Modelling and experimental validation of water vapor absorption by falling films of LiBr aqueous solution under wave regimes conditions and presence of non-absorbable gases

Abstract

Esta tesis se centra en el estudio de los diferentes mecanismos implicados en la absorción de vapor de agua en películas descendentes de configuración vertical (tipica configuracion para absorbedores enfriados por aire) usando LiBr-H2O como fluido de trabajo: i) transferencia simultánea de calor y de masa; ii) régimen ondulado en la superficie libre de la película; iii) la influencia de los gases no absorbibles en el desempeño del absorbedor. El trabajo de este manuscrito se divide en dos areas: i) El trabajo experimental. En el capítulo 3 se da una descripción sobre el diseño, construcción y puesta en marcha unidad experimental. Se exponen los detalles sobre los materiales de construcción y los sensores de medición. Durante el desarrollo de este trabajo, los autores han prestado especial atención en la verificación de los datos experimentales. Esta verificación consiste en la realización de los balances de energía y masa en el lado de la solución acuosa. Importantes discrepancias fueron encontrados en nuestros propios datos experimentales, por lo tanto, un extenso estudio se llevaron a cabo con el fin de encontrar la fuente de dichos errores. La principal conclusión final es que hay un arrastre de la solución de LiBr en el vapor de agua que aumenta con el número de Re. Este "flujo de niebla" es mínimo (50 PPM), pero es suficiente para contribuir en el desequilibrio energético. Finalmente se da una breve introducción sobre la técnica de espectrometría de masas y su aplicación en la influencia de gases no absorbibles en el rendimiento del absorbedor. ii) trabajo numérico. El desarrollo de herramientas de cálculo numérico de calculo rápido que describan la fenomenología de absorción en películas verticales lo más preciso posible (dentro de sus limitaciones). El capítulo 4 describe un modelo analítico unidimensional basado en la resolución de las ecuaciones de conservación (masa, especies y energía) que a su vez constituyen tres ecuaciones diferenciales ordinarias. Su resolución permite calcular la temperatura tanto de la película como del fluido secundario, así como también el flujo de masa absorbida a lo largo de la película descendente. Ecuaciones adicionales se utilizan para calcular las concentraciones en la en la película (bulk) como en su interfase. Este modelo utiliza información empírica para los coeficientes de transferencia de calor y masa. La principal ventaja de este modelo es el ahorro de tiempo de cálculo en CPU. El capítulo 5 describe la formulación matemática y la implementación numérica de un modelo semi-empírico basado en ecuaciones de Navier-Stokes, acopladas junto con la ecuación de especies y de energía, todo bajo las hipótesis de capa límite. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento de tipo "step by step". El régimen laminar ondulado es considerado por la inclusión y la resolución la ecuación "Free Surface Deflection". Capitulo 6 presenta un modelo matemático que predice los efectos de los gases no absorbibles en el desempeño de los sistemas de absorción. El modelo es semi-empírico, y es una extensión del modelo presentado en el capitulo 5. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento "step by step" y se resuelven en ambas las fases líquida y de vapor. Se ha implementado un tratamiento detallado de las condiciones de contorno de la interfase líquido-vapor (Balances de masa y energía). Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos.Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos. El capítulo se divide en dos secciones i) la validación experimental de la absorción de película descendente en tubos verticales en presencia de régimen ondulado. iii) Validacion experimental en presencia de no absorbibles.

This thesis is focused in the study of the different mechanisms involved during vapor absorption of water in the vertical falling films using LiBr-H2O as working fluid: i) simultaneous heat and mass transfer; ii) wavy regime at the free surface of the film; iii) the influence of non-absorbable gases in the performance of the absorber. The work of this manuscript is divided in two mains areas: i) experimental work: In chapter 3 is given a description about the design, construction and commissioning of the vertical absorption experimental apparatus. Details about construction materials, measuring sensors are exposed. During the development of this work, the authors have paid careful attention to the verification of experimental data. Such verificationconsists in performing energy and mass balances in the fluid film and coolant sides. Important discrepancies were found in our own experimental data, therefore an extensive study were carried out in order to find the source of such errors. The final main conclusion is that there is a drag of LiBr solution into the water vapor which increases with Re number. This mist flow is minimum (50 PPM) but it is enough in order to contribute in the energy imbalance. Finally a brief introduction about mass spectrometry technique and its application in the influence of the effect of the non-absorbable is given. ii) Numerical work: The development of quick calculation numerical tools which describe the most accurate possible (within their limitations) the behavior of absorption in falling films with the characteristics described in above.Chapter 4 describes an one-dimensional analytical model based on the resolution of the conservation equations (mass, species and energy) that constitute three ordinary differential equations.Their resolution allows to calculate solution and coolant temperature distributions, and mass flux absorbed along the falling film. Extra equations are used for calculating bulk and interface mass concentrations, as well as interface temperature distribution. This model uses empirical information for heat and mass transfer coefficients. The main advantage of this model is the savings in CPU computation time. Chapter 5 describes the mathematical formulation and numerical implementation of a semi-empirical model based on Navier-Stokes equations together with energy and mass species equations simplified under the boundary layer hypotheses. The coupled equations are solved by means of finite difference method in a step by step procedure. The laminar wavy regime is considered by including and solving the Free Surface Deflection Equation. Chapter 6 presents a mathematical model that predicts the effects of non-absorbable gases on the performance of the absorption systems. The model is semi-empirical, based on Navier Stokes equations together with energy and mass species simplified under the boundary layer hypotheses. The coupled equations are solved by means of finite difference method in a step by step procedure and are solved in both the liquid and gas phases. A detailed treatment of the liquid-vapor interface boundary conditions for the LiBr- H2O has been implemented (Energy and mass balances). Finally chapter 7 In this chapter are shown the experimental results and its comparison against the numerical results. The chapter is divided in two main sections: i) The experimental validation of the falling film absorption in vertical tubes in presence of wavy regime. In this section a parametric study of the influence of governing variables during absorption henomena has been performed. ii) The experimental validation of falling film absorption in vertical tubes in presence of wavy regime and non-absorbable gases. In this second part a parametric study has been performed by evaluating the influence of different air concentrations in the absorber performance. The studies results in each of the sections are widely discussed.