Thermodynamic analysis of open cycle evaporative cooling systems with liquid desiccant mediums

Abstract

The objective of this work is to study the heat and mass transfer processes between air,desiccant solution and water during absorption and desorption processes for applications ofliquid desiccant air conditioning. The study is performed both theoretically and experimentallyand investigates the performance of these processes in terms of absorber efficiency andregenerator efficiency. Firstly, the theoretical background on the thermodynamic properties ofthe most common liquid desiccant solutions (Lithium Chloride, Lithium Bromide and Calcium Chloride) is established, followed by the development of the mathematical models for thedehumidifier and regenerator. The developed models concern three different configurations;the adiabatic device with structured packing, the non-adiabatic device with a tubular heatexchanger and the non-adiabatic device with a parallel plate heat exchanger. All models arevalidated with experimental data taken from the literature and the comparison indicatesreasonable deviations between the theory and the experiment. The extensive parametricanalysis carried out in each device indicates the most important parameters that affect theperformance of liquid desiccant dehumidifiers and regenerators. The experimental procedureoffered valuable information on the operation of such systems. The experimental resultsshowed that the air dehumidification rate ranged from 6.99 to 11.90 kg water/hr and theenergy consumption related to the regenerator ranged from 6.93 kWh to 26.22 kWh,depending on the operational conditions. Modest values of regeneration efficiency wereachieved even under hot water temperatures as low as 46.11 oC. The proven low temperatureheat required to drive liquid desiccant air conditioning systems along with the subsequentenvironmental and economic advantages, may facilitate the use and widespread installationof these systems.

Το αντικείμενο της έρευνας αυτής είναι η μελέτη των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας καιμάζας μεταξύ του αέρα, του αφυγραντικού υλικού και του νερού που συντελούνται στακλιματιστικά συστήματα ανοικτού εξατμιστικού κύκλου με υγρά προσροφητικά υλικά. Ηέρευνα υλοποιείται τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο και εξετάζει τηνενεργειακή απόδοση του αφυγραντή και του αναγεννητή. Αρχικά, αποκτάται το θεωρητικόυπόβαθρο σχετικά με τις θερμοδυναμικές ιδιότητες των πιο διαδεδομένων αφυγραντικώνυδατικών διαλυμάτων (Χλωριούχο Λίθιο, Βρωμιούχο Λίθιο, Χλωριούχο Ασβέστιο). Η γνώσηαυτή χρησιμοποιείται ως βάση για την ανάπτυξη των μαθηματικών μοντέλων του αφυγραντήκαι του αναγεννητή. Τα μοντέλα αφορούν τρεις διαφορετικές διατάξεις: την αδιαβατικήσυσκευή με το πληρωτικό υλικό, τη μη αδιαβατική συσκευή με το σωληνοειδή εναλλάκτη καιτη μη αδιαβατική συσκευή με τον πλακοειδή εναλλάκτη. Όλα τα μοντέλα συγκρίνονται μεπειραματικά δεδομένα από την ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία και δείχνουν αξιόπιστησυμπεριφορά, παρουσιάζοντας μικρές αποκλίσεις μεταξύ τους. Η εκτενής παραμετρικήανάλυση που διεξάγεται σε κάθε επικυρωμένο μαθηματικό μοντέλο υποδεικνύει τουςσημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση του αφυγραντή καιτου αναγεννητή. Η πειραματική διαδικασία που διεξάγεται στα πλαίσια της εργασίας αυτήςπροσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τη λειτουργία αυτών των κλιματιστικών συσκευών. Ταπειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρυθμός αφύγρανσης του αέρα κυμαίνεται από 6.99έως 11.90 kg νερού/ώρα και η ενεργειακή κατανάλωση του αναγεννητή κυμαίνεται από 6.93kWh έως 26.22 kWh, ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας. Ικανοποιητική απόδοσητου αναγεννητή επιτυγχάνεται ακόμη και με θερμοκρασία θερμού νερού 46.11 oC. Η χαμηλήθερμοκρασία που απαιτείται για τη λειτουργία αυτών των κλιματιστικών μονάδων ευνοεί τηχρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, αποκτώντας έτσι περιβαλλοντικά και οικονομικάπλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών κλιματιστικών συστημάτων συμπίεσης ατμού.