Energy and Exergy Analysis of Nanofluid Based Solar Assisted Power Generation and Absorption Cooling Systems

Abstract

The present study is conducted to perform the comparative analysis of solar assisted multi-effect absorption cooling systems. Absorption cooling cycles, from single to quadruple effects are analyzed for their energy and exergy perspectives. In the first half of the analysis, the solar collectors (parabolic trough and parabolic dish) are modelled and analyzed using water based nanofluids of Al2O3 and Fe2O3. Secondly, the absorption cooling cycles of single, double, triple and quadruple effects are simulated and analyzed separately. Then finally, they are integrated with solar collectors to produce power as well as to provide heating and cooling effect. All the four absorption cycles are designed to work on LiBr-H2O working pair and are analyzed for their coefficient of performance (COP) as well as exergetic performance viewpoints. The absorption cycles are operated on a heat source of solar energy collected through solar collectors. It is observed that the quadruple effect absorption cycle (QEAC) has substantial performance enhancement over the double and triple effect absorption cycles. The QEAC consists of four generators and four condensers coupled together, making an extension of triple effect absorption cycle where there are three condensers and three generators joined together to complete the cycle. The system is designed to work on parallel flow system. All four absorption cycles are designed to have the identical cooling output and same operating conditions. Engineering Equation Solver (EES) software is used to simulate and study the effects of various operational aspects on the COP and exergetic performance of the cycles. The triple effect absorption cycle is observed to have COP of more than twice the single effect and for quadruple it is 2.55 times higher than single effect absorption cycle. The exergetic efficiency of the quadruple absorption effect cycle is 11.7% higher than single effect and 6% higher than triple effect absorption cycle. It is found that for a fixed evaporator temperature and for a fixed condenser load, there is an optimal temperature of the generator, where the COP and exergy efficiency are found to be maximum. A small modification of mass distribution among the generators would help in higher COP without requiring any additional heat input. Quadruple effect absorption cycle works on higher heat source temperatures in comparison to single effect absorption cycle but requires less heat input to produce the same cooling effect.

ÖZ: Bu araştırma, güneş destekli çoklu etki emme soğutma sistemlerinin karşılaştırmalı analizini gerçekleştirmek için yapılmıştır. Yapılan çalışmada soğutma, soğurma, enerji ve kullanılabilir enerji bakış açıları bir den dörtlü etkilere kadar var olan döngüler ışığında analiz edilmiştir. Analizin ilk bölümünde, güneş kolektörleri (parabolik oluk ve parabolik çanak) modellenmiş ve Al2O3 ve Fe2O3 su bazlı küçük sıvılar kullanılarak analiz edilmektedir. İkinci olarak tek, çift, üçlü ve dörtlü etkilerin döngüleri soğutma emilimi üzerine uygulanıp her biri ayrı ayrı analiz edilmekle beraber güç üretmek yanı sıra ısıtma ve soğutma etkisini sağlamak için güneş kolektörleri ile entegre edilmiştir. Araştırmaya konu edilen dört emme döngüsü LiBr-H2O çalışma çifti üzerinde çalışmak üzere tasarlanmış ve performans katsayısı (COP) kullanılabilir enerji verimlilik bakış açıları için analiz edilmiştir. Emme döngüleri güneş kolektörleri tarafından toplanan güneş enerjisinin bir ısı kaynağı üzerine işletilmektedir. Dörtlü Etki Emme Döngüsü (QEAC), çift ve üçlü etki döngüleri üzerinde önemli performans özelliklerine sahip olduğu görülmektedir. Dörtlü Etki Emme Döngüsü (QEAC) ‘nün tamamlanabilmesi için dört jeneratör, dört kondansatör ve ayrıca üçlü etki döngüsünün genişletilmesi için üç jeneratör ve üç kondansatör bir birine eklenerek oluşturulmuştur. Sistem paralel akış sistemi üzerinde çalışmak üzere tasarlanmıştır. Tüm emme döngüleri aynı soğutma çıkışı ve aynı işletim koşullarına sahip şekilde tasarlanmıştır. Çalışma sırasında mühendislik Denklem Çözücüsü (EES) yazılımı simüle edilmiş ve performans katsayısı (COP) ekserji performansına bağlı olarak operasyonel etkileri çeşitli açılardan incelenmiştir. Sonuç olarak üçlü etki döngüsünün performans kat sayısı (COP) tek döngünün iki katından daha fazla etkili olduğu görüşmüştür. Ayrıca dörtlü etkinin tek etkili döngüsünden 2.55 kat daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Dörtlü etki döngüsünün ekserji verimi açısından tekli etkisine göre % 11,7 daha yüksek ve üçlü etki emme döngüsünden % 6 daha yüksektir. Jeneratörün uygun değer sıcaklığına ulaştığı noktada sabit bir buharlaştırma sıcaklığı ve sabit bir kondenser yükü için performans katsayısı (COP) ve ekserji verimliliğinin yüksek olduğu bulunmuştur. Bununla beraber performans katsayısı (COP) ilave ısı girişi olmaksızın artmış olup, ancak pompalanan çözelti akış oranında küçük optimizasyonu ile jeneratör arasında kütle dağılımı olabilir. Dörtlü etki döngüsü tek etkili döngüye göre daha yüksek ısı kaynağı ile çalışır ama aynı soğutma etkisini üretmek için daha az ısı girişi gerekmektedir.