A study on COP improvement of a household refrigerator by using an adsorption heat pump

Abstract

The thesis aims to increase the coefficient of performance of a domestic type household refrigerator. A household refrigerator is a kind of mechanical heat pump which works based on the vapor compression cycle. On the other hand, adsorption heat pump is a thermal heat pump and it can directly operate with any kind of third energy source such as solar, waste heat. The heat released from the condenser of a mechanical heat pump provides the desorption of the adsorbate in the adsorbent bed and helps the transfer of the adsorbate to the condenser of the adsorption heat pump. Then, the adsorbent bed which has low level adsorbate concentration provides the evaporation of the adsorbate in the evaporator and generates a cooling effect. By this way, an additional cooling effect can be generated without the increase of energy consumption of refrigerator. In this thesis, a detailed literature survey on the combination of hybrid cooling systems is done. The suggested hybrid cooling systems are classified, and their advantages and disadvantages are discussed. In order to analyze heat and mass transfer of an adsorption heat pump, different conditions for adsorbent bed design are studied, theoretically. To design an adsorption heat pump the effects on the heat and mass transfer should be well known. Theoretical studies on heat and mass transfer in a rectangular adsorbent bed is performed to understand what can be effected on the heat and mass transfer in an adsorbent bed. Heat and mass transfer equations for a rectangular adsorbent bed are derived for non-uniform pressure approaches and numerically solved to determine temperature and concentration profiles in the bed with using Comsol Software. Furthermore, our CFD program coded in FORTRAN language. The code is used to validate the obtained results from Comsol. An experimental setup was designed and constructed in the light of these numerical studies. The enhancement of performance of a household refrigerator is calculated by using an adsorption heat pump.

Bu tezde, bir ev tipi buzdolabında bulunan yoğuşturucudan ortama atılan atık ısının bir adsorpsiyonlu ısı pompası vasıtası ile değerlendirilerek buzdolabının etkinlik katsayısının arttırılması amaçlanmıştır. Ev tipi buzdolabı bir mekanik ısı pompası olup buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ve mekanik bir iş girişi ile çalışmaktadır. Adsorpsiyonlu ısı pompası ise termal bir ısı pompası olup üçüncül ısı kaynağı (güneş enerjisi, jeotermal enerji, atık ısı vs.) ile soğutma etkisi yaratabilmektedir. Mekanik çevrim yoğuşturucusundan atılan ısı, adsorbent yatağında bulunan adsorbatın desorplanmasını ve adsorpsiyonlu sistemin yoğuşturucusuna transfer edilmesini sağlamaktadır. Düşük adsorbat konsantrasyonunda bulunan yatak ise adsorpsiyonlu sistemin buharlaştırıcısında bulunan sıvı adsorbatın buharlaşmasına ve soğutma etkisi yaratmasına neden olmaktadır. Böylece elektrik tüketmeden sağlanan ilave bir soğutma etkisi yaratılabilmektedir. Bu tezde, buhar sıkıştırmalı ısı pompalarının adsorpsiyonlu ısı pompası veya komponentleri ile nasıl kombine edilebileceği literaturdeki verileri cercevesinde kıyaslanmıştır. Önerilen sistemler tek çevrimli ve çift çevrimli hibrit sistemler olarak sınıflandırılmıştır. Önerilen hibrit sistemlerin eldeki veriler ışığında etkinlik katsayısı ve verim artış oranı incelenmiş, aralarında mukayese edilmiş, avantaj ve dezavantajları tartışılmıştır. Adsorpsiyonlu ısı pompasının ısı ve kütle transferi üzerine teorik ve deneysel çalşmalar yapılmıştır. Hibrit soğutma sistemlerinin oluşturulabilmsi için önerilen adsopsiyonlu ısı pompası tasarımı önemlidir. Adsorpsiyonlu ısı pompası tasarımı yapmak için ısı ve kütle transferini etkileyen etkenler iyi bilinmelidir. Sabit olmayan basınç yaklaşımı kullanılarak dikdörtgensel bir adsorbent yataktakı ısı ve kütle transferi denklemleri çıkarılmış, yataktaki sıcaklık ve konsantrasyon profilleri Comsol Yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen sayısal sonuçları doğrulamak için tarafımızca oluşturulan kod yardımıyla FORTAN Programı kullanılmıştır. Sayısal sonuçlar ışığında, bir deney düzeneği geliştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda bir ev tipi buzdolabının adsorpsiyonlu ısı pompası kullanılarak performans artışı hesaplanmıştır.