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Transferencia de masa y calor en absorbedores adiabáticos con aplicación de la disolución nitrato de litio-amoniaco

De
200 pages

El continuo cambio climático, la incertidumbre de que los combustibles fósiles pueden agotarse y el aumento de las emisiones de dióxido de carbono, han motivado a varios países a poner especial interés en la investigación de nuevas fuentes de energía y de técnicas que puedan aprovechar mejor los recursos energéticos. Entre las técnicas que apoyan el mejor aprovechamiento de los recursos energéticos, se encuentran los Sistemas de Refrigeración por Absorción, SRA, para producción de frío solar, que están teniendo mayor interés últimamente. Actualmente estos equipos son muy voluminosos y costosos, por lo que disminuye su competividad respecto a otros sistemas de refrigeración. El mejoramiento de la técnica de absorción en estos sistemas puede ser una buena opción para reducir su volumen. El trabajo de la presente tesis se centra en evaluar el potencial del método de absorción en láminas y gotas dispersas de diferentes diámetros en absorbedores adiabáticos, así como la capacidad de generación de vapor de un intercambiador de placas, usados ambos en sistemas de refrigeración por absorción empleando la disolución amoniaco-nitrato de litio. Esto con el fin de reducir el tamaño de dichas máquinas y a su vez contribuir a hacerlas más económicas y prácticas. Del absorbedor, se ha evaluado la transferencia de masa y calor en configuración de absorbedores adiabáticos, utilizando para ello diferentes tipos de atomizado: lámina, cono hueco, niebla y cono sólido. Este último, por ser el más comercial, se ha analizado a tres diferentes alturas. La valoración del potencial de absorción se ha realizado mediante los parámetros relación de absorción, factor de aproximación al equilibrio, coeficiente de transferencia de masa y subenfriamiento final. Los resultados han mostrado que en absorbedores adiabáticos, empleando la disolución amoniaco-nitrato de litio, el atomizado tipo niebla es el que mejores resultados de absorción de masa ofrece. Por otra parte, el atomizado tipo lámina también ofrece buenos resultados, aunque ligeramente inferiores. La capacidad de absorción del atomizado tipo cono sólido, aunque a bajos números de Reynolds no es alta, con números de Reynolds mayores a 1.300 se acerca hasta un 85% de la capacidad del tipo niebla. Lo anterior supone que, con un absorbedor adiabático que emplea un atomizador tipo cono sólido, puede alcanzarse la meta de reducir el tamaño del absorbedor de una máquina de absorción. La evaluación del generador se ha llevado a cabo mediante un análisis de la transferencia de calor y la pérdida de carga en flujo bifásico, variando para ello el flujo de calor y el flujo másico. Los resultados obtenidos muestran que, con calidad del vapor a la salida del generador menor de 3%, pueden alcanzarse coeficientes de transferencia de calor en flujo bifásico para la disolución amoniaco-nitrato de litio 20% mayores que los obtenidos en flujo monofásico. Por otra parte, se ha comprobado el efecto reductor que la mezcla de dos componentes (amoniaco y nitrato de litio) tiene sobre el valor del coeficiente de transferencia de calor obtenido durante la ebullición del amoniaco puro. _______________________________________________
The continuous climate change, the uncertainty about running out of fossil fuels and the increase in carbon dioxide emissions, have prompted several countries to take special interest in researching new energy sources and techniques that can better exploit the energy resources. Among the techniques that support the efficient use of energy resources are the Absorption Refrigeration Systems, ARS, for the production of solar cooling, which are taking more interest lately. Currently these devices are bulky and expensive, thus diminishing its competitiveness compared to other refrigeration systems. Improvement of the absorption technique in these systems can be a good option to reduce its volume. The work of this thesis focuses on evaluating the potential of the absorption method using flat sheet and dispersed drops with different sizes in adiabatic absorbers, and the capacity for steam generation of a plate heat exchanger, both used in absorption refrigeration systems using ammonia-lithium nitrate solution. This is done in order to reduce the size of such machines and at the same time helping to make them more economic and practical. The absorber has been evaluated in terms of the mass and heat transfer using an adiabatic absorber configuration, employing different types of atomization: flat sheet, hollow cone, fog jet and full cone. The latter, being the most commercial, has been analyzed at three different heights. The potential for absorption was assessed using four parameters: absorption ratio, approach to equilibrium factor, mass transfer coefficient and final subcooling. The results have shown that for adiabatic absorbers using ammonia-lithium nitrate solution, the fog jet spray is the best one respect to mass absorption. In addition, the flat sheet spray pattern also gives good results, although slightly lower. The absorption capacity of the full cone type, although at low Reynolds numbers is not high, with Reynolds numbers greater than 1300 is about 85% of the capacity of the fog jet spray. This means that an adiabatic absorber that uses a full cone type nozzle can reach the goal of reducing the size of the absorber of an absorption machine. The evaluation of the generator has been carried out by means of the heat transfer and pressure drop analyses in two-phase flow, changing the heat and mass fluxes. The results show that, with vapor qualities at the exit of generator lower than 3%, two-phase heat transfer coefficients achieved can be 20% higher than those obtained in single-phase flow using the ammonia-lithium nitrate solution. Moreover, it has been verified the sinking effect that the twocomponent mixture (ammonia and lithium nitrate) has over the value of the heat transfer coefficient obtained during boiling of pure ammonia.
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID









TESIS DOCTORAL

Transferencia de Masa y Calor en
Absorbedores Adiabáticos con
Aplicación de la Disolución Nitrato de
Litio-Amoniaco





Autor:
Alejandro Zacarías Santiago

Directores:
Directora: Dra. María del Carmen Venegas Bernal
Codirector: Dr. Ignacio Carvajal Mariscal



DEPARTAMENTO
Ingeniería Térmica y de Fluidos


Leganés, Madrid, Julio de 2009









































2
TESIS DOCTORAL



Transferencia de Masa y Calor en Absorbedores Adiabáticos
con Aplicación de la Disolución Nitrato de Litio-Amoniaco




Autor: Alejandro Zacarías Santiago

Director/es: Dra. María del Carmen Venegas Bernal
Dr. Ignacio Carvajal Mariscal





Firma del Tribunal Calificador:

Firma
Presidente:

Vocal:

Vocal:

Vocal:

Secretario:





Calificación:


Leganés, Madrid, de de






3












































4 Agradecimientos
En primer lugar quiero agradecer a la Universidad Carlos III de Madrid por darme la
oportunidad de realizar mis estudios de doctorado en sus instalaciones. Agradezco el apoyo de
los profesores: María Inmaculada Iglesias, José Ignacio Nogueira, Marcelo Izquierdo y Antonio
Luis Sánchez, por compartir sus conocimientos en el periodo de docencia. Agradezco el apoyo
de los profesores Mercedes de Vega y Domingo Santana. Un agradecimiento especial al
profesor Pedro Acisclo Rodríguez, por su apoyo en múltiples ocasiones.
Agradezco especialmente al Profesor Antonio Lecuona Neumann por su amistad, por el
continuo apoyo desde el periodo de docencia y a lo largo de mis estudios de doctorado, por sus
valiosos consejos académicos y por darme la oportunidad de participar en el proyecto que el
mismo ha dirigido: Aplicación a la disolución nitrato de litio-amoniaco, proyecto mediante el
cual ha sido construida la instalación experimental utilizada para el desarrollo de esta tesis.
Agradezco a quienes técnicamente, han hecho posible que la instalación experimental
estuviera en condiciones de operación, a Javier Roa por su dedicación durante la fabricación y
puesta en marcha, a Manuel Santos y Carlos Cobos, por su sólida dedicación en la preparación
de la instalación, a Xabier Marquínez por su apoyo en la calibración del generador y a Rubén
Ventas por el invaluable apoyo brindado desde la puesta en marca del banco de ensayos, en los
ensayos preliminares, en la planeación y durante toda la experimentación, y por su valiosa
contribución en el contenido de esta tesis. Gracias Rubén.
Agradezco a quienes por su apoyo, han hecho que mi estancia en España fuera más
placentera, a: Rachid Cheriguene, Hugo Mitre, Elizabeth Araujo, Juan Manuel Gómez, José
Casado, Ana Avelina González, Sergio Sánchez, Ana Burguete, Raquel Lizarte, Mari Carmen
Rodríguez, Mathieu Legrand, Rafael Salgado y Ciro Vereda. Un especial agradecimiento a
Orlando Guarneros, Illiana Orduño, Geydy Luz Gutiérrez y Amancio Moreno y su familia.
Agradezco especialmente a la Doctora María del Carmen Venegas Bernal por su apoyo al
aceptar ser mi Tutora para estudiar el doctorado en España. Le agradezco la oportunidad de
participar en los proyectos: Técnicas innovadoras para la producción eficiente de frío con
energía solar y máquinas de absorción, y Optimización de absorbedores de burbujas con
superficies internas mejoradas, proyectos de los cuales fue adquirida parte de la instrumentación
utilizada en el banco de ensayos utilizado y por sus valiosos y continuos consejos académicos
para el desarrollo de esta tesis. Al igual que a Carlos, su esposo, le agradezco el incalculable
apoyo durante todo el periodo de mi estancia en España. Especialmente, muchas gracias María.
5 Un especial agradecimiento al Doctor Ignacio Carvajal Mariscal por la inducción al tema
de la refrigeración por absorción, por sus valiosos consejos académicos durante la codirección
de esta tesis y por su valioso apoyo a lo largo de mis estudios de doctorado.
Agradezco especialmente al Instituto Politécnico Nacional, IPN en México, por otorgarme
la licencia con goce de sueldo durante todos los estudios de doctorado y la beca de estudios
COFAA por tres años para estudios de doctorado. Agradezco asimismo, al Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología, CONACYT de México por la beca otorgada para estudios de doctorado.
Agradezco la comprensión, la motivación y el apoyo de mis padres: Filemón Zacarías y
Alejandrina Santiago. Agradezco asimismo, el apoyo incondicional de mis hermanos (y familia
de cada uno): Ismael, Hidilberto, Manuel, Elodia, Amalio, Luisa y Jorge. Agradezco el apoyo de
mis suegros: José Luis Flores y Josefina Vasconcelos así como de mi cuñada Lucía.
Un especial agradecimiento a mi sobrina Gabriela Gómez Zacarías por el incalculable
apoyo en mi representación en México, para realizar todos los trámites relacionados a mi sueldo
y becas, necesarios para mantener nuestro sustento en España. Asimismo, agradezco
especialmente a mi cuñado Luis, a Dalila su esposa y a sus niños por cuidar de nuestra casa en
México durante todos estos años. Muchas gracias.
Claro que esta importante empresa no hubiera sido posible sin el apoyo incondicional de mi
querida esposa: Alicia Flores Vasconcelos al acompañarme en estos cuatro importantes años.
GRACIAS ALICIA.
DEDICO ESTA TESIS A:
mis padres:
Filemón Zacarías López y Alejandrina Santiago Gallardo

mi esposa
Alicia Flores Vasconcelos

mis hijas:
Alhelí y Alejandra.
6 Resumen
El continuo cambio climático, la incertidumbre de que los combustibles fósiles pueden
agotarse y el aumento de las emisiones de dióxido de carbono, han motivado a varios países a
poner especial interés en la investigación de nuevas fuentes de energía y de técnicas que puedan
aprovechar mejor los recursos energéticos. Entre las técnicas que apoyan el mejor
aprovechamiento de los recursos energéticos, se encuentran los Sistemas de Refrigeración por
Absorción, SRA, para producción de frío solar, que están teniendo mayor interés últimamente.
Actualmente estos equipos son muy voluminosos y costosos, por lo que disminuye su
competividad respecto a otros sistemas de refrigeración. El mejoramiento de la técnica de
absorción en estos sistemas puede ser una buena opción para reducir su volumen.
El trabajo de la presente tesis se centra en evaluar el potencial del método de absorción en
láminas y gotas dispersas de diferentes diámetros en absorbedores adiabáticos, así como la
capacidad de generación de vapor de un intercambiador de placas, usados ambos en sistemas de
refrigeración por absorción empleando la disolución amoniaco-nitrato de litio. Esto con el fin de
reducir el tamaño de dichas máquinas y a su vez contribuir a hacerlas más económicas y
prácticas. Del absorbedor, se ha evaluado la transferencia de masa y calor en configuración de
absorbedores adiabáticos, utilizando para ello diferentes tipos de atomizado: lámina, cono
hueco, niebla y cono sólido. Este último, por ser el más comercial, se ha analizado a tres
diferentes alturas. La valoración del potencial de absorción se ha realizado mediante los
parámetros relación de absorción, factor de aproximación al equilibrio, coeficiente de
transferencia de masa y subenfriamiento final. Los resultados han mostrado que en absorbedores
adiabáticos, empleando la disolución amoniaco-nitrato de litio, el atomizado tipo niebla es el
que mejores resultados de absorción de masa ofrece. Por otra parte, el atomizado tipo lámina
también ofrece buenos resultados, aunque ligeramente inferiores. La capacidad de absorción del
atomizado tipo cono sólido, aunque a bajos números de Reynolds no es alta, con números de
Reynolds mayores a 1.300 se acerca hasta un 85% de la capacidad del tipo niebla. Lo anterior
supone que, con un absorbedor adiabático que emplea un atomizador tipo cono sólido, puede
alcanzarse la meta de reducir el tamaño del absorbedor de una máquina de absorción.
La evaluación del generador se ha llevado a cabo mediante un análisis de la transferencia
de calor y la pérdida de carga en flujo bifásico, variando para ello el flujo de calor y el flujo
másico. Los resultados obtenidos muestran que, con calidad del vapor a la salida del generador
menor de 3%, pueden alcanzarse coeficientes de transferencia de calor en flujo bifásico para la
disolución amoniaco-nitrato de litio 20% mayores que los obtenidos en flujo monofásico. Por
7 otra parte, se ha comprobado el efecto reductor que la mezcla de dos componentes (amoniaco y
nitrato de litio) tiene sobre el valor del coeficiente de transferencia de calor obtenido durante la
ebullición del amoniaco puro.




















8 Abstract
The continuous climate change, the uncertainty about running out of fossil fuels and the
increase in carbon dioxide emissions, have prompted several countries to take special interest in
researching new energy sources and techniques that can better exploit the energy resources.
Among the techniques that support the efficient use of energy resources are the Absorption
Refrigeration Systems, ARS, for the production of solar cooling, which are taking more interest
lately. Currently these devices are bulky and expensive, thus diminishing its competitiveness
compared to other refrigeration systems. Improvement of the absorption technique in these
systems can be a good option to reduce its volume.
The work of this thesis focuses on evaluating the potential of the absorption method using
flat sheet and dispersed drops with different sizes in adiabatic absorbers, and the capacity for
steam generation of a plate heat exchanger, both used in absorption refrigeration systems using
ammonia-lithium nitrate solution. This is done in order to reduce the size of such machines and
at the same time helping to make them more economic and practical. The absorber has been
evaluated in terms of the mass and heat transfer using an adiabatic absorber configuration,
employing different types of atomization: flat sheet, hollow cone, fog jet and full cone. The
latter, being the most commercial, has been analyzed at three different heights. The potential for
absorption was assessed using four parameters: absorption ratio, approach to equilibrium factor,
mass transfer coefficient and final subcooling. The results have shown that for adiabatic
absorbers using ammonia-lithium nitrate solution, the fog jet spray is the best one respect to
mass absorption. In addition, the flat sheet spray pattern also gives good results, although
slightly lower. The absorption capacity of the full cone type, although at low Reynolds numbers
is not high, with Reynolds numbers greater than 1300 is about 85% of the capacity of the fog jet
spray. This means that an adiabatic absorber that uses a full cone type nozzle can reach the goal
of reducing the size of the absorber of an absorption machine.
The evaluation of the generator has been carried out by means of the heat transfer and
pressure drop analyses in two-phase flow, changing the heat and mass fluxes. The results show
that, with vapor qualities at the exit of generator lower than 3%, two-phase heat transfer
coefficients achieved can be 20% higher than those obtained in single-phase flow using the
ammonia-lithium nitrate solution. Moreover, it has been verified the sinking effect that the two-
component mixture (ammonia and lithium nitrate) has over the value of the heat transfer
coefficient obtained during boiling of pure ammonia.

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