a solar and electrical solid sorption refrigerator

8/2/2019 A Solar and Electrical Solid Sorption Refrigerator

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I n t . J . The rm . Sc i . (1999) 38, 220-227 Elsevier, Paris

A s o l a r a n d e l e c t ri c a l s o li d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o rL eo n ar d L eo n ar d o v ich Vas i l iev* , Do n ato s A lg i r d o M ish k in is ,Alexan der Antono vich A ntukh, Leonid Leonardovich Vasil ievJr.

Luikov Heat & Mass Transfer Inst i tu te , P. Brovka, IS, 2200 72, Minsk, Be larus(Received 15 December 1997, accepted 3 December 1998)

A b s t r a c t - - A n e w s o l a r a n d e l e c t r ic a l r e f r i g e r a t o r b a s e d o n s o l i d s o r p t i o n p h e n o m e n a w a s d e s i g n e d a n d t e s t e d . T h i s r e f r i g e r a t o rh a s v e r y s h o r t ( 1 5 m i n ) n o n - i n t e r m i t t e n t t w o a d s o r b e r h e a t r e c o v e r y c y c l e s a n d u s es a n a c t i v e c a r b o n f i b r e a s a s o r b e n t b e da n d a m m o n i a a s a w o r k i n g f l u i d . T h e s y s t e m m a n a g e m e n t i n v o l v e s o n l y th e a c t u a t i o n o f v a l v e s o f s p e c i al t y p e t o c h a n g e t h ed i r e c t i o n o f th e h e a t p i p e h e a t i n g c i r c u it a n d t h e o p e r a t i o n o f w a t e r v a l v e s t o c h a n g e t h e w a t e r c o o l i n g c i r c u i t d i r e c t i o n . A n e wv a p o u r - d y n a m i c th e r m o s y p h o n w i t h o n e e v a p o r a t o r a n d u s i n g a l t e r n a te l y t w o c o a x i a l c o n d e n se r s w a s d e s i g n e d a n d t e s te d . T h ee v a p o r a t o r w a s b u i l t a s a c o m p a c t b o i l e r . T h is e v a p o r a t o r w a s p l a c e d i n th e f o c u s o f a p a r a b o l i c s o l a r c o n c e n t r a t o r a s a s o u rc e o fe n e r g y . A s a n a l t e r n a t i v e a n e l e c t ri c c a r t r i d g e h e a t e r w a s u s e d i n s id e t h e p o r o u s h e a t l o a d e d t u b e i m m e r s e d i n t o t h e l i q u i d o f t h i sb o i l e r . T h e h e a t p o w e r o u t p u t o f s u c h a t h e r m o s y p h o n i s 1 0 0 0 W , w i t h R t s = 0 . 0 3 K -W 1 . A n e w th e r m a l c o n t r o l s y s t e m f o r t h er e f r i g e r a t o r c h a m b e r s w a s d e v e l o p e d . L o o p b e n d a b l e S S - a m m o n i a h e a t p i p e s a r r a n g e d a s p a n e l s w e r e u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h ac o m p a c t c o l d s t o r e ( s o li d s o r p t i o n m a c h i n e e v a p o r a t o r , d r y - i c e b o x ) . T h e c o l d o u t p u t o f th i s p a n e l is 3 0 0 W a t th e t e m p e r a t u r etc =- - - 5 C. ~) Elsevier, Paris.so lar - e lec t r ica l r e f r ig era t o r / ad s o rp t io n / h ea t reco very / h ea t p ip esR E s u m E - - R ~ f r i g e r a t e u r ~. s o r p t i o n s o l i d e c o u p l a n t e n e r g i e s o l a i r e e t ~ n e r g i e E l e c t r i q u e . U n n o u v e a u r E f r i g E r a t e u r s o l a i r e -E lec t r i que base sur l es phEno mEn es de sor p t i on so l i de a E tE con~ :u , pu i s t es tE . Ce rE f r i gEra teu r , base sur d eu x cyc les ~. ad so rp t i o ne t r E c u p E r a t io n d e c h a l e u r n o n i n t e r m i t t e n t s , t r E s c o u r t s ( 1 5 m i n ) , f o n c t i o n n e a v e c u n l it d ' a d s o r b a n t , c o m p o s e d e f i b r e s d ec h a r b o n a c t i f, e t d e I ' a m m o n i a c c o m m e f l u id e t h e r m o d y n a m i q u e . L a c o n d u i t e d u s y st E m e c o n si s te s i m p l e m e n t ~ c h a n g e r l ad i r e c t i o n d u c i r c u i t d 'e a u d e r e f r o i d i s s e m e n t p a r u n j e u d e v a n n e s d e t y p e s p e c i a l . U n n o u v e a u t h e r m o s i p h o n d y n a m i q u e a v e cu n e v a p o r a t e u r e t d e u x c o n d e n s e u r s c o a x i a u x , u t il is E s a l t e r n a t i v e m e n t , a EtE r E al is E e t t e s te . L ' E v a p o r a t e u r e s t c on ~ ;u c o m m e u nb o u i l l e u r c o m p a c t . C e t E v a p o r a t e u r , p l a c e a u f o y e r d ' u n c o n c e n t r a t e u r s o l a i r e p a r a b o l i q u e , j o u e l e rS l e d e s o u r c e d ' E n e r g i e . U n er e s i s ta n c e c h a u f f a n t e e l e c t r i q u e e s t i ns E rE e ~i I ' i n t e r i e u r d ' u n t u b e p o r e u x i m m e r g E d a n s l e l i q u i d e d e c e b o u i l l e u r . L a p u is s a n c et h e r m i q u e d E l i v r E e p a r ce t h e r m o s i p h o n e s t d e ! 0 0 0 W a v e c R t ~ = 0 , 0 3 K .W - 1 . U n n o u v e a u s y s tE m e d e r e g u l a t i o n t h e r m i q u e p o u rl e s e n c e i n t e s d e r E f r i g E r a t e u r a E t E d E v e l o p p E e . D e s p a n n e a u x d e c a l o d u c s , m o n t E s e n p a r a l l e l e , o n t e t E u t i l i s E s e n c o m b i n a i s o na v e c u n s t o c k c o m p a c t d e f r o id . L a p u i s s a n c e f r ig o r i f i q u e o b t e n u e e s t d e 3 0 0 W , a v e c u n e t e m p e r a t u r e d e s o u r c e f r o i d e ~ , - 5 C .I~) Elsevier, Paris.r~ f r ig era t eu r s o la i re - e lec t r iq u e / ad so rp t io n / r e cu p era t io n d e ch a leu r / ca lod u cs

N o m e n c l a t u r e

CC ~ , gc~ sE , r ~PQq s tR

a d s o r b e d a m o u n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . k g - k g - 1s p e c if i c h e a t c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . J . k g - 1 . K - 1g a s s p e c if i c h e a t c a p a c i t y . . . . . . . . . . . J . k g - 1 . K - 1d r y s o l id s o r b e n t s p e c if i c h e a t c a p a c i t y J . k g - 1 . K 1p h e n o m e n o l o g i c a l c o n s t a n t s o f t h eD u b i n i n - A s t a k o v e q u a t i o np r e s s u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P ah e a t f l u x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wl a t e n t h e a t o f a d s o r p t i o n . . . . . . . . . . . J . k g 1u n i v e r s a l g a s c o n s t a n t . . . . . . . . . . . . . . J . m o l - l . K - 1

* C o r r e s p o n d e n c e a n d r e p r i n ts .l v a s i l ( ~ n s l . h m t i . a c . b y

R e u r v a t m ' e r a d i u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m

R t s t h e r m a l r e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . K . W - 1r . z c o - o r d i n a t e sS a r e a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 11 2S f f i ll h a l f s t e p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . mT , t t e n l p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K o r C

G,'eek symbolsa h e a t t r a n s f e r c o e t ~ c i e n t . . . . . . . . . . . . . W . m - 2 . K - 1A c o n d u c t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W . n l - I . K 1p d e n s i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . k g - m 3c~ s u r f a c e t e n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m . s - 2~- t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s

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A s o la r a nd e le c t r ic a l s o l id s orpt ion re f r ige ra tor

Subscriptsa a ds o r ba t e a ds o r p t i onc c onde ns e rd de s o r p t i one e va po r a t o ref t effect ivef finH P he a t p i pem m e t a ls s o r be n t

1 . I N T R O D U C T I O N

T h e g o a l o f t h i s w o r k i s R & D o n s o l i d s o r p t i o ns h o r t c y c l e s r e f r i g e r a t o r s a n d h e a t p u m p s u s i n g p h y s i c a la d s o r p t i o n . T h e c o n c e p t o f s o l a r - p o w e r e d r e f r i g e r a t i o nh a s b e e n a n a l y s e d b y C o h e n a n d K o s a r [1 ] a n ds e v e r a l m a c h i n e s o p e r a t i n g o n t h i s p r i n c i p a l a r e n o wc o m m e r c i a l l y a v a i l a b le . H o w e v e r , th e r e h a s b e e n l i t tl er e s e a r c h i n t o t h e i n t e g r a t i o n o f so l a r p o w e r w i t he l e c t ri c i t y , o r n a t u r a l g a s .

S u c h a s y s t e m c o u l d r e m a i n o p e r a t i o n a l w h e n s o l a ri n s o l a t i o n i s l o w , c o n t i n u i n g i t s a l l - y e a r - r o u n d o p e r a t i o na n d u s e i n a r e a s w h e r e s o l a r e n e r g y a l o n e i s im p r a c t i c a l .M a n y s o l a r - p o w e r e d d o m e s t i c w a t e r - h e a t i n g s y s t e m sh a v e p r o v i s i o n f o r a n e l e c t r i c a l o n e - p e r s o n h e a t e r a s ab a c k u p . U s e o f a g a s / e l e c t r i c i t y s y s t e m w o u l d b e m o r ee c o n o m i c a l a n d u t i l i s i n g g a s / e l e c t r i c i t y a n d s o l a r p o w e rs i m u l t a n e o u s l y w o u l d r e d u c e t h e c o s t a n d s i ze o f s o l a rc o l l e c t o r s e m p l o y e d i n s o l a r - d r i v e n a d s o r p t i o n s y s t e m s .A s o l id s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r w i t h d a y / n i g h t c y c l et o p r o d u c e i c e u s i n g s o la r e n e r g y w a s d e m o n s t r a t e db y G u i l l e m i n o t e t a l. [ 2 ] . P e r f o r m a n c e l i m i t a t i o n s o fa d s o r p t i o n c y c l e s fo r s o l a r c o o l i n g w e r e f o r m u l a t e d b yC r i t o p h [ 3 ]. G r e n i e r a n a l y s e d a c o l d s to r e c h a r g e d b ys o l a r g u i d e d s o l i d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r [4 . B o u g a r d a n dV e r o n ik i s u s e d a n a m m o n i a / a c t i v e c a r b o n s o li d s o r p t i o nm a c h i n e a s s o l a r r e f r i g e r a t o r I 5] . P a s s o s r e a l i s e d t h es i m u l a t i o n o f a n i n t e r n f i t t e n t a d s o r p t i v e s o l ar c o o l i n gs y s t e m [ 6 ]. A s o l a r r e f r i g e r a t o r w i t h 4 m ~ c o l l e c t i o ns u r f a c e w a s s t u d i e d b y M h i r i a n d E 1 G o l l i [ 7 ]. T h i s l a s tw a s a n a d s o r p t i o n m a c h i n e w i t h a n i n t e r m i t t e n t d a i l yc y c le t h a t u s e d th e a c t iv e c a r b o n A C 3 5 m e t h a n o l / a i r .V a s i l ie v t e s t e d t h e r m a l c o n t r o l s y s t e m t b r t h e s o l a rs o l i d s o r p t i o n m a c h i n e s [ 8] . A p r o t o t y p e o f a s o l a rp o w e r e d c o o l in g u n i t w i t h a m m o n i a a n d d i f f e r e n t s a l t sw a s d i s c u s s e d b y S p e i d e l [ 9 ] .A c o m b i n e d s o l a r r e fr i g e r a t i o n a n d p o w e r s y s t e i no f f e r s s e v e r a l a d v a n t a g e s o v e r a p u r e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m a l o n e . E x c e s s c o o l i n g c a p a c i t y c a n b e r e d u c e da n d p o w e r g e n e r a t i o n i n c r e a s e d , t h e r e b y a l l o w i n g t h es y s t e m t o r u n c o n t i n u o u s l y a t m a x i m u m e ff ic i en c y .A c o m b i n e d r e f r ig e r a t io n a n d h e a t i n g s y s t e m c o u l db e o p e r a t e d t o p r o v i d e r e f r i g e r a t i o n a n d a s a l t - w a t e rd e s a l i n a t i o n , r e f r i g e r a t i o n a n d d r y i n g , r e f r i g e r a t i o n a n dc o o k i n g , o r r e f r i g e r a t io n a n d h e a t i n g . L a s t l y , t h e r e i s

a p o s s i b i l i t y o f c o m b i n i n g r e f r i g e r a t i o n , h e a t i n g a n de l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n .P h o t o v o l t a i c e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n c a n b e a l so j o i n e dt o g e t h e r w i t h r e f r i g e ra t i o n p r o d u c t i o n a n d b e u s e d

t o p o w e r o t h e r b u i l d i n g s e r v i c e s , s u c h a s l i g h t i n g o rv e n t i l a t i o n , o r i t m a y b e u s e d t o p o w e r - u p a n e n e r g ys t o r a g e t o s u p p l e m e n t t h e n a t u r a l g a s s u p p l y .I t i s i n t e r e s t i n g t o c o n s i d e r a c o m b i n e d r e f r i g e r a t i o na n d p o w e r - g e n e r a t i o n s y s t e m w i t h s h o r t c y c l e s : t h i sw h i c h w o u l d a l lo w t h e o p e r a t i o n o f s y s t e m s r e q u i r i n gp o w e r fo r v a l v e o p e r a t i o n . A c o m b i n e d s y s t e m w o u l da l lo w u n e n c u m b e r e d o p e r a t i o n .T h e r m o s y p h o n s a n d h e a t p i p e s a r e o n e o f t h e m o s tc o n v e n i e n t h e a t t r a n s f e r d e v i c e s fo r t h e s o l i d a n d l iq -u i d s o r p t i o n m a c h i n e s d u e t o i t s f l ex i b i li t y , h i g h t h e r -m a l e f f i c i e n c y , c o s t - e f f e c t i v e n e s s , a n d r e l i a b i l i t y [ 1 0 ] .V a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o n s a r e c a p a b l e o f t r a n s -p o r t i n g h e a t u p t o 1 0 k W a n d m o r e f o r t h e d i s t a n c e5 0 1 0 0 m . w h i c h i s d i f f ic u l t t o a c h i e v e u s i n g c o n v e n -t i o n a l t h e r m o s y p h o n s , h o r i z o n t a l l y d i s p o s e d [ 11 ]. I no r d e r t o a v o i d t h e f l o o d i n g l i m i t a n d i n c r e a s e t h e m a x i -n m m p e r fo r m a n c e, t h e v a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o n sh a v e a t u b e s e p a r a t o r i n s i d e u s e d a s a v a p o u r c o n -d u c t a n d a tw o - p h a s e c o a x i a l a n n u l a r c h a n n e l a r o u n dt h i s s e p a r a t o r w h e r e t h e v a p o u r c o n d e n s a t i o n is p ro -d u c e d w i t h h i g h e f fi c ie n c y . F o r t h e v a p o u r - d y n a m i ct h e r m o s y p h o n s , i t i s i m p o r t a n t t o k n o w t h e h e a t t r a n s -f er c o e f fi c ie n t w i t h i n t h e c o m p a c t e v a p o r a t o r w h e n t r a ms i e n t l i q u i d i s b o i l i n g i n t h e p o o l , o r t h e l i q u i d i s b o i l i n go n t h e p o r o u s t u b e s u s e d a s h e a t i n g e l e m e n t s i n s id e t h ep o o l . A n o t h e r i m p o r t a n t h e a t t r a n s fe r c o m p o n e n t i s ab u d g e t i n g c o a x i a l c o n d e n s e r w i t h t h e v a p o u r c h a n n e li n s i d e a n d t h e t w o - p h a s e c o a x i a l c h a n n e l a r o u n d t h ev a p o u r c h a n n e l .T w o - p h a s e t h e r m a l d e v i c e s w h i c h c o u l d b e u s e d a sa h e a t e r a n d c o o l e r a l t e r n a t i v e l y f o r o n e o r a n o t h e rs u p p l i e r , h e a t e d i n t h e e v a p o r a t i o n z o n e b y a c o n s t a n te n e r g y s o u r c e ( s o la r , e l e c tr i c ) a n d c y c l i c a l l y c o o l e d i nt h e c o n d e n s e r z o n e , a r e c o n v e n i e n t f o r c y c l ic s y s t e m sl ik e s o l i d s o r p t i o n r e f r i g e r a to r s . T h e y a r e n e w a n d n e e dt o b e a n a l y s e d . A n ew v a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o no f t h i s t y p e , t h e r m a l l y c o n n e c t e d w i t h a s o l a r c o n -c e n t r a t o r , w a s d e s i g n e d a n d t e s t e d . T h e s o l a r e n e r g yg e n e r a t e d b y t h i s th e r m o s y p h o n w a s a l t e r n a t iv e l y su p -p l i e d to o n e o r a n o t h e r a d s o r b e r I 8] . W h i l e o n e a d s o r b e rw a s h e a t i n g , t h e s e c o n d w a s b e i n g c o o l e d b y t h e l i q u i dh e a t e x c h a n g e r i n si d e t h e t h e r m o s y p h o n c o n d e n s er . T h et h e r m a l - h y d r a u l i c c h a r a c t e r is t i c s o f t h i s t h e r m o s y p h o n

h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d i n ]1 1]. T h e c h a r -a c t e r i s t i c s f o r o n e t h e r m o s y p h o n w i t h s o m e c o n d e n s e r sa n d o n e e v a p o r a t o r o p e r a t i n g i n t h e t r a n s i t io n a l r e g im e sh a v e n o t b e e n t h e o r e t i c a l l y s tu d i e d . T h e f ir s t g o a l o f t h i sr e s ea r c h p r o g r m n n m is t h e e x p e r i m e n t M a n d t h e o r e ti -c a l a n a l y s i s o f a n e w s o l a r a n d e l e c t r ic a l so l i d s o r p t i o nr e f r i g e r a to r . T h e s e c o n d g o a l o f t h i s i n v e s t i g a t i o n i s t h ee x p e r i m e n t a l a n a l y s i s o f t h e r m a l - h y d r a u l i c c h a r a c t e r -i s ti c s o f t h e v a . p o u r - d y n a m i c t h e i ' n ~ o s y p h o n w i t h o n ee v a p o r a t o r a n d t w o c o n d e n s e rs u s e d t o h e a t a n d t o c oo l221


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L.L Vasil iev et al.

a s o l id s o r p t i o n m a c h i n e . T h e t h i r d g o a l i s t h e e x p e r i -m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f n e w t y p e l o o p h e a t p i p e s u s e da s c o o l i n g p a n e l s i n s i d e t h e r e f r i g e r a t o r o r e l e c t r o n i cc a b i n e t .

. M A T H E M A T I C A L M O D E LO F T W O H E A T P IP E S O R B E N T B E DR E F R IG E R A T O R W I T H H E A TR E C O V E R Y

I n 1 9 8 7 G u i l l e in i n o t , M e u n i e r , a n d P a k l e z a [ 13 ]d e v e l o p e d a t w o - d i m e n s i o n a l m o d e l o f a d s o r b e r s w i t hs o l id s o r p t i o n b e d . I n t h i s p a p e r t h i s m o d e l i s u s edw i t h t w o e x t r a a s s u m p t i o n s : ( 1 ) t h e h e a t t r a n s f e rc o e f f i ci e n t o n t h e i n n e r h e a t p i p e s u r f a c e i s h i g h a n du n i f o r m (103- -104 W - m - 2 . K - * ) , a n d ( 2 ) t h i s c o e ff ic i e nti s d e f i n i te l y h i g h e r t h a n t h e t h e r m a l r e s i s t a n c e o n t h ei n t e r fa c e h e a t p i p e - s o r b e n t b e d . T h e s e c o n d a s s u m p t i o ni s r e l a t e d t o t h e n o n - a d i a b a t i c c o n d i t i o n s o n t h e s o r b e n tb e d c a n i s t e r e x t e r n a l s u r f a c e .

T h e f o l lo w i n g a s s u m p t i o n s w e r e m a d e f or t h em a t h e m a t i c a l m o d e l o f t im h e a t a n d m a s s t r a n s fe ri n a c y l in d r i c a l a d s o r b e r h e a t e d a n d c o o l e d b y a f i n n e dv a p o u r d y n a m i c t h e r m o s y p h o n ( H P ) :- t h e p r e s s u r e i n a d s o r b e r i s u n i f o r m o v e r i t s v o l u m e ;-- t h e r e s i s t a n c e o f m a s s d i f f u s i o n i s i n s i g n i f i c a n t ;- - t h e r e i s a l o c al t h e r m o d y n a m i c e q u i l ib r i u m a te a c h m o m e n t o f t i m e a n d i n e a c h p o i n t o f a d s o r b e r ; t h ep a r t i c l e s o f a s o r b e n t b e d a r e c o n s i d e r e d a s h e a t s o u r c es ,d i s t r i b u t e d o v e r t h e w h o l e a d s o r b e r w i t h v o l u m e t r i cd e n s i t y :

a aQ = q~tp~0-7 (1 )w h e r e q ~t i s t h e l a t e n t h e a t o f a d s o r p t i o n [ a . k g - ~ ] .

T h e t h e r m o d y n a m i c c y c l e , c o n s i s t i n g o f t w o i s o b a r sa n d t w o i s o s te r s , w a s m o d e l l e d b y' t h e a s s u m p t i o n t h a tt h e v a p o u r t e m p e r a t u r e i n H P i n t h e f i rs t t w o s t a g e sc o i n c i d es w i t h t h e t e m p e r a t u r e o f t h e e x t e r n a l s o u r c eo f e n e rg y ', a n d i n t h e s e c o n d t w o s t a g e s w i t h t h et e m p e r a t u r e o f a s o r b e n t b e dT H p = T d i f r o < r < , . r 2 (2 )THe = T~ if r2 < r ~ r4 (3)

w h e r e r 0 , r e i s t h e t i m e o f d e s o r p t i o n a n d r e , r4 t h e t i m eo f a d s o r p t i o n .

F r o m t h e m a t h e m a t i c a l p o i n t o f v ie w , t h e p r o b l e mi s d e s c r i b e d b y a t w o - d i m e n s i o n a l p a r a b o l i c p a r t i a ld i f f e re n t i a l e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g t h e l a w o f e n e rg yc o n s e r v a t i o n :p s (C p s + a C p~ ) ~- ~ 1 ~ ( ~ ) q _ ~ ( ~ _ _ ~ )- - r g r r ~ u a z ) ' ~ + Q

(4 )

w i t h t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s :T ( , ' , z , r = 0 ) = T o ( 5 )

a m t t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s :

w h e r e r 0 is t h e h e a t p i p e / s o r b e n t b e d i n t e r fa c e a n d C ~Hpi s a h e a t t r a n s f e r c o e f f i c ie n t b e t w e e n i n n e r s u r f a c e o fc y l i n d r i c a l s o r b e n t l a y e r a n d t h e t w o - p h a s e f l ui d i n ah e a t p i p e w i t h t e m p e r a t u r e THe :

r= r 1

w h e r e r l i s t h e o u t e r s u r f a c e o f t h e s o r b e n t b e d c a n i s t e ra n d a e nv i s a h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o n t h i s s u r f a c e :a T a T- - = o , - - = 0 ( 8 )a n ~ = o a.n z:s f

F o r th e f i n n e d H P e q u a t i o n ( 4) t a k e s th e f o r m :3 Tp m O m - ~ = ~ ,m a : r ( 9 )

T h e e q u a t i o n o f h e a t b a l a n c e ( 4 ) i s c o n n e c t e d w i t ht h e m a s s b a l a n c e e q u a t i o n o f D u b i n i n - A s t h a k o v f o r m .t h e e q u i l i b r i u m s t a t e e q u a t i o n [ 12 ] a n d t h e C l a p e y r o ne q u a t i o n :- P . T - ~ - 1 qstd a = n ( - ~ T - ) ~ a l n ( ~ ) ( d l n P - ~ - - f f d T )

( 1 0 )a n d t h e s a t u r a t i o n c u r v e f o r t h e c o o l a n t :P = P s ( T ) (11 )

w i t h t i l e i n i t i a l c o n d i t i o n s :P(r , z , r = O) = Po (12 )

T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s fo r e q u a t i o n ( 10 ) d u r in gi s o s t e ri c p e r i o d s o f a d s o r b e r o p e r a t i o n h a v e t h e f o rm :d [ [ a ( T ( r ,z ) , P ) d r d z = 0 (13)d r d Y

w h i c h m e a n s t o t a l a d s o r b e n t m a s s c o n s e r v a t i o n . F o r i so -b a r i c p e r i o d s o f d e s o r p t i o n a n d a d s o r p t i o n , t h e p r e s s u r ei s d e t e r m i n e d b y c o n s t a n t p r e s s u r e s o f c o n d e n s a t i o n a n de v a p o r a t i o n :P = P c o r P = P ~ (1 4)

T h e n u m e r i c a l a n a l y s is of t h e p r o b l e m w a s c o n d u c t e du s i n g a n i m p l i c i t m u l t i d i m e n s i o n a l f i n it e - d if f e re n c es c h e n l e .I t w a s a s s u m e d t h a t t h e p r o c e s s o f h e a t r e g e n e r a t i o ni s c a r r i e d o u t o n l y d u r i n g i s o b a r i c h e a t i n g a n d c o o l i ngp e r i o d s o f t w o a d s o r b e r s . A t t h e b e g i n n i n g o f t h e s e c-o n d s t a g e f o r t h e f i r s t a d s o r b e r ( t h e s t a g e o f i s o b a r i ch e a t i n g ) , t h e s e c o n d a d s o r b e r i s a t t h e b e g i n n i n g o ft h e f o u r t h s t a g e ( t h e s t a g e o f i so b a r i c c o ol i n g ). T h u s

222


4/8

A s o l a r a n d e l e c t r ic a l s o l i d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r

b o t h a d s o r b e r s a r e c o n n e c t e d b y a t w o - p h a s e l o o p o fl o w t h e r m a l r e s i s t a n c e . B a s i c a ll y , t h i s t w o - p h a s e l o o pj o i n e d t o t h e e n d s o f t h e h e a t p i p e s , o n w h i c h a d s o r b e r sw e r e i n s ta l l e d . T h e h e a t b a l a n c e e q u a t i o n w a s u s e d t od e t e r m i n e t g p . F o r a p a r t o f t h e h e a t p i p e , o n w h i c h1 - th a d s o r b e r i s m o u n t e d , t h e h e a t b a l a n c e e q u a t i o na s s u m e s t h e f o l lo w i n g f o rm :

c d t ~ = - -ql -b CtHPS(tHP - - t l ) (~5)S i m i l a r ly , fo r t h e s e c o n d H P , w e c a n w r i te :

dr - q ~ - ~ O ~ H P S ( t H p - - t 2 ) (16)w h e r e t ~ a n d t 2 a r e t h e t e m p e r a t u r e s o f t h e h e a t p i p ew a l l, C i s th e h e a t c a p a c i t y o f t h i s p a r t o f t h e p i p e ,q~ and q 2 a r e h e a t i n p u t s f r o m t h e w a l l o f H P t o t h el a y e r o f s o r b e n t , a n d S i s t h e h e a t i n g s u r f a c e . T h e h e a tb a l a n c e e q u a t i o n f o r t h e e x t e r n a l p a r t s o f H P , a n d f o rt h e t w o - p h a s e h e a t e x c h a n g e l o o p w e c o n s i d e r , a s s u m i n gt h a t t h e t e m p e r a t u r e o f a l l e l e m e n t s i n t h i s e q u a t i o n i se q u a l t o a H P v a p o u r t e m p e r a t u r e , l o o k s l ik e :

dt2 - -OtHPS(tHP - - t l ) - - O~HPS( tHP - - t 2) (17),2 ~- =w h e r e C 12 i s t h e t o t a l h e a t c a p a c i t y o f al l e l e m e n t s .H e a t f lm x e s q ~ a n d q 2 i n ( 1 5 ) a n d ( 1 6 ) w e r e c a l c u l a t e db y s o l v i n g t h e t w o - d i m e n s i o n a l e q u a t i o n s f o r t h e o n e -a d s o r b e r e a s e. T a k i n g i n t o a c c o u n t a l a rg e v a l u e o fi n t e r n a l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i n s i d e h e a t p i p e sotHp = ( 1 0 3 - - 1 0 4 W . m - 2 . K - 1 ) , i t is p o s s i b le to s i m p l i f yt h e s y s t e m ( 1 5 ) ( 1 7 ), a s s u m i n g t h a t t~ = t 2 = t r i p . I nt h i s c a s e w e h a v e t o s o l v e o n l y o n e d i f f e re n t i a l e q u a t i o n :

d t H p( 2 C + C 1 ~ ) - ~ - - q l - q 2 (18)T h e i n i t i a l v a l u e o f t e m p e r a t u r e t r ip i s t a k e n e q u a l t oa h a l f - s u m o f t e m p e r a t u r e s t ~ a n d td ~. T h e d i f f e r e n t ia le q u a t i o n ( 1 8) w a s s o l v e d u s in g a n e x p l i c i t s c h e m e w i t h ar a t h e r r o u g h E u l e r ' s m e t h o d o n e a ch s t e p , e n a b li n g o n et o d e t e r m i n e t r ip b e f o r e t h e b e g i n n i n g o f t h e n e x t t i m es t e p f o r th e p a r t i a l d i f f e r e n t ia l e q u a t i o n s . T h e d e t a i l e dc o m p a r i s o n o f t h e n u m e r i c a l a n a l y si s d a t a a n d a s et o fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i ll b e a n a l y s e d i n t h e n e x t p a p e r .

3 . D E S C R I P T IO N O F T H E R E F R I G E R A T O RO P E R A T I O N

T h e s o l i d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r u t i li s e s a s o l a r c o ll e c -t o r ( m i r r o r ) , t w o s o r b e n t b e d c a n i s t e r s , c o n n e c t e d b yt h e h e a t r e c o v e r y lo o p , a tw o - p h a s e h e a t t r a n s f e r s y s -t e m ( v a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o n ) , o n e c o n d e n s er ,t w o e v a p o r a t o r s , a n d t w o c o l d p a n e l s ( l o o p h e a t p i p e s )p o s i t i o n e d i n s i d e t h e r e f r i g e r a t o r c a b i n e t .

T h e e n e r g y r e q u i re d c o m e s m a i n l y f r o m t h e h e a ts u p p l i e d t o t h e s o l a r r e ce i v e r . H o w e v e r , a s m a l l a m o u n to f w o r k i s re q u i r e d b y t h e v a l v e s y s t e m t o s w i t c ho n a n d o ff t h e v a p o u r - d y n a r n i c th e r m o s y p h o n a n d t oh e a t o r t o c o o l o n e s o r b e n t b e d a f t e r a n o t h e r ( t w o -s t e p h e a t m a c h i n e ) . T h i s i s i n c o n t r a s t t o c o n v e n t i o n a lv a p o u r - c o m p r e s s i o n s y s t e m s , w h i c h r e q u i r e s h a f t w o r kf o r t h e c o m p r e s s i o n p r o c e s s . T h e m a i n p a r a m e t e r s o ft h e r e f r i g e r a t o r a r e in c l u d e d i n t h e t a b l e . D e v i c e s o f t h i st y p e c a n b e u s e d a s c o o l e r a n d e l e c t r i c it y g e n e r a t o r s ,c o o l e r a n d d e s a l i n a t i o n s y s t e m s , a n d c o o l e r a n d a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m s .

T A B L ET h e m a i n p a r a m e t e r s o f t h e r e f r ig e r a t o r .

S or be n t be d c a n i s t e rs dhne ns i ons 0 . 05 x 1 . 2 m 2A c t i ve c a r bon f i b re ' B us o f i t ' m a s sin one sorbe nt bed 0 .75 kgA m m o n i a m a s s a d s o r b e d i n o n es o r be n t be d 0 .3 kgW a t e r m a s s i n t he va pou r - dyna m i ct he r m os yp hon 0 .6 kgR e f r i ge r a t o r c a b i ne t vo l um e 0 .15 m 3T e m pe r a t u r e i n t e r va l i n s idet he r e f r ige r a t o r c a b i ne t 0 C - 10 CSur face of one loop heag pipe ins idethe r e f r ige ra tor cabin e t 0 .6 m 2A m m oni a m a s s i n s i de t he one l oophea t p ipe 0 .05. kgC o l d ou t p u t f r om t he s u r f a c e o f the t w oloop hea t p ipes in the r e f r ige ra tor 150-200 Wt t e a t ou t pu t f r om t he c onde ns e ra nd s o r be n t be d c a n i s t e rs 300 WT he t i m e o f t he a ds o r p t i on - - de s o r p t i oncycle 15 min

T h e d y n a m i c s o f th e s o li d s o r p t i o n r e f r ig e r a t o r a r ea s f o l l o w s ( f i g u r e 1 ) . D u r i n g t h e h e a t i n g o f a d s o r b e r s ,t h e h e a t i s s u p p l i e d to t h e s o r b e n t b e d b y t h e t w o - p h a s eh e a t t r a n s f e r d e v i c e - th e r m o s y p h o n g u i d e d b y a l t e r n a t ev a l v e o p e r a t i o n . T w o s p e c i a l v a l v e s m a k e i t p o s s i b l e tos w i t c h o n a n d o f f o n e o r o t h e r a d s o r b e r ( 1, 2 ). T h et e m p e r a t u r e o f t h e c a r b o n f ib r e i n s id e t h e a d s o r b e ri n c r e a s e s u p t o 1 1 0 C , a n d t h e g e n e r a t i o n o f a m m o n i aa t h i g h p r e s s u r e o c c u r s i n p o r e s , s i n c e t h e p r o c e s si s e n d o t h e r m a l . T h i s s u p e r h e a t e d a n l l n o n i a e n te r s t h ec o n d e n s e r 5 , co o l s, a n d c o n d e n s e s o n t h e c o l d s u r f a c eo f t h e w a t e r h e a t e x c h a n g e r 2 2 . T h e l i q u id a m m o n i ae n t e r s t h e p o r o u s e v a p o r a t o r 6 o r 7 , a n d i s s t o r e d i n t h el i q u i d r e se r v o i r , p o s i t i o n e d i n s i d e t i l e e v a p o r a t o r . T h i sc o m p l e t e s t h e f i rs t h a l f o f a c yc l e. D u r i n g t h e s e c o n dh a l f o f a c y c l e, t h e a c t i v e w a t e r c o o l i n g o f a d s o r b e r 6o r 7 s t a r t s , t h e s o r b e n t b e d t e m p e r a t u r e f a l l s d o w n t o

2 2 3


5/8

L.L . Vasi l iev et a l .

2 O/ - -

/'1 4 /~ m l _ ~ / / ," , ~ L\, ', \

.... 33 2 4 1 8/ - ' - . 2 ' , ,4

ID

/l O ~

\\\,

1 L L f ~ - . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .

"\_s

\ 1 _ ~ 3

F i g u r e 1. Schemat i c d iagram of t he so lar sorp t ion re f r igera tor . 1 , 2 : adsorbers ; 3 , 4 : sorp t ion beds; 5 : condenser ; 6 , 7 : porousevapo ra tors ; 8 , 9 : conden sers o f t he spaghe t t i heat p ipes; 10 : parab o l i c so lar concent ra tor ; 11 : re f r i ge ra tor chambe r ; 12 ,1 3: spaghe t t i heat p ipes; 14 , 22 : e longated cy l i ndr i ca l condensers ; 15 , 16: elect r ical valves; ! 7 , 24 , 25 : f l e x ib le l i qu id p ipes;18: e lec t r ic car t r id g e heater ; 19 : vapour p ipe ; 20 : vapour channe l inside the condense r o f t he t wo -phase h eat t ran sf er dev ice ;21: p ressure gauge; 23 : bo i le r -ev apo ra tor o f t he two-ph ase heat t ransfer dev ice . A : w ater coo l ing loop s; B : water ; C" vapou r ;D : am m on i a .2 0 3 0 C . a n d t h e a m l n o n i a p r e s s u r e f a l ls to 0 . 5 b a ro r l es s. W h e n t h i s p r e s s u r e in t h e a d s o r b e r b e c o i n e sl o w er t h a n t h e a m m o n i a p r e s s u r e in t h e e v a p o r a t o r , t h ep r o c e s s o f t i le l iq u i d a m m o n i a e v a p o r a t i o n i n s i d e t h ep o r o u s s t r u c t u r e h e g i n s w i t h i n t en s e e v a p o r a t o r w a llc o o l in g d o w n t o - 3 0 C .

T i l e e v a p o r a t o r 6 , 7 i s t h e r m a l l y c o n n e c t e d w i t ht i le r e f r i g e r a t o r c a b i n e t t h r o u g h t h e l o o p h e a t p i p e .T h e h e a t p i p e c o n d e n s e r i s p o s i t i o n e d o n t h e o u t e rs u r f a c e o f t h e e v a p o r a t o r . T h e m u l t i - b e n t h e a t p i p ee v a p o r a t i n g p a r t i s i n s e r t e d i n t o t h e r e f r i g e r a t o r c a b i n e ta l o n g t i le w a ll s . T h e s e t w o h e a t p i p e s a r c u s e d a s as e c o n d a m m o n i a c i r c u i t t h e r m a l l y c o n n e c t e d w i t h t h ef i r s t a m m o n i a c i r c u i t ( e v a p o r a t o r s 6 a n d 7 ) . W h e nt h e t e m p e r a t u r e o f t i l e e v a p o r a t o r s 6 a n d 7 d e c r e a s e sa n d b e c o m e s l o w e r t h a n t h e a i r t e m p e r a t u r e i n s i d e t h er e f ri g e ra t o r , t h e a m m o n i a e v a p o r a t i o n i n t h e h e a t p i p es t a r t s , w i t h i t s c o n d e n s a t i o n m o r e o v e r o n t i l e o u t e rs u r f a c e o f t h e e v a p o r a t o r 6 , 7 . H e a t t r a n s f e r t ) e tw e c nt h e a i r i n s i d e t h e r e f r i g e r a t o r a n d c o l d h e a t p i p e p a n e l si s r e a l is e d b y n a t u r a l c o n v e c t i o n , t h e t e m p e r a t u r e o fh e a t p i p e b e i n g lo w e r - 3 C .

P e r i o d i c a l s w i t c h i n g o n a n d o f f o f th e l o o p h e a t p i p e i sd o n e a u t o m a t i c a l l y f o ll o w in g t h e a d s o r p t i o n / d e s o r p t i o nc y c l e s o f t h e s o r b e n t b e ( ] (1 5 r a i n ) .

3 . 1 . S o l a r c o n c e n t r a t o rT i l e so l a r c o n c e n t r a t o r ( 1 0) i s m a d e f r o m a na h m f i n i u n l p l at e a s t r a y ( T V p a r a b o l i c a n te n n a ) o fd i a m e t e r 1 . 2 1 . 8 m ; t h e i n n e r s u r f a c e i s c o v e r e d b ym e t a l l i c p o l y m e r f i h n w i t h a h i g h d e g r e e o f re f l e c ti o n0 . 6 8 ( m i r r o r ) .

3 . 2 . T w o - p h a s e h e a t t r a n s f e r d e v i c eT h e t w o - p h a s e h e a t t r a n s f e r d e v i c e ( f i g u r e I ) i s c on -s t r u c t e d a s a v a p o u r d y n a m i c t h e r m o s y p h o n , w h i c h h a so n e s m a l l b o i l e r e v a p o r a t o r , t w o e l o n g a t e d c y l i n d r i c a lc o n d e n s e r s 1 4 , 2 2 i n s id e t i l e s o r b e n t c a n i s t e r s, v a p o u rc h a n f l ) e r 2 3 a n d t w o f l e x i b l e l i q u i d p i p e s 2 4 a n d 2 5 , a n d

o n e v a p o u r p i p e 1 9 . T h e r e a r e tw o v a l v e s o n t h e l i q u i dp i p e s t o r e g u l a t e t h e b o i l e r w a t e r f e ed .T i l e b a s ic p a r t i c u l a r i t y o f t h is t w o - p h a s e t e m p e r a t u r econtrol systeln i s t h e p e r i o d i c a l v a l v e - d i r e c t e d o n - o f fs w i t c h i n g o f t h e c o n d e n s e r s w i t h t i l e c o n s t a n t r a t e o ft i le b o i l e r h e a t l o a d ( f i g u r e 2 ) .T h e b o i l e r ( f i g u r e 3 ) h a s v a p o u r g e n e r a t i n g h o r i z o n -t a l S S p o r o u s t u b e s c o n t a i n i n g a n e l e c t r i c c a r t r i d g eh e a t e r i n s i d e . T i l e e x p e r i m e n t a l d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m

2 2 4


6/8

A s o l a r a n d e l e c t r i c a l s o l i d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r

i n c lu d e s t h e t e m p e r a t u r e s e n so r s, v a p o u r p r e s s u r e g a u g ea n d c o m p u t e r . T h e h e a t t r a n s f e r c o e f fi c ie n t w i t h b o i l i n gw a s 3 4 t i m e s h i g h e r c o m p a r e d w i t h w a t e r b o i l i n g o nt h e s m o o t h t u b e s .

1 4 0 T , C1 2 010 0

8 06 0,02 0 ~s mm

I I I I I I I1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

F i g u r e 2 . T e m p e r a t u r e e v o l u t i on o f t h e b o i le r a n d a d s o r b e r ss u r f a c e a s a fu n c t io n o f t i m e . 1 : v a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o ne v a p o r a t o r ; 2 : a d s o r b e r N o . 1 ; 3 : a d s o r b e r N o . 2 .Y

Figure 3 . Schemat ic d iagram of the vapour-dynamic ther-mosyph on w ith two condensers. 1: adsorber; 2: valve;3: l iquid channel; 4: vap our channel; 5: SS porous tu bewith an electric cartr idge heater; 6: boiler; 7: small volu meand gap for non-condensed gas .

3 .3 . EvaporatorsT w o s p e c i a l t y p e o f a m m o n i a p o r o u s e v a p o r a t o r s 6a n d 7 (f igure 1) a r e u se d t o e n s u r e t h e t e m p e r a t u r ef al l d u r i n g a d s o r p t i o n c y c l e d o w n t o - 3 0 C . T h e s ee v a p o r a t o r s 6 a n d 7 a r e th e r m a l l y c o n n e c t e d w i t h l o o ph e a t p i p e s 8~ 9 . T h e h e a t p i p e c o n d e n s e r s a r e m a d e a sc o a x i a l t u b e s o n t h e o u t e r s u r f a c e s o f t h e e v a p o r a t o r s t oe n s u r e h e a t p i p e w o r k i n g - fl u id ( a m m o n i a ) c o n d e n s a t i o no n t h e o u t e r e v a p o r a t o r s u r f a ce .T h e c a p i l l ar y p o r o u s w i c k fo r t h e e v a p o r a t o r s

w a s p e rf o r m e d b y t h e g a s - th e r m a l a l u m i n i u m p o w d e rs i n te r i n g in t h e w a t e r v a p o u r a t m o s p h e r e . T h e m e t a l -o x i d e A 1 2 O a p o w d e r w i c k w a s p e r f o r m e d w i t h p a r t i c l ed i a m e t e r s ( 1 0 - 4 0 ) . 1 0 - a m t h e r m a l l y s i n t e re d t o g e t h e rw i t h p o r o s i t y 4 0 - 5 0 % a n d p o r e d i a m e t e r ( 2 1 0 ). 1 0 - ~ m( A l c O a c e r a m i c ) .

T h e t o t a l p o r e v o l u m e i n t h i s c e r a m i c i s :( 0 . 4 0 . 5 ) . 1 0 3 m m 3 - g .T h e m a c r o a p o r e v o l u m e i s :( 0 , 35 - - 0 , 38 ) - 10 m m a - g .

T h e m i c r o p o r e v o h u n e i s:( {) .05 0 . 07 ) . 103 m m a . g - * .T h e p e r l n e a b i l i ty o f s n c h a s y s t e m d u e t o t h e m a c r op o r e s e q u a l s ( 2 3 ) 1 0 ~a m ~ w i t h t h e s p e c i f i c m a c r o p o r e

s u r f a c e ( 2 5 3 5 ) . 1 0 - ~ m 2 . g - 1 .T h e c o m p r e s s i o n m e c h a n i c a l s t r e n g t h o f s u c h A 1 20 :sc e r a n f ic i s n o t l e ss t h a n 3 0 4 0 m P a . C e r a m i c o f t h i sk i n d i s a g o o d a d s o r b e n t f or t h e a m m o n i a v a p o u r a n dt h e c a p i l l a r y p r e s s u r e A Pc ~ p = 2 ( a , g - a ~ t ) / R i s n e a r0 . 5 b a r .

3 .4 . So l id sorbent can is tersT h e t w o s o l i d s o r b e n t c a n i s t e r s 3 a n d 4 a r e f il l ed w i t ha c t i v e c a r b o n f i b r e " B u s o f it " w r a p p e d o n t h e s u r f a c e o fc o n d e n s e r s 1 4 a n d 2 2 b e t w e e n t h e a l u m i n i m n f in s . T h el e n g t h o f t h e c a n i s t e r is 1 .2 m w i t h t h e o u t e r d i a m e t e r5 0 m m .

3 . 5 . C o n d e n s e rT h e a m m o n i a c o n d e n s e r 5 is c o n s t r u c t e d a s as t a i n l e s s s t e e l t u b e - i n - t u b e h e a t e x c h a n g e r c o o l e db y w a t e r t o e n s u re c o m p l e t e v a p o u r c o n d e n s a t i o n a u dl iq u i d a m m o n i a c o o l i n g d o w n t o t h e r o o m t e m p e r a t u r e .

3 . 6 . R e f r i g e ra to r c a b i n e tT h e r e f r i g e r a t o r c a b i n e t h a s a v o l u m e V = 1 50 L a n di s u s e d t o c o o l t h e g o o d s i n t h e t e m p e r a t u r e i n t e r v a l

0 1 0 C . T w o m i l d s t ee l l o o p h e a t p i p e s 8 , 9 a r e m a d ef ro m f i n n e d p ip e h a v i n g o u t e r d i a m e t e r 5 m m a n d i n n e rd i a m e t e r 3 m m . T h e h e a t p i p e e v a p o r a t o r s a r e m a d e a s af i n n e d p i p e h e a t e x c h a n g e r p o s i t i o n e d o n th e t w o l a t e r a ls u r f a c e s i n s i d e t h e r e f r i g e r a t o r c h a m b e r . T h e t o t a l h e a tt r a n s f e r s u r f a c e o f t w o l o o p e d h e a t p i p e e v a p o r a t o r s i s1 .2 m ~ . T h e a i r t e m p e r a t u r e e v o l u t i o n i n t i m e i n s i d et h e e v a p o r a t o r c a b i n e t f o r d i f f e re n t t e m p e r a t u r e s o f t h ec o o l i n g w a t e r i n t h e c o n d e n s e r 5 is s h o w n i n f i g u r e s ~ 5 .T h e r e i s no s t r o n g d e p e n d e n c y o f t h e a i r te m p e r a t u r ei n s i d e t h e r e f r i g e r a t i o n c a b i n e t f o r 1 4 a n d 2 2 . 5 C o nt h e c o o l i n g w a t e r t e m p e r a t u r e .

3 .7 . Loop heat p ipes as coo l ing panelsfo r th e re f r i g e ra to r c a b i n e t

T o m a i n t a i n g o o d f o o d q u a l i ty , c o l d c h a m b e r s a r ei n c r e a s i n g n e e d e d . T o f u l fi l t h e s e n e e d s , t h e l o o p h e a tp i p e p a n e l s w e r e u s e d a s u n i f o r m t e m p e r a t u r e s h e e t si n s i d e t h e c o l d c h a m b e r c o n n e c t e d w i t h a co l d s t o r eu n i t ( s o l a r s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r , c o l d a c c u m u l a t o r ) .T w o l o o p h e a t p i p e p a n e l s b e n t a s a n L - s h a p e w e r ei n s t a l l e d i n s id e t h e r e f r i g e r a t o r c a b i n e t . T h e s o l a r s o r p -t i o n r e f r i g e r a t o r e v a p o r a t o r w a s s it e d o n t h e u p p e r

225

: i ~

!i~~ ~ i

i i

.,~~


7/8

L . L . V a s i l i e v e t a l .

o

30.0 --

20.0

10.0

0.0

%

. lO.O , I , I ~ I , I , I0,0 40.0 80.0 120.0 160.0 200.0t , m i n

F i g u r e 4 . T h e averag e t emp e ra t u re in s id e t h e r e f r i g e r a t o rc a b i n e t a s a fu n c t i o n o f t i m e ( t e m p e r a t u r e o f t h e c o n d e n s e rc o o l i n g w a t e r 1 4 C ) .

o

30.0 --

20.0

10.0

0.0

\

- 1 o . o , I , I , I , I , t0.0 40,0 80.0 120.0 160.0 200,0t , m i n

F i g u r e 5 . T h e a v e r a g e t e m p e r a t u r e i n s i d e t h e r e f r i g e r a t o rc a b i n e t a s a fu n c t i o n o f t im e ( t e m p e r a t u r e o f t h e c o n d e n s e rc o o l i n g w a t e r 2 2 . 5 C ) .part of the cabinet. The heat pipe panels on its upperside (heat pipe condenser) have good thermal contactwith this evaporator; the extended lower part of tileheat pipe panels is used as heat pipe evaporator.This type of heat pipes with diameter 3 mm and tilelength nea r 1 m has no capillary struct ure inside, andfunctions under the oscillating motion of the two-phaseammonia because there is a big difference between theliquid and vapour densities under the heat load. Thedriving force of the loop heat pipes is tile pressure forcegenerated by the liquid boiling in the high temperaturezones (lower part of the refrigerator cabinet), the non-equilibrium sta te between vapo ur and liquid, wherevapour bubbles collapse in the upper cold part of thepanel. Vapour plugs (bubbles) push tile liquid plugs tothe cold part of the unit where vapour bubbles collapse

with the increasing pressure difference between vapourand liquid. Due to the interconnect ions between thetwo-phase channels, the motion of vapour bubbles andliquid plugs is influenced by the motion of fluid in theadjacent sections oil the loop heat pipe panel. Twodifferent kinds of loop heat pipe panels were used. Thefirst one is shown in f i g u r e 6 , the second in f i g u r e 7 .

The total surface of the two loop heat pipe panelsinside the refrigerator cabinet was 1.2 mS; the ammo-nia mass inside one panel was 50 g. Cold output from the

qF-~

1 1 4 1

: l l ~ F

- iN I?! 1 1 I ~1.8 ~..,I

F i g u r e 6 . D i a g r a m o f f i r s t k i n d o f l o o p h e a t p i p e p a n e l .! : c o n d e n s e r o f t h e h e a t p i p e , 2 : e v a p o r a t o r o f t h e a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r , 3 : p o r o u s s t r u c t u r e , 4 : h e a t p i p e e v a p o r a t o r .

|

F i g u r e 7 . D i a g r a m o f t h e s e c o n d k i n d o f l o o p h e a t p ip e p a n e l .1 c o n d e n s e r z o n e o f t h e h eat p i p e ; 2 : e v a p o r a t o r p a r t o f th eh e a t p i p e .

2 2 6


8/8

A s o l a r a n d e l e c tr i c a l s o l id s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r

h e a t p i p e p a n e l s w a s 3 0 0 W . D u e t o t h e c y c l i n g a c t i o n o ft h e s o l a r r e f r i g e r a t o r , t h e t i m e o f t h e a c t i v e p a n e l c o o l i n gw a s l i m i t e d t o 1 5 m i n f o r o n e c y c le . T h e t e m p e r a t u r ed e v i a t i o n o f t h e t w o l o o p h e a t p i p e p a n e l s i n s i d e t h er e f r i g e r a t o r c a b i n e t f o r t h e t i m e i n t e r v a l 0- -2 0 0 r a i n i ss h o w n i n f igure 8 , T h e a m b i e n t ( r o o m ) t e m p e r a t u r e w a s3 7 C .

4 . C O N C L U S I O N SA s o l a r a n d e l e c t r i c a l s o l i d s o r p t i o n m a c h i n e w i t h1 .2 m ~ c o l le c t i o n s u r f a c e w a s d e s i g n e d a n d s t u d i e d t ob u i l d a n i n d u s t r i a l r e f r i g e r a t o r / d r y e r i n tt~ e f u t u r e . T h er a t i o b e t w e e n s o l a r a n d e l e c t r i c a l e n e r g y s u p p l y w a sa u t o m a t i c a l l y m a i n t a i n e d o n t h e t o t a l l e v el of 1 k W .T h e m a c h i n e i s a n a d s o r p t i o n m a c h i n e w i t h v e r y s h o rt( 15 r ai n ) n o n - i n t e r m i t t e n t c y c l e s t h a t u s e s t h e a c t i v ec a r b o n f i b r e " B u s o f it " a s a s o r b e n t b e d a n d a m m o n i a

a s a w o r k i n g f l u i d . A i r i s u s e d a s a m e d i u m t o c o o l( i n s id e t h e c a b i n e t ) a n d w a t e r a s a m e d i u m t o h e a t( i n s id e t h e a d s o r b e r s a n d t h e c o n d e n s e r ) . T h e s y s t e mm a n a g e m e n t c o n s is t s o n ly i n a c t u a t i n g t h e s p e c ia l t y p ev a l v e s t o c h a n g e t h e h e a t i n g c i r c u i t a n d w a t e r v a l v e s t oc h a n g e t h e w a t e r c o o l i n g c i r c u i t. W i t h s o l a r co l l e c t o re f f ic i e n c y o f n e a r l y 0 . 7 , i t i s p o s s i b l e to o b t a i n a h i g hs o l a r C O P o f c l o se to 0 . 3 . T h e r e i s c o n s i d e r a b l e s c o p ef o r t h e a p p l i c a t i o n o f s u c h h y b r i d e l e c t r i c i t y / s o l a r -a d s o r p t i o n s y s t e m s w h e r e i n t e r m i t t e n t o r l ow s o l ari n s u l a t i o n c u r r e n t l y r e s t r i c t s t h e i r u s e . S u c h w o r k i n gf l u i d a n d e n e r g y s o u r c e s a r e a t t r a c t i v e o n e n v i r o n m e n t a lg r o u n d s . C a l c u l a t i o n s f o r a c o m b i n e d r e f r i g e r a t i o n a n dp o w e r - g e n e r a t io n s y s t e m o p e r a t i n g o n e l e c t r ic a l / s o l a ro r g a s / s o l a r e n e r g y w i t h h e a t r e c o v e r y s h o w s t h a ta C O P o f 0 . 7 5 i s a c h i e v a b l e . F u r t h e r i n c r e a s e s i np e r f o r m a n c e m a y b e a t t a i n e d u s i n g m u l t i -e f fe c t s y st e m s .

p ~ . e l - ~ * p c w l l o ~ l e m p e r l t ~ r e3 8 I P n e l - e v a p a ~ , o r N o . l

I ~ , p a n e k e v ~ p o r ~ t o r N o . 2

2 0 . .~:, ,U

-~o _ I : _E L : :0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 00t , r u i n

F i g u r e 8 . T e m p e r a t u r e e v o l u t i o n o f t h e l o o p h e a t p i p e p a n el si ns ide the r e f r ige ra tor cabine t . Pane l s a r e cooled a l t e rna t iv e lyb y t h e s o l i d s o r p t i o n e v a p o r a t o r s 6 a n d 7 .

R e s e a r c h i n t o t h e e c o n o m i c a l v i a b i l i t y o f t h e s e s y s t e m s i sr e q u i r e d t o a s s e s s t h e i r c o m m e r c i a l p o t e n t i a l . A n y s u c hr e s e a r c h s h o u l d t a k e in t o a c c o u n t a n t i c i p a t e d c h a n g e si n l e g i s l a t io n g o v e r n i n g t h e u s e a n d m a n u f a c t u r e o fc o n v e n t i o n a l r e f r i g e r a t o r s .A n e w S S - w a t e r v a p o u r -d y n a m i c t h e r m o s y p h o n w i t ht w o c o a x i a l c o n d e n s e r s w a s t e s t e d a s a n e w t h e r m a l c o n -t r o l d e v i c e f or t h e s o l a r s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r s w i t h h e a tl o a d 1 k W a n d t h e r m a l r e s i s ta n c e R t s : 0 . 01 K . W - 1 .A n e w t y p e l o o p S S - a m m o n i a h e a t p i p e s d = 3 m ma n d L = 1 m p a n e l w a s d e v e l o p e d a n d t e s t e d a s ap o s s i b le a l te r n a t i v e t o t h e a l u m i n i n m f la t p a n e l m a d e b yt h e R o l l - B o n d t e c h n o l o g y f o r t h e r e f r i g e r a t o r c a b i n e t s .T h e c o l d o u t p u t f o r s u ch p a n e l s w a s n e a r 3 0 0 W .

REFERENCES[ 1 ] C o h e n B . M ., K o s a r D . , So l a r w a t e r h e a t i n g w i t h

n a t u r a l g a s b a c k u p , G a s R e s e a r c h I n s t i t u t e , C h i c a g o ,I l li n o i s , U S A , 1 9 9 1 .[ 2 ] G u i l l e m i n o t J . - J . , M e u n i e r F ., M i s c h l e r B . F ~ tu d ed e c y c le s i n t e r m i t t e n t s ~ . a d s o r p t i o n s o l i d e p o u r l ar ~ f r i g ~ r a t i o n s o l a i r e , R e v . Ph y s . A I 1 5 ( 1 9 8 0 ) 4 4 1 - 4 5 2 .[ 3 ] C r i t o p h R . F . , P e r f o r m a n c e l i m i t a t i o n s o f a d s o r p t i o nc y c l e s f o r s o l a r c o o l i n g , So l . En e r g y , 41 ( 1 ) ( 1 9 8 8 ) 2 1 - 3 1 .[ 4 ] G r e n i e r P ., G u i l l e m i n o t J . - J ., M e u n i e r F ., Po n s M . ,S o l a r p o w e r e d s o l i d a d s o r p t i o n c o l d s t o r e , T r a n s . A S M E1 1 0 (1 9 8 8 ) 1 9 2 - 1 9 7 .[ 5 ] B o u g a r d J . e t V e r o n i k i s G ., A d s o r b e u r m o d u l a i r ep o u r m a c h i n e f r i g o r i q u e s o l a i r e c h a r b o n a c t i f - a m m o n i a c ,i n : Sy m p o s i u m " L e f r o i d ~ s o r p t i o n s o l i d e " , Pa r is , 1 8 - 2 0N o v e m b e r 1 9 9 2 , p p . 2 8 2 - 2 8 7 .[ 6 ] Pa s so s E . F . , Es c o b e d o J .F . , M e u n i e r F ., S i m u l a t i o no f a n in t e r m i t t a n t a d s o r p t i v e s o l a r c o o l i n g s y s t e m , S o l.E n e r g y 4 2 ( 1 9 8 9 ) 1 0 3 - 1 1 1 .[ 7 ] M h i r i F . , E l G o l l i S . , E t u d e d ' u n r e f r i g e r a t e u r s o l a i r ea d s o r p t i o n s o l i d e a v e c l e c o u p l e c h a r b o n a c t i f - m d t h a n o l ,R e v. G ~ n . T h e r m . 3 5 ( 4 1 2 ) ( 1 9 9 6 ) 2 6 9 - 2 7 7 .[ 8 ] V a s i l i e v L .L ., A n t o u k h A . A . , M i s h k i n i s D . A . , V a s i l i e vL .L . J r. , V a p o u r - d y n a m i c t h e r m o s y p h o n s a n d ' s p a g h e t t i 'h e a t p i p e s f o r r e f r i g e r a t o r s , F - 4 , i n : P r e p r i n t s o f t h e 1 0 t hI n t e r n a t i o n a l H e a t P i p e C o n f e r e n c e , S t u t t g a r t , G e r m a n y ,2 1 - 2 5 S e p t e m b e r 1 9 9 7 .[ 9 ] Sp e i d e l K . , K l e i n e m e i e r H . P ., So l a r c o o l i n g p r o -c e s se s u s i n g c h e m i c a l r e a c t i o n s , i n : P r o c e e d i n g s o f th eSo l i d So r p t i o n R e f r i g e r a t i o n Sy m p o s i u m , Pa ri s, F ra n c e,1 8 - 2 0 N o v e m b e r 1 9 9 2 , p p . 2 8 8 - 2 9 3 .

[ 1 0 ] Va s i l i e v L . L . e t a l . , H e a t T r a n s f e r D e v i c e , U S Pa t e n t4 55 9 6 6 , 1 9 8 5 - 1 1 - 2 6 .[ 1 1 ] Va s i l i e v L . L. , R a b e t s k y M . I , K i s e l e v V . G ., H e a tT r a n s f e r D e v i c e , J . En e r g . Ph y s . 5 2 (1 ) ( 1 9 8 7 ) 6 2 - 6 5 .[ 1 2 ] D u b i n i n M . M . , A s t h a k o v V .A . , A d v . C h e m . S e r ie s1 0 2 ( 1 9 7 1 ) 6 9 .[ 1 3 ] G u i l l e m i n o t J. -J ., M e u n i e r F . , Pa k l e z a J ., H e a t a n dm a s s t r a n s f e r i n a n o n i s o t h e r m a l f i x e d b e d s o l i da d s o r p t i o n r e a c t o r : a u n i f o r m p r e s s u r e , n o n - u n i f o r mt e m p e r a t u r e c a se , I n t . J . H e a t M a s s T r a n . 3 0 ( 1 9 8 7 ) 1 5 9 5 -1 6 0 5 .

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a solar and electrical solid sorption refrigerator

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