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Theses Year : 2022

Development of a falling-film desorber combining vapor generation and purification for ammonia-water absorption chiller (Modeling and Experiments)

Développement d'un désorbeur à film tombant combinant la génération et la purification de vapeur pour une machine à absorption ammoniac-eau (Modélisation et Expériences)

Mathilde Wirtz
  • Function : Author
  • PersonId : 1199462
  • IdRef : 266225985

Abstract

The need to meet the growing demand for cold production, as well as to favor the use of fatal heat as a source of energy are among the main challenges of the energy transition. Absorption machines can be used to address these two problems, by producing cold for the industry or air-conditioning of buildings, by recovering heat, coming from abundant and low costs sources such as the sun and the heat networks. Among the existing working-pair, ammonia water has interesting physical properties, in addition to having a very low environmental impact. One of the constraints for better performance of a NH3-H2O absorption machine is the purity of the ammonia vapor generated, which must be high. However, the small volatility gap between ammonia and water induces the presence of traces of water in ammonia vapor.The work carried out in this thesis presents the development of a new combined generator, combining the generation and the rectification of ammonia vapor in a falling-film and plate exchanger, and the impact of its implementation on the performances of a small capacity NH3-H2O absorption chiller designed for refreshment.First of all, a numerical model is developed, allowing simulating the desorption and absorption processes, as well as the coupled heat and mass transfer operating within the falling-film, in co-current or counter-current configuration. Adiabatic plates are placed above the heated plates, allowing increasing the fraction of ammonia in the vapor generated. The impact of the input variables and the geometry of the plates is studied, in order to determine the ideal input conditions, and the most compact geometry, allowing generating the purest ammonia vapor possible at lower energy costs. Then, the combined generator, characterized by new correlations establishing its mass, thermal and species effectiveness, is implemented in a NH3-H2O absorption chiller model to study its impact on the machine's performance. The influence of the input parameters of the combined generator is analyzed. The new combined generator is then experimentally designed and implemented in a single-effect NH3-H2O absorption chiller of 5 kW cold capacity. Parametric studies are carried out on the operating conditions of the machine, (in particular through a design of experiments), which allows characterizing its operation including the new combined generator, and defining the operating limits and optimums in terms of coefficient of performance and cold production. Finally, according to the operating conditions of the absorption chiller, a comparative analysis of the combined generator performance is carried out between modeling and experiments. Two modes of operation are studied: with falling-film only, or with the third bottom flooded and seat of boiling phenomena. A boiler (formerly implemented in the machine) is also modelled and its numerical performance is compared to the measurements. The comparison of the performance and effectiveness of the three generator models showed that the combined falling-film combined generator produces purer ammonia vapor for a better cycle performance.
La nécessité de répondre à la demande de production de froid croissante, ainsi que de privilégier la valorisation de chaleur fatale comme source d'énergie, comptent parmi les nombreux enjeux de la transition énergétique. Les machines à absorption permettent de répondre à ces deux problématiques, en produisant du froid pour l'industrie ou la climatisation des bâtiments, par récupération de chaleur, venant de sources abondantes et à faibles coûts, telles que le soleil et les réseaux de chaleur. Parmi les fluides de travail existants, le couple NH3-H2O présente des propriétés physiques intéressantes, en plus d'avoir un très faible impact environnemental. L'une des contraintes pour de meilleures performances d'une machine à absorption NH3-H2O est la pureté de la vapeur générée, qui doit être élevée. Or, le faible écart de volatilité entre l'ammoniac et l'eau induit la présence de traces d'eau dans la vapeur d'ammoniac.Le travail mené dans cette thèse présente le développement d'un nouveau générateur combiné, associant la génération et la rectification de la vapeur d'ammoniac dans un échangeur à plaques et films tombants, ainsi que l'impact de son implémentation sur les performances d'une machine à absorption NH3-H2O conçue pour le rafraîchissement.Tout d'abord, un modèle numérique est développé, permettant de simuler les processus de désorption et d'absorption, ainsi que les transferts couplés de masse et de chaleur s'opérant au sein des films tombants, en configuration à co-courant ou contre-courant. Des plaques adiabatiques sont implantées au-dessus des plaques chauffées, permettant d'augmenter la fraction d'ammoniac de la vapeur produite. L'impact des variables d'entrée et de la géométrie des plaques est étudié, afin de déterminer les conditions d'entrée idéales, et la géométrie la plus compacte, permettant de générer une vapeur d'ammoniac pure, et à moindre coûts énergétiques. Puis, le générateur combiné, caractérisé par de nouvelles corrélations établissant ses efficacités de masse, thermique et d'espèces, est implémenté dans un modèle de machine à absorption NH3-H2O afin d'étudier son impact sur les performances de la machine. L'influence des paramètres d'entrée du générateur combiné est analysée. Ensuite, le nouveau générateur combiné est conçu expérimentalement, puis implanté dans une machine à absorption NH3-H2O simple effet, d'une capacité de 5 kW froid. Des études paramétriques sont menées sur les conditions opératoires de la machine, (notamment à travers un plan d'expérience), ce qui a permis de caractériser son fonctionnement incluant le nouveau générateur combiné, puis, de définir les optimums de fonctionnement en termes de coefficient de performance et de production de froid et les limites de fonctionnement. Finalement, une analyse comparative des performances du générateur combiné est menée, entre modélisation et mesures, en fonction des conditions de fonctionnement de la machine à absorption NH3-H2O. Deux modes de fonctionnement sont étudiés : avec des films tombants uniquement, ou avec la partie basse noyée, siège de phénomènes d'ébullition. Un générateur bouilleur (anciennement implanté dans la machine), est également modélisé et ses performances numériques sont comparées aux mesures. Une comparaison des performances et des efficacités des trois modèles de générateur a permis de démontrer que le générateur combiné à films tombants produit une vapeur plus pure, pour de meilleures performances du cycle.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03889787 , version 1 (08-12-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03889787 , version 1

Cite

Mathilde Wirtz. Development of a falling-film desorber combining vapor generation and purification for ammonia-water absorption chiller (Modeling and Experiments). Chemical and Process Engineering. Université Savoie Mont Blanc, 2022. English. ⟨NNT : 2022CHAMA009⟩. ⟨tel-03889787⟩
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