Modelamiento del proceso de adsorcion y desorcion de metanol en un lecho de carbón activado para la aplicación en sistemas de refrigeración solar por adsorción intermitente

Abstract

Resumen: Los sistemas de refrigeración por adsorción permiten aprovechar fuentes térmicas no convencionales como la energía solar y desechos de calor residual generados por el proceso industrial. En estos sistemas, no se utilizan equipos altamente consumidores de energía eléctrica como los compresores; sino que son remplazados por otros “generadores”, que cumplen la misma función pero realizan procesos diferentes: desorción (generación de gases) y Adsorción. El generador es el equipo clave de un equipo de refrigeración de esta naturaleza, en él se realizan las operaciones físicas de adsorción y desorción de gases, la cual permite la generación de frío en el evaporador. También se presentan fenómenos de transporte y de transferencia de materia, energía y momentum simultáneos que le agregan complejidad en el momento de desarrollar un modelo matemático confiable. En este proyecto se desarrollo un modelo matemático para dar cuenta del comportamiento del generador durante su etapa de adsorción y desorción la cual se realizan en condiciones no estacionarias en un medio no uniforme. Por lo tanto el modelo matemático planteado unidimensional, dependiente del tiempo, bifásico de carácter fenomenológico en el cual se encuentran acopladas las ecuaciones de balance de materia, energía y cantidad de movimiento en coordenadas cilíndricas variando la presión para el lecho de carbón activado contenido en el generador. El modelo matemático de adsorción y desorción de metanol en carbón activado se discretizó en el espacio por el método de volúmenes finitos, utilizando la aproximación de un esquema de diferencia central para representar la conducción térmica del gas y del sólido, y para los términos convectivos masicos y energéticos se utilizó el esquema upwind de primer orden bajo la plataforma de Fortran 90, teniendo la ventaja de poder ser usado para diferentes parejas adsorbato/adsorbente, usando la misma estructura matemática y algorítmica. Los resultados obtenidos de la simulación fueron validados satisfactoriamente con información experimental obtenida de datos de pruebas de campo y con datos reportados en la literatura. El modelo permite obtener los perfiles de temperatura, presión, densidad y velocidad del gas en dirección radial como también la temperatura del sólido y la cantidad adsorbida (o desorbida) de metanol en el lecho de carbón activado, durante las etapas de adsorción / evaporación y desorción / condensación. Una de las cosas relevantes del trabajo se relaciona con la inclusión de términos adicionales en las ecuaciones de balance las cuales no han sido tenidas en cuenta por los modelos existentes en la literatura. Esto le da un carácter innovador y explicativo a la hora de analizar los comportamientos observados a partir de las pruebas experimentales en equipos de esta naturaleza. Otro aspecto innovador del modelo desarrollado es que se puede construir el diagrama de Clapeyron real, en el cual se puede observar la variación de la presión y la temperatura del lecho, además prever y facilitar el entendimiento de los fenómenos adsortivos, de transporte y de transferencia que se presenta fidedignamente mediante los datos experimentales. El Diagrama Clapeyron real (variando la presión dentro del lecho) se construyo con los datos de simulación para las etapas de adsorción y desorción, el cual se valido con datos de campo reportados en la literatura, y se completa con el cálculo de COP para un ciclo de refrigeración ideal (presión constante). El diagrama Clapeyron construido es el pionero a nivel mundial según el estado del arte.

Abstract: Adsorption refrigeration systems are able to use non conventional termal sources, such as solar energy and industrial waste heat. In this systems, high energy consume equipment are not used, as compressors are, indeed they are replaced for “generators” ensuring the same functionality but based on other processes: desorption (gas gereration) and adsorption. The generator is the key component of a refrigeration system of this kind, where physical gas adsorption and desorption are carried out, allowing the cold generation in the evaporator; also simultaneous transport phenomena and mass, energy and momentum transfer are presents, making a more complex task to develop a confident mathematical model. In this project, a time dependent mathematical model for describing the generator behavior during the adsorption and desorption stages in a non uniform medium was developed. The mathematical model is one dimensional (cylindrical coordinates), transient, two phases involved and phenomenological based on mass, energy and momentum balances equations, taking into account the pressure variation on the activated carbon bed in the generator. The adsorption and desorption mathematical model of methanol in activated carbon was space discretized by the finite volume method, using the central differencing scheme for the gas and solid thermal conduction and the fist order upwind scheme for mass and energy convection. The model was programmed on Fortran 90, which can be used for different adsorbate/adsorbent couples using the same mathematical structure and algorithm. The simulation results shows good agreement with experimental data obtained from field measurements and reported data in the literature. The model allow to obtain the temperature, pressure, density and gas velocity radial profiles, also the solid temperature and the amount of methanol adsorbed – desorbed, during the adsorption/evaporation and desorption/condensation stages. A significant contribution in the present investigation is related to the inclusion of additional terms in the balance equations which has not been considered in other models in literature. This gives an innovating and explanatory character when an analysis of experimental results is required in this kind of processes. Another novel aspect of the developed model is the capability of construct the real Clapeyron diagram, in which can be observed the bed pressure and temperature behavior, also anticipate and facilitate the understanding of the adsorption, transport and transfer phenomena trustworthily represented by experimental data. The real Clapeyron diagram (with pressure variation inside the bed) was constructed with simulation data for adsorption and desorption stages, which has been validated with field data found in literature, and is completed with the COP calculation for an ideal refrigeration cycle (constant pressure). Based on the sate of the art, this is the first work in developing the Clapeyron diagram based on a mathematical model.