Theoretical and experimental study of absorption and absorption/diffusion refrigerating machines using ammonia as a refrigerant: simulation under steady-state and dynamic regimes and experimental characterization of a pilot

Abstract

ASPEN-Plus se utilizó para llevar a cabo investigaciones en régimen estacionario sobre una máquina comercial de refrigeración de absorción de 3 toneladas (10 kW de capacidad de refrigeración) accionada con gas natural y un refrigerador de difusión-absorción (DAR) de pequeña potencia (7.5 W de capacidad de refrigeración).Antes de iniciar las simulaciones, se selecciona entre los nueve modelos implementados en la librería de ASPEN-Plus, el modelo adecuado para estimar las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo amoníaco/agua en amplios rangos de temperatura (273,16 ≤ T ≤ 613,15 K) y de presión (0 < P ≤ 210 bar). Se ha demostrado que la ecuación de estado de Peng-Robinson-Boston-Mathias (PR-BM) es la más adecuada para el par de trabajo amoníaco/agua en los intervalos de temperatura y presión típicos en las máquinas de refrigeración de absorción. Los modelos de simulación desarrollados en ASPEN-Plus para las máquinas de refrigeración de absorción, reproducen y predicen bastante bien los resultados experimentales. Los primeros ensayos experimentales del refrigerador comercial de difusión-absorción (DAR) han mostrado que se requiere un suministro de calor al generador superior a 35W para garantizar el funcionamiento de la máquina y su estabilidad. Además, todas las características esenciales del refrigerador han sido determinadas experimentalmente, especialmente los coeficientes globales de transferencia de calor de la cámara refrigerada y el evaporador, las cuales son(UA)_cab=0.554 WK^(-1) and (UA)_int=0.3 WK^(-1), respectivamente. El mejor rendimiento del refrigerador ha sido obtenido experimentalmente con una fuente de alimentación eléctrica de 46W y una temperatura del generador de 167°C. Se ha encontrado que el COP de la máquina es de 0.159. Las predicciones de los modelos ASPEN-Plus del DAR han mostrado una buena concordancia con los datos experimentales. Por último, un modelo dinámico de caja negra ha sido desarrollado para el refrigerador de difusión-absorción (DAR) en el entorno de Matlab Simulink®. Se ha encontrado que la función de transferencia de primer orden con retardo describe correctamente la relación entre la potencia de accionamiento en el generador y la capacidad de refrigeración.

ASPEN-Plus was used to carry out steady-state investigations on a commercial 3-ton gas-fired absorption chiller (10 kW cooling capacity) and a small capacity (7.5W cooling capacity) diffusion-absorption refrigerator (DAR). Before starting the simulations, the adequate thermodynamic properties model for the ammonia/water fluid mixture over wider ranges of temperature (273.16 ≤ T ≤ 613.15 K) and pressure (0 < P ≤ 210 bar) was selected among nine candidates from the ASPEN-Plus model library. It was found that the Peng-Robinson-Boston-Mathias equation of state (PR-BM) is the most suitable for the ammonia/water working pair in the temperature and pressure ranges encountered in absorption refrigerating machines. The ASPEN-Plus simulation models developed for the absorption chiller were able to reproduce and predict quite well the experimental findings. First experimental tests on the commercial diffusion-absorption refrigerator showed that a heat supply of greater than 35 W in the generator is required to ensure the functioning of the machine and its stability. Further, all the essential features of the refrigerator were determined experimentally, especially the overall heat transfer coefficients of the refrigerated room cabinet and the evaporator, which were (UA)_cab=0.554 WK^(-1) and (UA)_int=0.3 WK^(-1), respectively. The best performance of the refrigerator was reached experimentally with an electric power supply of 46 W and a generator temperature of 167°C. The machine COP was found to be 0.159. The predictions of the ASPEN-Plus models of the DAR showed good agreement with the experimental data. Finally, a dynamic black-box model was developed for the diffusion-absorption refrigerator (DAR) using Matlab Simulink® environment. It was found that a first order transfer function with delay describes correctly the relationship between the power input to the generator and the cooling capacity. The unsteady-state behavior of the refrigerator predicted by the black-box developed agreed well with the experimental data.