Simulation Based Optimization Of Spray Absorption Process Parameters Using OpenFOAM

  • Heat pumps offer a great opportunity of heating buildings on renewable energy sources. A small, cost-efficient and environment-friendly implementation are ammoniawater absorption heat pumps. One of its critical components in terms of efficiency, size and cost is the absorber. In this thesis the physical processes inside an ammoniawater spray absorber chamber were analyzed, modeled and simulated with the objective of optimizing the absorber efficiency by determining the influence of spray and nozzle properties on the absorption process. Effects of drop diameter and velocity were estimated analytically by simple approximations and by calculations in LibreOffice spreadsheets. The joint distribution of drop diameter velocity in a spray produced by a certain nozzle was modeled using both empirical equations and abinitio methods like the maximum entropy formalism (MEF) by the current state of scientific and engineering knowledge. The model of a swirl nozzle thus obtained was implemented in C++ as a part of an OpenFOAM solver. Using an existing, specifically built absorption library, the author was provided with, several simulations were conducted varying the absorption chamber geometries and the nozzle types. The results of these simulation showed that the heat transfer from the drops to the ammonia vapor atmosphere in the absorption chamber and subsequently from the chamber atmosphere to the chamber walls is the crucial parameter determining the absorption rate and the final ammonia concentration. In literature, several approaches can be found to determine the absorption rate of a single, representative drop in a spray, either by analytical or numerical methods. However, so far no study considered the effects of the whole spray consisting of a huge number of drops with varying size and velocity. By the model and setup developed in this work, effects like heating up of the absorber chamber or flow induced by momentum transfer from the drops to the fluid, can be taken into account for the first time.
  • Wärmepumpen bieten die Möglichkeit, Gebäude mit erneuerbaren Energien zu heizen. Als besonders platzsparend, rentable und umweltfreundlich gelten Ammoniak- Wasser Absorptionswärmpumpen. Dabei hängt der Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe hauptsächlich von der Effizienz des Absorbers ab. In dieser Arbeit wurden die physikalischen Vorgänge innerhalb der Absorberkammer analysiert, modelliert und simuliert, um die jeweiligen Einflüsse des Sprühs und der Düse zu ermitteln, welche die Effizienz eines Absorbers bestimmen. Dabei wurden die Auswirkungen von Tropfendurchmesser und -geschwindigkeit zunächst durch einfache analytische Näherungen und mithilfe von LibreOffice-Tabellen abgeschätzt. Die Verteilung von Durchmesser und Geschwindigkeit der einzelnen Tropfen in einem Sprüh, der von einer bestimmten Düse erzeugt wird, wurde durch empirische Formeln und mithilfe des Maximum Entropie Formalismus (MEF) nach aktuellem Stand der Forschung ermittelt. Das so gewonnene Modell einer Wirbeldüse wurde anschließend in C++ als Teil eines OpenFOAM Solvers implementiert. Mithilfe einer vorhandenen, eigens dafür entwickelten Bibliothek zur Simulation der Wärme- und Massentransfervorgänge, wurden erste Simulationen mit verschiedenen Düsentypen und Kammergeometrien durchgeführt. Die Auswertung der Simulationsdaten hat ergeben, dass vor allem der Wärmeübergang zwischen den Tropfen und der umgebenden Ammoniakatmosphäre und zwischen Ammoniak und Kammerwand die Absorptionsrate und erreichte Konzentration bestimmen. Obwohl sich in der Literatur einige Arbeiten finden, die mit analytischen oder numerischen Methoden die Absorptionsrate eines einzelnen, für den Sprüh repräsentativen Tropfen bestimmen, wurden bisher jedoch nie die Auswirkungen des gesamten Sprühs, der aus vielen Tropfen unterschiedlicher Größe und Geschwindigkeit besteht, auf die Absorptionsrate in der Kammer betrachtet. Mit dem hier entwickelten Modell können erstmals Effekte wie das Aufheizen der Absorptionskammer oder die Erzeugung von Strömungen durch den Impulsübertrag der Tropfen auf das umgebende Fluid in die Betrachtung miteinbezogen werden.

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Metadaten
Author:Thomas Kerschl
URN:urn:nbn:de:bvb:m347-dtl-0000001381
Place of publication:München
Referee:Alfred KerschORCiD, Datong Wu
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/12/07
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Granting Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Release Date:2021/12/10
GND Keyword:AbsorptionswärmepumpeGND; ComputersimulationGND
Page Number:XVII, 120
Departments and Institutes:Fakultäten der Hochschule München / FK 06 Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik / Masterstudiengang Mikro- und Nanotechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik
Illustrations:Illustration/en
Illustrations:grafische Darstellung/en
Licence (German):Keine CC-Lizenz, es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das Deutsche Urheberrecht
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