Unsteady numerical simulation of dynamic reactor - evaporator interaction in thermochemical refrigeration systems

• Autores: Juan M. Mejía, Farid Chejne Janna, Farid Bernardo Cortés Correa
• Localización: CT&F - Ciencia, tecnología y futuro, ISSN-e 0122-5383, Vol. 5, Nº. 3, 2013, págs. 107-126
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Simulación numérica de la interacción reactor – evaporador en sistemas de refrigeración termoquímicos
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• Resumen
  • español

    E xiste una interacción entre las tasas de reacción/evaporación en ciclos de refrigeración gas-sólido, promoviendo un comportamiento dinámico de la presión en las interfaces gas-líquido y gas-sólido en el evaporador y reactor. Simultáneamente, la presión modifica tanto la velocidad de reacción en el reactor como las tasas de transferencia de materia/energía en el evaporador y reactor. El objetivo de éste trabajo es modelar la interacción evaporador-reactor basado en una aproximación fenomenológica. Ésta interacción es estudiada mediante un nuevo modelo matemático del reactor y evaporador durante la etapa de síntesis/evaporación. El modelo del reactor gas-sólido está basado en ecuaciones 2-D de transporte de materia, momentum y energía. El modelo del evaporador considera la interacción dinámica entre las tasas de evaporación/reacción dadas por la transferencia de materia en las interfaces heterogéneas y de energía con otros componentes. El comportamiento termodinámico del refrigerante es estimado mediante la ecuación de Patel-Teja. Los resultados de la simulación son validados satisfactoriamente con datos experimentales.

    Las simulaciones mostraron un comportamiento no-lineal de la presión como consecuencia de la interacción entre el reactor-evaporador-refrigerador. Los resultados sugieren que, si las dinámicas del evaporador-refrigerador son despreciadas, el coeficiente de rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) es sobreestimado en 32% para el sistema evaluado en éste trabajo.

  • English

    Close interaction between evaporation/reaction rates in gas-solid refrigeration cycles promotes the dynamic behavior of gas pressure in gas-liquid and gas-solid interfaces in evaporators and reactor diffusers. Simultaneously, gas pressure modifies both reaction rates in reactors and mass and energy transfer rates in reactors and evaporators. The objective of this work is to model the complex interaction between reactor and evaporator using a phenomenological approach. The coupled interaction is studied by a novel mathematical model of the reactor and evaporator at the synthesis/evaporation step. The model of the gas-solid reactor is based on unsteady 2-D mass, momentum and energy transport equations. The evaporator model considers the interaction between evaporation/reaction rates given by the unsteady mass and energy transfer at heterogeneous interfaces and with other components. The thermodynamic properties of the refrigerant are calculated by the Patel-Teja equation-of-state. Simulation results predicted by the model were satisfactorily validated with experimental data. Predicted interaction between reactor, evaporator and cooling space showed non-linear behavior of gas pressure. The simulation results showed that, if the dynamics of the evaporator and cooling space are neglected, coefficient of performance (COP) is overestimated by 32% for the configuration evaluated in this work.

  • português

    E xiste uma interação entre as taxas de reação/evaporação em ciclos de refrigeração gás-sólido, promovendo um comportamento dinâmico da pressão nas interfaces gás-líquido e gás-sólido no evaporador e reator. Simultaneamente, a pressão modifica tanto a velocidade de reação no reator como as taxas de transferência de matéria/energia no evaporador e reator. O objetivo deste trabalho é moldar a interação evaporador-reator baseado em uma aproximação fenomenológica. Esta interação é estudada mediante um novo modelo matemático do reator e evaporador durante a etapa de síntese/evaporação.

    O modelo do reator gás-sólido está baseado em equações 2-D de transporte de matéria, momentum e energia. O modelo do evaporador considera a interação dinâmica entre as taxas de evaporação/reação dadas pela transferência de matéria nas interfaces heterogêneas e de energia com outros componentes. O comportamento termodinâmico do refrigerante é estimado mediante a equação de Patel-Teja. Os resultados da simulação são validados satisfatoriamente com dados experimentais. As simulações mostraram um comportamento não-linear da pressão como consequência da interação entre o reator-evaporador-refrigerador.

    Os resultados sugerem que, se as dinâmicas do evaporador-refrigerador são desprezadas, o coeficiente de rendimento (COP, por sua sigla em inglês) é superestimado em 32% para o sistema avaliado neste trabalho.