Phase distribution in a plate heat exchanger for absorption applications

Abstract

Die Performence von Absorptionwärmepumpen, welche Blasenplattenabsorber verwenden, hängt von einer gleichmäßigen Strömungsverteilung im Plattenwärmetauscher ab. Der Blasenplattenabsorber bringt das zu lösende gas und die flüssige Phase in Kontakt und eine exothermer Absorptionprozesses findet in den Rohren des Aborbers statt. Die Gasphase wird in einem Sammler auf die einzelnen Rohre des Plattenwärmetauschers verteilt. Daher spielt die Eintrittsgeometrie in den Plattenwärmetauscher eine wichtige Rolle für eine gleichmäßige Verteilung und somit für den Wirkungsgrad der Absoption. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Literaturübersicht zu verwendeten Eintrittskonfigurationen, eine numerische Strömungsuntersuchung zu unterschiedlcihen Eintrittskonfigurationen in den Plattenwärmetauscher sowie Ergebnisse zu experimentellen Untersuchungen zur Blasenabsorption von Ammoniak-Lithiumnitrate (NH3 - LiNO3) Lösung mit diesen Eintrittskonfigurationen. Zusätzlich wurde eine visuelle Untersuchung der Massenstromverteilung für unterschiedliche Eintrittskonfigurationen vorgenommen, wozu AUfnahmen mittels einer high-speed-camera verwendet wurden. Drei unterschiedliche Eintrittskonfigurationen wurden dazu untersucht. Die numerische Simulation einer Einphasenströmung zeigte, dass die Konfiguration mit abnehmenden Bohrungsdurchmessern die gleichmäßigste Strömungsverteilung aufwies. Die experimetellen Untersuchungen zeigten, dass diese Konfiguration auch die größten Lösungswärmeübergangskoeffizienten aller untersuchten Konfigurationen aufwies.

The performance of absorption heat pumps utilizing bubble plate absorbers depends on the uniform mass flow distribution in plate heat exchangers. The bubble plate absorbers bring the soluble gas and liquid phases in contact and an exothermic absorption process takes place inside the channels of the absorber. The gas phase is distributed from the header of the plate heat exchanger to the channels via an inlet manifold. Therefore, the inlet geometry of the plate heat exchangers plays an important role on the uniform flow distribution and hence on the efficiency of the absorption. This thesis work presents a review of inlet geometry configurations suggested in the literature, a numerical investigation of flow in cylindrical pipe inlet geometries with different outlet port configurations and an experimental investigation of bubble absorption using ammonia-lithium nitrate (NH3 – LiNO3) solution with these inlet geometries. Moreover, a visual analysis on the mass flow distribution of the different inlet geometries with high-speed-camera-imaging has been carried out. Three different inlet geometry configurations with outlet ports having increasing-hole-diameters, decreasing-hole-diameters and same-hole-diameters along the flow direction have been investigated. The numerical simulations of the single-phase flow in the inlet geometries exhibited the most uniform mass flow for the decreasing-hole-diameters. From the absorption experiments, it has been found that the solution heat transfer coefficients are improved with the suggested inlet geometries. The inlet geometry configurations did not yield a significant difference from each other in terms of solution heat transfer coefficients and generated absorption heat rates under the chosen experimental conditions. The visual analysis showed a better agreement with numerical analysis when the absorption was not present in terms of mass flow outlet rate.