An experimental and theoretical study on the improvement of adsorption heat pump performance

Abstract

ÖZETGünümüzde, enerji ihtiyacının hızla artması ve buna bağlı olarak sınırlı olan fosil yakıtların tüketilmesi, gelecekte bir enerji dar boğazı oluşacağının sinyallerini vermektedir. Bu sebeple sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarının, özellikle ısıtma ve soğutma alanlarında kullanımı büyük önem taşımaktadır. Adsopsiyonlu ısı pompası, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarının ısıtma ve soğutma amaçlı kullanımını sağlaması açısından son yıllarda dikkatleri üzerine çekmiştir.Bu çalışmada adsorpsiyonlu ısı pompalarının çalışma prensipleri, detaylı bir literatür taraması, adsorpsiyon üzerine genel bilgiler, tasarlanan ve üretilen iki farklı sistemin deneysel sonuçları, sistemlerin modellenmesi için nümerik analiz ve su buharı-silika jel ikilisinin izosterik adsorpsiyon ısısını elde etmek için mikrokalorimetrik çalışma gibi konular anlatılmıştır. Her iki kesikli adsopsiyonlu ısı pompası da herhangi bir kaçak olmaksızın, çevrimin defalarca tekrar edilebilmesini sağlamıştır. Her iki sistem için de adsorbent-adsorbat ikilisi olarak silika jel-su kullanılmıştır. Söz konusu sistem için ayrıca, performans katsayıları, toplam entropi üretimi, ikinci yasa verimliliği, özgül ısıtma ve soğutma gücü değerleri hesaplamaları yapılmıştır. İkinci adsorpsiyonlu ısı pompasında, yataktaki ısı transfer alanı birinci adsorpsiyonlu ısı pompasına (AHP) göre %550 arttırılarak, sistemin SHP ve SCP değerleri sırasıyla %170 ve %200 geliştirilmiştir. Ayrıca yatak içinde ısı iletimi, yeni bir yaklaşımla alüminyum metal parçaları silika jel ile karıştırılarak arttırılmıştır. Böylece, sistemin tam bir çevrim için gereken zaman kayda değer bir oranda azaltılmış ve sistemin SHP ve SCP değerleri %250 geliştirilmiştir. Adsorbent yatağı için ısı ve kütle iletim denklikleri ve adsorbent parçacıkları için ise kütle iletimi denklikleri nümerik olarak çözülmüştür.

ABSTRACTAdsorption heat pumps, which have considerably sparked attentions in recent years, have the advantage of being environmentally friendly and operating with heat sources such as waste heat, solar and geothermal energies as well as storing the energy. The present investigation covers working principle of adsorption heat pumps, a detailed literature survey on the performed studies, information about adsorption phenomena, experimental results of two differently designed and constructed systems, numerical simulation of heat and mass transfer in an annulus adsorbent bed, and microcalorimetric study for obtaining isosteric heat of adsorption for water vapor-silica gel pair. The two intermittent adsorption heat pumps can operate without any leakage. The silica gel-water was employed as the adsorbent-adsorbate pair in both of the systems. The temperature and pressure in the evaporator, condenser and adsorbent bed were measured and the coefficients of performance, total entropy generation, the second law efficiency, specific heating and cooling power values were calculated based on these measured values for all of the representative cycles. The heat transfer area of the second designed adsorption heat pump is 550% greater than the first designed adsorption heat pump and this increase resulted in 170% and 200% of improvements in specific heating power (SHP) and specific cooling power (SCP) values respectively. The silica gel granules were mixed with small size metal pieces in order to accelerate heat transfer in the bed. Experiments were performed to measure the thermal diffusivity through the adsorbent bed in which adsorbent is mixed with metal pieces. It was observed that the mixing of silica gel grains with 10wt% of small size aluminum pieces increases the SHP and SCP values of the second heat pump by 250%.