on the internal dynamics of ammonia-water absorption heat pumps and cut down costs on time-consuming optimization experiments, such as the fine-tuning of initial solution charge, the implementation of a suitable concentration control strategy and the performance optimization at full and partial loads.

Negli ultimi anni, l'interesse per le pompe di calore ad assorbimento (AHP) si è incrementato a causa degli sviluppi mondiali volti a ridurre l'uso di sistemi a compressione di vapore a base fossile. In questa ricerca di dottorato sono stati analizzati due aspetti importanti delle AHP (stato stazionario e comportamento dinamico) e infine è stato sviluppato un efficiente framework numerico convalidato sperimentalmente, in grado di prevedere il comportamento transitorio delle AHP con un'alta precisione. Come precedentemente indicato, la ricerca è suddivisa in due parti; Parte (a): Quando si progetta una pompa di calore a gas, la scelta del ciclo ha un impatto sia sulla complessità che sull'efficienza. Tra i cicli ad assorbimento, l'efficienza nominale di solito aumenta con la complessità. Tuttavia, alle pompe di calore è richiesto di operare in un'ampia gamma di condizioni, con temperature e capacità diverse. Nella prima parte della presente tesi, sono stati confrontati tre cicli alternativi, ossia a effetto singolo (SE), a scambio di calore generatore-assorbitore (GAX) e a scambio di vapore (VX) per una pompa di calore ad assorbimento ad ammoniaca-acqua alimentata a gas, considerando il riscaldamento degli ambienti su piccola scala come applicazione target. Per ciascun ciclo, sono state previste, mediante simulazioni numeriche, sia le prestazioni a pieno carico in varie condizioni di temperatura sia quelle stagionali. Gli apparecchi di piccola capacità sono solitamente dotati di limitatori a geometria fissa, il che significa che la portata massica della soluzione è determinata dalla differenza di pressione attraverso la valvola del limitatore associato. Questa caratteristica è stata inclusa nella modellazione in quanto influisce sulla temperatura del generatore e, in ultima analisi, sulle prestazioni nelle varie condizioni. A pieno carico, il ciclo VX è risultato quello con la più alta efficienza di utilizzo del gas (GUE), seguito da GAX e SE. Le differenze tra i cicli sono maggiori in condizioni di bassa portanza termica, dove l'effetto GAX è raggiunto in entrambi i cicli GAX e VX, mentre sono limitate ad alta portanza termica. Osservando le prestazioni stagionali, calcolate sulla base del metodo prescritto dalla norma europea EN 12309, le differenze tra i cicli si riducono notevolmente, con il GUE stagionale compreso tra 1,427 (SE) e 1,493 (VX). Le piccole differenze in termini di prestazioni stagionali si spiegano considerando che, nelle condizioni di lavoro prescritte, l'effetto GAX viene sfruttato solo parzialmente. Nella seconda parte della ricerca di dottorato, che è anche la parte principale e l'obiettivo della tesi di dottorato, la risposta transitoria a lungo termine di un prototipo di pompa di calore ad assorbimento a gas ammoniaca-acqua a singolo effetto viene studiata sia numericamente che sperimentalmente. Per il modello numerico, i componenti del trasferimento di calore e di massa sono suddivisi in quattro gruppi: (a) scambiatori di calore tubolari che comprendono condensatore, evaporatore, assorbitore, scambiatori di calore della soluzione e del refrigerante, (b) scambiatore di calore a colonna a vassoio che comprende il generatore a gas, (c) serbatoi del refrigerante e della soluzione, (d) pompa della soluzione e limitatori. I componenti dei gruppi a-c sono modellati sulla base di volumi discretizzati in cui sono imposte le equazioni di conservazione della massa, delle specie e dell'energia non stazionarie, mentre la pompa della soluzione e i limitatori sono idealizzati come modelli algebrici. L'analisi sperimentale copre un periodo di oltre 10 ore, durante il quale sono stati applicati vari cambiamenti graduali agli input del sistema, come la potenza del gas, la temperatura dell'acqua in ingresso, le portate della soluzione e del refrigerante e la temperatura di ingresso della salamoia. I risultati del modello numerico sono stati confrontati con i dati sperimentali, che mostrano un buon accordo sia nel funzionamento transitorio che in quello quasi stazionario. I risultati mostrano che, durante il funzionamento transitorio, le deviazioni medie sono inferiori al 2,94% e in condizioni prossime allo stato stazionario sono inferiori all'1,70%. L'accuratezza del modello numerico nel prevedere sia la risposta transitoria che i valori stazionari delle uscite misurabili, lo rende uno strumento prezioso per comprendere le dinamiche interne delle pompe di calore ad assorbimento ammoniaca-acqua e ridurre i costi degli esperimenti di ottimizzazione che richiedono molto tempo, come la messa a punto della carica iniziale della soluzione, l'implementazione di un'adeguata strategia di controllo della concentrazione e l'ottimizzazione delle prestazioni a carico pieno e parziale.