Revalorización energética de residuos térmicos mediante ciclos de compresión mecánica de vapor con circuito de solución
- Autores: Alvaro Miguel Mestra Rodríguez
- Directores de la Tesis: Joan Manel Vallés Rasquera (dir. tes.), Alberto Coronas Salcedo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2007
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Roberto Best Brown (presid.), Thomas Boer Dieter (secret.), Francisco Javier Esteve Agustench (voc.), Francisco Serano Cáceres (voc.), María Mainar Ana (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
En aquesta tesi es presenta un estudi teòric-experimental sobre bombes de calor de compressió mecànica de vapor amb circuit de solució, també conegudes com absorció/compressió, per a la revalorització energètica a temperatures entre 120 i 140ºC de residus tèrmics entre 80 i 90ºC utilitzant mescles de fluids orgànics i bescanviadors de calor de plaques.
Lestudi termodinàmic sha realitzat per a un cicle simple constituï t per un absorbidor, un desabsorbidor, un compressor, una bomba de solució i un bescanviador de solució. Com fluid de treball sutilitza una mescla de fluids orgànics on el refrigerant és un alcohol (Metanol, Trifluoroetanol i Hexafluroisopropanol) i com absorbent poden utilitzar-se composts de la familia dels n-EtilenGlicol DiMetilÈters. El cicle sha avaluat per a labsorbent TetraEtilenGlicol DiMetilÈter (TEGDME) i per a diferents condicions doperació tenint en compte les variables que afecten el seu funcionament: la concentració de la solució rica, el salt tèrmic de la solució en labsorbidor, el tipus de compressió, la temperatura de la solució a la sortida del desabsorbidor i, la temperatura de la solució a la sortida de labsorbidor. Els paràmetres analitzats han estat: la relació de compressió, el cabal volumètric de vapor, el cabal màsic de solució pobra en refrigerant, la potència tèrmica del bescanviador de solució i el COP. Els resultats mostren que el refrigerant més idoni per a aquesta aplicació és el Metanol en combinació amb el TEGDME. Per a aquesta combinació shan obtingut relacions de compressió moderades, de 4,4 a 7,5, cabals volumètrics de refrigerant baixos, de 35 a 50 m3/h, i valors de COP entre 3,8 i 5,4.
El compressor seleccionat per a aquesta aplicació és un compressor de paletes que habitualment sutilitza en la compressió daire. Al tractar-se dun compressor lubricat, i a fi de que el lubrificant no interfeixi en el procés dabsorció, sha seleccionat inicialment un absorbent que compleixi també la funció de lubricació necessària pel compressor. Aquest absorbent és el PEGDME 500, producte comercial mescla de diferents composts n-EGDME, amb n?11, adecuat per les sevas propietats lubrificants per a aquest compressor. Per a comprovar la viabilitat tècnica daquesta elecció shan realitzat assajos de compressió daire amb el compressor de paletes i lubricat amb labsorbent proposat. També shan avaluat les prestacions del cicle amb aquesta nova mescla de treball mitjançant al programa de simulació termodinàmica, trobant-se pràcticament els mateixos valors de COP i pressions que en el cas del TEGDME, si bè els cabals màsics de solució necessaris és dupliquen.
Per a avaluar el funcionament de la bomba de calor proposada sha construï t un dispositiu experimental de 15 kW de potència tèrmica que inclou un compressor de paletes de 4,5 kW i bescanviadors de plaques termosoldades. La distribució de la solució en els canals de labsorbidor es realitza mitjançant la utilització dun aspersor situat en el port dentrada del bescanviador. Aquest tipus de bescanviador sha seleccionat per a compensar les pobres propietats de transport de labsorbent. Els assajos realitzats mostren la viabilitat tècnica dutilitzar un lubrificant de la mateixa família de labsorbent, encara que poden obtenir-se millores significatives si sutilitzen dos productes diferents, PEGDME 1500 com lubricant i PEGDME 500 com absorbent.
Els resultats mostren que és possible aconseguir amb aquest tipus de bescanviadors eficiències tèrmiques superiors al 70% i una bona distribució de la solució en les plaques de labsorbidor. No obstant això, els problemes detectats en letapa de compressió han limitat els nivells de relació de compressió assolits i la capacitat de producció denergia tèrmica en la bomba de calor.
SUMMARY This thesis presents a theoretical-experimental study of a mechanical vapour compression heat pump with solution circuit (also known as absorption/compression) for upgrading heat at temperatures between 120 and 140ºC recovering waste heat between 80 and 90ºC and working with a mixture of organic fluids.
The thermodynamic study has been made for a simple cycle including an absorber, a desorber, a compressor, a solution pump and a solution heat exchanger. As a working fluid, it was used a mixture of organic fluids in that the refrigerant is an alcohol (Methanol, Trifluoroethanol or Hexafluoroisopropanol) and the absorbent was a chemical of the family of the n-EthyleneGlycol DiMethylEthers. The cycle was analysed initially for the absorbent TetraEthyleneGlycol DiMethylEther (TEGDME) and for different operation conditions taking into account the variables that affect its operation: strong solution composition, temperature lift of the solution in the absorber, type of compression, outlet solution temperature in the absorber and outlet solution temperature in the desorber. The analysed parameters were the following: compression ratio, vapour volumetric flow, weak solution mass flow, thermal power of the solution heat exchanger, and COP. The results show that the most suitable refrigerant for this application is Methanol in combination with TEGDME. For this mixture it was obtained moderate compression ratios, from 4,4 to 7,5, low volumetric flow of vapour, from 35 to 50 m3/h and values of COP between 3,8 and 5,6.
The compressor selected for this application was a rotary vane compressor that habitually is used for air compression applications. The lubricant of this compressor was selected in such a way that plays also the role of absorbant. The absorbent selected was PEGDME 500, commercial product mixture of different n-EGDME compounds. To verify the technical viability of this choice, tests of air compression were made with the rotary vane compressor selected and the absorbent fluid proposed working as a lubricant. The cycle working with the Methanol/PEGDME 500 mixture was also analysed by means of a thermodynamic simulation program. The results show that COP and pressures are similar to the results obtained with the absorbent fluid TEGDME. However, the solution mass flow necessary for the same thermal power in the absorber was double that the corresponding value for TEGDME.
In order to evaluate the operating conditions of the proposed heat pump, it was constructed an experimental set-up of 15 kW of thermal power with a rotary vane compressor of 4,5 kW and brazed heat exchangers for the absorber, the desorber and the solution heat exchanger. A nozzle located in the inlet port of the absorber plate heat exchanger makes the distribution of the solution into the absorber channels. This type of heat exchangers has been selected to compensate the poor transport properties of the absorbent. The tests made show the technical feasibility of using as a lubricant the same fluid playing the role of the absorbent, although best results were obtained if different products, PEGDME 1500 as lubricant and PEGDME 500 as absorbent were used.
Results show that it is possible to obtain thermal efficiencies higher than 70% with this type of plate heat exchangers and a good distribution of the solution in the absorber channels. Nevertheless, the problems detected in the compression stage have limited the levels of compressor ratio reached and the thermal power of the heat pump.
