Modeling, design, and experimental analysis of liquid desiccant falling film absorbers using ionic liquids for energy-efficient air conditioning of cold stores

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Modellierung, dem Design und der experimentellen Validierung von Fallfilmabsorbern mit flüssigen Absorptionsmitteln, die mit ionischen Flüssigkeiten arbeiten und zur energieeffizienten Klimatisierung von Kühlhäusern eingesetzt werden. Ziel der Arbeit ist es, das Verständnis des gekoppelten Wärme- und Stoffübertragungsphänomens in Fallfilmabsorbern zu verbessern und deren Potenzial für die energieeffiziente Klimatisierung von Kühlhäusern aufzuzeigen. Die Arbeit kann in drei Teile geteilt werden, in denen numerische Modellierung und experimentelle Methoden auf unterschiedlichen Detailebenen kombiniert wurden. Im ersten Teil der Dissertation wird ein detailliertes, dreidimensionales Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell eines Fallfilmabsorbers mit vertikalen Platten vorgestellt. Das Modell beschreibt den simultanen Wärme- und Stofftransport zwischen einem nach unten strömenden Absorptionsmittel-Film und einem querströmenden, feuchten Luftstrom unter Berücksichtigung des lokalen thermodynamischen Gleichgewichts an der Phasengrenzfläche. Zur Abbildung des Absorptionsprozesses zwischen der Luft und des Absorptionsmittel wurde ein neu entwickelter Solver auf Basis des Open-Source-CFD-Frameworks OpenFOAM zusammen mit eigens entwickelten Kopplungsbedingungen erstellt. Das Modell wurde anhand experimenteller Daten aus früheren Studien validiert. Anschließend wurde das Modell zur Optimierung der Absorbergeometrie eingesetzt. Dabei wurden zwei neuartige Absorberkonfigurationen entwickelt und analysiert. Eine Geometrie, die Drähte in den Luftspalt einbringt, und eine versetzte Anordnung mehrerer Absorberstufen. Das Einbringen von Drähten in den Luftspalt verbesserte die Durchmischung der Luftströmung durch induziertes Wirbelablösen signifikant. Ein einzelner 1,5 mm Draht erhöhte den absorbierten Massenstrom um 28 %, ermöglichte eine um 35 % reduzierte Absorberlänge, führte jedoch gleichzeitig zu einem um 60 % erhöhten Druckverlust. Die versetzte Anordnung mehrerer Absorberstufen ermöglicht einen gezielten Kontakt zwischen dem feuchten Luftkern und der Absorptionsmittel-Oberfläche. Mit drei Absorberstufen konnte die Absorberlänge um 25 % reduziert werden, während der Anstieg des Druckverlusts auf 25 % begrenzt blieb. Damit erreichte die versetzte Anordnung mehrerer Absorberstufen vergleichbare Verbesserungen im Stofftransport wie das Einbringen von Drähten, jedoch bei deutlich geringerem Druckverlust, was sie für den praktischen Einsatz besser geeignet macht. Im zweiten Teil werden die Entwicklung und Implementierung eines vereinfachten, eindimensionalen Modells beschrieben, das in Dymola/Modelica entwickelt und implementiert wurde. Das Modell ermöglicht schnelle Simulationen für Designstudien und Systemsimulationen, wobei der gekoppelte Charakter von Wärme- und Stoffübertragung beibehalten wird. Der räumlich aufgelöste CFD-Bereich wird dabei durch semi-empirische Korrelationen von aus der Literatur abgeleiteten Nusselt- und Sherwood-Zahlen ersetzt. Die Ergebnisse des vereinfachten Modells wurde direkt mit den CFD-Ergebnissen und experimentellen Daten unter Bedingungen verglichen, die sowohl für die Klimatisierung von Gebäuden, wie auch von Kühlhäusern relevant sind. Obwohl die Rechenzeit um mehr als das 400-Fache verkürzt wurde, reproduzierte das eindimensionale Modell die Auslasslufttemperatur, den Massenstrom des absorbierten Wasserdampfs und den luftseitigen Druckabfall mit einer Abweichung von ±0.14 K, ±1.3$ %, and ±3.9 %. Diese Ergebnisse zeigen, dass das vereinfachte Modell seine Vorhersagegenauigkeit beibehält und sich gleichzeitig für die Integration in Systemsimulationen eignet. Daher wurde das Modell zur Auslegung des Prüfstands für die experimentelle Validierung des vorgeschlagenen Systems verwendet. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit der experimentellen Bewertung des Systems. Es wurde ein Zweikreis-Prüfstand aufgebaut, um einerseits realistische Kühlhausbedingungen für den Absorber und andererseits kontrollierte Umgebungsbedingungen für den Regenerator zu simulieren. In den Experimenten wurde der Einfluss des Massenstroms des Absorptionsmittels sowie der Kühl- und Regenerationstemperatur auf die Leistung der Fallfilmabsorber untersucht. Es wurden Sherwood-Zahlen von Sh ≈ 3.0-4.8 ermittelt, was Stoffübergangskoeffizient von β ≈ 12.5-20 mm/s entspricht. Es zeigte sich, dass die Sherwood-Zahl weitgehend unabhängig vom Massenstrom des Absorptionsmittels sowie von der Kühl- oder Heiztemperatur war, was auf einen luft-seitig diffusionsbegrenzten Stoffaustausch bei stabiler Absorptionsmittelfilmbenetzung hindeutet. Darüber hinaus verhinderte das Absorber-basierte System wirksam die Frostbildung und sorgte für eine stabile Kühlung, während ein herkömmliche Luftkühler regelmäßig abgetaut werden musste und erhebliche Leistungseinbußen aufwies. Eine energetische Bewertung des Absorber-basierten Systems, das einen konventionellen Lamellenrohr-Wärmeübertrager einsetzt, ergab nicht nur ein Energieeinsparpotenzial, sondern auch eine Verringerung der Systemgröße um ein Viertel im Vergleich zum herkömmlichen System. Dies ist auf die Verhinderung der Leistungseinbußen durch die Frostbildung zurückzuführen. Zudem wurde die Fähigkeit des Systems nachgewiesen, mit einer Regenerationstemperatur von nur 42 °C zu arbeiten, was die Nutzung von Abwärme aus dem Kühlsystem ermöglicht. Insgesamt schließt die Dissertation die Lücke zwischen der grundlegenden Modellierung und der experimentellen Erprobung von Fallfilmabsorbern mit ionischen Flüssigkeiten zur Luftkonditionierung in Kühlhäusern. Der kombinierte Einsatz von CFD, eindimensionaler Modellierung und experimenteller Validierung schafft einen umfassenden Rahmen für die Auslegung und Optimierung von Fallfilm-Absorbern. Zudem belegen die Ergebnisse die technische Machbarkeit und das Potenzial offener Absorptionssysteme auf Basis ionischer Flüssigkeiten für die energieeffiziente Klimatisierung von Kühlräumen. Diese Systeme haben nicht nur das Potenzial, die Luftfeuchtigkeit zu regulieren und die Energieeffizienz zu steigern Sie ermöglichen außerdem eine Verkleinerung der Anlagen, da sie keine Leistungseinbußen durch Frostbildung aufweisen.

This dissertation investigates the modeling, design, and experimental validation of liquid desiccant falling film absorbers working with ionic liquids for energy-efficient air conditioning of cold stores. The work aims to improve the understanding of the coupled heat and mass transfer phenomena in falling film absorbers, and to demonstrate their potential for energy-efficient conditioning of cold stores. Three complementary studies were conducted, combining numerical modeling and experimental methods at different levels of detail. The first part of the dissertation introduces a detailed, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model of a liquid desiccant falling film absorber with vertical plates. This model solves for the simultaneous heat and mass transfer between a downward-flowing desiccant film and a cross-flowing humid air stream, accounting for local equilibrium at the interface. A newly developed solver that uses the open-source CFD framework OpenFOAM, along with custom coupling conditions, was created to model the absorption process between the air and the liquid desiccant film. The model was validated against experimental data from previous studies. Subsequently, the model was employed to optimize the absorber geometry, and two novel absorber designs, the wire geometry and the stacked arrangement, were developed and analyzed. The wire geometry incorporates wires into the air channel which significantly enhance the mixing of the air flow through induced vortex shedding. A single 1.5 mm wire increased the absorbed mass flow rate by 28 %, allowing for a 35 % shorter absorber but raised the pressure drop by 60 %. The stacked arrangement features offset absorber steps to ensure contact between the humid air core and the desiccant surface. With three absorber steps, the design reduced the absorber length by 25 % while limiting the increase in pressure drop to 25 %. Thus, the stacked arrangement achieved similar absorption improvements as the wire geometry with significantly lower pressure drop, making it the more suitable for practical use. The second part describes the development and implementation of a reduced, one-dimensional model, which was developed and implemented in Dymola/Modelica. The model enables fast simulations for design studies and system simulations, while retaining the coupled nature of heat and mass transfer. However, it replaces the spatially resolved CFD domain by semi-empirical correlations for the Nusselt and Sherwood numbers derived from literature. The results of the reduced order model were compared to the CFD results and experimental data under conditions relevant for air conditioning of both buildings and cold stores. Despite being over 400 times faster in computation time, the reduced order model reproduced the outlet air temperature, the absorbed water vapor mass flow rate, and the air-side pressure drop within ±0.14 K, ±1.3$ %, and ±3.9 %, respectively. These results demonstrate that the reduced order model retains predictive accuracy while being suitable for integration into system simulations. Thus, the model was used to design the test bench for the experimental validation of the proposed system. The third part of the dissertation presents the experimental evaluation of the system. A dual-circuit test bench was built to simulate realistic cold store conditions for the absorber and controlled ambient conditions for the regenerator. The experiments assessed the impact of the flow rate of the desiccant solution, as well as the cooling and regeneration temperatures, on the performance of the falling film absorbers. Sherwood numbers of Sh ≈ 3.0-4.8 were obtained, corresponding to mass transfer coefficients of β ≈ 12.5-20 mm/s. The Sherwood number was found to be largely independent on desiccant solution mass flow rate and coolant or heating temperature, indicating gas-side diffusion-limited mass transfer with stable liquid-film wetting. Furthermore, the absorber-based system effectively prevented frost formation and maintained stable cooling, while a conventional air cooler required periodic defrosting and showed severe performance degradation. A system-level energy assessment revealed that an absorber-based system using a standard fin-and-tube heat exchanger not only offers potential energy savings but also enables a reduction in system size of approximately one quarter compared to a conventional system, due to the elimination of frost formation. Additionally, the system's ability to operate with a regeneration temperature as low as 42 °C was demonstrated, making it possible to utilize waste heat from the refrigeration system. Overall, the dissertation successfully bridges the gap between the fundamental modeling and experimental testing of the proposed open absorption falling film absorber technology. The combined use of CFD, reduced order modeling, and experimental validation provides a coherent framework for designing and optimizing falling film absorbers. Furthermore, the findings demonstrate the technical feasibility and potential of open absorption systems based on ionic liquids for efficiently conditioning cold stores. These systems do not only have the potential to control air humidity and increase performance. They are also able to reduce system size as they do not experience performance degradation due to frost accumulation.