Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5527
Main Title: Operational behaviour and heat transfer in a thermosiphon desorber at sub-atmospheric pressure
Translated Title: Betriebsverhalten und Wärmeübertragung in einem Thermosiphon-Desorber bei Unterdruck
Author(s): Trinh, Quoc Dung
Advisor(s): Ziegler, Felix
Referee(s): Ziegler, Felix
Luke, Andrea
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The application of thermosiphon desorbers or bubble pumps is well known from small capacity absorption refrigerators using ammonia/water as working pair. In the thermosiphon desorber the processes of refrigerant desorption and solution pumping is combined in one hermetical unit. This supersedes the necessity of a mechanical solution pump. In addition, an improved heat transfer is achieved due to two-phase flow, which is established at a liquid vapour density ratio in the range of 10 2 for NH3/H2O systems operating at a pressure of around 15 bar. Nevertheless, for the application of thermosiphon desorbers in H2O/LiBr absorption chillers with operating often at a pressure below 0.1 bar, there is a shortcoming of two-phase flow heat transfer correlations, since the liquid vapour density ratio is in the range of 10 4 and is outside the validity of the correlations. It is also known that the operation of bubble pumps is often unsteady and not fully reliable. Thus, the design of thermosiphon desorbers has to be supported by experiments, normally. The basic objective of the doctoral work is to contribute to the understanding of the flow boiling phenomenon occurring in the thermosiphon desorbers at sub-atmospheric pressure. To achieve the objective, the thermal and hydraulic process in a vertical tube was described. A model of the thermosiphon desorber for calculating mass flow rates of vapour and liquid, heat transfer coefficients and pressure drops in single-phase and two-phase flow was formed by solving simultaneously the mass, energy and momentum equations. Several reliable correlations (i.e. Chen, Shah and Steiner&Taborek correlations) for predicting the two-phase flow heat transfer coefficients were reviewed and checked in order to find a possibility to apply them to the thermosiphon desorber. The mass flow rate and heat transfer behavior with the different flow length of the riser tube and with changing the pressure has been theoretically studied in the model. In the experimental work, operational behavior and heat transfer characteristic of the thermosiphon desorber have been performed on a glass-made test rig under different operating conditions. The results show that the pumped liquid flow rate is interrupted when the bubble pump works at low operating (reduced) pressure, while at the higher pressure it is rather steady during the whole operating time. The impact of input temperatures on the heat transfer and mass flow rate characteristics was investigated with varying independently external inlet temperatures of desorber and condenser, internal reservoir temperature as well as combining the external condenser inlet temperature and internal reservoir temperature. Furthermore, the other output parameters in single-phase and two-phase flow such as pumping rate, mass velocity, heat flux, vapour quality, length and pressure drop were determined as changing the above temperatures, also. For verification, the experimental database, consisting of 615 data points, has been compared against the model based on the Chen, Shah and Steiner&Taborek correlations. The correlations cannot capture the trend of heat transfer characteristics and the absolute values do not fit to the experimental data. For the mass flow rate characteristic, the condensate flow rates in the model fit relatively well to the measured values. The model underpredicts the pumped liquid flow rates compared to the experimental results with the input temperatures. Consequently, more research is required.
Die Anwendung der Thermosiphon-Desorber oder Blasenpumpen ist aus Absorptionskältemaschinen mit kleiner Kühlleistung zur Verwendung von Ammoniak/Wasser als Arbeitspaar bekannt. Im Thermosiphon-Desorber werden die Prozesse der Desorption und des Pumpens in einer hermetischen Einheit zusammengefasst. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen Lösungspumpe. Zusätzlich wird ein verbesserter Wärmeübergang durch eine Zweiphasenströmung mit einem Flüssigkeit-Dampf-Dichteverhältnis im Bereich von 10 2 bei NH3/H2O System, die bei einem Druck von ca. 15 bar arbeiten, erreicht. Allerdings gibt es für die Anwendung des Thermosiphon-Desorbers in H2O/LiBr Absorptionskälteanlagen mit einem Betriebsdruck oft unter 0.1 bar keine Korrelationen für den Wärmeübergang in der Zweiphasenströmung, da das Flüssigkeit-Dampf-Dichteverhältnis im Bereich von 10 4 und außerhalb der Gültigkeit der Korrelationen ist. Auch ist es bekannt, dass der Betrieb von Blasenpumpen oft unregelmäßig und nicht vollständig zuverlässig ist. Deswegen wird die Gestaltung des Thermosiphon-Desorbers normalerweise durch Experimente unterstützt. Das grundlegende Ziel der Doktorarbeit ist es, zum Verständnis des Strömungsiedens im Thermosiphon-Desorber bei Unterdruck bei zutragen. Um das Ziel zu erreichen, wurden die thermischen und hydraulischen Prozesse in einem vertikalen Rohr beschrieben. Ein Modell des Thermosiphon-Desorbers zur Berechnung der Massenströme von Dampf und Flüssigkeit, Wärmeübergangskoeffizienten und Druckverluste in einphasigen und zweiphasigen Strömungen wurde durch die gleichzeitige Lösung der Masse-, Energie- und Impuls-Gleichungen gebildet. Mehrere zuverlässige Korrelationen (d.h. Chen, Shah und Steiner&Taborek-Korrelationen) zur Vorhersage der Zweiphasenströmungs-Wärmeübergangskoeffizienten wurden auf Anwendbarkeit im Thermosiphon-Desorber überprüft. Im Modell wurden das Massenstrom- und Wärmeübertragungsverhalten bei unterschiedlicher Fließlänge im Steigrohr und die Abhängigkeit vom Druck theoretisch untersucht. In der experimentellen Arbeit wurden Betriebsverhalten und Wärmeübertragung des Thermosiphon-Desorbers auf einem Teststand aus Glas unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Flüssigkeitsmassenstrom unregelmäßig wird, wenn die Blasenpumpe bei niedrigem Betriebsdruck arbeitet, während bei höherem Druck er in der gesamten Arbeitszeit relativ stabil ist. Der Einfluss der Eingangstemperaturen auf Wärmeübergänge und Massenströme wurde mit unterschiedlichen externen Eintrittstemperaturen von Desorber und Kondensator, internen Temperatur des Vorlagebehälters sowie Kombination unabhängig untersucht. Außerdem wurden die weitere Ausgabeparameter in Einphasen- und Zweiphasenströmung, wie beispielsweise Durchflussverhältnise, Massenstromdichte, Wärmestromdichte, Massenstrom-Dampfanteil, Länge und Druckabfall bestimmt. Zur Überprüfung der experimentellen Datenbank, bestehend aus 615 Datenpunkten, wurden die Daten mit dem Modell auf der Grundlage der Chen, Shah und Steiner&Taborek-Korrelationen verglichen. Die Korrelationen können keinen Trend des Wärmeübertragungsverhaltens beschreiben und die absolute Werte passen nicht zu den experimentellen Daten. Nur der Dampfmassenstrom passt relativ gut zu den Messwerten. Das Modell unterschätzt den Flüssigkeitmassenstrom im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen. Weitere Forschungsarbeiten sind nötig.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5940
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5527
Exam Date: 2-Sep-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 14-Oct-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): absorption chiller
heat transfer
two-phase flow
thermosiphon desorber
operational behaviour
Absorptionskälteanlage
Wärmeübertragung
zweiphasige Strömung
Thermosiphon-Desorber
Betriebsverhalten
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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