Detailed modeling of falling film heat exchangers for Absorption Heat Pumps (AHP)

A lumped element model of falling film absorber was developed in this work which takes into account heat and mass transfer in both phases of gas and liquid. In order to validate the capacity and accuracy of the model in predicting the absorption phenomenon, two in-tube vertical falling film absorbers with gas and film in co-current and counter-current arrangement, respectively were built and installed in a single-stage cycle absorption heat transformer and a single effect absorption heat pump. It has been shown that the mass and heat transfer coefficients between the liquid film and the interface are higher than the ones between the gas and the interface. Therefore, absorption process is being controlled mainly by heat and mass transfer coefficients between the falling film and the interface while the biggest resistance to heat and mass transfer is the one between gas and the interface. Furthermore, it has been demonstrated that the inlet condition of the absorber is different than the condition at the inlet of tubes for both absorbers, as the gas and solution have the possibility to go through and adiabatic mixing before entering the tubes. It also has been demonstrated that small errors in the rate of absorption can lead to big errors in the design of Falling Film Absorbers (FFABS) and, in order to utilize FFAB models for design purposes, the model needs to evaluate the heat and mass transfer perfectly. Moreover, results have established that in a co-current absorber, the main absorption takes place in the top section of the tubes (entrance of solution film) where the solution film is less rich in ammonia and has highest temperature difference with respect to the coolant and therefore maximum potential to absorb gas molecules of ammonia. Discussion on the results revealed that the absorption rate is probably being affected by hydrodynamic of the film and the variations in thermodynamic properties will affect the hydrodynamics of the film and vice versa and therefore one way to improve the robustness of the FFAB model is to consider the simultaneous effect of hydrodynamic of the film in a coupled manner with the heat and mass transfer process.

In questo lavoro è stato svilupato un modello a elementi concentrati di assorbitore di film cadente che tiene in considerazione il trasferimento di massa e calore in enterambi le fasi, liquido e gassosa. Al fine di validare la capacità e l'accuratezza del modello nel predire il fenomeno di assorbimento, due assorbitori con film cadenti dentro tubo con gas e film in equicorrente e controcorrente sono state costruite e installate rispettivamente in un trasformatore di calore con ciclo ad assorbimento a singolo stagio e una pompa di calore ad assorbimento a singolo effetto. E' stato dimostrato che i coefficienti di scambio di massa e calore tra il film liquido e l'interfaccia sono più alti rispetto a quelli tra il gas e l'interfaccia. Quindi, il processo di assorbimento è stato controllato soprattutto dai coefficienti di scambio di massa e calore tra il film liquido e l'interfaccia, mentre la più grande resistenza al trasferimento di calore e di massa è quella tra il gas e l'interfaccia. Inoltre è stato dimostrato che la condizione del ingresso dell'assorbitore è differente dalla condizione all'ingresso dei tubi per entrambi gli assorbitori, poiché il gas e la soluzione hanno la possibilità di passare attraverso una processo di miscelazione adiabatica prima di entrare nei tubi. È stato anche dimostrato che i piccoli errori nel velocità di assorbimento possono condurre a grandi errori nel progettazione del assorbitori con film cadente, e al fine di utilizzare il modello per scopi di progettazione, il modello deve valutare alla perfezione il trasferimento di massa e calore. Inoltre i risultati hanno evidenziato che in un assorbitore equicorrente, il maggiore assorbimento avviene nella porzione superiore dei tubi (all’ingresso del film di soluzione) dove la film è meno ricco di ammoniaca e ha una maggiore differenza di temperatura rispetto al refrigerante e quindi massimo potenziale di assorbire le molecole di ammoniaca del gas. La discussione sui risultati ha rivelato che il tasso di assorbimento è probabilmente influenzato dall'idrodinamica del film e le variazioni nelle proprietà termodinamiche influenzeranno l'idrodinamica del film e viceversa e quindi un modo per migliorare la robustezza del modello di assorbitori con film cadente è considerare il effetto simultaneo di idrodinamica del film in modo accoppiato con il processo di trasferimento di calore e massa.