The eco-design of a refrigerator with heat recovery and a hot water tank

Year 2024, , 939 - 947, 15.07.2024

Elif Merve Bahar , Mustafa Aktaş

https://doi.org/10.28948/ngumuh.1422751

Abstract

Due to the increasing energy demand and unit prices in all sectors, there is a growing trend towards renewable energy sources and an increase in energy efficiency efforts. One way to make energy more efficient is to increase the amount of heat transfer. One of the methods used to increase heat transfer is through extended (finned) heat transfer surfaces. In this study, the heat of the vapor phase propane (R290) in the compressor discharge line is utilized by passing through the finned tube inside the hot water tank The propane passing through the finned tube will cause the water in the tank to start heating. In situations where heat is needed in the system, heated water (defrosting, product heating, etc.) is used without consuming additional energy. The study examined the effect of changes in fin thickness, fin spacing according to different temperature differentials on heat transfer, as well as the impact of fin length and fin count. As a result of the study, an increase in fin thickness and fin spacing led to a decrease in the amount of heat transfer from the tube. It was observed that as fin thickness and fin spacing increased, the tube length extended, and the number of fins decreased. For water with a temperature difference of 45°C, calculations revealed that a tube with a fin thickness of 0.4 mm has a length of 16.98 cm and a fin count of 58. The use of finned tubes, in addition to shortening the tube length, also reduces the refrigerant charge amount.

Keywords

Mechanical compression refrigeration cycle, Finned tube, Heat transfer

Isı geri kazanımının sağlandığı sıcak su kutulu bir soğutucunun eko tasarımı

Abstract

Tüm sektörlerde enerji ihtiyacının ve birim fiyatlarının artmasından dolayı, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim ve enerji verimliliği çalışmalarında artış olmaktadır. Enerjiyi verimli hale getirmenin bir yolu ısı transferi miktarını artırmaktır. Isı transferi miktarını artırmak için kullanılan yöntemlerden birisi de genişletilmiş (kanatlı) ısı transferi yüzeyleridir. Bu çalışmada, kompresör basma hattındaki kızgın buhar fazındaki propanın (R290) ısısının bir kısmından yararlanılması için sıcak su kutusu içerisinde bulunan kanatlı borudan geçirilmektedir. Kanatlı borudan geçirilen propan sayesinde, kutudaki su ısınmaya başlayacaktır. Sistemde ısının gerekli olduğu durumlarda, enerji tüketmeden ısınan su (defrost, ürün ısıtma v.b.) kullanılmaktadır. Suyun, farklı sıcaklık farklarına göre kanat kalınlığının ve kanat aralarındaki mesafenin değişmesinin ısı transferine, kanat boyuna ve kanat sayısına etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışma neticesinde; kanat kalınlığı ve kanatlar arasındaki mesafe arttıkça borudan yayılan ısı transferi miktarında azalma meydana gelmiştir. Kanat kalınlığı ve kanatlar arasındaki mesafe arttıkça boru boyunun uzadığı ve kanat sayısının azaldığı görülmüştür. Sıcaklık farkı 45oC olan su için hesaplamalar yapıldığında, 0.4 mm kanat kalınlığına sahip borunun boyu 16.98 cm olurken, kanat sayısı 58 adet olmaktadır. Kanatsız boru yerine kanatlı borunun kullanılması, boru boyunu kısaltmasının yanında aynı zamanda soğutucu şarj miktarını da azaltmaktadır.

Keywords

Mekanik sıkıştırmalı soğutma çevrimi, Kanatlı boru, Isı transferi

References

• N. Bilim, Türkiye’nin elektrik enerjisi üretimindeki dışa bağımlılığın azaltılması için uygulanması gereken politikalar. SUJEST, 4, 2, 2016.
• E.F. Akyürek, K. Geliş, M. Yoladı, Farklı tip ısı değiştiriciler için termodinamik analiz. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10 (2), 1202-1212, 2020.
• B. Watel, S. Harmand and B. Desmet, Influence of flow velocity and fin spacing on the forced convective heat transfer from an annular-finned tube. JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering, 42, 56-64, 1999. https://doi.org/10.1299/jsmeb.42.56.
• J. S. Leu, M. S. Liu, J. S. Liaw, and C. C. Wang, A numerical ınvestigation of louvered fin and tube heat exchangers having circular and oval tube configurations. International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 4235 – 4243, 2001. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(01)00081-3.
• M. S. Mon and U. Gross, Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47 (8-9), 1953-1964, 2004. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.09.034.
• A. Dixit and K. Patil, Heat transfer characteristics of grooved fin under forced convection. Heat Transfer Engineering, 36 (16), 1409-1416, 2015. https://doi.org/10.1080/01457632.2015.1003726.
• E. Buyruk and K. Karabulut, Enhancement of heat transfer for plate fin heat exchangers considering the effects of fin arrangements. Heat Transfer Engineering, 39 (15), 1392-1404, 2018. https://doi.org/10.1080/01457632.2017.1366238.
• S. S. Yogesh, A. S. Selvaraj, D. K. Ravi and T. K. R. Rajagopal, Heat transfer and pressure drop characteristics of inclined elliptical fin tube heat exchanger of varying ellipticity ratio using CFD code. International Journal of Heat Mass Transfer, 119, 26–39, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.094.
• M. Petrik, G. Szepesi and K. Jármai, CFD analysis and heat transfer characteristics of finned tube heat exchangers. Pollack Periodica, 14 (3), 165–176, 2019. https://doi.org/ 10.1556/606.2019.14.3.16.
• E. Buyruk and K. Karabulut, Research of heat transfer augmentation in plate fin heat exchangers having different fin types. Journal of Engineering Thermophysics, 29 (2), 316-330, 2020. https://doi.org/10.1134/S1810232820020137.
• A. E. Maakoul, K. Feddi, S. Saadeddine, A. B. Abdellah and M. E. Metoui, Performance enhancement of finned annulu using surface interruptions in doublepipe heat exchangers. Energy Conversion and Management, 210, 112710, 2020. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2020.112710.
• C. R. Babu, P. Kumar, S. Roy and D. Kanungo, CFD analysis of an economizer for heat transfer enhancement using serrated finned tube equipped with variable fin segments. Materials Today: Proceedings, 45, 222-230, 2021. https://doi.org/ 10.1016/j.matpr.2020.10.422.
• X. Zhang, Y. Ge and J. Sun, CFD performance analysis of finned-tube CO2 gas coolers with various inlet air flow patterns. Energy Built Environment, 1 (3), 233–241, 2020. https://doi.org/10.1016/j.enbenv.2020.02.004.
• E. Işık ve V. Tuğan, Dairesel bir boruda kullanılan boyuna dalgalı kanatçıkların ısı transferine etkisinin sayısal olarak incelenmesi. International Journal of Pure and Applied Sciences, 7 (1), 19-26, 2021. https://doi.org/10.29132/ijpas.907077.
• M. Şahin, Plakalı ısı değiştiricilerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle performans değerlerinin incelenerek optimizasyonu ve yüksek verimli plaka tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2021.
• Y. Zhang, G. Yuan, Y. Wang, P. Gao, C. Fan and Z. Wang, Solidification of an annular finned tube ice storage unit. Applied Thermal Engineering, 212, 118567, 2022. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118567.
• P. A. Banu, D. R. Lohith, M. P. Kalyan, D. S. Vempati and B. H. Sai, Simulation of fin and tube heat exchanger and validation with CFD analysis. Materials Today: Proceedings, 66, 1471-1476, 2022. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.05.552.
• A. Akın, R134a kullanılan otomobil klima sisteminde R1234yf’nin, sıvı hattına eklenen bir ısı değiştiricisi ile deneysel olarak incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Yalova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2017.
• M. Aktaş, Z. Deniz, Y. Güven, V. Durak, M. Ulular ve D. Gökben, Nozul soğutma sisteminde verimliliğin arttırılmasına yönelik bir araştırma. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C Tasarım ve Teknoloji, 11 (2), 455-463, 2023. https://doi.org/10.29109/gujsc.1298220.
• A. Balıkçı, B. Çeri ve T. Koca, Kendinden kanatlı (finli) borulu ekonomizerlerin termal performansa etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 33, 400-406, 2022. https://doi.org/10.31590/ejosat.1051048.
• T.L. Bergman, F.P. Incropera, D.P. Dewitt and A.S. Lavine, Fundamentals of Heat And Mass Transfer. John Wiley and Sons, 2011.
• Ş. Karagöz, H. Abdi ve G. Ömeroğlu, Experimental investigation of the effect of turbulators on heat transfer in horizontal tubes. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17, 025905, 810-814, 2017. https://doi.org/10.5578/fmbd.59695.
• H. Nemati, M. Moradaghay, S.A. Shekoohi, M.A. Moghimi and J.P. Meyer, Natural convection heat transfer from horizontal annular finned tubes based on modified rayleigh number. International Communications in Heat and Mass Transfer, 110, 104370, 2020. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104370.
• E.S. Öz, T. Menlik ve M. Aktaş, Güneş enerjili tabii sirkülasyonlu endirekt sıcak su hazırlama sistemlerinde kanatçık kullanmanın ısıl analizi. Teknoloji Dergisi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Dergisi, 7 (2), 189-195, 2004.
• Y.A. Çengel and A.J. Ghajar, Heat Conduction Equation. Heat Transfer A Practical Approach, McGraw-Hill Higher Education, 61-126, 2002.
• M. A. Hussein, V. M. Hameed and H. T. Dhaiban, An implementation study on a heat sink with different fin configurations under natural convective conditions. Case Studies in Thermal Engineering, 30, 101774, 2022. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101774.
• L. Awad, İ. Koç ve S. Jawad, Farklı malzemelerin yüzey şekli ve pürüzlülüğünün termal temas iletkenliğine etkisi için deneysel bir çalışma. AURUM Mühendislik Sistemleri ve Mimarlık Dergisi, 4 (2), 185-199, 2020.
• A. J. Jubear, Experimental study for optimum fin spacing of rectangular fin arrangements under the ınfluences of free convection. Journal of Engineering Science and Technology, 15 (6), 4075-4090, 2020.
• M.A. El-Shorbagy, E.A. Algehyne, M. Ibrahim and V. Ali, Effect of fin thickness on mixed convection of hybrid nanofluid exposed to magnetic field-enhancement of heat sink efficiency. Case Studies in Thermal Engineering, 26, 101037, 2021. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101037.
• N. Kayansayan, Thermal characteristics of fin-and-tube heat exchanger cooled by natural convection. Experimental Thermal and Fluid Science, 7, 177-188, 1993. https://doi.org/10.1016/0894-1777(93)90001-Y.