O absorption prototype with a highly efficient direct air-cooled adiabatic absorber: char

195 Pages·2012·4.15 MB·English

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos
Unidad Asociada de Ingeniería de Sistemas Energéticos UC3M-CSIC

DOCTORAL THESIS
Novel single–double-effect LiBr/H O
2
absorption prototype with a highly efficient
direct air-cooled adiabatic absorber
Characterization, simulation and experimental results
Author: Arturo González Gil
Supervisor: Dr. Marcelo Izquierdo Millán

Leganés (Madrid), 2011
TESIS DOCTORAL

Nuevo prototipo de máquina frigorífica de absorción
de LiBr/H O de simple y doble efecto con absorbedor
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adiabático refrigerado por aire de alta eficiencia
Descripción, simulación y resultados experimentales

Autor: Arturo González Gil

Director/es: Marcelo Izquierdo Millán

Firma del Tribunal Calificador:

Firma

Presidente: Dr. Francisco Javier Rey Martínez

Vocal: Dr. Robert Ghirlando

Vocal: Dr. José Daniel Marcos del Cano

Vocal: Dr. Néstor García Hernando

Secretario: Dra. Mercedes de Vega Blázquez

Calificación:

Leganés, 23 de Noviembre de 2011
To my family 
To Alicia 

“Live as if you were to die tomorrow. Learn as if you were to live forever” 
(Mahatma Gandhi) 

i

Abstract 
Due to unsustainable growth of air conditioning market, a great interest in solar 
cooling technologies has emerged. The coincidence between availability of solar irradia‐
tion and peaks of cooling demand makes solar cooling a very attractive option to replace 
conventional refrigeration machines based on electricity. What is more, solar cooling sys‐
tems normally use natural refrigerants that are not harmful to the environment. However, 
an improvement of the current technology is needed for solar cooling systems to compete 
with electricity‐powered air conditioning systems. 
In this work, a novel air‐cooled single–double‐effect LiBr/H O absorption prototype 
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is proposed as a solution to improve the viability of solar cooling systems. This prototype 
presents the following distinguishing features: firstly, it is directly air‐cooled, which means 
that no cooling tower is needed; secondly, it is made up by compact heat exchangers, 
which allows for a reduced size of about 1 m3; thirdly, it incorporates an adiabatic ab‐
sorber operating with flat‐fan solution sheets, which permits the working solution not to 
crystallize at high ambient temperatures; lastly, it can be powered by solar heat in its sin‐
gle‐effect mode (4.5 kW), or by an alternative source such as fuel or waste heat in its dou‐
ble‐effect stage (7 kW). In this way, 100% of the cooling demand may be supplied by a sin‐
gle absorption machine using solar energy as far as possible or, when it is not available, 
efficiently utilizing a fuel or even waste heat, for instance in a trigeneration system. 
This thesis includes a detailed description of that single–double‐effect absorption 
prototype as well as the fundamentals for its numerical simulation. Likewise, experimental 
results from a testing campaign carried out in Madrid during 2010 are presented and dis‐
cussed. A solar facility with evacuated flat‐plate collectors was used to test the single‐
effect operation mode of the prototype. In turn, the double‐effect stage was fired by a 
iii
Abstract 
thermal oil facility with electrical resistances. As relevant results of the whole experimen‐
tal campaign it is worth mentioning that the single‐effect stage was able to work with COP 
values around 0.6, whereas the double‐effect mode permitted to achieve values of about 
1.0. The chilled water temperatures mostly ranged between 14°C and 16°C in single‐effect 
operation mode, while they were around 12°C for the double‐effect stage. Besides, it is 
highly noteworthy that after some 125 hours of operation under a wide range of condi‐
tions (outdoor temperatures up to 39.5°C), no solution crystallization was noticed.  
On the other hand, this work includes an in‐depth description of the absorber as‐
sembled in the single–double‐effect prototype. Furthermore, a mathematical model is de‐
veloped for simulation of air‐cooled flat‐fan sheets adiabatic absorbers. As far as we know, 
there is not any numerical modeling for this kind of absorbers in the literature. Based on 
that model, which was as well experimentally validated in this study, the capacity of the 
prototype absorber is optimized as a function of the energy consumption of its ancillary 
equipment (solution pump and fan). 
Finally, the positive results derived from this work may be regarded as an important 
contribution  to  the  development  of  air‐cooled  LiBr/H O  absorption  technology.  Even 
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though a few improvements in the prototype are still required, it seems that the proposed 
system represents a feasible alternative to overcome some of the major obstacles concern‐
ing solar air conditioning. 

iv
Resumen 
La actual situación de insostenibilidad en el mercado de la climatización ha motiva‐
do un gran interés por la refrigeración solar como alternativa al uso de máquinas eléctri‐
cas. El hecho de que las horas de máxima radiación solar coincidan con los momentos de 
mayor demanda de frío en los edificios, hace que estos sistemas sean especialmente indi‐
cados para sustituir a los equipos convencionales de aire acondicionado. Además, hay que 
añadir que esta tecnología normalmente utiliza refrigerantes naturales que no son dañinos 
para el medio ambiente. Sin embargo, los sistemas actuales de refrigeración solar necesi‐
tan una mejora sustancial para poder competir directamente con los aparatos tradiciona‐
les de climatización. 
Como una posible solución para mejorar la viabilidad de los sistemas de refrigera‐
ción solar, en este trabajo se presenta un nuevo prototipo de máquina de absorción de 
LiBr/H O que integra los ciclos de simple y doble efecto en una misma unidad. Las princi‐
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pales características que hacen de este prototipo una novedad tecnológica son las siguien‐
tes: en primer lugar, se trata de una máquina directamente condensada por aire, elimi‐
nando así la necesidad de instalar torres de refrigeración; en segundo lugar, el prototipo 
está básicamente formado por intercambiadores de calor compactos, con lo que se alcanza 
un tamaño final de máquina muy reducido, aproximadamente 1 m3; en tercer lugar, el pro‐
totipo incorpora un absorbedor adiabático con láminas planas que evita que la disolución 
cristalice a altas temperaturas ; por último, la máquina puede funcionar como una unidad 
de simple efecto (4.5 kW), alimentada en este caso por energía solar, o como una unidad 
de doble efecto (7 kW), quemando combustibles o utilizando calor residual. De este modo, 
se podría llegar cubrir el 100% de la demanda de refrigeración con una sola unidad que 
saca el máximo partido a la energía solar y, cuando ésta no es suficiente, utiliza eficiente‐
v
Resumen 
mente combustibles o incluso el calor residual procedente de otros procesos, por ejemplo 
en una planta de trigeneración.  
En esta tesis doctoral se incluye una descripción detallada del prototipo de simple y 
doble efecto así como los fundamentos teóricos para su simulación numérica. Asimismo, 
se presentan y discuten los resultados experimentales obtenidos durante una campaña de 
ensayos llevada a cabo en Madrid durante el año 2010. Para probar el funcionamiento del 
prototipo como máquina de absorción de simple efecto se ha utilizado una instalación so‐
lar con colectores planos de vacío. En cambio, para ensayar el prototipo como máquina de 
doble efecto se ha utilizado un aceite térmico como fuente de energía. Como resultados 
destacados de la campaña de experimentación cabe mencionar que los valores del COP se 
movieron entorno a 0.6 en simple efecto y alrededor de 1.0 en doble efecto. A su vez, se 
alcanzaron temperaturas de agua fría entre 14°C y 16°C para el simple efecto y de aproxi‐
madamente 12°C para el doble efecto. Además, es de gran relevancia el hecho de que, des‐
pués de unas 125 horas de funcionamiento bajo condiciones de trabajo muy diferentes 
(hasta 39.5°C de temperatura exterior), la disolución de LiBr/H O no se haya cristalizado 
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en ningún momento. 
Por otra parte, este trabajo incluye una descripción detallada del absorbedor insta‐
lado en el prototipo. Asimismo, se ha desarrollado un modelo matemático para simular 
absorbedores adiabáticos de láminas directamente refrigerados por aire. Por lo que sabe‐
mos, hasta el momento no se ha publicado ninguna modelización numérica para este tipo 
de absorbedores. Tomando como referencia el modelo propuesto, que también ha sido 
validado experimentalmente en este estudio, se ha realizado una optimización de la capa‐
cidad del absorbedor del prototipo en función del consumo energético de sus equipos 
auxiliares (bomba de disolución y ventilador). 
Por último, los buenos resultados obtenidos con este prototipo nos hacen pensar 
que este trabajo representa una contribución importante al desarrollo de las máquinas de 
absorción de LiBr/H O refrigeradas por aire. A pesar de que el prototipo todavía no está 
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totalmente optimizado, con él se ha demostrado que la tecnología propuesta en esta tesis 
doctoral constituye una alternativa viable para superar algunos de los principales proble‐
mas relacionados con la refrigeración solar. 

vi
Agradecimientos/Acknowledgements 
Al finalizar un trabajo como éste, me doy cuenta que el esfuerzo realizado durante 
los últimos cuatro años habría sido inútil sin el imprescindible apoyo institucional y la 
ayuda de muchas personas que han estado a mi lado durante todo este tiempo. 
En primer lugar, tengo que agradecer al Consejo Superior de Investigaciones Cientí‐
ficas el haber financiado mis estudios de doctorado con la concesión de una beca JAE‐
Predoc. Del mismo modo agradezco a la Universidad de Vigo y a la Universidad Carlos III 
de Madrid el haberme aceptado en sus programas de doctorado. Asimismo, agradezco al 
Ministerio de Ciencia e Innovación el apoyo económico a los proyectos en los que se en‐
globa la realización de esta tesis doctoral. Especialmente doy gracias a la Unidad Asociada 
de Sistemas Energéticos CSIC‐UC3M por su apoyo en la realización de este trabajo. 
En particular, quiero agradecer al Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo 
Torroja (IETcc) toda la ayuda que me ha ofrecido tanto en lo personal como en lo profe‐
sional, siendo como mi segunda casa desde que he llegado a Madrid.  
Mi más sincero y profundo agradecimiento para mi director de tesis, Marcelo Iz‐
quierdo, por su incansable y entusiástica dedicación a este trabajo de investigación. Sus 
palabras de motivación y esperanza, además de la gran confianza que siempre ha tenido 
en mí, han convertido los momentos más complicados en verdaderas lecciones de supera‐
ción personal. Indudablemente, su apoyo y dirección han sido clave en la realización de 
esta tesis doctoral. 
Mil gracias a Emilio Martín, gran apasionado y conocedor de las máquinas de absor‐
ción y de todo lo que tiene que ver con el trabajo experimental. Sin duda, un excelente pro‐
fesional y una extraordinaria persona con la que he compartido momentos inolvidables, 
vii
Agradecimientos/Acknowledgements 
tanto en el laboratorio como en las pistas de tenis. Ni el prototipo ni yo mismo hubiésemos 
funcionado de la misma forma sin la ayuda de Emilio. 
También quiero expresar mi agradecimiento a mis compañeros en el grupo de inves‐
tigación “Ahorro de Energía y Reducción de Emisiones en Edificios”, quienes con su enor‐
me valía han ayudado a que este y otros muchos trabajos hayan salido adelante. Gracias 
Esther, Raquel, David, Amancio y Dani por vuestro compañerismo.  
Por supuesto, no puedo olvidarme de mis compañeros y amigos del IETcc, con los 
que he vivido experiencias verdaderamente inolvidables durante estos cuatro años. Son 
muchas las personas a las que debo agradecer su afecto, simpatía y sobre todo su amistad, 
pero entre ellas destaco a Cris, Vane, Virtu, Belén, Alberto, Alfredo y Yago, porque desde el 
principio me han hecho sentir como en casa.  
A mis padres y a mi hermana Lorena les estaré eternamente agradecido por haber‐
me apoyado en todas las decisiones que he tomado. Su cariño y comprensión han sido 
fundamentales para que esta última “aventura” en la que me he embarcado haya llegado a 
buen puerto. 
A Alicia le agradezco profundamente la paciencia, el apoyo y el cariño que me ha 
mostrado desde siempre, pero sobre todo durante estos cuatro años en Madrid. Muchísi‐
mas gracias por estar a mi lado y por transmitirme cada día tu energía positiva. 
Finally, I am very grateful to Prof. J.R. Thome for inviting me to stay at the Heat and 
Mass Transfer Laboratory (LTCM) for three fantastic months. Furthermore, I would like to 
thank my colleagues at LTCM for making my short stay in the École Polytechnique Fédéral 
de Lausanne so pleasant. Special thanks to Marcel Christians, Eugene Van Rooney and 
Sylwia Szczukiewicz for their support and friendliness. 

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