افزایش کارایی سیستم سرمایش فوق بحرانی دی‌اکسیدکربن با استفاده از پس‌خنک‌کن جذبی

سیستم‌ سرمایش فوق بحرانی دی‌اکسیدکربن (tcc) با تراکم دومرحله‌ای ابزاری مناسب برای ایجاد دماهای پایین به شمار می‌رود، اما ضریب عملکرد آن بسیار کم است. در این پژوهش، برای بهبود ضریب عملکرد این سیستم‌، از یک مبدل حرارتی تحت عنوان پس‌خنک‌کن (afc) استفاده شده است. وظیفۀ afc این است که دمای مبرد خروجی از خنک‌کن گاز در سیستم tcc را تا کمترین میزان ممکن کاهش دهد. بار سرمایشی مورد نیاز در afc توسط یک چیلر جذبی و گرمای مورد نیاز برای راه‌اندازی چیلر جذبی توسط حرارت بازیافت‌شده از گازهای داغ خروجی از کمپرسورها تامین شده است. انتخاب‌هایی که برای چیلر جذبی در نظر گرفته شده‌‌اند شامل سیستم‌های جذبی تک‌اثرۀ لیتیم‌برمایدی و آمونیاکی است. پیکربندی‌های پیشنهادی در نرم‌افزار ees مدل‌سازی شده است و از دیدگاه انرژی و اگزرژی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. نتایج نشان داد که در شرایط کاری یکسان و با استفاده از سیستم سرمایش جذبی آمونیاکی در قسمت afc، می‌توان ضریب عملکرد بالاتری را برای سیستم tcc رقم زد (22% بالاتر). اما با استفاده از سیستم آمونیاکی، فاکتور کاربرد انرژی کل سیستم (euf) و نیز راندمان اگزرژی آن به‌ترتیب 25% و 29% پایین‌تر است. نتایج تحلیل پارامتری نیز نشان داد که طراحی دقیق شرایط کارکرد یک سیستم سرمایش فوق بحرانی دی‌اکسیدکربن می‌تواند سهم بسزایی در بهبود عملکرد این سیستم داشته باشد؛ به‌گونه‌ای که ضریب عملکرد و euf در سیستم ترکیبی با afc لیتیم‌برمایدی می‌تواند به‌ترتیب تا میزان 4.7% و 59.4% نسبت به سیستم ترکیبی با afc آمونیاکی بهبود پیدا کند. از سوی دیگر، نتایج تحلیل اقتصادی بیانگر این مطلب است که با قیمت‌های فعلی برق و گاز در ایران، هزینه‌های سالانۀ سیستم ترکیبی که از سیستم سرمایش جذبی لیتیم‌برمایدی استفاده می‌کند در مقایسه با سیستم tcc غیرترکیبی به میزان $3720 و در مقایسه با سیستم ترکیبی با afc آمونیاکی به میزان $4590 کمتر است.

Performance Improvement of a Transcritical Carbon Dioxide Compression Refrigeration System by Means of an Absorption After-cooler

Introduction: Twostage Transcritical Carbon dioxide Compression (TCC) refrigeration system is a useful tool to provide lowtemperature refrigeration but with a low coefficient of performance (COP). In this research, in order to improve this COP, a heat exchanger, called Aftercooler (AFC), is embedded into the system configuration. The AFC cools down the temperature of the refrigerant leaving the gascooler to the lowest possible temperature. The cooling load of the AFC is provided by an absorption refrigeration system and the heating power required to run the absorption chiller is supplied by the waste heat, recovered from the hot refrigerant, which leaves the compressors. When the recovered heat is not enough to provide the maximum cooling load, an auxiliary boiler is used in order to provide the redundant heat, required by the generator of the absorption chiller. Singleeffect LiBr/H2O and Ammonia/Water absorption refrigeration systems are two options for the AFC part. The proposed configurations are modeled in EES software and analyzed from energy and exergy viewpoints. A parametric study is also performed, in order to evaluate the performance of the two proposed systems in different operating conditions. Finally, an economic analysis reveals lower annual lifecycle cost (ALCC) of the system. Materials and methods: In order to simulate the proposed combined systems, mass, energy and exergy balance equations are applied on all components. These equations are solved for each component, so that the energy consumption and exergy destruction of that component are calculated. The results of the simulations of the TCC and absorption systems are validated by the presented literature. Then, a parametric study is performed in order to point out the optimal operating conditions. Finally, the proposed systems are studied for the optimal operating condition from an economic viewpoint. Result: Results show that in mutual operating conditions, using an ammonia/water absorption chiller results in a higher COP for TCC system, say 22% higher. But compared to the LiBr absorption system, the ammonia absorption system reduces the Energy Utilization Factor (EUF) and the exergy efficiency of the whole system, 25% and 29% respectively. Results of the parametric study state that the accurate design of the operating conditions of a TCC system results in an increase in system performance. Therefore, the COP and EUF of the system with LiBr AFC could respectively increase up to 4.7% and 59.4%, compared with the NH3AFC counterpart. On the other hand, economic analysis illustrates that with current energy carriers rsquo; prices in Iran, the annual cost of the system which has combined the TCC and the LiBrAFC is 3720$ less than that of a single TCC, and it is 4590$ less than that of the combined TCC and the NH3AFC. Discussion and Conclusion: Energy and exergy analyses show that by use of a LiBr absorption chiller as the aftercooler, COP and EUF of the TCC system can be increased up to 48.73% and 73.4% respectively. Also, it can be concluded that a LiBr Aftercooler can reduce the ALCC of the combined system up to 5%, compared with a single TCC system.