KFUPM ePrints

Transient thermodynamic analysis of generator in a solar absorption system designed for hot and humid climates

l Transient thermodynamic analysis of generator in a solar absorption system designed for hot and humid climates. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (MS THESIS) - Accepted Version
Restricted to Abstract Only until 07 March 2018.

3407Kb

Arabic Abstract

يعرض هذا البحث تطوير نموذج ديناميكي لدورة تبريد إمتصاصي أحادية التأثير والتي توظف بروميد الليثيوم والماء كممتص ومبرد وذلك بإجراء تحليل ديناميكي حراري متغير مع الزمن. المشاكل المرتبطة بانبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون حفزت الباحثين في مجال الهندسة للتركيز على إيجاد بدائل لمصادر الطاقة التقليدية أو تطوير الموجود منها. بناء على ذلك، أجريت الكثير من الدراسات والتجارب على أنظمة التبريد الإمتصاصي لفهم أداءها الفعلي بدقة، وأدخلت الكثير من التعديلات بغرض تحسين وزيادة معامل الأداء لهذه الأنظمة. في هذا الصدد، حتى لو تم إفتراض أن الأثر التبريدي المطلوب كان ثابتا، وتم التحكم في كمية الطاقة الداخلة، سوف تكون هناك فترة عابرة تسبق فترة التشغيل في الحالة المستقرة للجهاز. طوال هذه المرحلة الغير مستقرة، معظم المعاملات تبقى تتذبذب ولا تستقر عند قيم معينة، والبعض منها قد يذهب بعيداً عن نطاقاتها المسموح بها بطريقة تؤثر على أداء الجهاز على نحو خطير. تعتبر هذه الظاهرة الحافز الرئيسي والشاغل الأساسي لهذه الدراسة. ويستند النموذج الديناميكي على قوانين إتزان الكتلة, الدفع, والطاقة مع الأخذ في الاعتبار الاستجابة الديناميكية للدورة ومع التركيز بصفة خاصة على أداء المولد الذي من المفترض أن يتم إمداده بالطاقة عن طريق نظام الطاقة الشمسية. وتُبين النتائج أن الدورة تستغرق في المتوسط حوالي 14 دقيقة قبل استقرار معظم المعاملات على قيمها التشغيلية المصممة لها، و تتلاشى الحدود الديناميكية في ما يسمى بالتشغيل المستقر. بعدها، تم التحقق من النموذج المبتكر مع نموذج ديناميكي متاح مسبقاً، فضلاً عن آخر يقوم على فرضية التشغيل في الحالة المستقرة. وتكشف المقارنة عن توافق مقبول بدرجة كبيرة مع كليهما. وقد كانت القيم الأولية المطبقة قد حسنت الى أبعد ما يمكن لتجنب خطر التبلور طوال فترة التشغيل. وعلاوة على ذلك، تمت دراسات الآثار المترتبة من الحرارة المدخلة والكتلة الحرارية للممتص والمولد على الفترة التشغيلية العابرة. نتج عن التحقيق في أداء النظام تحت تأثير الكميات المختلفة للحرارة المدخلة ونتج عن فترات عابرة أقصر كلما زادت الحرارة المدخلة. من جهة أخرى، عند تم الأخذ في الاعتبار الكتلة الحرارية للمكونات، أخذت الدورة حوالي 20 دقيقة قبل أن يصل التشغيل للحالة المستقرة، وهذا يعكس أهمية أخذ الكتلة الحرارية للمكونات بعين الاعتبار عند نمذجة مثل هذه الأنظمة. النموذج الديناميكي المبتكر قادر على التنبؤ بالأداء الفعلي لماكينة التبريد الإمتصاصي أحادية التأثير التي تعمل بواسطة محلول بروميد الليثيوم والماء إلى حد بعيد، مما يساعد بدوره على تصميم أنظمة التبريد الإمتصاصي المناسبة لمختلف التطبيقات مع ضمان التشغيل الآمن. بعد ذلك، تم التحقق من أداء نظام التبريد الامتصاصي بالطاقة الشمسية بناءً على معلومات الأرصاد الجوي لمدينة الظهران_ بالمملكة العربية السعودية ليوم ممثل لفصل الصيف. وتشير النتائج للحوجة إلى نظام تسخين مساعد بجانب النظام الشمسي بغرض إمداد نظام التبريد ب14.67 كيلو واط اللازمة لتغطية حمولة تبريد تساوي 3 طن تبريد. النسبة الشمسية تتراوح بين 60 إلى 90% خلال أوقات الظهيرة عندما تكون مساحة النظام الشمسي بين 25، و35 متراً مربعاً. غير أنّ النظام الشمسي يكون قادراً على توفير كامل الطاقة المطلوبة لوحده بين الساعة الثانية عشر والواحدة ظهراً إذا كانت مساحة المجمع الشمسي 40 متراً مربعاً (النسبة الشمسية = 100%).

English Abstract

This research presents developing of a dynamic-model for a single effect absorption cooling cycle that employs LiBr/water as an absorbent/refrigerant pair by executing a transient thermodynamic analysis. Problems related to Carbon Dioxide (Co2) emissions motivate researchers in the engineering area to focus on alternatives to the conventional sources of power or enhance the existing ones. Accordingly, a lot of studies and experiments, have been conducted on the absorption systems to understand its actual performance minutely to improve it and increase its Coefficient of Performance (COP). In this regard, even if the input power is controlled, there will be a transient period that precedes the steady operation period of the machine due to the initial mass unbalance inside absorption system components. Throughout this unsteady stage, most parameters keep fluctuating and do not stabilize at particular values, and some of them may go away of their allowed ranges in a manner that affect the machine performance severely. This phenomena is considered as prime motivation and fundamental concern of this study. The dynamic model is based on mass, momentum, and energy balances while taking into account the dynamic response of the cycle with special focus on the generator performance which supposed to be driven by means of solar field. The results indicate that it takes an average of 14 minutes before most of parameters stabilize at their operating values and the dynamic terms fade away in what so called steady-state operation. Then, the developed model was verified with a dynamic model reported in the literature, as well as another in steady state condition. The comparison reveals an acceptable agreement with both. After that, the applied initial values were optimized to avoid the risk of crystallization throughout the operation. Furthermore, the effects of the heat input and inertia of the absorber and the desorber on the transient period were considered. The investigation of the system performance under different heat inputs resulted in shorter transient period as the heat input is increased. On the other, when the inertia of the components was considered, the cycle took about 20 minutes before it reached the steady state operation, and that reflect the importance of taking the inertia of the components into consideration. The developed dynamic model is able to predict the transient performance of single-effect LiBr/Water absorption cooling machine which in turn helps in designing appropriate absorption systems for various applications while ensuring safe operation. Thereafter, the performance of the solar absorption system was investigated under meteorological condition of Dhahran – Saudi Arabia for a representative day of summer. The result indicates that; an auxiliary heating system is needed to assist the solar system in order to empower the absorption cooling system by 14.67 kW required to cover a cooling load of 3 TR. The solar fraction ranges between 60 to 90% during noon times for collector areas between 25, and 35 m2. Nevertheless, the evacuated tube collector is able to stand alone and satisfy the total required energy during the hour immediately after noon if the collector area is 40 m2 (SF = 100%).



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Syed A. M. Said, PROFESSOR
Committee Members:Amro Al-Qutub, PROFESSOR and Fahad Al-Sulaiman, DOCTOR
ID Code:140287
Deposited By:HAMZA MUKHTAR (g201402920)
Deposited On:08 Mar 2017 11:46
Last Modified:08 Mar 2017 11:46

Repository Staff Only: item control page