Absorption power cycle with aqueous salt solution for low temperature heat utilization

Abstract

Absorption cycles have been proposed not only for cooling but also for power generation, such as well-known Kalina cycle utilizing water-ammonia mixture working fluid. Among advantages of this these absorption power cycles (APC) is that the multicomponent mixture working fluid can provide low exergy destruction in heat exchangers through variable temperature during phase change (temperature glide), thus achieve higher efficiency than thermodynamic cycles with constant temperature phase change. Use of other working fluids than water-ammonia has however stood aside of mainstream research. Specifically, using aqueous salt solutions, such as LiBr found in absorption chillers, is proposed in this work. A comprehensive theoretical investigation based on pinch point analysis has shown the largest benefits of salt APC in low temperature applications (below about 120°C), mainly for waste heat recovery (WHR). The comparison has been performed with a steam Rankine cycle, a water-ammonia APC, and organic Rankine cycles (ORC) with a range of working fluids and configurations (recuperation, sub/trans-critical). Second application of APC was investigated as a combined power and cooling system, where salt solutions can bring a simplification against some water ammonia systems. For given low temperature system, again, it outperforms water-ammonia under same configuration and benchmark ORC with vapour compression chiller. The analyses include a parasitic load for heat rejection such as fans and pumps. These can have a similar power rating as the expander output at low temperature systems. Configurations explored in this work are purposefully rather simple, so that they are technically feasible. The salt-based APCs also carry environmental benefits, as the salts utilized in the working fluids are non-toxic. According to the literature review, operation of no salt solution APC has ever been reported. Therefore, this work embarks also on an experimental task to validate technical feasibility. World’s first LiBr solution APC proof-of-concept unit has been designed and built with 20 kW nominal thermal input and sub-kW power output. The experimental works point out at specific aspects of the design with respect to the theoretical models’ assumptions. Temperature glide during phase change has been measured and it is in desorber (vapour generator) significantly lower, than theoretical one. In the absorber, significant subcooling of the solution is required and absorption rate is lower than predicted. On the other hand, desorber heat transfer is higher than predicted and steam separated from the solution is naturally superheated due to boiling point elevation. Specific part of the experimental work is then focused on turboexpander development. As the vapour is at low pressure in the APC (vacuum, typically several to dozens kPa at turbine inlet) with high volumetric flowrate, turbines are the suitable expander choice. Low temperatures further suggested use of polymer materials and additive manufacturing. Together with permanent magnet motor as a generator, this concept was proposed and shown as a cost effective solution for small turboexpanders. First, several configurations of air turbines were developed and tested. Following, a turbine with rotor and stator flow components made of nylon by powder bed fusion has been used for the APC unit. It serves as a proof of concept system, while further engineering development can improve the performance for applications in APC or combined power and cooling systems. Need for simplicity of designed system is indeed stressed throughout the work. Slightly better theoretical performance is often practically not worth of added complexity. The overall results outline possibilities of (rather limited) actual applicability of the LiBr APC for waste heat recovery.

Absorpční cykly byly navrženy nejen pro účely chlazení, ale také jako produkční pro výrobu práce a elektřiny. Mezi takové patří Kalinův oběh využívající směs vody a čpavku jako pracovní látku. Mezi výhody těchto termodynamických oběhů (absorption power cycle – APC) je, že vícesložková pracovní látka může poskytnout nízkou destrukci exergie ve výměnících díky proměnné teplotě fázové změny (teplotnímu skluzu), a tím dosáhnout lepší účinnosti, než tepelné oběhy s konstantní teplotou při vypařování a kondenzaci. Využití dalších pracovních látek, než pouze vody se čpavkem, ale stálo stranou zaměření většiny výzkumu. V této práci je navrženo využití vodných roztoků solí, jako např. LiBr využívaného v absorpčním chlazení. Zevrubná teoretická analýza založena termodynamických modelech s minimálním teplotním rozdílem ukázala vysoký přínos APC se solnými roztoky v nízkoteplotních aplikacích (pod cca 120°C), primárně pro využití odpadního tepla. Porovnání bylo provedeno s parním Rankinovo oběhem, APC se směsí vody a čpavku a s organickými Rankinovo oběhy (ORC) pracujícími s řadou pracovních látek a různých konfigurací (rekuperace, pod/nad-kritické). Druhou zkoumanou aplikací APC je v systému kombinované výroby elektřiny a chladu, kde použití solného roztoku mlže přinést i zjednodušení oproti některým systémům s vodou a čpavkem. Pro daný nízkoteplotní systém navržený systém předčí systém využívající vody se čpavkem v totožné konfiguraci i referenční systém ORC s kompresorovým chlazením. V analýzách je zahrnuta vlastní spotřeba pro odvod tepla jako ventilátory a čerpadla. Pro nízkoteplotní systémy může být vlastní spotřeba v podobných hodnotách, jako samotný výkon expandéru. Konfigurace zkoumané v této práci jsou cíleně spíše jednodušší, aby byly technicky realizovatelné. Použití APC se solnými roztoky v neposlední řadě má environmentální pozitiva neboť používané soli nejsou toxické. Na základě dostupné literatury nebyl nikdy publikován provoz APC s roztoky soli. Proto se tato práce také zaměřuje na experimentální úkol ověření technické realizovatelnosti. První LiBr APC systém na světě byl navržen a postaven s nominálním příkonem 20 kW tepla a výkonem pod 1 kW. Experimentální práce poukazují na specifické aspekty návrhu s ohledem na teoretické předpoklady v modelech. Teplotní skluz během změny fáze byl změřen a v desorbéru (generátoru páry) je výrazně nižší, než je teoretický. V absorbéru je zapotřebí výrazné podchlazení roztoku a intenzita absorpce je nižší, než předpovězená. Na druhou stranu přestup tepla v desorbéru je lepší, než předpovězený, a separovaná pára z roztoku je přirozeně přehřátá (díky zvýšení bodu varu v roztoku). Specifická část experimentálních prací se poté zaměřuje na vývoj turboexpandéru. Tím, že pára v APC je na nízkém tlaku (vakuum, typicky jednotky až desítky kPa na vstupu turbíny) s vysokým objemovým tokem, turbíny jsou vhodným typem expandéru. Nízké teploty dále nabízejí použití polymerních materiálů a aditivní výroby. Spolu s motorem s permanentními magnety jako generátorem byla tato koncepce navržena a ukázána jako nákladově efektivní řešení pro malé turboexpandéry. Nejprve bylo vyvinuto a testováno několik konfigurací vzduchových turbín. Následně byla pro jednotku APC použita turbína s rotorem a průtočnými částmi statoru vyrobenými z nylonu pomocí 3D tisku. Systém slouží pro ověření možností, přičemž dalším technickým vývojem lze zlepšit parmatery pro aplikace v systémech APC nebo kombinovaných systémech výroby elektřiny a chlazení. Potřeba jednoduchosti navrženého systému je zdůrazněna v celé práci.