Effect of noncondensable gases on the adsorption properties of adsorbent porous media

Öz

Noncondensable gases, such as air, can infiltrate adsorption systems operating at negative gauge pressures, significantly affecting their performance. This study investigates the impact of air on the adsorption and desorption behaviors of silica gel-water and Zeolite 13X-water pairs. Controlled amounts of air were introduced into an experimental setup comprising an adsorbent bed and an evaporator/condenser, with experiments conducted at varying temperatures. Adsorption and desorption processes were initiated by modulating the adsorbent temperature while maintaining constant evaporator/condenser conditions. The effects of air were assessed based on changes in adsorption and desorption capacities, pressure variations, gas and adsorbent temperatures, and adsorption/desorption hysteresis. Results reveal significant reductions in adsorption and desorption capacities with increasing air content, with desorption processes being more affected. Adsorption capacity decay exhibited an exponential trend for silica gel and a parabolic trend for Zeolite 13X. Higher evaporator/condenser temperatures mitigated performance losses, while systems with smaller desorption-adsorption temperature differences were more adversely affected. The findings emphasize the critical importance of preventing air leakage in adsorption systems. Even trace amounts of air, constituting only about 0.3–0.9% of atmospheric pressure, can significantly reduce system efficiency.

Anahtar Kelimeler

• Adsorption refrigeration
• noncondensable gas
• residual air
• adsorbent
• adsorption/desorption performance

Yoğuşmayan gazların gözenekli adsorban ortamların adsorpsiyon özelliklerine etkisi

Öz

Hava gibi yoğuşmayan gazlar negatif manometre basınçlarında çalışan adsorpsiyon sistemlerine sızarak performanslarını önemli ölçüde etkileyebilir. Bu çalışma, havanın silika jel-su ve Zeolit 13X-su çiftlerinin adsorpsiyon ve desorpsiyon davranışları üzerindeki etkisini incelemektedir. Kontrollü miktarlarda hava, bir adsorban yatağı ve bir evaporatör/kondenserden oluşan deney düzeneğine enjekte edilerek farklı sıcaklıklarda deneyler gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon ve desorpsiyon prosesleri, evaporatör/kondenser koşulları sabit tutulurken adsorban sıcaklığının değiştirilmesiyle başlatılmıştır. Havanın etkileri, adsorpsiyon ve desorpsiyon kapasitelerindeki değişimler, basınç dalgalanmaları, gaz ve adsorban sıcaklıkları ile adsorpsiyon/desorpsiyon histerezisi temelinde değerlendirilmiştir. Sonuçlar, artan hava miktarıyla birlikte adsorpsiyon ve desorpsiyon kapasitelerinde önemli düşüşler meydana geldiğini, desorpsiyon proseslerinin adsorpsiyondan daha fazla etkilendiğini göstermektedir. Adsorpsiyon kapasitesindeki azalma, silika jel için üstel, Zeolit 13X için parabolik bir eğilim sergilemiştir. Daha yüksek evaporatör/kondenser sıcaklıkları performans kayıplarını azaltırken, desorpsiyon-adsorpsiyon sıcaklık farkı daha küçük olan silika jel adsorbanlı sistem daha olumsuz etkilenmiştir. Bulgular, adsorpsiyon sistemlerinde hava kaçağının önlenmesinin kritik önem taşıdığını vurgulamaktadır. Atmosfer basıncının yalnızca %0,3–0,9'u kadar iz miktarlardaki hava bile sistem verimliliğini önemli ölçüde düşürebilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Adsorpsiyonlu soğutma
• yoğuşmayan gaz
• artık hava
• adsorban
• adsorpsiyon/desorpsiyon performansı

Etik Beyan

Bu makalenin eş zamanlı olarak başka bir yerde yayımlanmak üzere sunulmadığını teyit ederim. Herhangi bir çıkar çatışması bulunmamaktadır. Bu çalışma için herhangi bir finansal destek almadım. Makale daha önce yayımlanmamış olup, başka bir yerde yayımlanmak üzere değerlendirme altında değildir. Eğer kabul edilirse, Yayıncının yazılı izni olmadan, İngilizce veya başka bir dilde, büyük ölçüde aynı biçimde başka bir yerde yayımlanmayacaktır.

Teşekkür

Vereceğiniz tüm emekler ve göstereceğiniz özveri için çok teşekkür ederim

Kaynakça

1. 1. Al-Alili A., Hwang Y., Radermacher R., Review of solar thermal air conditioning technologies, International Journal of Refrigeration 39, 4-22, 2014.
2. 2. Brown J.S., Domanski P.A., Review of alternative cooling technologies, Applied Thermal Engineering, 64 (1-2), 252-262, 2014.
3. 3. Choudhury B., Saha B.B., Chatterjee P.K., Sarkar J.P., An overview of developments in adsorption refrigeration systems towards a sustainable way of cooling, Applied Energy, 104, 554-567, 2013.
4. 4. Wang D., Zhang J., Tian X., Liu D., Sumathy K., Progress in silica gel-water adsorption refrigeration technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 85-104, 2014.
5. 5. Wang D.C., Li Y.H., Li D., Xia Y.Z., Zhang J.P., A review on adsorption refrigeration technology and adsorption deterioration in physical adsorption systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (1), 344-353, 2010.
6. 6. Deng J., Wang R.Z., Han G.Y., A review of thermally activated cooling technologies for combined cooling, heating and power systems, Progress in Energy and Combustion Science, 37 (2), 172-203, 2011.
7. 7. Sarbu I., Sebarchievici C., Review of solar refrigeration and cooling systems, Energy and Buildings, 67, 286-297, 2013.
8. 8. Söğüt E.G., Çelebi M., Removal of Thioflavin T and Co(II) ions from aqueous solution using GO and GO-EDTA; adsorption parameters and mechanism, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (1), 371–383, 2024.

9. 9. Aristov Y.I., Challenging offers of material science for adsorption heat transformation: A review, Applied Thermal Engineering, 50 (2), 1610-1618, 2013.
10. 10. Askalany A.A., Saha B.B., Kariya K., Ismail I.M., Salem M., Ali A.H.H., Morsy M.G., Hybrid adsorption cooling systems-An overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16 (8), 5787-5801, 2012.
11. 11. Glaznev I.S., Aristov Y.I., Kinetics of water adsorption on loose grains of SWS-1L under isobaric stages of adsorption heat pumps: The effect of residual air, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51 (25-26), 5823-5827, 2008.
12. 12. Nusselt W., Die oberflachenkondensation des wasserdamphes, VDI-Zs, 60, 541–546, 1916.
13. 13. Frank-Kamenetskii D.A., Diffusion and Heat Exchange in Chemical Kinetics, Princeton University Press, 2015.
14. 14. Mazzarotta B., Sebastiani E., Process design of condensers for vapor mixtures in the presence of non‐condensable gases, Canadian Journal of Chemical Engineering, 73 (4), 456-461, 1995.
15. 15. Oh S., Revankar S.T., Experimental and theoretical investigation of film condensation with noncondensable gas, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (15-16), 2523-2534, 2006.
16. 16. Li J.D., Saraireh M., Thorpe G., Condensation of vapor in the presence of non-condensable gas in condensers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54 (17-18), 4078-4089, 2011.
17. 17. Burdukov A.P., Bufetov N.S., Deriy N.P., Dorokhov A.R., Kazakov V.I., Experimental study of the absorption of water vapor by thin films of aqueous lithium bromide, Heat Transfer - Soviet Research, 12 (3), 118-123, 1980.
18. 18. Cosenza F., Vliet G.C., Absorption in falling water/LiBr films on horizontal tubes, ASHRAE Trans., 96, 693-701, 1990.
19. 19. Vorotilin V.P., Heifets L.I., Calculation of chlorine condensation process in inert admixture presence, Khimicheskaya Promyshlennost, 8, 502-506, 1987.
20. 20. Lambert M.A., Design of solar powered adsorption heat pump with ice storage, Applied Thermal Engineering, 27 (8-9), 1612-1628, 2007.
21. 21. Okunev B.N., Gromov A.P., Zelenko V.L., Glaznev I.S., Ovoshchnikov D.S., Heifets L.I., Aristov Y.I., Effect of residual gas on the dynamics of water adsorption under isobaric stages of adsorption heat pumps: Mathematical modelling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53 (7-8), 1283-1289, 2010.
22. 22. Glaznev I., Ovoshchnikov D., Aristov Y., Effect of residual gas on water adsorption dynamics under typical conditions of an adsorption chiller, Heat Transfer Engineering, 31 (11), 924-930, 2010.
23. 23. Girnik I.S., Aristov Y.I, Effect of residual air on dynamics of temperature- and pressure-initiated adsorption cycles for heat transformation, Applied Thermal Engineering, 200, 117629, 2022.
24. 24. Sapienza A., Frazzica A., Freni A., Aristov Y., Dramatic effect of residual gas on dynamics of isobaric adsorption stage of an adsorptive chiller, Applied Thermal Engineering, 96, 385-390, 2016.