Estudio del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción.

Abstract

En los últimos años ha aparecido una demanda de equipos de refrigeración por absorción de pequeña potencia con accionamiento térmico a baja temperatura, fundamentalmente por las posibilidades de aprovechar energía solar térmica. Los equipos de absorción de amoniaco/agua se postulan como una alternativa a los sistemas típicos de acondicionamiento de aire con energía solar (sean de adsorción, o de absorción con agua bromuro de litio), debido a que son adecuados para un equipo de pequeña potencia por sus grandes posibilidades de reducción de su tamaño. Además estos sistemas pueden operar sin torres de refrigeración, lo que es adecuado en un equipo de pequeña potencia.<br/>El centro de innovación tecnológica CREVER, con la colaboración de la Universidad de Vigo, propuso un proyecto de investigación titulado "Desarrollo de componentes avanzados para el diseño y fabricación de máquinas de refrigeración por absorción con NH3-H2O de pequeña potencia y activación térmica a baja temperatura". Este proyecto se centró en el desarrollo de modelos de cálculo de los tres equipos que se identificaron como críticos en su diseño: absorbedor, generador y rectificador. En el desarrollo de este proyecto se identificaron los intercambiadores de placas como la solución adecuada para reducir al máximo el tamaño del absorbedor y el generador, reducir la carga de los equipos, y aprovechar al máximo las temperaturas de las fuentes de energía.<br/>Esta tesis se ha realizado en el marco de dicho proyecto y tiene como principal objetivo el estudio experimental del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en un canal de un intercambiador de placas. La experimentación se ha realizado en las condiciones de operación de un generador de un equipo de absorción de amoniaco/agua y se ha estudiado el efecto en los coeficientes de transferencia de calor del flujo másico en el intercambiador, flujo de calor, presión y concentración de la mezcla. Las condiciones de los ensayos experimentales han variado desde 0.33 hasta 0.65 en fracción másica de amoniaco, siendo la generación máxima de vapor del un 30%. El intervalo de presiones es desde 7 hasta 15 bar, los flujos de calor entre 20 kW/m2 hasta 70 kW/m2 y los flujos másicos desde 50 a 170 kg/m2s.<br/>Los datos experimentales obtenidos muestran un predominio de la ebullición convectiva frente a los fenómenos de nucleación. El factor de aumento de la ebullición convectiva es inferior a la obtenida en tubos, reflejando que el efecto de la corrugación es más importante en flujo en simple fase que en ebullición. Se han apreciado fenómenos de aparente nucleación en los experimentos, pero en esta zona el coeficiente de transferencia de calor depende del flujo másico. La influencia de la presión y la concentración de la mezcla en los coeficientes de ebullición en los rangos estudiados, son despreciables frente a los efectos del flujo másico y el flujo de calor.<br/>Los datos experimentales obtenidos en el intercambiador de placas se han comparado con las correlaciones propuestas en la bibliografía para su aplicación a intercambiadores de placas. A partir de las conclusiones obtenidas en este análisis se ha propuesto una correlación para el cálculo del coeficiente de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en el intercambiador de placas ensayado. Esta correlación predice el 95 % de los datos experimentales con un 20 % de error.

In the last years, a demand of small power cooling refrigeration equipment driven by thermal low temperature has appeared, pushed by the possibilities of taking advantage of thermal solar energy or waste heat. The ammonia/water absorption technology is postulated as an alternative to the typical air conditioning systems driven solar energy (like adsorption with silica-gel, or absorption with water lithium bromide). This is because they can be adapted for a small power equipment, due to it's great possibilities of size reduction, and does not need cooling towers to operate.<br/>The centre of technological innovation CREVER, with the collaboration of the University of Vigo, proposed an investigation project titled "Development of advanced components for the design and manufacture of small power refrigeration cooling machines working with the NH3-H2O pair and driven by low temperature sources". This project was focused in the development of tools for the three devices identified as critical in its design: absorber, desorber and the distillation column. In the development of this project the plate heat exchangers were identified as a suitable solution because they can reduce the load of refrigerant, and can work with low temperature gradients.<br/>This thesis has been made within the framework of this project and has as its main objective an experimental study of the process of boiling ammonia/water mixture in a channel of a plate heat exchanger. This study was made in the conditions of operation of a desorber of an ammonia/water absorption machine, showing the effect in the heat transfer boiling coefficients of the mass flux, heat flux, pressure and concentration of the mixture. The conditions of the experimental tests have varied from 0.33 to 0.65 of the ammonia mass fraction, being 30% the maximum generation of vapor quality. The interval range of pressures are from 7 to 15 bar, the heat flux between 20 kW/m2 to 70 kW/m2 and mass flux from 50 to 170 kg/m2s. The obtained experimental data has shown that convective boiling predominates than the nucleation phenomena. The observed convective enhancement factor was less than the obtained in tubes, reflecting that the effect of the corrugation is more important in single phase than in two phase flow. Apparent nucleation in the experiments has been observed, but in this zone the coefficient heat transfer depends on the mass flux. The influence of pressure and concentration of the mixture in the studied ranks, are negligible compared with the effects of the mass and heat flux.<br/>The experimental data obtained was compared with the correlations proposed in the literature to calculate the boiling heat transfer coefficient in plate heat exchangers. This analysis was used to propose a correlation that can predict 95 % of data within a 20% of error.