Investigating the impact of a selected Ionic Liquid as anti-crystallization additive in H2O/LiBr working mixture for single-effect absorption systems for space cooling and heating

Abstract

La refrigeració per absorció ofereix una alternativa sostenible, impulsada per energia tèrmica i que utilitza refrigerants naturals com l’aigua. La mescla més comuna és H O/LiBr, però el seu ús és limitat a causa de la cristal·lització del LiBr a altes concentracions i baixes temperatures. Aquesta limitació restringeix el rendiment, especialment en sistemes refredats per aire i en bombes de calor. Els líquids iònics (ILs) s’investiguen com a additius per mitigar la cristal·lització. D’entre diversos candidats, es va seleccionar [DMIM][Cl] amb una fracció màssica del 6%, basant-se en la solubilitat i la pressió de vapor. La nova mescla va mostrar una millora de l’interval operatiu i una reducció del ràtio de circulació de la solució.L’avaluació experimental en un prototip de refrigerador bi-adiabàtic de 2kW demostra que l’addició del IL millora l’interval operatiu evitant la cristal·lització, sense afectar el COP ni la capacitat de refrigeració. Per estudiar l’impacte del IL seleccionat en la mescla de treball H O/LiBr sobre la mullabilitat i el rendiment del transfer de calor i massa, s’utilitza un absorbidor convencional de pel·lícula descendente en tub horitzontal, en condicions tèrmiques de refrigeració per aire i per aigua. La nova mescla de treball no mostra efectes adversos en els processos de transfer de calor i massa, obtenint un rendiment similar.La millora en el transfer de calor i massa en l’absorbidor, com en l’absorbidor de placa vertical, facilita un disseny més compacte, augmentant així l’atractiu de la tecnologia d’absorció.

La refrigeración por absorción ofrece una alternativa sostenible, impulsada por energía térmica y utilizando refrigerantes naturales como el agua. La mezcla más común es H O/LiBr, pero su uso está limitado debido a la cristalización del LiBr a altas concentraciones y bajas temperaturas. Esta limitación restringe el rendimiento, especialmente en sistemas enfriados por aire y en bombas de calor. Los líquidos iónicos (ILs) se investigan como aditivos para mitigar la cristalización. Entre varios candidatos, se seleccionó [DMIM][Cl] con una fracción en masa del 6%, basándose en su solubilidad y presión de vapor. La nueva mezcla mostró una mejora en el rango operativo y una reducción en la relación de circulación de la solución.La evaluación experimental en un prototipo de enfriador biadiabático de 2kW demuestra que la adición del IL mejora el rango operativo al evitar la cristalización, sin afectar el COP ni la capacidad de refrigeración. Para estudiar el impacto del IL seleccionado en la mezcla de trabajo H O/LiBr sobre la mojabilidad y el rendimiento en la transferencia de calor y masa, se utilizó un absorbedor convencional de película descendente con tubo horizontal, bajo condiciones térmicas de enfriamiento por aire y por agua. La nueva mezcla de trabajo no mostró efectos adversos en los procesos de transferencia de calor y masa, obteniendo un rendimiento similar.La mejora de la transferencia de calor y masa en el absorbedor, como en el absorbedor de placas verticales, permite un diseño más compacto, aumentando así el atractivo de la tecnología de absorción

Absorption refrigeration offers a sustainable alternative, driven by thermal energy and using natural refrigerants like water. The most common mixture is H O/LiBr, but its use is limited due to the crystallization of LiBr at high concentrations and low temperatures. This restricts performance, especially in air-cooled systems and heat pumps. Ionic liquids (ILs) are investigated as additives to mitigate crystallization. Among several candidates, [DMIM][Cl] at 6% mass fraction was selected based on solubility and vapor pressure. The new mixture showed enhanced operating range and reduced solution circulation ratio. Experimental evaluation on a 2-kW bi-adiabatic chiller prototype depicts that adding IL improves the operating range by preventing the crystallization, without affecting COP and cooling capacity. To study the impact of the selected IL in H2O/LiBr working mixture on wettability and heat and mass transfer performance, a conventional horizontal tube falling film absorber is used for air-cooling and water-cooling thermal conditions. The new working mixture shows no adverse effects on the heat and mass transfer processes, hence performed similarly. Improvement in heat and mass transfer in the absorber, as in vertical plate absorber, facilitates a more compact design, thereby increasing the attractiveness of absorption technology. The new experimental setup and a numerical model is developed to study the absorption process of vertical plate falling film absorber.