Güneş enerjisi ile soğutma /
Yazar: M. ADNAN FERVATİ
Danışman: DOÇ. DR. REFAH AYBER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1984
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Güneş enerjisi genellikle kolay temin edilebildiği ve çevreyi kirletmediği için bu enerjiden yararlanma imkânları nın araştırılması günümüzde önem kazanmaktadır. Güneş ışını mının en fazla olduâu zamanlarda soğutma ihtiyacının da ar tacağı dikkate alınırsa, güneş enerjisinin soğutmada kulla nılması daha cazip olmaktadır. 1920-1930 yıllarında geliştirilmiş ve uygulanmış bu lunan adsorpsiyonlu soğutma sisteminde güneş enerjisinin kul lanılması hususu yeniden inceleme konusu olmaktadır. Bu sis tem esas itibariyle adsorbentin bulunduğu bir jeneratör, bir yoğuşturucu ve bir buharlaştırıcıdan oluşur. Güneş enerjisi kullanılması halinde güneş toplayıcısı jeneratör vazifesini görür ve soğutma işlemi de gece gerçeklenir. Bu çalışmada adsorpsiyonlu soğutma sisteminin davra nışlarını ve bazı parametrelerinin etkisini incelemek için bir deney tesisatı kurulmuştur. Adsorbent olarak sentetik ZX-Zeoliti ve soğutucu akışkan olarak su kullanılmıştır. Sis temin soğutma gücü günde 2100 kJ olmaktadır. Sistem planla nırken laboratuvarda mevcut malzemeler göz önünde tutulmuş ve güneş toplayıcısı 980x600x60 mm boyutlarında bakırdan her- metik bir kap şeklinde yapılmış ve ön (yutucu) yüzü is ile kaplanmıştır. Isı ve kütle geçişini kolaylaştırmak üzere top layıcı içine zeolit ile birlikte bir aliminyum petek yerleş tirilmiştir. Toplayıcının çıkışı 5° eğiminde bulunan yoğuş turucu borusuna bağlanmış ve yoğuşturucu çıkışına aynı zaman da buharlaşt ırıcı vazifesi gören taksimatlı bir cam kap bağ lanmıştır. Toplayıcı tek cam ile örtülmüş ve alt yüzeyi de 2 50 mm'lik cam yünü ile yalıtılmıştır. Ayrıca 700-1000 W/m arasında bir ışınım şiddeti sağlayan ışınlama düzeni kurul muştur. Ölçü cihazlarının kalibr asiyonu yapıldıktan sonra sistem boşaltılmış ve vakum altında sızdırmazlığı sağlanmış ve zeolit su ile doyurulmuştur.Işınlama safhasında sistem basıncı yoğuşma basıncına erişince yoqusma başlar ve yoğuşan su kapta ( buharlaşt ir ıcı ) toplanır. Adsorpsiyon (soğutma) safhasında toplayıcıda sıcak lık düşer ve basınç buharlaşma basıncına erişince kaptaki (buharlaştırıcı ) su buharlaşarak çevreden ısı çekerek soğut ma yapılır. Buharlaşan su tekrar zeolit tarafından yutulur. Yapılan çok sayıda desorpsiyon ve adsorpsiyon deneylerinde ışınım şiddeti I, ışınlama süresi Z (dolayısiyle ışınım ener jisi Q ), zeolitin başlangıç su adsorpsiyon kapasitesi Xn ve r d ortalama yoğuşma sıcaklığı t değiştirilmiştir. Bu parametre lerin değişimi aşağıdaki esaslara göre yapılmıştır: - İstanbul için maksimum ışınım şiddeti ve diğer lite- ratürlerdeki ışınım şiddetleri gözönünde tutularak deneyler- ? de 1=900 W/m alınmıştır. - İstanbul için yazın günlük ışınım enerjisi dikkate alınarak Z=0-6 saat seçilmiş ve dolayısiyle Q =0-11275,2 kJ olmuştur. - Pratikte adsorpsiyon (soğutma) safhasında zeolit, su buharı ile doymadan ışınlama safhası başlayabildiğinden X-. değerleri olarak: % 24,6 (doymuş), % 23,8 ve % 23 seçil- mistir. - Absorpsiyonlu sistemde müsade edilen en yüksek yo ğuşma sıcaklığı 40 C altındaki ve üstündeki durumu incelemek üzere t =36 C, 43 C ve 47 C seçilmiştir. Belirtilen değişik başlangıç adsorpsiyon kapasitesi X ve değişik ortalama yoğuşma sıcaklığı t için ışınlama safhasında yoğuşan su hacmi m'nin ve toplayıcının ön (yutu cu) ve arka yüzey sıcaklıkları t,.., t, 'nın ışınlama süresi- 11 to ta ne bağlı olarak değişmesi tablo ve diyagramlarda gösterilmiş ve irdelenmiştir. Ayrıca değişik koşullarda Zeolitin su ad sorpsiyon doyma kapasitesi X 'in, değişmesi de ışınım ener jisi Q 'ye bağlı olarak tablo ve diyagramlarda gösterilmiş ve irdelenmiştir. Zeolitin su adsorpsiyon doyma kapasitesi X 'in, ışı nım enerjisi Q ve ışınlama başlangıcında zeolitin adsorpsi yon kapasitesi X ile ortalama yoğuşma sıcaklığı t 'yi içeren B ' CVI Q^ ile ifade edilebileceği düşünülmüş ve büyüklükler arasın- r dakı ilişkinin aşağıdaki şekildeki bir formül ile verilebi leceği görülmüştür: X =2 4,6 EXP [B(Q - Q" ) n ] o r F Bu formüldeki sabitler deney sonuçlarından yararlanarak kom- püterde hesaplanmıştır. Deney koşullarına göre n 'in değeri yaklaşık 0,8 olmakta ve B ise ortalama yoğuşma sıcaklığına bağlı olarak farklı değerler almaktadır. Sistemin ışınlama safhasında performansını incelemek için: toplayıcı ani verimi n, ani iç soğutma etki katsayı- sı B., sistemin ani toplam soğutma etki katsayısı B ve sis- 13 3 temin ortalama toplam soğutma etki katsayısı B değişik ko şullarda kompüter yardımı ile hesaplanmıştır. Bunların ışınım enerjisi Q 'ye bağlı olarak değişmeleri toblo ve diyagramlar da gösterilmiş ve irdelenmiştir. Sistemin en büyük ortalama toplam soğutma etki katsa yısı B =% 22 olup başlangıç adsorpsiyon kapasitesi X 'nin azalan değerleri ile ortalama yoğuşma sıcaklığı t 'nın artan değerleri için azaldığı görülmüştür. Ayrıca B. değerinin X 3 deneyler sırasında sabit kalması sonucu olarak ta yoğuşma sırasında birim zamanda yoğuşan su miktarının toplayıcı (Zeo- lit) ortalama sıcaklığındaki artışı ile orantılı olduğu gö rülmüştür. Deneylerde hava akımları, yaygın ışınım ve ortam sı caklığı gibi sistemin performansını etkileyen fakat laboratu- varda simüle edilemeyen faktörler ihmal edilmiştir. Zeolitin ışınlama başlangıcında su adsorpsiyon kapasitesinin soğutma etki katsayısına etkisini göstermek maksadı ile ani toplam soğutma etki katsayısının düşme oranı e ve ortalama toplam 3 soğutma etki katsayısının düşme oranı e kullanılmıştır. Işın lama başlangıcında zeolitin su adsorpsiyon kapasitesi ne ka dar küçük olursa soğutma etki katsayısındaki düşme oranı da o kadar büyük olmaktadır. Neticede sistemin daha etkili olabime- si için ışınlama başlangıcında zeolitin doyma durumuna mümkün olduğu kadar yakın bulunması gerekli olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
Solar energy which is available in unlimited quantity in our world has the advantage of being a clean type of energy source. In recent years, extensive work has been done on the possibility of using solar energy as an energy source in heating and cooling. The use of solar energy in a cooling system becomes especially attractive, due to the fact that solar radiation reaches a peak value when cooling is needed the most. The adsorption cooling system was developed and used (to a certain extent during the years 1920-1930. This system consists essentially of a generator containing the adsorbent, a condenser and an evaporator. The adsorption system in which solar radiation can be used as an energy source is being considered again extensively. In adsorption systems using solar energy, the solar collector works as a generator and cooling is made at night. The scope of this work has been the setting up of a laboratory scale test apparatus to study experimentally the behaviour of adsorption cooling and to determine the effect of various parameters on its performance. ZX-Zeolite was used as the adsorbent and the cooling fluid was water va pour. The system was designed for a cooling capacity of 2100 kJ/day. In constructing the test apparatus, materials available in the laboratory have been used largely. The generator was made of hermetically sealed copper box having the dimensions of 980 x 600 x 60 mm and very similar to a flat plate solar collector. To make the collector more ri gid, an aluminium web in the form of a honeycomb was placed between the plates of the collector. This set up also hel ped improve the heat transfer to the zeolite and the flow of vapour through the collector. A suitable condenser andVIII an evaporator were added to the system. The laboratory experiments were carried out under simulation of solar ra diation by using electrical bulbs placed in a special fra me. After the calibration of the measuring devices, the system was evacuated and checked against air leakage and the zeolite was then saturated with water vapour. The system operates intermittently and its cycle consists of two phases. During the radiation phase the pressure of the system increases to the condensation pres sure, which causes condensation to begin and condensate water to collect in the evaporator. During the adsorption (Cooling) phase the temperature of the collector decreases and the pressure of the system drops to the evaporation pressure. At this time the water in the evaporator begins to evaporate and draws heat from its surroundings, thus causing cooling. The evaporated water vapour is then read- sorbed by the zeolite and the system is ready for the next radiation phase. Tests were carried out for the radiation (desorption and adsorption (cooling) phases simultaneously and the be haviour of the system was studied under both conditions. Test parameters such as : intensity of radiation I, period of radiation Z, (also radiation energy Q ), initial water adsorption capacity of zeolite XQ and mean condensation temperature t were selected as indicated below: c - Considering the maximum intensity of radiation for Istanbul and also those used in similar works, the mten- 2 sity was made I = 900 w/m. - Considering the daily solar radiation for Istar.buJ the period of radiation was taken as Z = 0-6. hours. Under these conditions the incident radiation energy on the col lector was Q = 0-11275 r k.TIX - In practice it is possible to begin the radiation phase before the zeolite becomes saturated with water va pour in the adsorption (cooling) phase. During the tests the initial state of the zeolite was changed and measure ments were made for initial water adsorption capacity of zeolite with X0 = 24,6% (saturated) 23,8% and 23% (unsa- turated). - Considering the maximum condensation temperatures used generally in absorption cooling system, the mean con densation temperature was taken as t =36 C, 43 C and ^ c ' 4 7°C. The mass of condensate water collected m and the temperatures in the front and back plate of the collector t,.., t. were tabulated and shown graphically as a func- to' ta v r i tion of radiation period Z for differents values of X and a t as indicated above. It is observed that at the beginning of the radiation phase the temperatures in the collector increases rather quickly. This increase slows down with the beginning of the condensation. The incident radiation energy on the collector, which is required to cause con densation in the system is O-.Q^ decreases with increasing D ti X" or decreasing t. On the other hand, the mass of water B ^ c m which condenses under a given value of the incident radiation energy Q >QR becomes less with decreasing X and increasing t. ^ c The water adsorption capacities of the zeolite at saturation X can be formulated with the following expres sion : X = 24,6 eB(Qr ~ V o where n, B and Qp are factors which were evaluated using the available experimental data in a computer program. Itis found that n will take the value of a constant (n=0,8), whereas B will be a function of the mean condensation tem perature and Q a function of X and t. The values of X computed with the above formula o ^ have been compared with the experimental values of X and the results are shown in tables as well as in diagrams for changing values of X_ and t. The average deviation is D C less than 1,35% and is evenly distributed around the expe rimental values. A computer program was derived to calculate the instantaneous efficiency of the collector r\. the instantan- L a eous internal coefficient of performance of the system &. i a the instantaneous overall coefficient of performance of the system B, and the mean overall coefficient of perfor- a mance of the system B. These calculations were made for r various values of Xn. t and for values of Q >Qn. The re- B' c r B suits have been presented numerically as well as graphically as a function of the radiation energy Q. The efficiency n^" will be high at the beginning of t a radiation and then will decrease with rising collector temperature or with rising radiation energy Q. Under the assumption that the temperature across the collector chan ges linearly, the internal coefficient of performance 0 ?3 j » r ıa will remain constant during condensation for a given value of Xn and t. Since there is no condensation at the begin- D C ning of radiation, the overall coefficient of performance 3 will be zero. During the first hour of condensation the mass of the condensate water collected is the largest, thus causing 8 to reach a maximum value. 0 will then a.a decrease as radiation continues and Q increases. Before condensation the mean overall coefficient of performance of the system 0 will be zero. Similarly at the beginning of condensation, 0 increases rapidly and reaches a maximum ' r r JXI value before dropping slowly with increasing Q. It was observed that the efficiency of the collec tor n. and the coefficients of performance of the system B,B generally decreased when the initial water adsorps- a ' r ^ J ^ tion capacity of zeolite XD was low or the mean COndenSa- tion temperature t was high. In a simillar way the value of the radiation energy corresponding to maximum 8 and maximum B decreased when X" was high or t was low. r B ^ c It is seen that using solar energy directly with the test collector, the best obtainable value for 6 is a about 27% and for B is about 22%. Since B. is nearly r ıa ; constant during condensation for given values of X and t, the rate of condensate water collected increases with c ' the mean temperature of the collector (Am/At= constant). The effect of the air motion surrounding the expe rimental apparatus, the diffuse radiation and the variation in the room temperature were neglected during the measure ments. In order to show the effect of the decrease of the initial water adsorption capacity of the zeolite on the coefficients of performance of the system, the decrease in the instantaneous coefficient of performance B and the a mean overall coefficient of performance B were expressed as ratios e and e. The relation between the radiation a r energy Q and these ratios are given in the form of tab les as well as diagrams for different values of t and ^ c for X0 = 23,8% and 23%. For the radiation energy Q >QD id r d and for all the three mean condensation temperatures t ^ c investigated, it was seen that B becomes -12% for X0 = 23,8% and -2 7% for Xn = 2 3%. Finally it can be said that the lower the value of X the higher will be the decrease in the coefficients of B performance, thus meaning that for better performance of the system the zeolite must be brought to the saturation state at the beginning of the radiation phase.