INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF A NOVEL DEFROST METHOD ON COOLING SYSTEM PERFORMANCE

Abstract

ABSTRACT

In refrigeration systems, frost accumulation occurs on the evaporators under operating conditions below the freezing point of water and the dew point of the air. Depending on the increase in the amount of accumulated frost, the performance of the system decreases, and energy consumption increases. Therefore, it is necessary to start the defrosting process from time to time, which causes extra energy consumption. Traditional defrosting methods need time and energy to complete, which causes temperature fluctuations and decreases refrigeration efficiency in storage rooms during the defrost process. This study aims to reduce the energy required for defrosting and increase the cooling performance by using a liquid refrigerant for defrosting. For this purpose, two evaporators and a four-way valve were used in the system, thus reducing temperature fluctuations during the defrosting process. When the room is cooled with one of the evaporators, the other one has used for sub-cooling the refrigerant before entering the cooler evaporator. With the sub-cooling process, the second evaporator is defrosted. When the cooler evaporator needs to be defrosted, the second evaporator will be cooler. When the cycle is reversed using the four-way valve, the first evaporator will be defrosted and sub-cooler the liquid refrigerant. For this purpose, a cold room operating with a vapor-compression refrigeration cycle was built and experimentally tested. Environmental, economic, exergy, and energy analyses (4E analysis) on both systems were conducted and these results were then compared. The findings of this study showed that the new method can perform the defrosting process using energy dissipated from the sub-cooling refrigerant without the use of any external source of power and thus enhance the refrigeration efficiency by 12%. Furthermore, this system does not resemble traditional defrost systems such that it does not interrupt the cooling process during the defrosting process as is the case with traditional systems.

ÖZET

Soğutma sistemlerinde, suyun donma noktası ve havanın yoğuşma noktası sıcaklıklarının altındaki çalışma koşullarında evaporatörlerin üzerinde buz birikmesi meydana gelir ve biriken buzun miktarındaki artışa bağlı olarak sistemin performansı düşer ve enerji tüketimi artar. Bu nedenle, ilave enerji tüketimine neden olan defrost işleminin zaman zaman başlatılması gerekir. Geleneksel buz çözme yöntemlerinin tamamlanması için zamana ve enerjiye ihtiyaç vardır, bu da buz çözme işlemi sırasında sıcaklık dalgalanmasına neden olur ve depolama odasındaki soğutma verimliliğini azaltır. Bu çalışmada, defrost işlemi için sıvı soğutucu akışkan kullanılarak, defrost işlemi için gerekli enerjinin azaltılması ve soğutma performansının arttırılması hedeflenmiştir. Bu amaçla, sistemde iki evaporatör ve bir dört yollu valf kullanılmıştır ve böylelikle defrost işlemi esnasında sıcaklık dalgalanmasının da azaltılması sağlanmıştır. Evaporatörlerden biri ile oda soğutulduğunda diğeri soğutu akışkanı evaporatöre girmeden önce aşırı soğutmak için kullanılmıştır. Aşırı soğutma işlemi ile, ikinci evaporatörün buzunun çözülmesi (defrost) sağlanır. Soğutucu evaporatörün buzunun çözülmesi gerektiğinde, ikinci evaporatör daha soğuk olacaktır. Döngü, dört yollu valf tarafından tersine çevrildiğinde, ilk evaporatör, defrost edilecek ve aşırı soğutucu olacaktır. Bu amaçla, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ile çalışan bir soğuk oda inşa edilmiş ve deneysel olarak test edilmiştir. Her iki sistem için çevresel, ekonomik, ekserji ve enerji analizleri (4E analizi) yapılmış ve bu sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, yeni yöntemin, herhangi bir harici güç kaynağı kullanmadan aşırı soğutulmuş akışkandan yayılan enerjiyi kullanarak defrost işlemini gerçekleştirebildiğini ve böylece soğutma verimliliğini %12 artırdığını göstermiştir. Ayrıca, bu sistem, geleneksel sistemlerde olduğu gibi defrost işlemi esnasında soğutma işlemini kesintiye uğratmadığı için geleneksel defrost sistemlerine benzememektedir.