In recent years considerable attention has been given to reduce the use of fossil fuels
for heating and cooling applications. Large amounts of thermal energy at low
temperatures from the process industries are released into the atmosphere, which
causes thermal pollution. The Absorption Heat Transformer (AHT), being principally
heat operated, is a useful tool to upgrade this low temperature rejected heat to the
required heat energy at higher temperatures for useful applications. The desalination
of seawater is one of such applications, which requires heat input at higher
temperatures. Therefore, integrating the AHT and the desalination system for the aim
of seawater desalination can significantly contribute to improve energy utilization
and also the energy conservation. This thesis presents theoretical investigations on
AHT based desalination systems.
Alternative configurations of AHT systems using LiBr/H2O as the working fluid and
integrated with a water purification system are analyzed and optimized
thermodynamically. First, the waste heat from a textile factory is utilized to run the
AHT systems and the generated high temperature heat is employed for the purpose of
desalination. A computer program is developed in the EES (Engineering Equation
Solver) to investigate the effects of different parameters on four different
configurations of AHT and the desalination system. It is shown that applying
different modifications can increase the coefficient of performance (COP) of the
AHT and consequently the productivity of the desalination system. The maximum
flow rate of the distilled pure water reaches 0.2435 kg/s when waste heat from the
condenser is utilized by the evaporator. The risk of crystallization of LiBr is lowered
in the modified configurations.
In the subsequent section of the study the waste heat from a novel cogeneration cycle
based on the recompression supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle is
utilized to produce power through a transcritical CO2 power cycle and pure water by
means of distillation process. Alternative configurations of AHT systems are
employed to upgrade the lower temperature waste heat in order to run desalination
system. It was found that in the best configuration, both the energy and exergy
efficiencies are about 5.5–26% and 9.97-10.2% higher.
The thermodynamic performance of the absorption chiller using (H2O+LiCl) as the
working pair was simulated and compared with the absorption chiller using
(H2O+LiBr). The effects of evaporation temperature on the performance coefficient,
COP, generation temperature, concentration of strong solution and flow rate ratio
were also analyzed. The results showed that the coefficient of performance of the
absorption chiller, using (H2O+LiBr) at the optimum conditions, was around 1.5–2%
higher than that of (H2O + LiCl).
Keywords: Absorption Heat transformer, absorption chiller, Alternative
configurations, Desalination, LiBr+H20, crystallization
ÖZ:
Son yıllarda, ısıtma ve soğutma uygulamalarında fosil yakıt kullanımının
azaltılmasına özen gösteriliyor. Proses sanayilerinde açığa çıkan çok miktarda düşük
sıcaklıktaki ısıl enerji atmosfere bırakılarak termal kirlilik yaratılıyor. Esasen ısı ile
çalıştırılan Absorbsiyonlu Isı Dönüştürücüsü (AID), bu düşük sıcaklıkta atılan ısıyı
bazı uygulamalarda ihtiyaç duyulan daha yüksek sıcaklıktaki ısı enerjisine
yükseltmek için kullanılabilecek yararlı bir gereçtir. Deniz suyunun tuzdan
arındırılması, yüksek sıcaklıkta ısı girdisine ihtiyaç duyulan bahse konu
uygulamalardan biridir. Bu yüzden, deniz suyunu tuzdan arındırmak için, AID’ı
arıtma sistemi ile entegre ederek enerjiyi daha etkili kullanma ve enerji tasarrufu
konularına katkıda bulunmak mümkündür. Bu tez raporu, AID ile birleşik su arıtma
sistemlerinin kuramsal araştırmalarını içermektedir.
Bir su arıtma sistemi ile entegre edilen ve LiBr/H2O çalışma akışkanını kullanan
farklı AID yapılandırmaları analiz edilerek termodinamik optimizyasyonlar yapıldı.
Önce, bir tekstil fabrikasında açığa çıkan atık ısıdan yararlanılarak AID sistemleri
çalıştırılmış ve bunlardan elde edilen yüksek sıcaklıktaki ısı, su arıtma maksatlı
kullanılmıştır. Dört alternatif düzende kurulmuş AID üniteleri ile entegre edilmiş su
arıtma sistemlerinin değişik parametrelerini incelemek için EES (Engineering
Equation Solver) yazılımı kullanarak bir bilgisayar programı geliştirilmiştir.
AID’lerde uygulanan değişikliklerin soğutma tesir katsayılarını (STK) ve buna bağlı
olarak arıtma sisteminin üretkenliğini artırdığı gözlemlenmiştir. Yoğuşturucudan
çıkan atık ısı, buharlaştırıcı tarafından kullanıldığı zaman arıtılmış suyun azami akış
hızı 0.2435 kg/s’ye ulaşıyor. Sözkonusu alternatif AID sistemlerde, LiBr akışkanının
kristalleşme riski de azalıyor.
Araştırmanın daha sonraki kısmında, yeniden sıkıştırma kritik üstü karbondiyoksit
(S-CO2) Brayton çevrimine dayalı yeni bir kojenerasyon çevriminden açığa çıkan
atık ısı kullanılarak, transkritik CO2 çevrimde güç üretimi elde edilmiş ve damıtma
işlemi yapılarak saf su elde edilmiştir. Değişik düzeneklerde tasarlanan AID
kullanılarak düşük sıcaklıkta elde edilen atık ısıyı daha yüksek sıcaklıklara çıkarmak
suretiyle tuzdan arındırma sistemi beslenerek çalıştırılmıştır. En iyi düzenekte, enerji
ve exerji verimliliklerinin yaklaşık yüzde 5.5-26 ve 9.97-10.2 daha yüksek olduğu
gözlemlenmiştir.
Akışkan çifti olarak (H2O+LiCl) kullanan absorbsiyonlu soğutma gurubunun
termodinamik performansı simule edilmiş ve (H2O+LiBr) kullanan soğutma
gurubuyla kıyaslanmıştır. Ayni zamanda, buharlaşma sıcaklığının STK’na, üretim
sıcaklığına, güçlü solusyonun konsantrasyonuna ve akış hızı oranına etkileri
değerlendirilmiştir. Sonuçlar, (H2O+LiBr) çiftini optimum şartlarda kullanan
absorbsiyonlu soğutma gurubunun, (H2O + LiCl) kullanana göre, STK’nın yüzde 1.5
– 2 civarında daha yüksek olduğunu göstermiştir.
Anahtar Kelimeler: Absorbsiyonlu ısı dönüştürücüsü, absorbsiyonlu soğutma
gurubu, alternatif düzenekler, tuzdan arındırma, LiBr+H20, kristalleşm
