Investigation of the effect of phase change materials on the performance of household refrigerators

Abstract

Bu çalışmanın ele aldığı ana problem, ev tipi bir buzdolabında faz değişken malzemelerin (FDM) uygulanmasının ısıl yönden yararlılığı ve bu uygulamanın getirdiği performans artışının nümerik yöntemlerle incelenmesidir. FDM'ler, ısıl enerjiyi katı ve sıvı faz değişim sıcaklığı aralığında gizli ısı olarak depolayan malzemelere denmektedir. Bu malzemeler yüksek miktarda ısıyı dar bir sıcaklık aralığında depolayabilmektedirler ve bu özelliklerinden dolayı son yıllarda artan bir popülariteye sahiptirler. FDM'lerin bu özelliklerinden faydalanarak, onların ev tipi buzdolaplarında uygulanmasının buzdolabının enerji verimliliğini ve enerji sınıfını arttıracağı düşünülmektedir. Çünkü, buzdolabındaki soğuk enerjiyi gizli ısı olarak depolayarak, kompresörün çalışma ve durma döngü sayısı azaltılabilir. Kompresörün çalışma ve durma sıklığını azaltmak şu yönden yararlıdır; kompresör her durduğunda, soğutma çevrimi içerisindeki soğutucu akışkan dağılımı bozulur ve bir sonraki çalışmada tekrar oluşur ve bu durum genel verimsizlik kaynağıdır. Bu çalışmada, öncelikle, FDM uygulanmasının yapılabileceği olarsı yerleri görmek amacıyla, kararlı simülasyonlar gerçekleştirilerek kararlı sıcaklık dağılımları çıkartılmıştır. Daha sonra, soğutucu bölmedeki ısıl durumunun zamana bağlı davranışını anlamak amacıyla zamana bağlı analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar deneysel verilerle doğrulanmıştır. Elde edilen bu kararlı ve zamana bağlı ısıl görüntülerin ışığında, uygun faz değişim sıcaklığına sahip FDM'ler, buzdolabı duvarlarında uygun yerlere yerleştirilerek zamana bağlı analizler FDM'lerin etkisini görmek üzere tekrarlanmıştır. Ev tipi buzdolaplarında radyasyonlu ısı transferinin etkileri ihmal edilemeyecğinden dolayı, tüm analizler radyason açık ve kapalı olarak yapılmış ve radyasyonun etkileri sunulmuştur.Nümerik analizlerde, bilinen bir ticari hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) paket programı olan FLUENT kullanılmıştır.

The main problem that this study deals with is the issues of thermal effectiveness of phase change materials (or PCM) application to household refrigerators and investigating the performance improvement with numerical methods. PCMs are materials that store thermal energy in latent heat form between its solidus and liquidus points. By this way, these materials can store large amount of heat in a narrow temperature range, which made them to gain popularity in recent years. By exploiting this feature of PCMs, it is thought that using these materials in household refrigerators could increase the energy efficiency, thus energy class of a refrigerator. Because, keeping the cold energy inside the refrigerated space as latent heat will decrease the number of stop and start cycles of the compressor. Decreasing the number of stop and start cycles is beneficial since the distribution of refrigerant fluid in the refrigeration cycle breaks down every time compressor is stopped and established again on the next start, which is the main inefficiency source.In this study, at first, the steady temperature contours are extracted by steady state numerical simulations to see the possible locations for the application of PCMs. Then, transient simulations are conducted to understand the transient thermal behavior of the refrigerated space and these transient results are validated with experimental data. In the light of these steady and transient thermal pictures, PCMs having proper phase change temperatures are placed in appropriate places on the walls of the refrigerator and transient simulations are conducted to see the effects of PCMs. Since radiative heat transfer cannot be ignored in household refrigerators, all simulations are conducted with and without radiation and effects of radiation are also presented.The well – known commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT is employed for the numerical simulations.