ASHRAE OR-10-043-2010 Para diseñar un absorbente compacto con contactor de membrana en la interfaz líquido-vapor: influencia de las propiedades de la membrana en la transferencia de vapor de agua
ASHRAE - American Society of Heating@ Refrigerating and Air-Conditioning Engineers@ Inc.
Alcance
INTRODUCCIÓN El absorbente es uno de los componentes principales de los enfriadores de absorción y tiene un efecto directo sobre el tamaño del enfriador. La introducción de membranas microporosas hidrofóbicas poliméricas en el diseño del absorbente podría proporcionar una de las alternativas para lograr absorbentes altamente compactos. Para los enfriadores de absorción de agua con bromuro de litio (LiBr-H2O), las membranas hidrófobas se pueden utilizar para formar canales de solución confinados. En este caso, la diferencia de presión del vapor de agua a través de la membrana es la fuerza impulsora para la transferencia de vapor de agua (refrigerante). Como el absorbente trabaja bajo presión de vacío, los poros de la membrana se llenan de vapor de agua, mientras que la naturaleza hidrófoba de la membrana evita la penetración de la solución acuosa en los poros. Por lo tanto, sólo se transporta vapor de agua a través de la membrana hacia la solución. En consecuencia, el uso de un canal de flujo de solución estrechamente confinado formado con láminas de membrana aumentará significativamente el área de transferencia de masa por unidad de volumen. La técnica anterior, así como la transferencia de masa mejorada en la interfaz líquido/vapor mediante convección forzada en los canales de flujo estrechos y confinados, conducen a un tamaño y peso reducidos de la unidad absorbente. Drost et al. (2005) citaron que el desarrollo de absorbentes compactos permite el despliegue de pequeñas bombas de calor de absorción accionadas por calor para aplicaciones distribuidas de calefacción y refrigeración de espacios (aire acondicionado automotriz accionado por calor) y dispositivos de refrigeración portátiles. El presente estudio se ocupa de los factores que afectan el flujo de transferencia de vapor de agua cuando se utiliza un contactor de membrana en la interfaz solución LiBr-H2O/vapor de agua en un diseño de absorbente de este tipo. Por lo tanto, la revisión de la literatura se centra en estudios que utilizaron membranas en sistemas de refrigeración por absorción. Schal y col. (2005) investigaron y simularon experimentalmente un absorbente con una única membrana microporosa de fibra hueca en la que se utiliza amoníaco/agua. Chen et al. (2006) realizaron un estudio de simulación de un intercambiador de calor híbrido propuesto utilizando módulos de membrana de fibra hueca microporosa para el ciclo de absorción de amoníaco-agua. En su modelo, consideraron la concentración de amoníaco y agua a través de esta membrana microporosa como la fuerza impulsora del refrigerante. Por el contrario, Baker (2004) indica que en el caso de membranas microporosas sin una diferencia de presión estática a través de la membrana, la diferencia de presión parcial del vapor en los lados de la membrana es la fuerza impulsora para la transferencia de masa. Para los enfriadores de absorción LiBr-H2O, Ali y Schwerdt (2008) especificaron las características de la membrana apropiada para su uso en este diseño de absorbente. Indicaron que esta membrana debería tener una alta permeabilidad al vapor de agua y debe ser hidrófoba a la solución acuosa con una alta presión de entrada del líquido para evitar la penetración de los poros de la membrana. No debe producirse condensación capilar de vapor de agua para evitar el bloqueo de los poros. Concluyeron que para uso práctico la membrana debería tener una fina capa activa microporosa hidrófoba con un espesor de hasta 60 ?? sobre una capa de soporte @ con un tamaño medio de poro de alrededor de 0,45 ?? y porosidad de hasta el 80 %. A lo largo de la literatura@ se han realizado más trabajos de investigación sobre el uso de membranas para la desorción de vapor dentro del desorbedor/generador de bombas de calor de absorción considerado que en el caso del absorbente. Drost et al. (2005) estudiaron experimentalmente y también simularon el canal de película ultrafina en un proceso de desorción de LiBr-H2O utilizando separación por membrana microporosa. Thorud et al. (2006) investigaron experimentalmente el rendimiento de la extracción de vapor de una solución acuosa de bromuro de litio en función del espesor de la película, la diferencia de presión a través de la membrana microporosa y la concentración de entrada al microcanal. Como el proceso de desorción es cercano a un proceso de destilación @ Sudoh et al. (1997) investigaron experimentalmente el flujo de permeación del vapor de agua en la destilación por membrana de una solución acuosa de bromuro de litio. Riffat et al. (2004) presentaron e investigaron experimentalmente un novedoso sistema de refrigeración por absorción de vapor en el que una membrana de pervaporación reemplaza al generador convencional para la concentración de los fluidos de trabajo. Hasta donde saben los autores, hay pocas investigaciones disponibles en la literatura sobre el uso de contactores de membrana en aplicaciones de bombas de calor de absorción. A pesar de la importante necesidad de enfriadores de absorción compactos y de baja capacidad de enfriamiento con el uso potencial de membranas microporosas para fines de contacto solución/vapor en el absorbente, hasta ahora se ha realizado relativamente poca investigación sobre este tema. Además, no hay literatura disponible sobre el flujo de transferencia de vapor de agua a través de contactores de membrana hacia una solución de bromuro de litio y agua con el vapor y la solución bajo igual presión estática de vacío, como es el caso en el absorbente de los enfriadores de absorción de LiBr-H2O. Sin embargo, dado que la membrana actúa como una barrera para el proceso de transferencia de masa, sus propiedades afectan el flujo de transferencia de masa del vapor de agua. Por lo tanto, es necesario realizar investigaciones sobre el flujo de transferencia de masa de vapor de agua (refrigerante) en la solución acuosa de membranas hidrofóbicas microporosas disponibles comercialmente en condiciones operativas realistas dentro del absorbente. Las membranas microporosas hidrofóbicas comunes disponibles comercialmente en forma de capilar o de lámina plana están hechas de polipropileno (PP) @ polivinilidenofluoruro (PVDF) y politetrafluoroetileno (PTFE @ teflón). El objetivo de diseñar un absorbente compacto para enfriadoras de absorción se investiga con estudios experimentales y analíticos de membranas microporosas hidrofóbicas. Este estudio se centra en la influencia de las propiedades de la membrana en el flujo de transferencia de vapor de agua hacia una solución de LiBr-agua a través de un contactor de membrana en la interfaz líquido/vapor que forma un canal estrecho confinado. Además, también se estudia el efecto de las dimensiones del canal de flujo sobre el flujo de vapor de agua.