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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-14012021-102524
Documento
Autor
Nombre completo
Beethoven Narvaez Romo
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2020
Director
Tribunal
Moreira, José Roberto Simões (Presidente)
Bandarra Filho, Enio Pedone
Brum, Nisio de Carvalho Lobo
Ribatski, Gherhardt
Stutz, Benoit
Título en inglés
An experimental study of an ammonia-water absorption refrigeration cycle using a novel modified horizontal liquid film absorption system
Palabras clave en inglés
Absorption process
Absorption refrigeration cycle
Ammonia-water
Falling film
Heat and mass transfer
Horizontal film
Total wettability
Resumen en inglés
The falling film technology has been widely used in different engineering applications, including in the absorption refrigeration cycles (ARC) because it has a huge potential to be used for heat recovery from thermal sources and from solar energy. Open-source literature review shows different studies over the heat and mass transfer (HMT) behavior for both absorption and generation processes, demanding more experimental results in this field. Moreover, the wettability problems are still present in liquid falling film applications. Therefore, the current work deals with an experimental test rig of an ARC for a 1500 W cooling capacity, allowing to study the absorption process in real operational conditions. Furthermore, the present research study the heat and mass transfer absorption process in a novel configuration, using a horizontal liquid film in ammonia-water mixtures. Firstly, a complete literature review on falling film technology focused on the HMT study in sorption processes was carried out, in which both ammonia-water and lithium bromide-water working fluid were analyzed. Based on that review, a HMT mapping for the most common working fluid was obtained by using a modeling of the absorption refrigeration system. Secondly, a modeling of the ammonia-water absorption process using a new proposal of heat and mass exchanger in which the total wettability is guaranteed was developed. A mathematical model based on the overall balance of mass, ammonia species, and energy equations was carried out. Finally, an ammonia-water absorption refrigeration test was projected, built and tested, in which it allowed studying the ARC as a function of several operational parameters such as strong mass flow rate, generation temperature, weak solution temperature, concentrations, and absorption pressure. Moreover, the horizontal modified liquid film absorber was tested in real operational conditions. According to the theoretical studies, a HMT mapping were obtained for those experimental and analytical correlations, obtaining the possible operating range of the Nusselt number and Sherwood number in some typical operational conditions from ARC's. The heat and mass transfer coefficients were strongly enhanced as the absorption refrigeration cycle achieved vaporization temperatures below 0 °C for ammonia-water working fluid. Moreover, a parametric study of the ammonia-water absorption process was carried out. Absorber heat rate was improved by using lowest surface temperature and lowest liquid film thickness. Also, studies showed absorption heat rejection decreases as a function of the position into the absorber, whose first plate absorbed about 30% of the total heat of absorption. Based on experimental studies, results showed the operation of the ammonia-water absorption refrigeration cycle, achieving temperatures below 0 °C.
Título en portugués
Estudo experimental do ciclo de refrigeração por absorção de amônia-água usando um novo sistema de absorção de filme horizontal.
Palabras clave en portugués
Absorção
Amônia
Filme descendente
Filme horizontal
Molhabilidade total
Processo de absorção
Refrigeração
Transferência de calor
Resumen en portugués
A tecnologia por filme descendente tem sido estudada em diferentes aplicações de engenharia; incluindo seu uso em ciclos de refrigeração por absorção (ARC) devido ao grande potencial para serem instalados com fontes de energia residual e energia solar. A revisão bibliográfica apresenta diferentes estudos do comportamento da transferência de calor e massa (HMT) nos processos de geração e absorção, demandando mais resultados experimentais. Ainda, os problemas de molhabilidade seguem presentes em aplicações de filme descendente. Desse modo, o presente trabalho foca-se em projetar e construir uma bancada experimental de um ARC com capacidade frigorifica de 1500W, permitindo estudar o processo de absorção em condições reais de operação. Também, estuda-se o processo de HMT no processo de absorção em uma nova configuração usando um filme horizontal líquido de solução de amônia-água. Inicialmente, uma detalhada revisão bibliográfica sobre tecnologia de filme descendente focada ao estudo da HMT nos processos de sorção para os fluidos mais comuns foi levantada. Baseado nessa revisão e no modelamento desses ciclos, o mapeamento da HMT para os fluidos mais comuns foi obtido. A seguir, o modelo do processo de absorção usando a nova configuração do trocador de calor e massa caracterizado por uma molhabilidade total foi desenvolvida. O modelo matemático foi baseado nas equações de balanço total de massa, espécie amônia e energia. Finalmente, uma bancada do ARC foi projetada, construída e testada, permitindo estudar o ciclo em função de vários parâmetros de operação como vazão mássica da solução forte, temperatura de geração, temperatura da solução fraca, concentrações, e pressão de absorção. Além disso, o absorvedor de filme líquido horizontal foi testado em condições reais de operação. De acordo aos estudos teóricos, um mapeamento do HMT para essas correlações experimentais e analíticas foi alcançado, obtendo a faixa operacional possível do número de Nusselt e do número de Sherwood em algumas condições operacionais típicas dos ARCs. Os coeficientes de HMT foram aprimoradas à medida que o ARC opera em temperaturas de vaporização abaixo de 0 °C para a solução de água-amônia. Um estudo paramétrico do processo de absorção de amônia-água foi realizado, sendo que a taxa de calor do absorvedor foi melhorada usando a menor temperatura da parede e a menor espessura do filme líquido. Estudos mostraram que taxa de rejeição do calor de absorção diminui em função da posição no absorvedor, cujo primeiro prato absorveu aproximadamente 30 % do calor total de absorção. Com base em estudos experimentais, os resultados mostraram a operação do ARC de água-amônia, atingindo temperaturas abaixo de 0 °C.
 
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Fecha de Publicación
2021-01-15
 
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