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Modelación y Diseño de un Refrigerador de Ciclo Difusión-Absorción-Edición Única Title Modelación y Diseño de un Refrigerador de Ciclo Difusión- Absorción-Edición Única Issue Date 2007-05-01 Publisher Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Item Type Tesis de maestría Downloaded 26/09/2018 15:53:53 Link to Item http://hdl.handle.net/11285/567882

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Modelación y Diseño de un Refrigeradorde Ciclo Difusión-Absorción-Edición Única

Title Modelación y Diseño de un Refrigerador de Ciclo Difusión-Absorción-Edición Única

Issue Date 2007-05-01

Publisher Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

Item Type Tesis de maestría

Downloaded 26/09/2018 15:53:53

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

MODELACIÓN Y DISEÑO DE UN REFRIGERADOR DE CICLO DIFUSIÓN-

ABSORCIÓN

TESIS

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA

ENERGÉTICA

CARLO ENRIQUE GUZMÁN MÉNDEZ

MONTERREY, N. L. MAYO 2007

2

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente anteproyecto de tesis presentado por el Ing. Carlo Enrique Guzmán Méndez sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de:

Maestro en Ciencias con Especialidad en:

Ingeniería Energética

Comité de tesis:

__________________________ Dr. Alejandro Javier García Cuéllar

Asesor

_________________________ _________________________ Ing. Enrique González Magaña Dr. Carlos Iván Rivera Solorio Sinodal Sinodal

APROBADO

__________________________

Dr. Francisco Ángel Bello Director del Programa de Graduados en Ingeniería y Arquitectura

MONTERREY, N. L. MAYO 2007

3

EN MEMORIA DE:

DR. JOSÉ ÁNGEL MANRIQUE VALADEZ (1942-2006)

CON ETERNO CARIÑO, AGRADECIMIENTO, ADMIRACIÓN Y RESPETO.

…que algún día, nuestros caminos se vuelvan a cruzar

4

AGRADECIMIENTOS

A Dios. A mis padres Enrique y María Teresa. A mis hermanas y familiares.

A mi comité de tesis: Dr. Alejandro Javier García Cuéllar, Ing. Enrique González

Magaña y Dr. Carlos Iván Rivera Solorio; por su apoyo, confianza, paciencia y

valiosas aportaciones. A todos mis profesores de la Maestría en Ingeniería

Energética. A Jorge Luis Ramos Valdez. A todos mis amigos y compañeros de

maestría. Y especialmente al Dr. José Ángel Manrique Valadez por su ejemplar

persona y profesionalismo y por brindarme esta oportunidad para mi superación.

5

INDICE DE CONTENIDO PÁGINA

LISTA DE TABLAS………………………………………………………………..6 LISTA DE FIGURAS ………………………………………………………………6 NOMENCLATURA……………………………………………………………….. 9 RESUMEN…………………………………………………………………………11 CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN…………………………………………………12 1.1 Antecedentes.…………………………………………………...……………... 13 1.2 Objetivo de la Investigación……………………………………………………13 1.3 Hipótesis………………………………………………………………………..14 1.4 Descripción del Ciclo Difusión-Absorción…………………………………….14 1.5 Metodología………………………………………………………………….....16 CAPÍTULO II: REVISIÓN LITERARIA……………………………………….…17 2.1 Bomba de Burbujas……………………………………………………………..17 2.2 Propiedades del Fluido………………………………………………………….19 2.3 Modelación y Diseño del Ciclo…………………………………………………21 CAPÍTULO III: MODELO MATEMÁTICO Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO..23 3.1 Generador………………………………………………………………………..23 3.2 Rectificador……………………………………………………………………...24 3.3 Condensador……………………………………………………………………. 25 3.4 Evaporador e Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar………………………. 26 3.5 Absorbedor………………………………………………………………………30 3.6 Tubo de la Solución Débil……………………………………………………….31 3.7 Intercambiador de Calor de la Solución…………………………………………31 CAPÍTULO IV: DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA…………..33 4.1 Bomba de Burbujas…………………………………………………………….. 33 4.2 Condensador…………………………………………………………………….39 4.3 Rectificador y Tubo de Solución Débil…………………………………………44 4.4 Intercambiador de Calor de la Solución………………………………………...46 4.5 Presión Total del Sistema……………………………………………………….49 4.6 Evaporador……………………………………………………………………...50 4.7 Absorbedor……………………………………………………………………...52 CAPÍTULO V: RESULTADOS……………………………………………………55 5.1 Bomba de Burbujas……………………………………………………………..55 5.2 Modelo Termodinámico del Ciclo…………………………………………...…62 5.3 Presión Total del Sistema y Temperatura Ambiente…………………………...68 CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES………………………………………………..72 APENDICE A ……………………………………………………………………....74 REFERENCIAS…………………………………………………………………….77

6

LISTA DE TABLAS PAG. Tabla 5.1 Estados Termodinámicos y Entradas del Modelo……………………………62

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Diagrama esquemático del ciclo de Refrigeración por Difusión-Absorción..15

Figura 2.1 Bomba de Burbujas…………………………………………………………17

Figura 3.1 Volumen de control del generador………………………………………….23

Figura 3.2 Volumen de control del Rectificador……………………………………….24

Figura 3.3 Volumen de control del Condensador………………………………………25

Figura 3.4 Volumen de control del evaporador……………………………………….. 26

Figura 3.5 Diagrama del Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar…………………...29

Figura 3.6 Volumen de control del Absorbedor………………………………………...30

Figura 3.7 Volumen de control del Tubo de Solución Débil……………………………31

Figura 3.8 Volumen de control del Intercambiador de Calor de la Solución………...…32

Figura 4.1 Diagrama esquemático de la Bomba de Burbujas…………………………...33

Figura 4.2 Configuración del Condensador……………………………………………..40

Figura 4.3 Distribución de temperaturas en la aleta…………………………………….42

Figura 4.4 Configuración del Intercambiador de Calor de la Solución…………………46

Figura 5.1 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……..56

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.4, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

Figura 5.2 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de …….56

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

Figura 5.3 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de …….57

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.8, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

Figura 5.4 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……..58

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=13.5)

Figura 5.5 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……..58

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00075, Psis=13.5)

7

Figura 5.6 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de…… 59

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00015, Psis=17)

Figura 5.7 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de …….60

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=17)

Figura 5.8 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……..60

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00075, Psis=17)

Figura 5.9 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……..61

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00015, Psis=25)

Figura 5.10 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de……61

Burbujas y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=25)

Figura 5.11 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Flujo de….63

Calor en el Generador, Absorbedor, Condensador y Evaporador

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

Figura 5.12 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Flujo de….64

Calor en el Intercambiador de Calor de la Solución, Tubo de la Solución Débil y

Rectificador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

Figura 5.13 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. COP……..64

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

Figura 5.14 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Longitud del

Absorbedor y del Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)………………65

Figura 5.15 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Longitud del

Intercambiador de Calor de la Solución, Tubo de la Solución Débil, y Rectificador

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)……………………………………………….66

8

Figura 5.16 Temperatura a la salida del Evaporador vs. Longitud del Absorbedor y del

Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)………………………………….67

Figura 5.17 Temperatura a la entrada del Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar vs.

Longitud del Absorbedor y del Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)...67

Figura 5.18 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (13.5 bar)..69

Figura 5.19 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (13.5 bar)……………69

Figura 5.20 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (17 bar)….70

Figura 5.21 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (17 bar)...………….. 70

Figura 5.22 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (25 bar)…71

Figura 5.23 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (25 bar)……………..71

9

NOMENCLATURA SIMBOLOS: LETRAS GRIEGAS:

A Área [m2] α Difusividad térmica [m2/s] Bi Número de Biot Bo Número de Bond

β Coeficiente de expansión volúmetrica [K-1]

Co Parámetro de distribución χ fracción molar del líquido COP Coeficiente de Desempeño δ Coeficiente de difusión

D Diámetro [m] ε fracción de vacío dA Diferencial de área [m2] η eficiencia de la aleta f Factor de fricción κ calidad del vapor .f

Factor de fricción de Fanning μ viscosidad dinámica [kg/m-s]

F Fracción de vapor generado ν viscosidad cinemática [m2/s] g Aceleración gravitacional

[m2/s] π número pi

Gr Número de Grasshof ρ densidad [kg/m3] H Altura [m] σ tensión superficial [N/m] h Entalpía específica [kJ/kg] j Velocidad superficial [m/s]

τ Temperatura del elemento finito [K]

k Conductividad térmica [kW/m-K]

L Longitud [m] m Constante en Drift-Flux

.m

Flujo másico [kg/s]

MW Peso molecular [kg/kmol] n Número de aletas Nf Parámetro de efectos viscosos

Nus Número de Nusselt Ptot Presión [Pa] Psis Presión [bar] p Presión parcial [bar]

Pr Número de Prandlt .

Q Flujo de calor [kW]

R Resistencia térmica [K/kW] Ra Número de Rayleigh Re Número de Reynolds s Espaciamiento entre aletas [m]

Sh Número de Sherwood T Temperatura [K] t espesor de aleta [m] U Coeficiente global V velocidad [m/s] v volumen específico [m3/kg] x fracción másica

10

Subíndices 0,1,2,… Estado o punto en el sistema

A,B Puntos en la Bomba de Burbujas

abs Absorbedor air Aire

aghx Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar

amb Ambiente bp Bomba de Burbujas

cond Condensador evap Evaporador fin Aleta del Condensador

finned Porción Aletada G Gas

gen Generador

g j Drift H Homogéneo H2 Hidrógeno

H2O Agua L Líquido le Líquido en el Evaporador lva Líquido-Vapor en Absorbedor lve Líquido-Vapor en Evaporador min Temperatura mínima mix Mezcla gaseosa de amoniaco-

agua-hidrógeno NH3 Amoniaco nodo Elemento finito en la Aleta rect Rectificador sd Solución Débil

shx Intercambiador de Calor de la Solución

tot Total tp Dos Fases

tubo Tubo de la Solución Débil unfinned Porción de tubo desnudo (entre

aletas) ve Vapor en el Evaporador

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MODELACIÓN Y DISEÑO DE UN REFRIGERADOR DE CICLO DIFUSIÓN-ABSORCIÓN

RESUMEN

En la presente investigación se desarrolla un modelo termodinámico del ciclo de

Refrigeración por Difusión-Absorción para diseñar un sistema que utiliza como fluido de

trabajo el sistema ternario amoníaco-agua-hidrógeno.

Actualmente el diseño de estos equipos es predominantemente empírico. Esto

representa un área de oportunidad en el campo de la investigación ya que esta tecnología

ofrece ventajas tales como: no genera ruido ni vibraciones, sólo requiere una fuente de

calor para su funcionamiento, no tiene partes móviles, es portátil, puede utilizar energía

solar o calor de desecho, prácticamente es libre de mantenimiento, utiliza fluidos

amigables con el ambiente.

En este trabajo se modela completamente el ciclo de Refrigeración por Difusión-

Absorción a través de conceptos de termodinámica y transferencia de calor y se llevan a

cabo simulaciones por medio de programas computacionales para realizar estudios

paramétricos que ayuden a tomar decisiones en el diseño final del equipo.

Para lograr la circulación del fluido de trabajo en contra de la fricción y la

gravedad, se requiere una bomba de burbujas, la cual opera como un termosifón vertical

con flujo en dos fases y solamente requiere una fuente de calor para su funcionamiento.

El diseño de este componente es crítico en el desempeño del refrigerador por Difusión-

Absorción ya que afecta variables importantes como los flujos másicos de refrigerante y

solución débil además del flujo de calor necesario en el generador.

La presión total del sistema determina la temperatura máxima de operación del

equipo y afecta el requerimiento de calor en el conjunto de la bomba de burbujas-

generador.

12

CAPÍTULO I:

INTRODUCCIÓN

El interés por el enfriamiento mediante equipo de absorción está resurgiendo

últimamente debido a una variedad de factores como: la oportunidad de aprovechar el

calor de desecho y en algunos casos energía renovable (solar), los altos costos de la

energía eléctrica, las restricciones ambientales en los refrigerantes convencionales, etc. El

ciclo de refrigeración por Difusión-Absorción ofrece importantes ventajas tales como: no

necesita trabajo mecánico para su funcionamiento (sin compresor, bomba, válvula, etc.),

solamente requiere una fuente de calor y no genera ruido ni vibración (Herold, Klein y

Radermacher, 1996). Estas características encuentran un nicho de mercado en

habitaciones de hotel, comunidades rurales, aplicaciones móviles tales como remolques,

etc.

El fluido de trabajo en este ciclo es el sistema ternario amoniaco-agua-hidrógeno

y el ciclo se caracteriza por operar a una sola presión total. El amoniaco funciona como

refrigerante, el agua como absorbente y el hidrógeno sirve como un gas auxiliar que

provee una atmósfera propicia para la evaporación del refrigerante en el evaporador.

A pesar de que el sistema opera a una sola presión total y que no se necesita de

una bomba mecánica para aumentar la presión y así crear un cambio en la temperatura de

saturación del fluido (como ocurre en los ciclos clásicos de refrigeración por absorción),

sí se requiere un mecanismo para mover el fluido de trabajo en contra de la fricción y la

gravedad. Para esto se utiliza un dispositivo conocido como bomba de burbujas, el cual

opera con una fuente de energía térmica (White, 2001).

Una bomba de burbujas es un tubo vertical que opera como termosifón al añadir

calor en su base para generar burbujas de vapor, las cuales se elevan y empujan columnas

de líquido a lo largo del tubo. La bomba de burbujas se encuentra acoplada al generador

en el ciclo Difusión-Absorción.

13

1.1 ANTECEDENTES

El ciclo de refrigeración por Difusión-Absorción fue desarrollado en 1928 por los

ingenieros suecos Von Platen y Munters. Este ciclo tiene la peculiar característica de que

solamente necesita una fuente de energía térmica para operar y no posee piezas móviles.

Este tipo de refrigeradores tuvieron un extenso uso en el sector doméstico durante

la década de los 1930’s y los 1940’s pero fueron eventualmente reemplazados por los

refrigeradores convencionales por compresión de vapor, los cuales son más eficientes y

utilizan energía eléctrica que en aquel entonces era más barata.

Estos equipos han sido construidos por algunas empresas y actualmente se venden

en distintas localidades como Estados Unidos, Suecia, México, China, India y Argentina.

En 1958, Watts y Gulland revisaron las patentes y concluyeron que el desarrollo y el

diseño de estos equipos se realizaba de manera empírica en lugar de hacerlo a través de

un enfoque científico y un método analítico (Herold, Radermacher y Klein, 1996).

El usar un gas auxiliar en el ciclo de absorción amoniaco-agua fue propuesto por

Geppert alrededor de 1900. El sugirió utilizar aire como fluido auxiliar pero esto degrada

el coeficiente de funcionamiento (COP) del equipo a tal grado que no es competitivo en

el mercado. El helio ha sido también usado como gas auxiliar, pero sin duda el fluido más

utilizado en esta aplicación es el hidrógeno, propuesto por von Platen y Munters.

1.2 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

Desarrollar un modelo termodinámico y matemático completo del ciclo de

refrigeración por Difusión-Absorción para diseñar un sistema de refrigeración que utiliza

amoniaco-agua-hidrógeno como fluidos de trabajo. El presente trabajo de investigación

se enfoca al modelo teórico del ciclo de Difusión-Absorción.

14

1.3 HIPÓTESIS

Es posible modelar el ciclo de Difusión-Absorción mediante conceptos

termodinámicos y de transferencia de calor que permitan diseñar un equipo de

refrigeración doméstico.

1.4 DESCRIPCIÓN DEL CICLO

En la Fig. 1.1 podemos observar un diagrama esquemático del ciclo de Difusión-

Absorción. Con la aplicación de calor a la solución de amoníaco y agua en el generador o

desorbedor, empieza a hervir el amoniaco (antes que el agua), causando que el vapor de

amoniaco se eleve a través del tubo interior hacia la parte superior del sistema, mientras

que la solución que no se logró evaporar se vierte por el tubo exterior. El calor necesario

puede ser obtenido por colectores solares, por una resistencia eléctrica, o bien de la

combustión de un gas. El vapor de amoniaco llega al rectificador, en donde el agua que se

haya evaporado con el amoniaco, se condensa y vuelve a caer por la parte exterior del

tubo doble del generador.

El vapor de amoniaco entra al condensador, el cual disipa calor hacia el ambiente

a través de aletas en la superficie exterior del tubo, provocando de esta manera un cambio

de fase del amoniaco al estado líquido. Posteriormente, el amoniaco líquido pasa al

evaporador.

El gas auxiliar hidrógeno entra al intercambiador de calor del gas auxiliar por un

tubo interior (punto 8 en la Fig.1.1) para ser enfriado y posteriormente es liberado en la

parte superior del evaporador encontrándose así con el amoniaco líquido proveniente del

condensador. La evaporación del amoníaco comienza y conforme avanza, la presión

parcial del amoniaco en la mezcla gaseosa aumenta. Esto da a lugar a un proceso de

evaporación que se lleva a cabo a lo largo de distintas presiones parciales y temperaturas

de saturación, tomando el calor latente del espacio a refrigerar. La mezcla gaseosa de

amoníaco-hidrógeno sale del evaporador (punto 9 en Fig.1.1) y entra al absorbedor.

15

Fig. 1.1: Diagrama esquemático del ciclo de Refrigeración por Difusión-Absorción

En el absorbedor, la solución débil en refrigerante proveniente del generador

desciende por el serpentín en contra-corriente (punto 10 en Fig.1.1) con la mezcla

gaseosa que viene del evaporador y comienza a absorber el amoníaco de la mezcla. La

diferencia de concentración (y por consecuencia de densidad) entre el punto 8 y 9 es el

mecanismo impulsor para la continua circulación del gas entre el absorbedor y el

evaporador. El hidrógeno se eleva de nuevo al evaporador (punto 8 en Fig.1.1). La

solución, ahora fuerte en amoniaco (punto 3 en Fig.1.1), es precalentada por el flujo de la

solución débil en el intercambiador de calor de la solución. Finalmente la solución fuerte

regresa al generador y el ciclo se completa.

16

1.5 METODOLOGÍA

En este trabajo se modelará completamente el ciclo a través de conceptos de

termodinámica y transferencia de calor y además se simulará por medio de programas

computacionales para realizar estudios paramétricos que ayuden a tomar decisiones en el

diseño final del equipo.

Como apoyo en el análisis y para fines de comparación en el diseño, se cuenta con

un refrigerador marca Electrolux modelo RGE-300 del cual se obtuvieron mediciones de

temperatura en distintas partes del ciclo.

En la primera fase se diseñará el intercambiador de calor de la solución para luego

modelar el comportamiento de la bomba de burbujas. Posteriormente se diseñará el

rectificador y el condensador de manera conjunta.

Finalmente se procederá a modelar el comportamiento del gas auxiliar hidrógeno

con el refrigerante amoniaco en el evaporador y absorbedor. Toda la modelación será

programada en el programa Engineering Equation Solver (EES) desarrollado por Klein y

Alvarado (F-Chart Software).

17

CAPÍTULO II:

REVISIÓN LITERARIA

Recientemente ha incrementado el interés en el ciclo de Refrigeración por

Difusión-Absorción, lo cual se ha traducido en diversas investigaciones,

experimentaciones y publicaciones sobre el desempeño de ciertos componentes o del

ciclo en su totalidad.

2.1 BOMBA DE BURBUJAS

Este componente es una pieza clave en el ciclo de Difusión-Absorción ya que

provee el trabajo necesario para lograr que la solución circule constantemente entre el

absorbedor y el generador. La bomba de burbujas se muestra en la Fig.2.1. Consta de un

reservorio de líquido y de un tubo vertical. Al aplicar calor en la base del tubo, se forman

burbujas de vapor que levantan columnas de líquido a lo largo del tubo. La operación de

la bomba de burbujas afecta directamente el desempeño del ciclo, por lo tanto el análisis

de este componente es una parte crítica en el diseño general del equipo.

Fig. 2.1 Bomba de Burbujas

18

Chen, Kim y Herold (1996) propusieron un nuevo diseño para el generador

integrado con un intercambiador de calor. En esta propuesta la bomba de burbujas se

coloca en una configuración diferente a la convencional (doble tubo) pero no se presentan

expresiones que modelen el comportamiento y/o que justifiquen las dimensiones de la

misma.

Delano (1998) se involucró en la modelación y el análisis de una bomba de

burbujas utilizada para el diseño de un ciclo Einstein de refrigeración. El modelo

analítico de la bomba de burbujas de Delano está basado en el análisis de bombas de aire

(similares a las bombas de burbujas pero usan aire inyectado en lugar de vapor para

levantar el líquido) de Stenning y Martin (1968) así como en balances de materia y de

momentum. También hace suposiciones en cuanto a los regimenes de flujo ya que el flujo

en dos fases lo supone como tipo tapón (slug flow) con un rango de deslizamiento entre

fases de 1.5 y 2.5, mientras que el régimen del liquido lo asume laminar.

El modelo de Delano predice el comportamiento de la bomba de burbujas de

acuerdo a la variación de parámetros físicos y determina el flujo de calor necesario para

un flujo másico dado de solución. El modelo es comparado con la experimentación en un

prototipo construido para demostrar el análisis.

Schaefer (2000) también trabajó con el ciclo Einstein y realizó una optimización

del modelo de la bomba de burbujas de Delano variando el diámetro, altura y flujo

másico para determinar el efecto en el flujo de calor necesario por unidad de masa de la

solución.

Sathe (2001) utiliza el mismo modelo de la bomba de burbujas de Delano (y las

mismas suposiciones) para un ciclo Difusión-Absorción. De la misma manera, Sathe

determina el parámetro “ajustable” K en el modelo analítico de manera experimental.

White (2001) utiliza un modelo basado en el “drift flux model” desarrollado por

Zuber y Findlay en 1965 pero con algunas constantes y términos formulados por de

19

Cachard y Delhaye en 1996. White encontró que este modelo es el que mejor se ajusta a

los resultados experimentales obtenidos, aunque cabe mencionar que la experimentación

la llevó a cabo con una bomba de aire y no una de burbujas como en un ciclo Difusión-

Absorción. White programó el modelo en un programa computacional y diseñó la bomba

de burbujas para la óptima eficiencia, variando los parámetros de manera muy similar a

Schaefer.

Koyfman, Jelinek, Levy y Borde (2003) realizaron una investigación

experimental de una bomba de burbujas para un ciclo Difusión-Absorción pero con una

mezcla binaria de fluidos orgánicos. En esa experimentación se realizaron variaciones en

parámetros tales como la presión del sistema, la geometría del arreglo y el flujo de calor

suministrado.

2.2 PROPIEDADES DEL FLUIDO DE TRABAJO

La modelación del ciclo termodinámico y el diseño de un equipo de refrigeración,

particularmente del tipo absorción, requieren el conocimiento de un gran número de

propiedades termodinámicas y de transporte para mezclas y en algunos componentes en

condiciones de dos fases. Este tipo de información generalmente se encuentra reportada

en gráficas o en forma de complejas ecuaciones de estado, por lo que fue necesario

encontrar una manera práctica de calcular las propiedades termodinámicas y de transporte

de los fluidos de trabajo con un nivel aceptable de exactitud.

No existe mucha literatura que reporte un modelo para el cálculo de las

propiedades termodinámicas y de transporte de una mezcla gaseosa de amoniaco-

hidrógeno y mucho menos del sistema ternario amoniaco-agua-hidrógeno. Sin embargo

existen muchos documentos sobre el cálculo de propiedades para el sistema amoniaco-

agua. Esto es debido a que los sistemas de refrigeración por absorción son más antiguos

que los sistemas por compresión de vapor y el sistema amoniaco-agua ha sido el más

usado para fines de refrigeración industrial.

20

Mejbri y Bellagi (2004) modelaron las propiedades termodinámicas del sistema

amoniaco-agua mediante tres distintos métodos y los compararon. El primer método

evaluado es un enfoque empírico basado en el modelo de energía de Gibbs. El segundo es

un modelo semi-empírico basado en la ecuación de estado cúbica de Patel-Teja. El tercer

modelo esta basado en la ecuación de estado teórica PC-SAFT (Perturbed Chain

Statistical Association Fluid Theory). Mejbri y Bellagi concluyeron que el modelo basado

en PC-SAFT es el mas poderoso y predice las propiedades termodinámicas de la mezcla

hasta presiones y temperaturas muy elevadas, sin embargo para aplicaciones de tipo

industrial, tales como la refrigeración por absorción ellos recomiendan el modelo de

Gibbs ya que demuestra flexibilidad y predice certeramente las propiedades hasta 80 bar

y 500 K.

Conde (2004) presenta de manera muy clara y práctica un compilado de

ecuaciones para el cálculo de propiedades termodinámicas y de transporte del sistema

amoniaco-agua dirigido especialmente al diseño industrial de equipo de refrigeración por

absorción. En ese trabajo se comparan de manera gráfica las ecuaciones propuestas con

otros modelos y con resultados experimentales para demostrar el grado de precisión de

las mismas. Equilibrio de líquido-vapor, calor específico, conductividad térmica,

viscosidad dinámica, tensión superficial y difusividad másica son algunas de las

propiedades que se cubren en este documento, tanto para la fase líquida como para la de

vapor.

El programa computacional EES de Klein y Alvarado contiene una rutina externa

(NH3H2O) que calcula todas las propiedades termodinámicas del sistema amoniaco-agua

la cual proviene de correlaciones presentadas por Ibrahim y Klein (1993). Debido a que

los cálculos y modelación son programados en EES, las propiedades termodinámicas de

los fluidos son calculadas con esta rutina en aras de la practicidad.

21

2.3 MODELACIÓN Y DISEÑO DEL CICLO

Kouremenos y Stegou-Sagia (1987) desarrollaron un modelo que simula la

evaporación del amoniaco líquido hacia el gas auxiliar hidrógeno, tal y como ocurre en el

evaporador del ciclo Difusión-Absorción. Esta simulación permite determinar la

concentración de los residuos de amoniaco en el gas auxiliar a la entrada del evaporador a

través de mediciones de temperaturas a lo largo del tubo del evaporador de un equipo real.

Este trabajo muestra las relaciones entre la presión total del sistema y las temperaturas a

la entrada y salida del evaporador.

Chen, Kim y Herold (1996) lograron mejorar un refrigerador existente marca

Norcold mediante el diseño y construcción de un generador integrado con un

intercambiador de calor que aprovecha el calor que desecha el rectificador para calentar

la solución fuerte en refrigerante proveniente del absorbedor. Realizaron pruebas

experimentales y mediciones de temperaturas tanto del ciclo como de los compartimentos

interiores del refrigerador. También calcularon los flujos de calor de los componentes y el

COP del equipo variando el flujo de calor suministrado al generador. Aunque no reportan

ninguna ecuación de la modelación del ciclo, se menciona que desarrollaron un modelo

llamado DRM (Data Reduction Model) el cual requiere datos experimentales como

entradas. Este modelo está supuestamente basado en ecuaciones de balance de energía y

materia y sirve para calcular los flujos de calor y determinar las áreas de oportunidad en

el diseño del equipo. También presentan una gráfica de presión del amoniaco contra

temperatura para el ciclo completo. Este artículo es una valiosa fuente de información

para la modelación y el diseño de los equipos de Difusión-Absorción y logra una

importante contribución ya que consiguen incrementar el COP del ciclo en un 50%

haciéndolo mas eficiente y competitivo.

Srikhirin y Aphornratana (2002) construyeron un refrigerador por Difusión-

Absorción utilizando helio como gas auxiliar en lugar de hidrógeno. También

desarrollaron un modelo matemático simple basado en balances de energía y materia. Sin

embargo el modelo para la bomba de burbujas fue obtenido de manera experimental

utilizando agua y aire como fluidos de trabajo.

22

Jakob, Eicker, Taki y Cook (2005) desarrollaron un equipo de refrigeración por

Difusión-Absorción que utiliza energía solar a través de colectores al vacío de tipo

concentradores parabólicos compuestos para suministrar calor al generador y a la bomba

de burbujas. Además del hecho de que utiliza energía solar para su funcionamiento, una

característica destacable de este proyecto es que logra una capacidad de enfriamiento de

2.5 Kw siendo que la capacidad de enfriamiento típica de un refrigerador comercial de

Difusión-Absorción es del orden de los 30 a 50 W.

Zohar, Jelinek, Levy y Borde (2005) desarrollaron un modelo termodinámico

completo del ciclo Difusión-Absorción e hicieron simulaciones computacionales. Para

validar su modelo compararon con datos experimentales publicados. Cabe mencionar que

también simularon el efecto del tipo de gas auxiliar en el ciclo comparando al hidrógeno

con el helio.

23

CAPÍTULO III:

MODELO MATEMÁTICO Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO

El siguiente modelo termodinámico del ciclo Difusión-Absorción está basado en

balances de materia y de energía aplicados en volúmenes de control para cada

componente en estado estable. El análisis del ciclo fue dividido en los siguientes

componentes: generador, rectificador, condensador, evaporador con intercambiador de

calor del gas auxiliar, absorbedor y por último el intercambiador de calor de la solución.

3.1 GENERADOR

A continuación se muestra el volumen de control aplicado al generador:

Fig.3.1 Volumen de control del generador

El punto 1 representa el flujo de vapor de amoniaco que sale del generador,

mientras que el punto 4 es el agua condensada proveniente del rectificador. Los flujos 5 y

7 representan la solución débil y fuerte (en amoniaco) respectivamente. El generador se

supone como aislado, siendo el único flujo de energía el del calor suministrado.

24

Balance de materia:

7

.

4

.

5

.

1

.mmmm +=+ (3-1)

Conservación de especies:

77

.

44

.

55

.

11

.xmxmxmxm +=+ (3-2)

En donde x representa la fracción másica de amoniaco de la corriente i.

Balance de energía:

genQhmhmhmhm.

77

.

44

.

55

.

11

.=−−+ (3-3)

3.2 RECTIFICADOR

Figura 3.2 Volumen de control del Rectificador

El estado 1r representa el vapor de amoniaco a la salida del rectificador.

El balance de materia es:

rmmm 1

.

4

.

1

.+= (3-4)

La conservación de especies:

rr xmxmxm 11

.

44

.

11

.+= (3-5)

25

El rectificador no está aislado por lo que el balance de energía queda:

rectrr Qhmhmhm.

11

.

44

.

11

.=−− (3-6)

3.3 CONDENSADOR

Fig. 3.3 Volumen de control del Condensador

Dado que solo existe un flujo másico en el condensador y la concentración es la

misma, el balance de materia es muy simple:

2

..

1 mm r = (3-7)

El condensador intercambia calor con el aire del ambiente por lo que el balance de

energía es:

condrr Qhmhm.

22

.

11

.=− (3-8)

26

3.4 EVAPORADOR E INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL GAS AUXILIAR

El evaporador es sin duda uno de los componentes más interesantes y menos

comprendidos del ciclo Difusión-Absorción. El modelo fue acoplado con el

intercambiador de calor del gas auxiliar sin embargo se muestran los volúmenes de

control aplicados a cada componente:

Fig. 3.4 Volumen de control del evaporador

La corriente 9 representa la mezcla gaseosa de amoniaco-hidrógeno que sale del

evaporador, mientras que la corriente 8 es el hidrógeno que entra al intercambiador de

calor y después es liberado en la parte superior del evaporador. El balance de materia es:

8

.

2

.

9

.mmm += (3-9)

El balance de la mezcla amoniaco-agua queda:

99

.

22

.xmxm = (3-10)

El fenómeno de evaporación y difusión en el evaporador ocurre debido a la

diferencia del potencial químico en cada fase. Esto se refleja en la diferencia entre la

presión de saturación del amoniaco líquido y la presión de vapor (la presión parcial del

amoniaco) en la mezcla gaseosa de amoniaco-hidrógeno. Este proceso es similar a la

evaporación del agua de un lago en un día seco. El hidrógeno que llega al evaporador

27

contiene muy pequeñas cantidades residuales de amoniaco gaseoso. El volumen parcial

ocupado por este amoniaco en la mezcla gaseosa ejerce una presión sobre el amoniaco

líquido (presión de vapor) proveniente del condensador la cual es mucho menor

comparada con la presión de saturación del líquido. Esto ocasiona que el líquido

comience a evaporarse y difundirse hacia la mezcla gaseosa, incrementando de esta

manera el volumen ocupado por el vapor de amoniaco en la mezcla y por consecuencia

aumenta la presión parcial del mismo. A la presión parcial del vapor saturado de

amoniaco en la mezcla gaseosa en el evaporador le corresponde una temperatura menor

que la temperatura del líquido; y debido al mismo proceso de evaporación, la temperatura

del líquido comienza a disminuir. Al descender la temperatura del amoniaco líquido

también disminuye su presión de saturación. Por lo tanto, conforme el proceso de

evaporación se lleva a cabo, la presión parcial del amoniaco en la mezcla gaseosa va

aumentando mientras que la presión de saturación del líquido va disminuyendo. La

evaporación puede continuar hasta que la presión de vapor es igual a la presión de

saturación del líquido, es decir hasta que se alcance el equilibrio.

A pesar de que este proceso no ocurre en equilibrio, es posible modelarlo

partiendo de la salida del evaporador donde termina la evaporación y se llega al equilibrio.

A continuación se muestran las ecuaciones de equilibrio necesarias para el modelo,

suponiendo comportamiento de gas ideal para la mezcla gaseosa y de solución ideal para

el líquido:

satNHNHtotNH PPy 333 χ= (3-11)

donde 3NHy es la fracción molar de amoniaco gaseoso en la mezcla, 3NHχ es la fracción

molar de amoniaco en la fase liquida y satNHP 3 es la presión de saturación del amoniaco a la

temperatura del liquido. Pero:

33 NHtotNH pPy = (3-12)

donde 3NHp es la presión parcial del amoniaco en la mezcla gaseosa. Entonces podemos

rescribir la ecuación 3-11 como:

satNHNHNH Pp 333 χ= (3-13)

28

De la misma manera podemos escribir para el vapor de agua en la mezcla gaseosa:

satOHOHOH Pp 222 χ= (3-14)

y la fracción molar del vapor de agua en la mezcla gaseosa se calcula:

OHtotOH pPy 22 = (3-15)

La presión parcial del hidrógeno en la mezcla se obtiene a partir de la Ley de

Dalton de presiones parciales:

OHNHHtot pppP 232 ++= (3-16)

Y la fracción molar del hidrógeno en la mezcla gaseosa se relaciona con la presión

parcial de la misma manera:

22 HtotH pPy = (3-17)

Ahora es posible conocer las fracciones másicas de cada especie a la salida del

evaporador convirtiendo las fracciones molares obtenidas previamente:

mix

iii MW

MWyx = (3-18)

en donde iMW es el peso molecular de la especie i y mixMW es el peso molecular de la

mezcla, es decir:

∑= iimix MWyMW (3-19)

El balance de energía en el evaporador es:

evapQhmhmhm.

22

.

88

.

9

.

9 =−− (3-20)

en donde 8h es la entalpía del hidrógeno a la temperatura de entrada al intercambiador de

calor del gas auxiliar y a la presión total del sistema. La entalpía 9h se trata de una

entalpía compuesta por las entalpías de cada especie a la salida del evaporador, evaluadas

a la temperatura de salida del evaporador (T9) y presiones parciales correspondientes y

multiplicadas por su respectiva fracción másica.

29

Lo cual sería:

)&9(@22)&9(@33)&9(@229 232 OHNHH pTOHOHpTNHNHpTHH hxhxhxh ++= (3-21)

Haciendo uso de la función NH3H2O podemos expresar la entalpía del amoniaco y del

agua como una sola entalpía correspondiente a una mezcla amoniaco-agua con una

determinada calidad de vapor a la salida del evaporador.

Con respecto al intercambiador de calor del gas auxiliar, podemos decir que una

pequeña parte de la capacidad de enfriamiento se utiliza para enfriar el hidrógeno antes

de que entre en contacto con el amoniaco líquido.

Fig. 3.5 Diagrama del Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar

Para calcular el flujo de calor removido del intercambiador de calor del gas

auxiliar, es necesario conocer la temperatura hasta la cual es enfriado el hidrógeno, de tal

forma el balance de energía sería:

)( 88

..

aghxaghx hhmQ −= (3-22)

en donde aghxQ.

es el flujo de calor removido y aghxh es la entalpía del hidrógeno evaluada

a la temperatura de salida del intercambiador de calor del gas auxiliar.

30

3.5 ABSORBEDOR

El absorbedor es otro componente que involucra transferencia de masa y cambio

de fase además de intercambio de calor con el ambiente. Una película de solución

amoniaco-agua desciende por el tubo en serpentín al mismo tiempo que va absorbiendo el

amoniaco contenido en la mezcla gaseosa de amoniaco-hidrógeno ascendente.

Fig. 3.6 Volumen de control del Absorbedor

Balance de materia:

3

.

8

.

10

.

9

.mmmm +=+ (3-22)

La conservación de especies queda:

33

.

1010

.

99

.xmxmxm =+ (3-23)

El proceso de absorción de amoniaco en agua es exotérmico, por lo tanto el absorbedor

disipa calor hacia el ambiente, entonces el balance de energía es:

absQhmhmhmhm.

33

.

88

.

1010

.

99

.=−−+ (3-24)

31

3.6 TUBO DE SOLUCIÓN DÉBIL

El análisis de este componente resulta en ecuaciones muy simples que incluso

podría considerarse innecesario, sin embargo es importante ya que el diseño de este tubo

influye en el desempeño del absorbedor.

Fig. 3.7 Volumen de control del Tubo de Solución Débil

Balance de materia:

6

.

10

.mm = (3-25)

610 xx = (3-26)

Este tubo es otro componente que disipa calor al ambiente y el balance de energía es:

tuboQhmhm.

1010

.

66

.=− (3-27)

3.7 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE LA SOLUCIÓN

Este intercambiador de calor es utilizado para precalentar la solución fuerte en

amoniaco y al mismo tiempo para enfriar la solución débil proveniente del generador.

En la Figura 3.8 se muestra el volumen de control aplicado a este componente que en este

caso pierde calor hacia el ambiente.

32

Fig. 3.8 Volumen de control del Intercambiador de Calor de la Solución

El balance de materia es muy sencillo ya que se trata solamente de dos corrientes

separadas y por lo tanto las concentraciones no cambian:

7

.

3

.mm = (3-28)

6

.

5

.mm = (3-29)

73 xx = (3-30)

65 xx = (3-31) De acuerdo a la Fig. 3.8 el balance de energía es:

shxQhhmhhm.

373

.

655

.)()( +−=− (3-32)

33

CAPÍTULO IV:

DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA

En este capítulo se plantean las ecuaciones necesarias para el cálculo de las

dimensiones del sistema.

4.1 BOMBA DE BURBUJAS

Este componente es crítico en el desempeño del refrigerador por Difusión-

Absorción ya que es responsable de circular el fluido de trabajo afectando variables tan

importantes como los flujos másicos de refrigerante y solución débil además del calor

necesario en el generador.

Para el diseño de la bomba de burbujas se desarrolló un modelo basado

principalmente en el trabajo de Susan White (2001). El modelo utiliza las ecuaciones

básicas de continuidad, conservación de momentum y energía, además del modelo “Drift-

Flux” para analizar las condiciones de flujo en dos fases en el tubo vertical de la bomba

de burbujas. En la Figura 4.1 se muestra la configuración de la bomba de burbujas:

Fig. 4.1 Diagrama esquemático de la Bomba de Burbujas

34

La superficie de la solución fuerte almacenada en el tanque se encuentra a la presión

total del sistema Ptot y la velocidad en este punto se considera igual a cero.

Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la superficie del líquido en el tanque y el

punto 0:

LbpLtotVgHPP ρρ2

20

0 −+= (4-1)

en donde Lρ es la densidad del líquido, y 0V es la velocidad de la solución en el punto 0.

Entre el punto 0 y A se desprecia la fricción por tratarse de un tramo de corta

distancia, por lo tanto la ecuación de energía aplicada entre el punto 0 y el punto A queda:

)( 0100 VVVPP LA −−= ρ (4-2)

y la ecuación de continuidad entre 0 y A es:

AALL AVAVm ρρ == 000

.

(4-3)

pero el área A0 es igual al área AA (debido a que el diámetro Dbp es el mismo en toda la

tubería), por lo tanto:

AVV =0 (4-4)

La conservación de momentum y energía entre el punto A y B despreciando los

efectos de fricción queda:

)( ABABAB VVVPP −−= ρ (4-5)

y la conservación de materia es:

AALBBB AVAV ρρ = (4-6)

por lo tanto se deduce:

B

ALB V

Vρρ = (4-7)

Aplicando la ecuación de energía entre la superficie del líquido en el tanque y el

punto B queda:

35

0

2

)(2 A

AgLDLVfPP L

bpLbp

bpBBtptotB ρρ

++= (4-8)

en donde tpf es un factor de fricción para flujo en dos fases basado en las propiedades

promedio del líquido y del gas.

Combinando las ecuaciones 4-1, 4-2, 4-5 y 4-8 es posible obtener una expresión

que describa la caída de presión promedio en el tubo vertical de la bomba:

bpL

ABAB

bp

AL

bpL

BBtp

bp

bp

gLVVV

gLV

AA

gDVf

LH

ρρ

ρρ )(

22

2

0

2 −+++= (4-9)

Este cociente de Hbp y Lbp es conocido como la razón de sumergimiento (submergence

ratio) de la bomba de burbujas.

Ahora es necesario expresar esta ecuación en parámetros de flujo en dos fases, ya

que a partir del punto B esas condiciones prevalecen a lo largo del tubo vertical. Por lo

tanto hay que definir los términos utilizados en flujo de dos fases.

La velocidad superficial del líquido jL se define como:

0

.

Aj L

L∀

= (4-10)

en donde L

.∀ es el flujo volumétrico del líquido determinado por:

00

.AVL =∀ (4-11)

por lo que:

0VjL = (4-12)

De manera similar, definimos la velocidad superficial del gas jG como:

0

.

Aj GG

∀= (4-13)

36

En el punto B se tienen condiciones de flujo en dos fases por lo que la velocidad

VB describe la velocidad total promedio de la mezcla, es decir:

0

..

AV GL

B∀+∀

= (4-14)

Lo cual es equivalente a la definición de j, por lo tanto:

0

..

AjjjV GLGLB

∀+∀=+== (4-15)

La fracción de vacío ε se define como la sección de área que ocupa la fase

gaseosa dividida entre la sección de área total del tubo, esto es:

0A

AG=ε (4-16)

Ahora es posible rescribir la ecuación 4-9 utilizando los parámetros de flujo de

dos fases:

bp

LL

bp

L

bp

Ltp

bp

bp

jgLjjj

gLj

gDjjf

LH )(

2)1(

2

22 −++−+= ε (4-17)

Esta ecuación es utilizada para modelar el comportamiento de la bomba de burbujas.

El modelo Drift-Flux se basa principalmente en la siguiente ecuación que describe

la fracción de vacío:

gjGL

G

VjjCj

++=

)(0

ε (4-18)

en donde:

2.10 =C (4-19)

37

bpm

BoN

gj gDeeVf

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−=

−− 37.3345.001.0

1)1(345.0 (4-20)

2

32 )(

L

bpGLLf

gDN

μρρρ −

= (4-21)

⎪⎩

⎪⎨

= −

256910

35.0fNm

18

25018

250

⟨⟨

f

f

f

N

N

N

(4-22)

El número de Bond se define como:

σρρ 2)( bpGL gD

Bo−

= (4-23)

siendo σ la tensión superficial de la solución.

Para determinar el factor de fricción y las propiedades en condiciones de dos fases

se tomaron las siguientes definiciones de la misma manera que en (Shelton y White 2002):

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

+−=

tptpbp

R

tp fD

f.10.

Re

35.92log448.31 ε (4-24)

donde Rε es la rugosidad del tubo y los parámetros utilizados son:

El factor de fricción de Fanning:

4

.tp

tp

ff = (4-25)

El número de Reynolds de dos fases:

tp

bpGGLLtp

Djjμρρ )(

Re+

= (4-26)

38

La viscosidad de dos fases:

)5.21)(1( HHLGHtp εεμμεμ +−+= (4-27)

en donde la fracción de vacío homogénea Hε es:

)1( κ

ρρ

κ

κε−+

=

G

LH (4-28)

donde κ es la calidad de la mezcla y se define como:

.

.

0m

mG=κ (4-29)

Un balance de materia aplicado a la entrada y salida de la bomba de burbujas

indica:

GL mmm..

0

.+= (4-30)

donde:

0

.Ajm LLL ρ= (4-31)

0

.Ajm GGG ρ= (4-32)

La estrategia de diseño para la bomba de burbujas será basada en definir una

fracción de desorción o razón de flujos másicos BPF para la bomba de burbujas:

0

.

.

m

mF GBP = (4-33)

Esta fracción representa la cantidad de vapor desorbido o desprendido de la solución

fuerte que entra a la bomba de burbujas ⎥⎦

⎤⎢⎣

tot

G

kgkg . El flujo de calor necesario es:

fgGBP hmQ..

= (4-34)

donde hfg es el calor latente de vaporización de la solución.

39

Existen distintos regimenes de flujo en condiciones de dos fases dentro de tubos

verticales tales como flujo de burbujas, flujo de tapón (slug) y flujo anular entre otros.

Según Delano (1998), una bomba de burbujas opera con mayor eficiencia en el régimen

de flujo tapón o slug.

White (2002) indica que las correlaciones de Cachard y Delhaye (ecuaciones 4-19

a 4-22) utilizadas para ajustar el modelo Drift-Flux solamente aplican para flujo tipo

slug, además encontró que la mayor eficiencia de la bomba de burbujas se alcanza en el

régimen tipo slug, justo antes de entrar al flujo tipo churn.

De acuerdo a Chisholm (1983) (Delano, 1998) el diámetro máximo en el que

puede ocurrir flujo tipo slug está dado por la siguiente ecuación:

2/1

119

⎟⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

G

L

L

vvg

vD

σ (4-35)

Por lo tanto la selección del diámetro del tubo de la bomba de burbujas se delimita por

esta ecuación ya que la bomba se diseñará para operar en el régimen de flujo tipo slug.

4.2 CONDENSADOR

El condensador será diseñado para intercambiar calor con el aire del ambiente por

convección natural. Esta condición es una limitante para la capacidad del sistema, ya que

a medida que se deseara incrementar el flujo másico de refrigerante, se necesitaría un

condensador de mayores dimensiones y/o enfriamiento del condensador por aire o agua

en convección forzada. Para mejorar la transferencia de calor por convección natural en

el condensador, se optó por un diseño con aletas cuadradas a lo largo del tubo del

condensador como se muestra en la Figura 4.2:

40

Fig. 4.2 Configuración del Condensador

En este diseño se considera que las aletas son del mismo material del tubo del

condensador (acero al carbón) y que la resistencia de contacto entre el tubo y las aletas es

despreciable. Dadas las dimensiones de la aleta, el diámetro del tubo y el espaciamiento

entre cada aleta, se desea encontrar el número de aletas necesarias para disipar el calor

del condensador al ambiente. El número de aletas n se relaciona directamente con la

longitud total del condensador de la siguiente manera:

finfincond snntL )1( −+= (4-36)

Como parámetro de diseño, definimos la temperatura del condensador como:

CTT ambcond °+= 10 (4-37)

El calor del condensador se disipa por el área aletada y también por el área sin

aletas:

unfinnedfinnedcond QQQ...

+= (4-38)

Por lo tanto se aplica la ley de enfriamiento de Newton a estas áreas:

finambcondfinnedcondfinned TTAQ η)(.

−= h (4-39)

41

)(.

ambcondunfinnedcondunfinned TTAQ −= h (4-40)

en donde condh es el coeficiente de transferencia de calor por convección promedio del

condensador y las áreas se definen como:

nDLA condfinfinned )

4(2

22 π−= (4-41)

)1( −= nsDA fincondunfinned π (4-42)

Para determinar la eficiencia de las aletas finη se realizó un análisis de

distribución de temperaturas por diferencias finitas:

idealfin

realfinfin

Q

Q

_

._

.

=η (4-43)

en donde el calor ideal sería el disipado por una aleta completamente isotérmica:

))(4

(2

2_

.

ambcondcond

fincondidealfin TTDLQ −−= πh (4-44)

En la Figura 4.3 se muestra la malla aplicada a una aleta para calcular su

distribución de temperaturas. La aleta se dividió en 25 (5x5) sub-secciones, por lo que

cada sub-sección mide 5finL

por lado. El análisis por diferencias finitas se simplifica

considerando simetría:

42

Fig.4.3 Distribución de temperaturas en la aleta

El nodo 1 está en contacto directo con el tubo y ocupan casi la misma área, por lo

tanto es válido suponer que el nodo 1 se encuentra a la temperatura del condensador,

entonces la distribución de temperaturas queda:

condT=1τ (4-45)

)(25.0 35512 τττττ +++= (4-46)

])(5.0[2

16623 ambBiT

Bi+++

+= ττττ (4-47)

)(25.0 75514 τττττ +++= (4-48)

)(25.0 86425 τττττ +++= (4-49)

])(5.0[2

19356 ambBiT

Bi+++

+= ττττ (4-50)

])(5.0[2

18847 ambBiT

Bi+++

+= ττττ (4-51)

43

])(5.0[2

19758 ambBiT

Bi+++

+= ττττ (4-52)

])(5.0[1

1869 ambBiT

Bi++

+= τττ (4-53)

en donde el número de Biot esta dado por:

lcarbonstee

fincond k

LBi

5/h= (4-54)

El área de cada elemento finito (o nodo) es:

2

5 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= fin

fin

LdA (4-55)

La ley de enfriamiento de Newton aplicada al nodo 1:

))(4

(2 1

2

1_

.

ambcond

fincondnodo TDdAQ −−= τπh (4-56)

y para los otros nodos:

)(2_

.

ambifincondinodo TdAQ −= τh (4-57)

por lo tanto el calor real disipado por la aleta es:

∑=

=1

_

.

_

.

iinodorealfin QQ (4-58)

y en este caso i llega hasta 25.

El coeficiente de transferencia de calor por convección se calculó utilizando la

correlación de Raithby y Hollands (Kreith y Bohn 1993) basada en la separación de las

aletas:

( )37.0

7.225.07.289.0

62.018 ⎥

⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛= s

sfin RaRaNus (4-59)

44

air

fincondfin k

sNus

h= (4-60)

y el número de Rayleigh, sRa , para esta configuración se define:

finairair

ambcondairs LsTTgRa

ανβ

4

)( −= (4-61)

4.3 RECTIFICADOR Y TUBO DE SOLUCIÓN DÉBIL

La directriz en el diseño del rectificador es la concentración del vapor de

amoniaco a la salida de este componente, esto es, x1r . Por lo tanto el rectificador debe

garantizar que disipará el calor necesario para entregar un vapor de amoniaco con la

pureza especificada.

En el caso del tubo de solución débil, el parámetro de diseño dominante es la

longitud total del tubo, ya que ésta se encuentra limitada por la altura del tubo vertical de

la bomba de burbujas Lbp. El tubo, además de alimentar al absorbedor con la solución

débil, actúa como un disipador de calor al medio ambiente ya que si el tubo estuviera

completamente aislado, el absorbedor tendría que disipar más calor (y por consecuente

necesitaría mayor área de transferencia) para llevar a cabo el proceso de absorción.

El diseño de estos dos componentes es muy similar debido a su configuración

geométrica ya que ambos son tubos verticales que intercambian calor por convección

natural al ambiente. A continuación se describen las ecuaciones necesarias su diseño:

La ley de enfriamiento de Newton en el rectificador indica:

( )ambrectrectrectrect TTAQ −= h.

(4-62)

En donde Trect es tomado como un promedio entre las temperaturas de entrada y salida del

rectificador, esto es:

214 r

rectTTT +

= (4-63)

45

El área del tubo del rectificador es:

rectrectrect LDA π= (4-64)

El diseño del rectificador considera una orientación vertical en la mayor parte de

la longitud total, por lo tanto es necesario calcular el coeficiente de calor por convección

natural para un cilindro vertical. Un cilindro vertical de longitud L en convección natural

puede ser tratado como una pared vertical siempre y cuando el espesor de la capa límite

sea mucho menor que el diámetro D del cilindro. De acuerdo a Bejan (1993), si 1Pr ≥ ,

esta condición se satisface cuando:

4/1−⟩ LRa

LD

(4-65)

De no cumplirse este criterio, es necesario tomar en cuenta los efectos de curvatura en la

capa límite. Le Fevre y Ede (Bejan 1993) desarrollaron una relación que considera estos

efectos para el régimen laminar:

DLRa

Nus LL Pr)6364(35

Pr)315272(4Pr2120(5

Pr734

4/1

++

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

= (4-66)

Cabe mencionar que otro criterio para considerar un cilindro vertical en convección

natural como una pared vertical es descrito por Sparrow y Gregg (Incropera y DeWitt,

2002) de la siguiente forma:

4/1

35

LGrLD

≥ (4-67)

De acuerdo a Cebeci, Minkowycz y Sparrow (Incropera y DeWitt, 2002), los efectos de

curvatura afectan el desarrollo de la capa límite y promueven la transferencia de calor.

Para convección natural en paredes verticales, Manrique (2002) sugiere la

siguiente expresión obtenida de la ecuación de Langmuir:

4/1)(958.1 ambs TT −=h (4-68)

46

La ley de enfriamiento de Newton aplicada al tubo de la solución débil es:

( )ambtubotubotubotubo TTAQ −= h.

(4-69)

La temperatura del tubo también puede ser considerada como el promedio aritmético de

las temperaturas de salida y entrada del tubo y dado que en este caso la diferencia de

temperaturas es pequeña, esta es una aproximación razonable.

El área del tubo de solución débil es:

tubotubotubo LDA π= (4-70)

Para calcular el coeficiente de transferencia de calor tuboh las ecuaciones 4-65 a 4-68 son

utilizadas de la misma manera que en el rectificador.

4.4 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE LA SOLUCIÓN

Para el diseño de este componente se seleccionó una configuración de

intercambiador de doble tubo, ilustrada en la Fig. 4.4, donde el fluido frío (la solución

fuerte) fluye por el tubo interior, mientras que la solución débil fluye en contra-corriente

por el ánulo. El hecho de que el fluido caliente circula por el tubo exterior, intuitivamente

representa mayores pérdidas de calor hacia el ambiente, sin embargo esta opción

simplifica el análisis y diseño de la bomba de burbujas, el cual es un componente de

mayor importancia para el ciclo.

Fig. 4.4 Configuración del Intercambiador de Calor de la Solución

47

El propósito del intercambiador de calor de la solución es disminuir la

temperatura de la solución débil proveniente del generador ya que si la solución débil

entra muy caliente al absorbedor, el proceso de absorción se ve afectado negativamente.

Además, precalentar la solución fuerte antes de entrar al generador, disminuye el

requerimiento de calor suministrado al sistema y por lo tanto incrementa el COP.

El caso ideal sería transferir todo el calor de la solución débil a la solución fuerte

pero esto requeriría una mayor longitud del intercambiador de calor (área de transferencia

de calor) y las pérdidas por fricción en la bomba de burbujas se volverían significativas.

Si se desea mantener una longitud apropiada en el intercambiador de calor de la solución,

es inevitable tener pérdidas de calor al ambiente ya que para aislar completamente el

intercambiador se requieren cantidades imprácticas de material aislante.

Por lo tanto, el parámetro de diseño para este componente es especificar una

temperatura deseable en una salida del intercambiador (conociendo las temperaturas de

entrada y los flujos másicos) y posteriormente calcular el área de transferencia de calor

necesaria.

Del balance de energía descrito en la ecuación 3-32 podemos calcular las pérdidas

de calor al ambiente como:

shxshxshxshx TAUQ Δ=.

(4-71)

En donde:

shxshxshx LDA π= (4-72)

( ) shxshx ARRR

U321

1++

= (4-73)

Las resistencias térmicas R1, R2 y R3 son la resistencia por convección en el ánulo, la

resistencia por conducción en el tubo exterior y la resistencia por convección natural del

tubo exterior al aire del ambiente respectivamente:

48

shxsdishx LDR

h_1

= (4-74)

shxsteelcarbon

ishx

shx

LkDD

Rπ2

ln_

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

= (4-75)

shxshxshx LDR

hπ1

3 = (4-76)

donde ishxD _ es el diámetro interno del tubo exterior.

Para el cálculo del coeficiente promedio de transferencia de calor por convección

de la solución débil, sdh , en la región anular se consideró que el flujo laminar se

encuentra completamente desarrollado y que el flujo de calor en las superficies es

uniforme:

sd

hshxsdo k

DNus _h

= (4-77)

en donde Dshx_h es el diámetro hidráulico (Dshx_i – Dbp) y ksd es la conductividad térmica

promedio de la solución débil. El número de Nusselt, Nuso , se calcula de la siguiente

manera (Kays, Crawford y Wiegand 2005):

( ) *'''' /1 ooi

ooo qq

NusNus

θ−= (4-78)

Los valores de ooNus y *oθ se obtienen de Kays, Crawford y Wiegand (2005) para

distintas relaciones de diámetro interno y externo.

El coeficiente de transferencia de calor por convección natural sobre un cilindro

horizontal se calcula con la siguiente correlación encontrada en (Cengel y Turner, 2001):

( )

2

27/816/9

6/1

Pr)/559.0(1387.06.0

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

++=

RaNusshx (4-79)

49

air

shxshxshx k

DNus h= (4-80)

Finalmente, debido a que existe transferencia de calor hacia el ambiente, la

diferencia de temperaturas descrita en la ecuación 4-71, la podemos aproximar como:

ambshx TTT

T −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=Δ2

37 (4-81)

4.5 PRESIÓN TOTAL DEL SISTEMA

La presión total a la cual será cargado el equipo es determinada por el diseño del

condensador principalmente y esto a su vez define el rango de temperatura de operación

del sistema. Si el rectificador es diseñado para remover toda el agua del vapor de

amoniaco, entonces el proceso de condensación ocurre a temperatura constante

correspondiente a la temperatura de saturación del amoniaco puro a la presión del sistema.

Esta temperatura de saturación debe ser apropiada para que el condensador intercambie

calor con el medio ambiente y el vapor se condense en su totalidad.

La presión total depende directamente de la cantidad de gas auxiliar (hidrógeno)

con la que se carga el sistema. Si la carga de gas auxiliar es muy baja entonces el equipo

deja de funcionar cuando la temperatura ambiente aumenta; por otro lado, si la carga es

muy alta entonces la temperatura de condensación es muy elevada y esto deteriora el

desempeño del sistema (Chen, Kim y Herold, 1996).

Por lo tanto se debe seleccionar una presión del sistema que garantice que el

equipo funcionará en un rango de temperaturas ambiente razonable y de acuerdo al

diseño del condensador.

50

4.6 EVAPORADOR

En el evaporador se lleva a cabo el proceso probablemente más complejo de todo

el ciclo ya que combina transferencia de calor con cambio de fase y transferencia de masa

entre distintas especies químicas. La directriz de diseño en este componente es

principalmente la calidad del vapor de amoniaco a la salida del evaporador. Por lo tanto

la longitud total del evaporador debe permitir la evaporación casi total del líquido

refrigerante y permitir también la transferencia de calor del espacio a refrigerar hacia la

mezcla gaseosa en el tubo del evaporador.

El evaporador se considera acoplado al intercambiador de calor del gas auxiliar

por lo que se seleccionó una configuración de doble tubo en donde el gas auxiliar es

enfriado al circular por el tubo interior, mientras que la mezcla gaseosa (NH3-H2O) y el

líquido refrigerante fluyen a contracorriente por el tubo exterior. Esta configuración se

ilustra en las Figuras 3.4 y 3.5.

De esta manera, definimos para el evaporador:

evapevapevapevap TAUQ Δ=.

(4-82)

en donde

evapevapevap LDA π= (4-83)

( ) evapevap ARRR

U654

1++

= (4-84)

las resistencias térmicas R4, R5 y R6 representan la resistencia por convección en la

interfase del líquido y vapor con la pared del tubo, la resistencia por conducción en el

tubo exterior y la resistencia por convección natural del tubo exterior al aire del espacio a

refrigerar, respectivamente.

evaplvehevap LD

Rh_

41

π= (4-85)

51

siendo hevapD _ el diámetro hidráulico del evaporador y lveh el coeficiente promedio de

transferencia de calor por convección del líquido y del vapor en la pared interna del tubo

exterior del evaporador. Para el cálculo de lveh se consideró régimen laminar y flujo de

calor uniforme en las superficies. Los cálculos restantes se efectúan utilizando las

ecuaciones 4-77 a 4-80 ingresando los datos apropiados para el evaporador.

La diferencia de temperaturas considerada para el evaporador se definió como:

2min9 TTTevap

−=Δ (4-86)

donde Tmin es la temperatura mínima de diseño.

Para determinar si la longitud del evaporador es suficiente para permitir la

evaporación completa del refrigerante líquido, es necesario analizar la evaporación como

un proceso de transferencia de masa por convección. La razón de transferencia de una

especie a puede ser expresada como una razón de transferencia de masa:

( )∞−= ,,*

.

asaa Am ρρh (4-87)

en donde *h es el coeficiente promedio de transferencia de masa por convección [m/s] y

sa,ρ y ∞,aρ son las densidades de la especie a en la superficie y en la corriente libre,

respectivamente. Por lo que al aplicar esta ecuación a la razón de evaporación en el

evaporador obtenemos:

( )veleevapevapevap Am ρρ −= *.

h (4-88)

donde leρ y veρ son las densidades del líquido y del vapor en el evaporador

respectivamente.

Existe una analogía entre las expresiones de transferencia de calor por convección

y las de transferencia de masa por convección. Para calcular el coeficiente de

transferencia de masa en el evaporador, se consideró un flujo laminar completamente

52

desarrollado y con una concentración constante del vapor en la superficie del líquido

(Incropera y DeWitt, 2002):

66.323

_*

==−HNH

hevapevap DSh

δh

(4-89)

donde Sh es el número de Sherwood y 23 HNH −δ es el coeficiente de difusión para el

amoniaco-hidrógeno [m2/s]. El número de Sherwood es análogo al número de Nusselt y

representa un gradiente adimensional de concentración en la superficie. Para calcular el

coeficiente de difusión se utilizó la siguiente correlación (Kouremenos y Stegou-Sagia,

1987):

sis

gasmixHNH P

Tx 74.19

23

104 −

− =δ (4-90)

donde Tgasmix es la temperatura de la mezcla gaseosa en el evaporador (considerada en el

presente trabajo como un promedio entre Tmin y T9) y Psis es la presión total del sistema en

bars.

4.7 ABSORBEDOR

El absorbedor se diseñó de manera similar al evaporador ya que se desea que la

solución débil despoje por completo de amoniaco a la mezcla gaseosa proveniente del

evaporador. Consecuentemente, el absorbedor debe tener una longitud apropiada para

garantizar que la solución débil absorba la mayor cantidad de refrigerante posible.

El calor liberado en el proceso de absorción es:

absabsabsabs TAUQ Δ=.

(4-91)

donde:

absabsabs LDA π= (4-92)

En el absorbedor, una película de líquido (solución débil) desciende por el

interior de un tubo sencillo horizontal (doblado en serpentín y con una ligera pendiente

hacia abajo) al mismo tiempo que absorbe refrigerante de la mezcla gaseosa que se eleva

53

por el interior del tubo. Además el tubo está expuesto al ambiente ya que el proceso de

absorción es exotérmico. Por lo tanto el coeficiente global de transferencia de calor es:

( ) absabs ARRR

U987

1++

= (4-93)

R7, R8 y R9 representan la resistencia por convección en la interfase del líquido y vapor

con la pared del tubo, la resistencia por conducción en el tubo y la resistencia por

convección natural del tubo exterior al aire del ambiente, respectivamente.

abslvahabs LD

Rh_

71

π= (4-94)

Para determinar el coeficiente de calor por convección dentro del absorbedor, se

consideró flujo laminar completamente desarrollado con una temperatura constante en la

superficie del tubo (Incropera y DeWitt, 2002):

66.3==sd

abslvaabs k

DNus h (4-95)

La diferencia de temperaturas en el absorbedor puede ser aproximada de la

siguiente forma:

ambabs TTTTTT −+++

=Δ4

10983 (4-96)

La razón de absorción también puede ser expresada como una transferencia de

masa por convección:

( )valaabsabsabs Am ρρ −= *.

h (4-97)

54

Para el cálculo del coeficiente de transferencia de masa en el absorbedor se

consideró la misma condición de flujo laminar desarrollado y concentración constante en

la superficie (Incropera y DeWitt, 2002):

66.323

_*

==−HNH

habsabs DShδh

(4-98)

donde el coeficiente de difusión se calculó de la misma manera que en la ecuación 4-90

pero utilizando una temperatura promedio en el absorbedor aproximada por el cociente

empleado en la ecuación 4-96.

55

CAPÍTULO V:

RESULTADOS

En este capítulo se presentan los análisis mediante variación de parámetros

realizados a cada componente así como el desempeño del ciclo completo de acuerdo al

modelo desarrollado. Estos resultados son valiosos para conocer las principales variables

que afectan el desempeño del sistema, permitiendo de esta manera tomar decisiones para

el diseño del equipo.

5.1 BOMBA DE BURBUJAS

Como previamente se ha mencionado, este componente actúa como el corazón de

todo el ciclo ya que determina la cantidad de solución débil y de refrigerante que fluye

por el sistema.

El propósito del estudio en este componente es determinar el diámetro (Dbp), la

razón de sumergimiento (bp

bp

LH

) y el flujo de calor ( bpQ.

) apropiados en la bomba de

burbujas para un determinado flujo másico de solución débil y presión total del sistema.

Se seleccionaron tres distintos valores de flujo másico de la solución débil Lmm.

5

.= y

tres valores de presión total del sistema. Se seleccionaron también tres diferentes razones

de sumergimiento bp

bp

LH

. El parámetro variable en cada caso fue el diámetro de la bomba

de burbujas Dbp con un rango de 0.002 a 0.02 m. La temperatura de la solución débil a la

salida del generador se fijó en 377 K con una concentración de amoniaco de 0.13 en

fracción másica.

A continuación se muestran las gráficas que describen el comportamiento de la

bomba de burbujas en distintas condiciones de operación.

56

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Dbp [m]

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Hbp / Lbp=0.4mL=0.00015 kg/sPsis=13.5 bar

Qbp

fbp

Fig. 5.1 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas

y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.4, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Dbp [m]

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Hbp / Lbp=0.6mL=0.00015 kg/sPsis=13.5 bar

Qbp

fbp

Fig. 5.2 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

57

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.8mL=0.00015 kg/sPsis=13.5 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.3 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.8, 00015.0.

=Lm , Psis=13.5)

Comparando las figuras 5.1, 5.2 y 5.3 podemos observar que para un valor fijo de

líquido a bombear (solución débil) y para una determinada razón de sumergimiento, un

diámetro mayor requiere un mayor flujo de líquido a la entrada, por lo que incrementa

significativamente el flujo de calor necesario en la bomba de burbujas. Un mayor

diámetro de la bomba de burbujas también significa una mayor cantidad de vapor

desprendida (debido a que una mayor cantidad de solución fuerte ingresa a la bomba de

burbujas para bombear la misma cantidad de líquido), esto se observa en la fracción Fbp

que también aumenta con el diámetro.

De las figuras anteriores también podemos notar que para bombear la misma

cantidad de solución débil con un diámetro fijo, la cantidad de calor necesario disminuye

conforme la razón de sumergimiento aumenta. Evidentemente Fbp también decrece al

aumentar la razón de sumergimiento. Estas relaciones son muy útiles para seleccionar las

dimensiones de la bomba de burbujas dependiendo de los flujos másicos y el flujo de

calor requeridos en el sistema.

58

A continuación se presentan los resultados variando el flujo másico del líquido

con una razón de sumergimiento fija y a la misma presión del caso anterior:

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6mL=0.00035 kg/sPsis=13.5 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.4 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=13.5)

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6mL=0.00075 kg/s

Psis=13.5 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.5 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00075, Psis=13.5)

59

Al comparar las figuras 5.4 y 5.5 con la figura 5.2 se observa que bpQ.

es casi

igual para un mismo diámetro, sin embargo Fbp es menor a medida que la cantidad de

líquido a bombear aumenta. Esto indica que a pesar de que circula una mayor cantidad de

solución en la bomba de burbujas, la cantidad de vapor desprendido sigue siendo casi la

misma.

Las siguientes gráficas muestran el efecto de operar la bomba de burbujas a

diferentes presiones del sistema:

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6mL=0.00015 kg/s

Psis=17 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.6 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00015, Psis=17)

Si se compara la figura 5.6 con la figura 5.2 se observa que para un mismo

diámetro, una mayor presión de operación representa un mayor valor de bpQ.

y de

Fbp , es decir se requiere un flujo másico de solución fuerte mayor para bombear la misma

cantidad de líquido y además la cantidad de vapor generado es mayor en proporción al

caso de menor presión.

60

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6mL=0.00035 kg/sPsis=17 bar

Qbp

fbp[k

W,

kg g

/ kg

tot ]

Fig. 5.7 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas

y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=17)

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

Dbp [m]Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6

mL=0.00075 kg/s

Psis=17 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.8 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00075, Psis=17)

61

Finalmente se comparó con una presión total del sistema de 25 bar:

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6

mL=0.00015 kg/sPsis=25 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

Qbp

fbp

Fig. 5.9 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas y

Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00015, Psis=25)

0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Dbp [m]

Hbp / Lbp=0.6

mL=0.00035 kg/s

Psis=25 bar

[kW

, k

g g /

kgto

t ]

fbp

Qbp

Fig. 5.10 Diámetro de la Bomba de Burbujas vs. Flujo de Calor en la Bomba de Burbujas

y Fracción de Desorción (bp

bp

LH

=0.6, =Lm.

0.00035, Psis=25)

62

Estos resultados permiten tomar decisiones en el diseño de la bomba de burbujas,

tales como la selección del diámetro y la razón de sumergimiento de la bomba de

burbujas de acuerdo a los requerimientos de flujos másicos en el sistema, capacidad de

enfriamiento y de la disponibilidad del flujo de calor suministrado en la bomba de

burbujas.

5.2 MODELO TERMODINÁMICO DEL CICLO

El modelo termodinámico del ciclo Difusión-Absorción está relacionado con el

diseño y la configuración física del equipo. Esto resulta en un modelo acoplado en donde

las entradas al programa son los parámetros de diseño. La tabla 5.1 muestra los

parámetros de diseño que se utilizaron para definir cada estado termodinámico.

Estado

termodinámico

Entradas

1 Ptot x1 κ1

1r Ptot x1r κ1r

2 Ptot x2 κ1

3 T3 Ptot x3

4 T4 Ptot κ4

5 T5 Ptot κ5

6 T6 Ptot κ6

7 T7 Ptot κ7

8 T8 Ptot -

9 T9 x9 κ9

10 T10 Ptot x10

Tabla 5.1 Estados Termodinámicos y Entradas del Modelo

El modelo requiere también 5

.m y Tamb como entradas, pero estas se consideran como

variables para realizar análisis de sensibilidad en el modelo.

63

Uno de los criterios de evaluación del ciclo Difusión-Absorción es el coeficiente

de funcionamiento o COP (Coefficient of Performance), el cual se define como:

bpgen

evap

QQ

QCOP ..

.

+= (5.1)

Las figuras 5.11 a 5.13 muestran el desempeño del sistema conforme T5 aumenta,

lo cual es equivalente a incrementar el suministro de calor en el generador. El COP tiende

a aumentar debido a que al aumentar el calor en el generador se genera más vapor y la

capacidad de enfriamiento incrementa.

395 400 405 410 415 420 425 430 435-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

T5 [K]

[kW

]

Tamb=298 K

Psis=17 bar

m5=0.00015 kg/s Qgen

Qabs

Qcond

Qev ap

Fig. 5.11 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Flujo de Calor

en el Generador, Absorbedor, Condensador y Evaporador

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

64

395 400 405 410 415 420 425 430 435-0.004

0

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

T5 [K]

[kW

]Qtubo

Qshx

Qrect

Tamb=298 KPsis=17 bar

m5=0.00015 kg/s

Fig. 5.12 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Flujo de Calor

en el Intercambiador de Calor de la Solución, Tubo de la Solución Débil, y Rectificador

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

395 400 405 410 415 420 425 430 435-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

T5 [K]

CO

P

Tamb=298 K

Psis=17 bar

m5=0.00015 kg/s

Fig. 5.13 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. COP

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

65

La siguiente figura muestra las longitudes del evaporador y del absorbedor

conforme T5 incrementa. Estas longitudes son las diseñadas en base a una completa

evaporación del líquido refrigerante en el evaporador y una absorción completa en el

absorbedor.

405 410 415 420 425 430 435 440 4450

2

4

6

8

10

T5 [K]

[m]

Levap

Labs

Tamb=298 KPsis=17 barm5=0.00015 kg/s

Fig. 5.14 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Longitud del

Absorbedor y del Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

66

En la siguiente figura se observan las longitudes del rectificador, intercambiador

de calor de la solución y del tubo de transporte de la solución débil.

405 410 415 420 425 430 435 440 4450

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

T5 [K]

[m]

Ltubo

Lshx

Lrect

Tamb=298 KPsis=17 bar

m5=0.00015 kg/s

Fig. 5.15 Temperatura de la Solución Débil a la salida del Generador vs. Longitud del

Intercambiador de Calor de la Solución, Tubo de la Solución Débil, y Rectificador

(Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

Es importante mencionar que los análisis representados por las figuras 5.11 a 5.14

fueron realizados suponiendo T9 = 298 K y T8 = T9 +10 K. La temperatura a la salida del

evaporador T9 depende de varios factores, tiende a aumentar con la presión total del

sistema, con la temperatura T8, con la cantidad de amoniaco residual en el hidrógeno que

entra al evaporador y con el flujo másico 8

.m (Kouremenos y Stegou-Sagia, 1987).

A continuación se presentan los estudios de sensibilidad realizados sobre estos

parámetros para investigar su impacto en el ciclo.

En la figura 5.16 se muestra la variación de la longitud del evaporador y del

absorbedor conforme se aumenta la temperatura a la salida del evaporador, mientras que

T8 = T9 +10 K y T5 = 415 K.

67

294 296 298 300 302 304 306 308 3100

1

2

3

4

5

6

7

T9 [K]

[m]

Labs

Levap

Tamb=298 K

Psis=17 barm5=0.00015 kg/s

T5=415 K

T8=T9 + 10

Fig. 5.16 Temperatura a la salida del Evaporador vs. Longitud del Absorbedor y del

Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

292.5 296.5 300.5 304.5 308.5 312.51

2

3

4

5

6

7

8

T8 [K]

[m]

Labs

Levap

T9=Tamb=298 KT5=415 KPsis=17 bar

m5=0.00015 kg/s

Fig. 5.17 Temperatura a la entrada del Intercambiador de Calor del Gas Auxiliar vs.

Longitud del Absorbedor y del Evaporador (Tamb=298, Psis=17, 5

.m =0.00015)

La figura 5.17 representa la variación de la temperatura del gas auxiliar a la

entrada del conjunto evaporador-intercambiador de calor del gas auxiliar (T8) fijando la

68

temperatura a la salida del evaporador (T9). Como se muestra en la gráfica, la longitud del

absorbedor tiende a decrecer conforme T8 aumenta, mientras que la longitud del

evaporador no se afecta. De estas gráficas podemos entonces concluir que para una T10 y

x10 fijas, la temperatura T8 depende solamente de T9 y de la longitud del absorbedor.

5.3 PRESIÓN TOTAL DEL SISTEMA Y TEMPERATURA AMBIENTE

La presión total a la cual se carga el equipo influye principalmente en la máxima

temperatura ambiente a la cual puede operar el sistema. Una mayor presión total requiere

un mayor flujo de calor en el generador para mantener una determinada capacidad de

enfriamiento.

Como se mencionó en la sección 4.5, la presión total determina la temperatura de

saturación del amoniaco puro, por lo que el diseño del condensador esta directamente

relacionado con la presión a la cual opera el sistema, la cual a su vez determina la carga

del gas auxiliar en el circuito.

Se seleccionó un diseño del condensador con aletas cuadradas de 0.1m por lado y

con un espesor de 0.001m. El diámetro externo del tubo del condensador se consideró

0.0254m y el espaciamiento entre aletas se fijó en 0.01m. El material de las aletas se

consideró igual al material del tubo, acero al carbón AISI1010.

Se desea que el sistema pueda operar en un rango razonable de temperatura

ambiente. Se consideró que la máxima temperatura ambiente a la cual el condensador

sigue manteniendo una diferencia de 10 K sea 307 K. Por lo tanto eso requiere que el

condensador se encuentre a 317 K y si se considera que el amoniaco en el condensador es

totalmente puro entonces la presión de saturación del amoniaco a 317 K es igual a 17.3

bar.

Se llevó a cabo un estudio de variación de parámetros para determinar el efecto de

la temperatura ambiente y la presión del sistema en las dimensiones del equipo La

temperatura ambiente se varió en un rango de 298 a 313 K.

69

295 299 303 307 311 3150

20406080

100120140160180200220240260280300320340360380400

Tamb [K]

n

Psis=13.5 barQcond =25W

T5=415 K

m5=0.00015 kg/s

Qgen = 81 W

Fig. 5.18 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (13.5 bar)

En la figura 5.18 observamos el número necesario de aletas en el condensador

para disipar 25 W a una presión del sistema igual a 13.5 bar. Por lo tanto, a esta presión,

la temperatura máxima de operación del equipo sería de 305 K (32°C), la cual

corresponde a 96 aletas y 1.04m de longitud del condensador.

296 300 304 308 3127

9.2

11.4

13.6

15.8

18

Tamb [K]

L abs

[m]

Psis=13.5 bar

T5=415 K

m5=0.00015 kg/s

Qgen = 81 W

Fig. 5.19 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (13.5 bar)

70

Estos resultados indican que a una presión de 13.5 bar el sistema tendría un rango

de temperatura de operación muy limitado, ya que se vuelve impráctico y costoso el tener

un condensador y absorbedor muy grandes.

Los mismos análisis se realizaron a 17 bar y 25 bar. A continuación se muestran

los resultados:

295 299 303 307 311 3150

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tamb [K]

n

Psis=17 bar

Qcond =25W

T5=427 K

m5=0.00015 kg/s

Qgen = 91 W

Fig. 5.20 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (17 bar)

295 299 303 307 311 3155

8.5

12

15.5

19

22.5

Tamb [K]

L abs

[m]

Psis=17 barT5=427 K

m5=0.00015 kg/s

Qgen = 91 W

Fig. 5.21 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (17 bar)

71

295 299 303 307 311 3151

2

3

4

5

6

7

Tam b [K]

n

Psis=25 barQcond =25W

T5=450 K

m5=0.00015 kg/s

Qgen = 112 W

Fig. 5.22 Temperatura ambiente vs. Número de aletas en el Condensador (25 bar)

295 299 303 307 311 3156

7

8

9

10

11

12

13

14

Tamb [K]

L abs

[m]

Psis=25 bar

T5=450 Km5=0.00015 kg/s

Qgen = 112 W

Fig. 5.23 Temperatura ambiente vs. Longitud del Absorbedor (25 bar)

Con estos resultados es posible seleccionar una presión de operación y diseñar el

sistema en base a un rango de temperaturas de operación. Una presión de 17 bar (Fig.5.20)

resulta en dimensiones razonables del equipo, permitiendo la operación hasta una

temperatura ambiente considerable y con un suministro de calor aceptable en el

generador.

72

CAPÍTULO VI:

CONCLUSIONES

El sistema de Refrigeración por Difusión-Absorción ofrece ventajas importantes

ya que no genera ruido ni vibraciones, sólo requiere una fuente de calor para su

funcionamiento, es muy durable y utiliza fluidos amigables con el ambiente.

Actualmente el diseño de estos equipos es predominantemente empírico. Esto

representa un área de oportunidad en el campo de la investigación para mejorar el

desempeño de estos sistemas y así incrementar su competitividad.

Se desarrolló un modelo matemático del ciclo de Refrigeración por Difusión-

Absorción utilizando conceptos de termodinámica y transferencia de calor. El modelo

permite diseñar un equipo de refrigeración doméstico.

La bomba de burbujas se modeló utilizando conceptos de flujo de dos fases y

mecánica de fluidos. Se encontró que la razón de sumergimiento es el parámetro más

importante en la bomba de burbujas ya que para bombear una determinada cantidad de

solución débil se requiere menos flujo de calor en la bomba de burbujas con una mayor

razón de sumergimiento. El diámetro de la bomba de burbujas tiene un impacto opuesto

al de la razón de sumergimiento ya que para bombear una cierta cantidad de solución

débil, un diámetro más grande representa un mayor flujo másico a la entrada de la bomba

de burbujas por lo que el calor necesario a suministrar aumenta.

El modelo termodinámico del ciclo revela que la temperatura a la salida del

evaporador depende de la presión del sistema y de la longitud del evaporador.

Simultáneamente, la temperatura del gas a la salida del absorbedor depende de la

temperatura a la salida del evaporador y de la longitud del absorbedor (fijando el estado

del líquido entrante al absorbedor).

73

La presión del sistema determina la temperatura de saturación del amoniaco puro

en el condensador y por lo tanto influye en la máxima temperatura ambiente de operación

y en el diseño del equipo de transferencia de calor. La presión total también afecta el

flujo de calor necesario en el conjunto generador-bomba de burbujas para satisfacer una

determinada capacidad de enfriamiento.

El modelo cuenta con áreas de oportunidad tales como reducir el número de

suposiciones en el ciclo termodinámico. Una de esas suposiciones es la temperatura a la

salida del evaporador, la cual depende de la presión total del sistema. Una consideración

para trabajos futuros es la construcción del equipo de acuerdo al modelo desarrollado y

realizar un análisis experimental para validar el modelo y determinar su precisión.

74

APENDICE A:

JUSTIFICACIONES Los siguientes cálculos se efectuaron para justificar las consideraciones de flujo

laminar completamente desarrollado en el diseño de los componentes. A continuación se

muestran los cálculos de diversos de Números de Reynolds, Prandlt y Schmidt, así como

las longitudes hidrodinámica y térmica de entrada (Lh y Lt respectivamente) para los

componentes mas representativos.

Solución fuerte y débil: Re=(ρ v D) /μ

=(802 kg/m3)*(0.00238m/s)*(0.01m)/(0.0002722kg/ms)

= 70.21 LAMINAR

Pr= ν/α = μCp/k = (0.0002722kg/ms)*(4294 J/kg K)/ (0.617W/mK)

=1.894

Lh =0.06Re*D = 0.042m (Cengel y Turner, 2001)

Lt=Lh*Pr = 0.079m

Bomba de burbujas (flujo en dos fases):

Re=(ρL jL +ρG jG)D/μ = 1962

75

Evaporador: Líquido: Re=(ρ v D) /μ

=(571.75 kg/m3)*(0.000503m/s)*(0.01m)/(0.000111kg/ms)

= 25.9 LAMINAR

Pr= ν/α = μCp/k = (0.000111kg/ms)*(4970 J/kg K)/ (0.432W/mK)

=1.27

Lh =0.06Re*D = 0.0155m

Lt=Lh*Pr = 0.019m

Gas: Re=(ρ v D) /μ

=(7.76 kg/m3)*(0.0401m/s)*(0.01m)/(0.00000983kg/ms)

=316.55 Pr= ν/α = μCp/k = (0.00000983kg/ms)*(3132 J/kg K)/ (0.026W/mK) =1.18 Lh =0.06Re*D = 0.189m Lt=Lh*Pr = 0.224m Sc= ν/D = μ/(ρD) =(0.00000983kg/ms)/(7.76kg/m3)*(3.95E-6) =0.32

76

Absorbedor:

Gas: Re=(ρ v D) /μ

=(1.325 kg/m3)*(0.0045m/s)*(0.02m)/(0.000009283kg/ms)

=12.87 Pr= ν/α = μCp/k = (0.000009283kg/ms)*(14380 J/kg K)/ (0.183W/mK) =0.729 Lh =0.06Re*D = 0.0154m Lt=Lh*Pr = 0.0112m

Sc= ν/D = μ/(ρD) =(0.000009283kg/ms)/(1.325kg/m3)*(4.9E-6)

= 1.43

77

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