Fuel driven absorption heat pump for residential applications

This thesis work focuses on the development, and its subsequent Fortran implementation and experimental validation, of a mathematical model of a direct fired fuel driven absorption heat pump suitable to reproduce the dynamics of such system starting from first principle equations, known refrigerant mixture properties, known heat and mass transfer correlations, and geometry of related components of the system. To develop the heat pump model, three lumped capacitance transient models for two phase binary mixtures are formulated, with increasing complexity. The base model assumes homogeneous conditions between liquid and vapor, in addition, homogeneous flow is considered. Then, separated flows of liquid and vapor are taken into account. Lastly, the most detailed model considers the interactions between liquid and vapor in every control volume, calculating the interface temperature and inlet/outlet heat and mass transfers through the interface. Combining the described models, the dynamic models of every component of the system, including gas-fired generator and all heat exchangers, are obtained. Moreover, models of specific components as solution pump and expansion valves are formulated. To experimentally validate the heat pump model, the performance of an innovative 10 kW gas driven ammonia water absorption heat pump prototype has been used as reference. Experimental tests have been performed in the RELAB laboratory (Politecnico di Milano). The innovative heat pump design, patented, consists in the ceramic foam distillation column, the water-cooled partial condenser and the internal geometry of the generator that provides the possibility to install a fire tube combustion chamber coupled with an externally finned tube that cools the flue gas that leaves the combustion chamber. Furthermore, variable expansion valves are installed for solution and refrigerant branches to optimize the performances. Results show that the dynamic lumped capacitance mathematical model of a 10-kW gas driven absorption heat pump prototype has been successfully implemented. The proposed model has shown its robustness allowing to simulate the start-up of a compact heat pump. Steady state pressures and temperatures agree well with experimental data and transient results are in reasonable agreement with experimental counterparts. The implemented model has shown interesting abilities to describe the complex feedback occurring in an absorption heat pump cycle.

Il lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di un modello matematico dinamico di una pompa di calore ad assorbimento alimentata a gas e conseguente implementazione in Fortran. Il modello si basa su equazioni di primo principio note le proprietà del refrigerante, correlazioni di scambio termico e di massa e geometria dei componenti della pompa di calore. Nello sviluppo vengono proposti tre modelli dinamici a capacità concertate di complessità crescente per miscele bifase di fluidi bicomponente. Il modello base ipotizza condizioni di equilibrio tra liquido e vapore e flusso omogeno. Successivamente, si introduce un flusso separato di liquido e vapore e infine si considera l’interazione tra la fase liquida e la fase vapore nel modello più dettagliato, calcolando scambi termici e di massa che avvengono attraverso l’interfaccia. Combinando i tre modelli si ottengono i modelli di ciascun componente della pompa di calore. Inoltre, modelli dinamici di componenti specifici come la pompa delle soluzioni e valvole di espansione sono stati implementati. Per validare sperimentalmente il modello dinamico è stato utilizzato un prototipo innovativo di pompa di calore ad assorbimento (acqua-ammoniaca) da 10 kW alimentato a gas naturale. I test sperimentali sono stati svolti presso il laboratorio RELAB del Politecnico di Milano. Il design innovativo della pompa di calore è brevettato e prevede una schiuma ceramica come colonna di distillazione, un condensatore parziale raffreddato ad acqua e una particolare geometria interna del generatore che permette di installare una camera di combustione interna di tipo fire tube accoppiata ad un tubo alettato esternamente per raffreddare i gas combusti in uscita dalla camera di combustione. Inoltre, valvole di espansione variabili controllate elettricamente sono state installate sia sul ramo del refrigerante che su quello della soluzione per ottimizzare le prestazioni. I risultati mostrano che il modello dinamico della pompa di calore ad assorbimento ad acqua-ammoniaca da 10 kW alimentata a gas naturale è stato implementato con successo. Il modello ha mostrato di essere robusto simulando l’accensione della pompa di calore raggiungendo condizioni stazionarie. Temperature e pressioni calcolate sono in ragionevole accordo con i dati sperimentali sia nella fase di accensione che in condizioni stazionarie. Il modello implementato ha mostrato interessanti capacità di descrivere i complessi fenomeni che avvengono all’interno di una pompa di calore ad assorbimento.