Thermodynamic optimization and electromagnetic control of the adsorption processes in the refrigeration technology

Ali, Majd GND

Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es, die Adsorptionskälteanlage zu optimieren und die großen Entwicklungshindernisse der Adsorptionskältetechnik zu überwinden. Beispiele hierfür sind die geringe Leistungszahl und die lange Zykluszeit zur Erzeugung des Kältemittels, die sich je nach den verwendeten Arbeitspaaren und der Fahrtemperatur unterscheidet. Ein weiteres Problem stellt das intermittierende Arbeitsprinzip für den einfachsten Zyklus eines Adsorptionskühlsystems dar. Daher wird in dieser Arbeit eine analytische, thermodynamische und numerische Untersuchung eines Neubaus einer Adsorptionskälteanlage für Gefrieranwendungen vorgestellt. Dieses neuartige System, das in dieser Promotion als kombiniertes Adsorptions- Eisproduktionssystem (com-AIP-System) bezeichnet wird, verwendet zwei verschiedene Adsorptionsmaterialien zusammen in einer Maschine. Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit sind: Erhöhung der pro Zyklus erzeugten Eismenge, Erzeugung von kontinuierlicher Kälteleistung, Verbesserung der Zykluszeit und Einsparung der erforderlichen Eingangswärme durch Erhöhung der Massenstromrate des Kältemittels. Dieses Kältemittel verlässt den Adsorptionsreaktor und fließt in Richtung des Kondensators. Um dies zu erreichen, umfasst das com-AIP-System zwei Adsorptionsreaktoren. Der erste Adsorptionsreaktor ist mit Silikagel und der zweite mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel gefüllt. Methanol wurde als Adsorbat und Kühlmittel mit beiden Reaktoren verwendet. Das com-AIP-System ermöglicht die Nutzung der Vorteile der physikalischen Eigenschaften der Adsorbentien SG und AC. Diese vorgeschlagene Strategie des AIP-Systems unterscheidet sich vollständig von den herkömmlichen Adsorptionsreaktoren, die mit einem Adsorptionsmittel in einem oder in zwei Reaktoren gefüllt sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine numerische und analytische Untersuchung der Wirkung der HTF-Strömung vorgestellt. Die Desorption und Leistung des Adsorptionsreaktors wird ausgewertet. Die Wirkung der HTF-Natur wird für die gleichen Adsorptionsreaktoren (SG- und AC-Reaktoren) betrachtet, die zum Desorbieren von 1 kg Methanol erhitzt wurden. Um den HTF-Flow-Natur-Effekt zu untersuchen, wurde die Variation der Reynolds-, Nusselt- und Biot-Zahlen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Temperaturverteilung durch beide Reaktoren beobachtet. Die Verwendung der thermischen Heizung, wie Abwärme oder Solarenergie der Industrie, hat einige schwerwiegende Nachteile bei der Entwicklung der Adsorptionstechnologie. Der größte Nachteil ist, dass der Adsorptionsreaktor eine lange Zeit von etwa einer Stunde benötigt um die erforderliche Menge des Adsorbats zu desorbieren. Darüber hinaus hat der Adsorptionsreaktor einen komplexen Aufbau, welcher aus Rohren mit heißem Wasser und einer Vielzahl an Heizrippen besteht. Um die Probleme konventioneller Methoden (thermisches Heizen) zu überwinden, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Design vorgestellt. Dieses besteht aus zwei gleichen Adsorptionsreaktoren mit einer neuen Wärmequelle (Induktionserwärmung). Das Dissertationsprojekt behandelt auch eine mathematische Modellierung und numerische Simulation eines Induktionsheizsystems für zwei Adsorptionsreaktoren, gefüllt mit Silikagel und Aktivkohle als Adsorptionsmaterial sowie Methanol als Adsorbat. Der Zweck dieser Untersuchung war die Verwendung der elektromagnetischen Induktionstechnologie als eine neue Wärmequelle des Adsorptionseis-Produktionssystems. Die Induktionsheizung wird mit der thermischen Beheizung verglichen. Dazu werden die beiden thermischen und induktiven Adsorptionsreaktoren ausgelegt, um die gleiche desorbierte Kältemittelmenge von 1 kg zu erzeugen. Dieser Aufbau wurde unter gleichen Betriebs- und Randbedingungen getestet. Für die numerische und mathematische Modellierung werden die Programme ANSYS Electronics, ANSYS Fluent und MATLAB verwendet.

This PhD project is set out to optimize the adsorption refrigeration system and to overcome the big obstacles facing development of the adsorption refrigeration technology such as the low coefficient of performance, the intermittent work principle for the simplest cycle of an adsorption refrigeration system and the long cycle time to generate the refrigerant which differs based on the working pairs used and the driving temperature. Therefore an analytical, thermodynamic and numerical investigation of a new construction of an adsorption refrigeration system using for freezing applications is presented in this work. This novel system, named in this work as the combined Adsorption Ice Production system (com-AIP system), utilizes two different adsorption materials together in one machine. The main aims of the present work are: enhancing the amount of ice produced per cycle, producing continuous refrigeration power, improving the cycle time and saving of the required input heat by increasing the mass flow rate of the refrigerant, which leaves the adsorption reactor and flows toward the condenser. To achieve that, the com-AIP system comprises with two adsorption reactors, that the first adsorption reactor was filled by silica gel and the second by activated carbon as adsorbents. Methanol was used as adsorbate and refrigerant with both the reactors. The com-AIP system allows using the advantages of physical properties of both the adsorbents SG and AC. This suggested strategy of com-AIP system is completely different from the conventional adsorption reactors, which are filled with one adsorbent in one reactor or in two reactors. The second part of this theses presents a numerical and analytical investigation of effect of the flow nature and effect the adsorption reactor design on the desorption process and the performance. The effect of the HTF-nature has been studied for the same adsorption reactors (SG- and AC-reactors), which are heated to desorb 1kg meth of methanol. In order to study the HTF-flow nature effect, the variation of the Reynolds, Nusselt and Biot numbers have been investigated to demonstrate their effects on the temperature distribution through both the adsorption medium. Using the thermal heating such as industry waste heat or solar energy has some severe drawbacks in the development of adsorption technology. A major disadvantage is the adsorption reactor requires a long time of about one hour to desorb the required amount of the adsorbate. Moreover the adsorption reactor setup has a complex design, composed of tubes of hot water and many fins. In order to overcome the problems found with conventional methods (thermal heating), a new design of two adsorption reactors with a new heat source (induction heating) is studied and simulated in frame of this work. So that the PhD project deals also with a mathematical modeling and numerical simulation of an induction heating system for the same adsorption reactors filled by silica Gel and activated carbon as adsorption material and methanol as adsorbate. The purpose of this study was the use of electromagnetic induction technology as a new heat source of the adsorption ice production system. The induction heating technology has be compared with thermal heating, therefore, the two finned-tube heat exchangers using the thermal heating and the two adsorption reactors using the induction heating were designed in order to generate the same desorbed refrigerant amount of 1kg meth and to work under the same operating and boundary conditions. Therefore, our investigation was carried out by a numerical and mathematical modelling with the ANSYS Electronics, ANSYS Fluent and MATLAB Software, which can be help in this field.

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Ali, Majd: Thermodynamic optimization and electromagnetic control of the adsorption processes in the refrigeration technology. Ilmenau 2018.

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