Heat and Mass Transfer Characteristics of Adsorbents in Heat Pump and Refrigerator

Abstract

Due to increasing drought, pandemic and climate crisis in recent years, researchers have increased their studies on environmentally friendly energy use. Although there are technological developments in the production of energy from renewable energy sources, the storage of this produced energy is still a problem that awaits a solution. At this point, adsorption heat pumps with high primary energy efficiency come to the fore as a developing technology and attract the attention of researchers. However, low heat transfer properties in the adsorbent bed reduce the performance of adsorption heat pumps and limit their applications. The aim of this thesis was to improve the performance of the adsorption heat pump by increasing the effective thermal conductivity within the adsorbent bed. Two methods have been employed to enhance the effective thermal conductivity. In the first method, which was unconsolidated adsorbent bed design, it was aimed to increase the thermal conductivity of the bed with metal additives with a continuous structure. In the second method, which is known as consolidated bed design, the effective thermal conductivity of zeolite 13X was tried to be enhance with a high conductive material, reduced graphene oxide. In the experimental studies, it was observed that the thermal conductivity increased from 0.12 W/m.K to 0.28 W/m.K in unconsolidated bed design by means of fin-shaped metal additive. In consolidated adsorbent bed design, the effective thermal conductivity of the Graphene/Zeolite 13X (1 wt% Graphene) was determined as 0.1613 W/m.K. In theoretical studies, the effect of thermal conductivity in the temperature, pressure and adsorbate concentration was investigated. The indirect and direct effects of effective thermal conductivity on specific cooling/heating power (SCP/SHP) and coefficient of performance (COP) values were examined. Although the effect of thermal conductivity on COP was ignored in most of the studies in the literature, it was observed that COP increased from 0.01 to 0.10 when thermal conductivity increased from 0.12 W/m.K to 1 W/m.K.

Son yıllarda artan kuraklık, pandemi ve iklim krizi gibi nedenlerle araştırmacılar çevre dostu enerji kullanımına yönelik çalışmalarını arttırmışlardır. Her ne kadar yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimine yönelik teknolojik gelişmeler yaşansa da bu üretilen enerjinin depolanması hala çözüm bekleyen bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu noktada, birincil enerji verimliliği yüksek olan adsorpsiyonlu ısı pompaları geliştirilebilir teknoloji olarak ön plana çıkmakta ve araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Fakat, adsorban yatağı içerisindeki düşük ısı transferi özellikleri adsorpsiyonlu ısı pompalarının performansını düşürmekte ve uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu tezin amacı, adsorban yatağı içindeki efektif termal iletkenliği artırarak adsorpsiyonlu ısı pompasının performansını iyileştirmektir. Efektif termal iletkenliği artırmak için iki yöntem kullanılmıştır. Birinci yöntem olan konsolide olmayan adsorban yatağı tasarımında, sürekli bir yapıya sahip metal katkı maddeleri ile yatağın termal iletkenliğinin arttırılması hedeflenmiştir. Konsolide yatak tasarımı olarak bilinen ikinci yöntemde, zeolit 13X'in efektif termal iletkenliği, yüksek termal iletkenliğe sahip indirgenmiş grafen oksit ile artırılmaya çalışılmıştır. Deneysel çalışmalarda, konsolide olmayan yatak tasarımında kanat şeklindeki metal katkı sayesinde termal iletkenliğin 0.12 W/m.K'den 0.28 W/m.K'ye yükseldiği gözlenmiştir. Konsolide adsorban yatağı tasarımında, grafen/Zeolite 13X'in (ağırlıkça %1 grafen) etkin termal iletkenliği 0.1613 W/m.K olarak belirlenmiştir. Teorik çalışmalarda ısıl iletkenliğin sıcaklık, basınç ve adsorbat konsantrasyonu üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Etkin termal iletkenliğin spesifik soğutma/ısıtma gücü (SCP/SHP) ve performans katsayısı (COP) değerleri üzerindeki dolaylı ve doğrudan etkileri incelenmiştir. Literatürdeki çalışmaların çoğunda termal iletkenliğin COP üzerindeki etkisi göz ardı edilmiş olsa da, termal iletkenlik 0.12 W/m.K'den 1 W/m.K'ye yükseldiğinde COP'un 0.01'den 0.10'a yükseldiği gözlenmiştir.