Experimental study on the feasibility of falling film absorbers for dehumidification in cold stores

Abstract

Frostbildung an Luftkühlern in Kühlhäusern verringert die Energieeffizienz des Kühlprozesses erheblich. Sie blockiert den Luftstrom, isoliert die Oberfläche des Luftkühlers und die erforderlichen Abtauzyklen übertragen letztlich unvermeidbar Wärme an den Kühlraum. Die Literatur zeigt, dass durch ein Verhindern der Frostbildung durch Frostschutzmaßnahmen mehr als 15 % der für die Kühlung erforderlichen Energie eingespart werden kann.In dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung eines neuartigen Ansatzes zur Verhinderung der Frostbildung an den Luftkühlern in Kühlhäusern vorgestellt. Die vorgeschlagene Lösung verwendet einen Fallfilmabsorber mit flüssigem Absorptionsmittel zur Entfeuchtung der Luft. Dadurch wird die Taupunkttemperatur der Luft vor dem Luftkühler unter die Oberflächentemperatur des Kühlers gesenkt. Somit kondensiert kein Wasser an dessen Oberfläche und es bildet sich kein Frost.Derzeitig übliche Absorptionsmittel wie LiCl und LiBr haben das Problem, dass sie bei niedrigen Temperaturen und hohen Konzentrationen kristallisieren. Außerdem kann es bei der Verwendung mit Metallen zu Korrosion kommen. Um diese Probleme zu vermeiden, wird eine ionische Flüssigkeit verwendet. Durch Verwendung der Abwärme des Kühlsystems ist keine zusätzliche Wärmequelle für die Regeneration des Absorptionsmittels erforderlich.Um die Machbarkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, wurden zwei Lamellenwärmeübertrager durch eigens gefertigte 3D-Druckteile in Fallfilmabsorber umgewandelt. Um die Vorteile und Grenzen des Absorbers und Regenerators zu testen und die Wirksamkeit der Absorption und Regeneration des flüssigen Absorptionsmittels zu bewerten, wurde ein Prüfstand konstruiert, der in der Lage ist die Luft am Eintritt des Absorbers zu konditionieren. Die Ergebnisse zeigen die Funktionsfähigkeit des Fallfilmabsorbers, mit dem der Taupunkt der einströmenden Luft bei 7\,°C und 80 % relativer Luftfeuchtigkeit auf -2,5 °C gesenkt werden konnte. Die Experimente zeigten, dass das Absorptionsmittel auch bei 0 °C noch einen fallenden Film bilden kann und dass die Verschleppung von Absorptionsmittel in die Luft bei Geschwindigkeiten unter 2 m/s kein Problem darstellt. Die Regeneration des Absorptionsmittels konnte be Lufttemperaturen von 30 °C und Luftfeuchtigkeit von 40 % erreicht werden, wobei das Absorbtionsmittel auf 42 °C erhitzt wurde.Die Ergebnisse dieser experimentellen Untersuchung zeigen, dass Fallfilmabsorber in der Lage sind die Luft in Kühlhäusern zu entfeuchten und dadurch die Frostbildung an den Luftkühlern und eine damit notwendige Abtauung zu verhindern.

Frost formation on air coolers in cold stores significantly reduces the energy efficiency of the refrigeration process. It blocks the airflow, insulates the air cooler surface, and ultimately transfers heat to the cold store due to the required defrosting cycles. According to literature, frost prevention can save more than 15 % of the required energy for refrigeration. This work presents an experimental investigation of a novel approach to prevent frost formation on the air coolers in cold stores. The proposed solution uses a liquid desiccant falling film absorber to dehumidify the air. By this, the dew point temperature of the air upstream of the air cooler is lowered below the surface temperature of the cooler. As a result, no water is condensing on its surface and thereby no frost is formed.Current liquid desiccants, such as LiCl and LiBr, have the problem of crystallization at low temperatures and high concentrations. They also cause corrosion when used with metals. To avoid these problems, an ionic liquid is used as the desiccant. By using the waste heat from the refrigeration system to regenerate the desiccant, no additional heat source is required. To demonstrate the feasibility of this approach, two finned heat exchangers were transformed into falling film absorbers using selfmade 3D printed parts. A test rig was constructed, capable of conditioning the air, testing the advantages and limitations of this method and evaluating the effectiveness of the liquid desiccant absorption and regeneration. The results show the viability of the falling film absorber, where it was possible to reduce the dew point of incoming air at 7 °C and 80 % relative humidity to -2.5 °C. The system showed that the desiccant can still form a falling film at around 0°C and that carry over of desiccant into the air is not an issue at air speeds up to 2 m/s. The regeneration could be achieved at air temperatures of 30 °C with relative humidity of 40 % while the desiccant was heated to 42 °C. The results of this experimental investigation show that it is possible for the liquid desiccant falling film absorber to prevent frost formation on the air coolers, reducing the need for defrosting.