Modelling and experimental validation of water vapor absorption by falling films of LiBr aqueous solution under wave regimes conditions and presence of non-absorbable gases

Resumen

Esta tesis se centra en el estudio de los diferentes mecanismos implicados en la absorción de vapor de agua en películas descendentes de configuración vertical (tipica configuracion para absorbedores enfriados por aire) usando LiBr-H2O como fluido de trabajo: i) transferencia simultánea de calor y de masa; ii) régimen ondulado en la superficie libre de la película; iii) la influencia de los gases no absorbibles en el desempeño del absorbedor. El trabajo de este manuscrito se divide en dos areas: i) El trabajo experimental. En el capítulo 3 se da una descripción sobre el diseño, construcción y puesta en marcha unidad experimental. Se exponen los detalles sobre los materiales de construcción y los sensores de medición. Durante el desarrollo de este trabajo, los autores han prestado especial atención en la verificación de los datos experimentales. Esta verificación consiste en la realización de los balances de energía y masa en el lado de la solución acuosa. Importantes discrepancias fueron encontrados en nuestros propios datos experimentales, por lo tanto, un extenso estudio se llevaron a cabo con el fin de encontrar la fuente de dichos errores. La principal conclusión final es que hay un arrastre de la solución de LiBr en el vapor de agua que aumenta con el número de Re. Este "flujo de niebla" es mínimo (50 PPM), pero es suficiente para contribuir en el desequilibrio energético. Finalmente se da una breve introducción sobre la técnica de espectrometría de masas y su aplicación en la influencia de gases no absorbibles en el rendimiento del absorbedor. ii) trabajo numérico. El desarrollo de herramientas de cálculo numérico de calculo rápido que describan la fenomenología de absorción en películas verticales lo más preciso posible (dentro de sus limitaciones). El capítulo 4 describe un modelo analítico unidimensional basado en la resolución de las ecuaciones de conservación (masa, especies y energía) que a su vez constituyen tres ecuaciones diferenciales ordinarias. Su resolución permite calcular la temperatura tanto de la película como del fluido secundario, así como también el flujo de masa absorbida a lo largo de la película descendente. Ecuaciones adicionales se utilizan para calcular las concentraciones en la en la película (bulk) como en su interfase. Este modelo utiliza información empírica para los coeficientes de transferencia de calor y masa. La principal ventaja de este modelo es el ahorro de tiempo de cálculo en CPU. El capítulo 5 describe la formulación matemática y la implementación numérica de un modelo semi-empírico basado en ecuaciones de Navier-Stokes, acopladas junto con la ecuación de especies y de energía, todo bajo las hipótesis de capa límite. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento de tipo "step by step". El régimen laminar ondulado es considerado por la inclusión y la resolución la ecuación "Free Surface Deflection". Capitulo 6 presenta un modelo matemático que predice los efectos de los gases no absorbibles en el desempeño de los sistemas de absorción. El modelo es semi-empírico, y es una extensión del modelo presentado en el capitulo 5. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento "step by step" y se resuelven en ambas las fases líquida y de vapor. Se ha implementado un tratamiento detallado de las condiciones de contorno de la interfase líquido-vapor (Balances de masa y energía). Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos.Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos. El capítulo se divide en dos secciones i) la validación experimental de la absorción de película descendente en tubos verticales en presencia de régimen ondulado. iii) Validacion experimental en presencia de no absorbibles.