ORIGINAL PAPER
The use of adsorption chillers for waste heat recovery
Jan Kuchmacz 1  
,  
Artur Bieniek 1  
,  
Łukasz Mika 1  
 
 
More details
Hide details
1
Department of Fluid and Flow Machines, AGH University of Science and Technology, Poland
CORRESPONDING AUTHOR
Jan Kuchmacz   

Department of Fluid and Flow Machines, AGH University of Science and Technology, Adama Mickiewicza 30, 30-059, Kraków, Poland
Publish date: 2019-06-24
Submission date: 2019-04-20
Acceptance date: 2019-04-23
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2019;22(2):89–106
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
The purpose of this article was to discuss the use of adsorption chillers for waste heat recovery. The introduction discusses the need to undertake broader measures for the effective management of waste heat in the industry and discusses the benefits and technical problems related to heat recovery in industrial plants. In addition, heat sources for adsorption chillers and their application examples were described. The principle of operation of adsorption chillers is explained in the next chapter. Heat sources for adsorption chillers are indicated and their application examples are described. The above considerations have allowed the benefits and technical obstacles related to the use of adsorption chillers to be highlighted. The currently used adsorbents and adsorbates are discussed later in the article. The main part of the paper discusses the use of adsorption chillers for waste heat management in the glassworks. The calculations assumed the natural gas demand of 20.1 million m3 per year and the electricity demand of 20,000 MWh/year. As a result of conducted calculations, a 231 kW adsorption chiller, ensuring the annual cold production of 2,021 MWh, was selected. The economic analysis of the proposed solution has shown that the investment in the adsorption chiller supplied with waste heat from the heat recovery system will bring significant economic benefits after 10 years from its implementation, even with total investment costs of PLN 1,900,000. However, it was noted that in order to obtain satisfactory economic results the production must meet the demand while the cost of building a heat recovery system shall not exceed PLN 1 million.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Wykorzystanie chłodziarek adsorpcyjnych do zagospodarowania ciepła odpadowego
ciepło odpadowe, odzysk ciepła, efektywność energetyczna, chłodziarki adsorpcyjne
Celem artykułu było rozważenie problemu zagospodarowywania ciepła odpadowego przy wykorzystaniu chłodziarek adsorpcyjnych. Na początku wskazano genezę potrzeby podjęcia szerszych działań na rzecz efektywnego zagospodarowywania ciepła odpadowego w przemyśle oraz omówiono korzyści i problemy techniczne związane z odzyskiem ciepła w zakładach przemysłowych. W następnym rozdziale objaśniono zasadę działania chłodziarek adsorpcyjnych. Z kolei wskazano źródła ciepła dla chłodziarek adsorpcyjnych oraz opisano ich przykładowe zastosowania. Powyższe rozważania pozwoliły na uwypuklenie korzyści i barier technicznych związanych z wykorzystywaniem adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych. W następnej części pracy scharakteryzowano stosowane obecnie adsorbenty i adsorbaty. W zasadniczej części pracy przeprowadzono analizę wykorzystania chłodziarek adsorpcyjnych do zagospodarowania ciepła odpadowego w hucie szkła. W obliczeniach rozważono przykładową hutę szkła, której zapotrzebowanie na gaz ziemny wynosi 20,1 mln m3/rok, a zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosi 20 000 MWh/rok. W efekcie przeprowadzonych kalkulacji dobrano chłodziarkę adsorpcyjną o mocy 231 kW, która zapewni roczną produkcję chłodu wynoszącą 2021 MWh. Analiza ekonomiczna zaproponowanego rozwiązania wykazała, że inwestycja w chłodziarkę adsorpcyjną zasilaną ciepłem odpadowym z instalacji odzysku ciepła przyniesie znaczące korzyści ekonomiczne po 10 latach od jej zrealizowania nawet przy sumarycznych nakładach inwestycyjnych wynoszących 1 900 000 zł. Zaznaczono jednak, że uzyskanie tak zadawalających wyników ekonomicznych będzie możliwe tylko wtedy, gdy w hucie szkła będzie zapewniony ciągły odbiór chłodu, a koszt budowy instalacji odzysku ciepła nie przekroczy 1 mln zł.
 
REFERENCES (30)
1.
Adsorption cooling systems. [Online] http://www.abschiller.ru/index... [Accessed: 2018-11-03].
 
2.
Adsorption machines – a combination of cooling and solar energy (Adsorpcyonnyje maszyny – soczetanije ochłażdienija i eniergii sołnca). [Online] https://caxapa.ua/ru/kompaniya... [Accessed: 03.11.2018] (in Ukrainian).
 
3.
Air conditioning of large buildings (Kondicyonirowanije wozducha na krupnych objektach). [Online] https://planetaklimata.com.ua/... [Accessed: 2018-11-03].
 
4.
Al-Mousawi et al. 2016 – Al-Mousawi, F.N., Al-Dadah, R. and Mahmoud, S. 2016. Novel adsorption system for cooling and power generation utilizing low grade heat sources. International Conference on Applied Engineering Vol. 12, Issue 2, pp. 215–227.
 
5.
Ambarita, H. and Kawai, H. 2016. Experimental study on solar-powered adsorption refrigeration cycle with activated alumina and activated carbon as adsorbent. Case Studies in Thermal Engineering Vol. 7, pp. 36–46.
 
6.
Technical and economical analysis of cold production using district heating network (Analiza techniczno-ekonomiczna produkcji chłodu z wykorzystaniem miejskiej sieci ciepłowniczej). [Online] http://kne.itc.pw.edu.pl/attac... [Accessed: 2018-11-12] (in Polish).
 
7.
Bagdujew, G. and Czałajew, D. 2008. Solar shower. Bulletin of the Dagestan State Pedagogical University (Cołniecznoe oxłażgenie. Izwiestija Dagiestanskogo gosudarstwiennogo piedagogiczeskogo uniwiersitieta). Естественные и точныенауки (Exact sciences and natural sciences) Vol. 2, pp. 2–8.
 
8.
Bakker et al. 2013 – Bakker, E., De Boer, R., Smeding, S., Sijpheer, R. and Van der Pal, M. 2013. Development of an innovative 2,5 kW Water-Silica Gel Adsorption Chiller. Report of Energy Research Centre of the Netherlands Vol. 8, pp. 15–25.
 
9.
Boelman et al. 1995 – Boelman, E.C., Saha, B.B. and Kashiwagi, T., 1995. Experimental investigation of a silica gel-water adsorption refrigeration cycle – the influence of operating conditions on cooling output and COP. ASHRAE Transactions Vol. 101, pp. 358–366.
 
10.
Communication from the Commission to The European Parliament, The Council, The European Economic and Social Committee and The Committee of The Regions. A policy framework for climate and energy in the period from 2020 to 2030, COM/2014/015.
 
11.
Fan et al. 2007 – Fan, Y., Luo, L. and Souyri, B. 2007. Review of solar sorption refrigeration technologies: Development and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 11, pp. 1758–1775.
 
12.
Grzebielec, A. 2005. Application and prospects of development of adsorption refrigeration equipment in refrigeration and air conditioning (Zastosowanie i perspektywy rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych w chłodnictwie i klimatyzacji). Chłodnictwo i Klimatyzacja Vol. 4, pp. 52–57 (in Polish).
 
13.
Grzebielec et al. 2015 – Grzebielec, A., Rusowicz, A., Jaworski, M. and Łaskowski, R. 2015. Possibility of using adsorption refrigeration unit in district heating network. Archives of thermodynamics Vol. 36, Issue 3, pp. 15–24.
 
14.
Gwadera, M. and Kupiec, K. 2011. Adsorptionrefrigerationsystems (Adsorpcyjne układy chłodnicze). Inżynieria i aparatura chemiczna Vol. 50, Issue 5, pp. 38–39.
 
15.
Hammond, G. and Norman, J. 2014. Heat recovery opportunities in UK industry. Applied Energy Vol. 116, pp. 387–397.
 
16.
Hamrahi et al. 2018 – Hamrahi, S.E., Goudarzi, K. and Yaghoubi, M. 2018. Experimental study of the performance of a continues solar adsorbtion chiller using nano-activated carbon/metanol as working pair. Solar Energy Vol. 173, pp. 920–927.
 
17.
Jiangzhou et al. 2003 – Jiangzhou, S., Wang, R.Z., Lu, Y.Z., Xu, Y.X., Wu, J.Y. and Li Z.H. 2003. Locomotive driver cabin adsorption air-conditioner. Renewable Energy Vol. 28, pp. 1659–1670.
 
18.
Kuchmacz, J. and Mika, Ł. 2018. Possibilities of use and management of low-temperature waste heat from industrial processes (Możliwości wykorzystania i zagospodarowania niskotemperaturowego ciepła odpadowego z procesów przemysłowych). Poszerzamy horyzonty Vol. 7, pp. 234–248 (in Polish).
 
19.
Kuczyńska, A. and Szaflik, W. 2010. Absorption and adsorption chillers applied to air conditioning systems. Archives of Thermodynamics Vol. 31, pp. 77–94.
 
20.
Liu et al. 2005 – Liu, Y.L., Wang, R.Z. and Xia, Z.Z. 2005. Experimental performance of a silica gel water adsorption chiller. Applied Thermal Engineering Vol. 25, pp. 359–375.
 
21.
Li et al. 2016 – Li, W., Joshi, Ch., Xu, P. and Schmidt, F. 2016. Experimental study on adsorption refrigeration system with stratified storage – Analysis of storage discharge operations. Procedia Engineering Vol. 146, pp. 625–631.
 
22.
Najeh et al. 2016 – Najeh, G., Silmane, G., Souad, M., Riad, B. and Mohammed, G. 2016. Performance of silica gel-water solar adsorbtion cooling system. Case Studies in Thermal Engineering Vol. 8, pp. 337–345.
 
23.
Pralon, A. and Daguenet, M. 2000. Performance of a new solid adsorption ice maker with solar energy regeneration. Energy Conversion and Management Vol. 41, pp. 1625–1647.
 
24.
Restuccia et al. 2004 – Restuccia, G., Freni, A., Vasta, S. and Aristov, Y. 2004. Selective water sorbent for solid sorption chiller: experimental results and modeling. International Journal of Refrigeration pp. 284–293.
 
25.
Rudenko, M.F., 2008. Development and research of the efficiency of the adsorption solar cooling plant (Razrabotka i issledowanije effiektiwnosti adsorbcyonnoj gieliochołodilnoj ustanowki). Wiestnik mieżdunarodnoj akadiemii chołoda (Bulletin of the International Academy of Refrigeration) Vol. 2, pp. 34–37 (in Russian).
 
26.
Rudenko, M.F. and Szypulina, J. 2011. Simulation of the thermodynamic cycle of the adsorption solar thermal transformer (Modielirowanije tiermodinamiczeskogo cykla raboty adsorbcyonnogo gielioeniergieticzeskogo tiermotransformator). Wiestnik Astrachanskogo Gosudarstwiennogo Tiechniczeskogo Uniwiersitieta (Bulletin of the Astrakhan State Technical University). Sierija: Morskaja tiechnika i tiechnołogi Vol. 3, pp. 136–140 (in Russian).
 
27.
Song et al. 2015 – Song, X., Ji, X., Li, M., Wang, Q., Dai, Y. and Liu, J. 2015. Effect of desorption parameters on performance of solar water-bath solid adsorption ice-making system. Applied Thermal Engineering Vol. 89, pp. 316–322.
 
28.
Wang et al. 2004 – Wang, L.W., Wang, R.Z., Wu, J.Y., Wang, K. and Wang, S.G. 2004. Adsorption ice makers for fishing boats driven by the exhaust heat from diesel engine: choice of adsorption pair. Energy Conversion and Management Vol. 45, pp. 2043–2057.
 
29.
Weisser, P. and Skotnicki, P. 2016. Perspective of application the ORC systems at low temperature waste energy (Perspektywy wykorzystania układów ORC przy niskotemperaturowej energii odpadowej). Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych Vol. 6, pp. 114–122 (in Polish).
 
30.
Thermalwaters (Wody termalne). [Online] https://mineralne.pgi.gov.pl/w... [Accessed: 2018-11-02] (in Polish).
 
ISSN:1429-6675