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Einfluss des Lösungsvolumenstroms auf das Betriebsverhalten von Absorptionskälteanlagen

Hunt, Sarah

Single stage water/LiBr absorption chillers working with tube bundle type heat exchangers are examined with regard to the interaction between thermal and hydraulic behaviour. The inside gained may be transferred to other types of working pairs and types of construction by means of the methods introduce when taking the working conditions into account. This work is structured into a thermal model, a hydraulic model and the coupling of the these. Additionally, it is analysed under which conditions two phase flow is encountered within the tubing or the pumps, which root causes leads to it and how the solution volume flow rate is a ected. For the thermal model, an adopted version of the characteristic equation method has been developed. A procedure was introduced to obtain the enthalpy coe cients needed in a systematic, consistent manner, which ensures ful lment of the overall energy balance. Also, a simple correlation for the variation in wetting for di erent volume ow rates was derived. The wetted area determines the area that is active for the heat transfer. The correlation takes the con guration of the tube bundle into account. The tube length on which the solution is distributed and the number of stacked on top of one another are evaluated. The comparison between the model and measured data for di erent absorption chillers showed a qualitatively good agreement. A quantitative evaluation of the agreement between the thermal model and the measured data has also been carried out. As quantitative statements and the comprehension of the mechanism are the focus of this work, the model was found to work well for this purpose The hydraulic model introduced is based on two characteristic curves - for the solution pumped from the absorber sump to the desorber solution distribution Vand for the solution owing from the desorber sump back to the absorber solution distribution. The model is based on a simple Bernoulli approach using a quadratic approximation for the pressure loss (thus assuming a constant pressure loss coef- cient). A variation of parameters has shown the total solution volume and the absorber and desorber sumps' crossectional areas and the quotient between the two to have the most in uence other then the operation conditions. The coupling of both models enables the qualitative forecast of the solution volume ow rate, which can be quantitatively as to predict the volume flow rate if the absorber sump level and if present the condition of two phase flow are considered. The behaviour of the absorption chiller with regard to the interaction between thermal and hydraulic characteristics changes if unintentional two phase flow is present. Cavitation facilitated by a pressure drop as well as the formation of gas drawing vortexes with a free surface at low uid levels have been identi ed as possible causes. It has been derived that both are independent of the composition of the solution as a rst approximation, but are mainly corresponding to comparison measurements using water if the geometrical con guration is the same. This has been con rmed by the evaluation of measured data. However, for the solution owing back from the desorber, the superheating condition of the solution at the exit of the desorber seems to be important. Therefore, a consisted method based on characteristic equations is available now to describe and to analyse the coupling of hydraulic and thermal behaviour of a single stage water/LiBr absorption chiller. For the onset of two phase ow, operation conditions can be identified, which make the occurrence likely. Measurements of water systems may be used as a reference, however the potential damage is higher when using a solution of higher density.
Betrachtet werden einstufige Wasser/LiBr-Absorptionskälteanlagen mit Rohrbündelwärmeübertragern hinsichtlich der Rückwirkungen zwischen thermischem und hydraulischem Verhalten. Die gewonnenen Kenntnisse können aber mit Hilfe dereingeführten Methodik unter Anwendung der Randbedingungen ggf. auch auf andere Arbeitsstoffpaare und andere Anlagenkonstruktionen übertragen werden. Die Arbeit gliedert sich in ein thermisches Modell, ein hydraulisches Modell und deren Kopplung. Auÿerdem wird analysiert, wann 2-Phasen-Strömung in den Leistungen bzw. in Pumpen oder anderen Einbauten auftritt, welche Gründe dafür vorliegen könnten und wie der Lösungsvolumenstrom dadurch beein usst wird. Für das thermische Modell wurde eine angepasste Version der charakteristischen Methode entwickelt. Dabei wurde zum Einen ein Vorgehen eingeführt, die benötigten Enthalpiekoeffizienten systematisch, konsistent und unter Erfüllung der Gesamtenergiebilanz zu bestimmen. Zum Anderen wurde ein einfaches Modell entwickelt, um die Variation der Benetzung bei unterschiedlichen Lösungsvolumenströmen und damit die für den Wärmedurchgang aktive Fläche der Wärmeübertrager in Abhängigkeit der Bündelkonfiguration (berieselte Rohrlänge und Anzahl der untereinanderliegenden Rohrreihen) zu berücksichtigen. Durch den Vergleich mit Messdaten von unterschiedlichen Absorptionskälteanlagen wurde eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen dem Modell und den Messdaten gezeigt. Es wurde außerdem eine quantitative Auswertung der Übereinstimmung vorgenommen. Da in dieser Arbeit qualitative Aussagen sowie das Verständnis der Vorgänge im Vordergrund stehen, wurde das Modell als für den Zweck gut geeignet befunden. Das eingeführte hydraulische Modell berücksichtigt die beiden Kennlinien der vom Absorbersumpf in die Desorberaufgabe geförderten Lösung sowie die der aus dem Desorbersumpf in die Absorberaufgabe zurück laufende Lösung. Das hydraulische Modell basiert auf einem einfachen Bernoulli-Ansatz mit quadratischer Näherung der Druckverluste (d.h. unter Annahme eines konstanten Druckverlustbeiwertes). Eine Parametervariation hat als wichtige Einflussparameter auf den Lösungsvolumenstrom neben den Betriebsbedingungen die Lösungsmenge und die Sumpfquerschnittsfläche im De- und Absorber und deren Verhältnis zueinander ergeben. Die Kopplung beider Modelle ermöglicht unter Berücksichtigung des Absorbersumpfstandes und ggf. auftretender 2-Phasen-Strömung eine qualitative Vorhersage des Lösungsvolumenstroms, die quantitativ so angepasst werden kann, dass sie die Messdaten wiedergibt. Das Verhalten der Absorptionskälteanlage hinsichtlich des Zusammenspiels des thermischen mit dem hydraulischen Verhalten ändert sich, wenn ungewollte 2- Phasen-Strömung auftritt. Als mögliche Ursache für das Auftreten von 2-PhasenStrömung wurde der Eintritt von Kavitation auf Grund einer Druckabsenkung sowie die Entstehung von Gas ziehenden Wirbeln bei freier Oberfläche und einem geringen Füllstand identifiziert. Es wurde abgeleitet, das beide Ursachen in erster Näherung nicht von der Lösungszusammensetzung abhängen, sondern bei gleichen bzw. ähnlichen geometrischen Bedingungen den Vergleichsmessungen mit Wasser entsprechen. Dies wurde durch die ausgewerteten Messdaten im Wesentlichen bestätigt, wobei bei Entstehung von 2-Phasen-Strömung in der zurück laufenden Lösung insbesondere der Überhitzungszustand der Lösung am Desorberaustritt eine entscheidende Rolle zu spielen scheint. Somit steht jetzt eine konsistente, auf charakteristischen Gleichungen beruhende Methode zur Verfügung, um das gekoppelte hydraulische und thermische Verhalten einer einstufigen H2O/LiBr-Absorptionskälteanlage beschreiben und analysieren zu können. Für das Einsetzen von 2-Phasenströmung können Betriebszustände identifiziert werden, in denen diese zu erwarten ist. Der Eintritt von Kavitation sowie das Entstehen von dampfziehenden Wirbeln im Absorbersumpf kann in erster Näherung aus Vergleichsmessungen mit Wasser hergeleitet werden - das Schädigungspotential ist aber bei Lösungsförderung tendenziell höher.