Study of the ammonia absorption process into ammonia/water solutions using polymeric membranes for absorption-resorption refrigeration systems

Abstract

En aquesta tesi s’estudia el procés d’absorció d’amoníac en dissolucions d’amoníac/aigua utilitzant membranes polimèriques com a contactors per a la seva integració en els sistemes de refrigeració per absorció-resorció. L’elevada relació superfície/volum proporcionada per les membranes permet reduir la mida dels absorbidors i així poder dissenyar equips de refrigeració més compactes i lleugers. Es proposa utilitzar sistemes de refrigeració per absorció-resorció d’amoníac/aigua ja que permeten reduir l’elevada pressió de treball dels sistemes d’absorció convencionals, fent viable l’ús de materials polimèrics. Inicialment es presenta un estudi del cicle de refrigeració per absorció-resorció d’amoníac/aigua mitjançant models termodinàmics, així com l’anàlisi del funcionament d’una planta de refrigeració per absorció-resorció de 25 kW. Per a l’estudi experimental del procés d’absorció adiabàtic d’amoníac en dissolucions d’amoníac/aigua es va construir un banc d’assajos en què es van provar dos mòduls diferents: membrana plana i fibres buides. En tots dos casos es van desenvolupar models teòrics que van ser validats amb els resultats experimentals. Fruit de l’estudi de la membrana plana es van determinar les característiques requerides per una membrana polimèrica per al seu ús en el procés d’absorció de l’amoníac. Aquestes característiques es van tenir en compte a l’hora de seleccionar el mòdul comercial de fibres buides. Finalment es va desenvolupar un model teòric d’un absorbidor de membranes de fibra buida amb intercanviador de calor integrat. Aquest model es va utilitzar per dissenyar un absorbidor i un resorbidor per al sistema de refrigeració per absorció-resorció de 25 kW. Els resultats obtinguts confirmen el potencial de reducció de mida que ofereixen les membranes, ja que es van obtenir relacions de càrrega tèrmica/volum de fins a 10000 kW/m3, molt superiors a les proporcionades pels absorbidors de plaques (2000 kW/m3) o de carcassa i tubs (300 kW/m3).

En esta tesis se estudia el proceso de absorción de amoniaco en disoluciones de amoniaco/agua utilizando membranas poliméricas como contactores para su integración en los sistemas de refrigeración por absorción-resorción. La elevada relación superficie/volumen proporcionada por las membranas permite reducir el tamaño de los absorbedores y así poder diseñar equipos de refrigeración más compactos y ligeros. Se propone utilizar sistemas de refrigeración por absorción-resorción de amoniaco/agua debido a que permiten reducir la elevada presión de trabajo de los sistemas de absorción convencionales, haciendo viable la utilización de materiales poliméricos. Inicialmente se presenta un estudio del ciclo de refrigeración por absorción-resorción de amoniaco/agua mediante modelos termodinámicos, así como el análisis del funcionamiento de una planta de refrigeración por absorción-resorción de 25 kW. Para el estudio experimental del proceso de absorción adiabático de amoniaco en disoluciones de amoniaco/agua se construyó un banco de ensayos en el que se probaron dos módulos diferentes: membrana plana y fibras huecas. En ambos casos se desarrollaron modelos teóricos que fueron validados con los resultados experimentales. Fruto del estudio con la membrana plana se determinaron las características requeridas por una membrana polimérica para su utilización en el proceso de absorción de amoniaco. Dichas características se tuvieron en cuenta a la hora de seleccionar el módulo comercial de fibras huecas. Finalmente, se desarrolló un modelo teórico de un absorbedor de membranas de fibra hueca con intercambiador de calor integrado. Este modelo se utilizó para diseñar un absorbedor y un resorbedor para el sistema de refrigeración por absorción-resorción de 25 kW. Los resultados obtenidos confirman el potencial de reducción de tamaño que ofrecen las membranas ya que se obtuvieron relaciones de carga térmica/volumen de hasta 10000 kW/m3, muy superiores a las proporcionadas por los absorbedores de placas (2000 kW/m3) o los de carcasa y tubos (300 kW/m3).

This thesis studies the ammonia absorption process into ammonia/water solutions using polymeric membranes as contactors in order to be used in the absorption-resorption refrigeration systems. The high surface/volume ratio provided by the membranes enable to reduce the size of the absorbers and, therefore, more compact and lighter designs can be made. The use of absorption-resorption refrigeration systems is proposed because they allow to reduce the typically high working pressure of the conventional absorption systems, making feasible the use of polymeric materials. Initially, the thesis presents a study of the ammonia/water absorption-resorption refrigeration cycle by means of thermodynamic models, as well as the analysis of the performance of a 25-kW absorption-resorption refrigeration plant. A test bench was designed and built for the experimental study of the adiabatic ammonia absorption process into ammonia/water solutions. Two different membrane modules were tested: a flat-sheet and a hollow fibre membrane module. In both cases, theoretical models were developed and validated with the experimental results. As a result of the study with the flat-sheet membrane, the characteristics required by a polymeric membrane to be used in the ammonia absorption process were determined. These characteristics were considered for the selection of the commercial hollow fibre membrane module. Finally, a theoretical model of a hollow fibre membrane absorber with heat exchanger integrated was developed. This model was used to design an absorber and a resorber for the 25-kW absorption-resorption refrigeration system. The results obtained confirm the potential in terms of size reduction provided by the membrane modules because heat duties/volume ratio up to 10000 kW/m3 were obtained, much higher than those provided by the plate absorbers (2000 kW/m3) or the shell and tube absorbers (300 kW/m3).