Simulation of heat and mass transfer phenomena in the critical elements of H2O-LiBr absorption cooling machines. Experimental validation and application to design

Abstract

Degut a la tendència a l'increment del preu de la energia, i el seu ús cada cop més estès per aire condicionat en els paisos desenvolupats, els sistemes de refrigeració basats en energia solar tenen cada cop més atractiu. El objectiu final d'aquesta tesi és el desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny de màquines de refrigeració per absorció que tinguin la possibilitat de funcionar amb energia solar. Malgrat existeixen en el mercat màquines d'absorció d'aquestes característiques des de fa anys, hi ha una deficiència en el desenvolupament de sistemes de petita capacitat. Els sistemes de petita capacitat impliquen problemes addicionals en el seu disseny (sistemes refrigerats per aire, compacitat ...) que només es poden abordar fent ús d'eines de disseny adequades, tant pel sistema com pels seus components. Tanmateix, hi ha també certa deficiència en la literatura especialitzada en el desenvolupament de models matemàtics adequats per la descripció dels processos de transferència de calor i de massa en les màquines de refrigeració per absorció: àrea mullada en les superfícies d'intercanvi de calor i de massa, paper dels additius, etc. <br/><br/>Per aquestes raons aquest treball ha estat enfocat en aquests objectius:<br/><br/>- Estudi de processos bàsics de transferència de calor i de massa juntament amb els fenomens fluid-dinàmics implicats en absorbidors de màquines d'absorció. Aquest estudi ha estat fet mitjançant simulacions detallades resolent les equacions de Navier-Stokes sota ertes hipòtesis.<br/>- Desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny i predicció de sistemes de refrigeració per absorció, aprofitant la informació donada per models més detallats.<br/>- Desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny dels elements crítics d'intercanvi de calor i de massa de sistemes de refrigeració per absorció (absorbidor, generador, evaporador, condensador) mantenint el càlcul en un raonable temps de CPU. Aquest model recolza el mencionat en el punt anterior.<br/>- Desenvolupament de un prototipus de màquina d'absorció, refrigerada per aire, fent servir H2O-LiBr com a fluid de treball, amb les eines numèriques desenvolupades. <br/>- Contrastació experimental dels models desenvolupats.<br/>- Estudi del funcionament de la màquina d'absorció anteriorment mencionada. <br/>- Avaluació dels resultats per millorar els criteris de disseny i optimització del mateix de cara a prototipus de segona generació.<br/><br/>Després del desenvolupament d'aquestes eines de simulació numèrica que s'han fet servir per problemes específics sortits en el procés d'estudi d'una màquina en concret, un marc de treball ha estat creat per l'estudi d'altres sistemes de refrigeració per absorció.

Due to the increasing trend of the price of the energy, mainly obtained from fossil combustibles, and its also increasing use for air-conditioning in developed countries, solar cooling has been becoming more attractive from the point of view of economics and environment conservation. The final aim of this thesis is the development of numerical simulation tools for the design of absorption machines with the possibility of being driven by solar energy. Although there are available in the market absorption chillers of such characteristics for years, there is a lack in development of small capacity systems. Small capacity systems imply additional problems of design (air-cooled systems, compactness ...) that only can be afford with adequate design tools for system and components. Moreover, there is also a lack in the specialised literature in the development of adequate mathematical models for the description of the heat and mass transfer processes in absorption machines: wetted area of the heat and mass transfer surfaces, role of additives, complex geometries etc.<br/><br/>For these reasons this work has been focused on the following detailed objectives: <br/><br/>- Study of basic heat and mass transfer processes together with the fluid-dynamic phenomena implied in absorbers of absorption chillers. This study has beencarried out by means of detailed simulations solving the Navier-Stokes equations under certain hypotheses. <br/>- Development of numerical simulation tools for design and prediction of absorption systems, taking advantage of information given by more detailed models. <br/>- Development of numerical simulation tools for design of the heat and mass exchange components of absorption systems keeping the calculation in a reasonable CPU time. This model provides of the necessary information for the model mentioned in the previous point.<br/>- Development of a prototype of an air cooled absorption machine based on the numerical results obtained from the models.<br/>- Validation of the models developed by means of comparison of numerical results and experimental data obtained from the prototypes developed.<br/>- Study of the performance of the above mentioned absorption system. <br/>- Evaluation of the results in order to improve the design criteria for a second generation of prototypes.<br/><br/>After the development of these numerical simulation tools and their applicationin specific problems, a framework has been created for the study of other type of absorption systems.