Application of phase change materials to improve the performance of a cooling system

Abstract

Dondurucular sıcaklığa duyarlı ve kolay bozulabilen gıda maddelerinin korunmasında gerekli olan sıcaklığı sağlamaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Dondurucu iç hava sıcaklığı teorik olarak -18℃’ye ayarlansada genellikle sistem sıcaklığı tavsiye edilen sıcaklığın üstünde kaydedilmiştir. Bu dondurulmuş ürünlerde kalite kaybına ve ayrıca gerekli sıcaklık değerine ulaşmak için büyük enerji tüketimine neden olabilmektedir. Dolayısıyla bu istenmeyen sonuçların önlenmesi için soğutma sistemleri genellikle faz değiştiren malzemeler (FDM'ler) ile çalıştırılmaktadırlar. Bu çalışmada tavsiye edilen sıcaklık değerinden daha yüksek sıcaklıklarda (-5℃ ile -13℃) çalışan bir dondurucuyu simüle eden bir soğutma sistemi performansı FDM‘siz ve FDM’lerle test edilmiştir. Sodyum klorür (NaCl) çözeltileri uygun faz değiştirme sıcaklığı nedeniyle FDM olarak seçilmiştir. Bu ötektik çözeltilere jelleştirici ajan olarak karboksimetil selüloz (CMC) ve nükleasyon ajanı olaraksa boraks eklenmiştir. İlk olarak; NaCl (ağırlıkça %4,0 ve 16,0), CMC’nin (ağırlıkça %0,0-1,5) ve boraks’ın (ağırlıkça %0,0-2,0) ve farklı konsantrasyonlarının etkisi deneysel olarak soğutma sisteminde incelenmiştir. Tüm sonuçlar, dondurucu performansının hem NaCl hem de ajanların konsantrasyonlarına önemli ölçüde bağlı olduğunu ortaya koymuştur. En uygun FDM’nin ağ. %4,0 NaCl-ağ. % 1,0 CMC-ağ. %1,0 boraks çözeltisi olduğu belirlenmiştir. Ayrıca bu çalışmada önerilen sıcaklığın üzerinde çalışan bir dondurucunun enerji tüketimini en aza indirmek için optimal FDM formülasyonunun belirlenmesine de odaklanılmıştır. Karboksimetil selüloz (ağ. %0,5-1,5) ve Boraks (ağ. %0,0-2,0) içeren sodyum klorür (ağ. %4,0-8,0)-su ikili sistemine dayalı bir dizi FDM formülasyonu -5°C ile -13°C arasında çalışan bir dondurucuyu simüle eden soğutma sisteminde test edilmiştir. Deney sonuçları Box-Behnken tasarımına dayanan Yanıt Yüzey Metodolojisi (RSM) ile değerlendirilmiştir. Böylelikle, bir dondurucunun enerji tüketimini en aza indirecek optimal FDM formülasyonu belirlenmiş ve ayrıca yanıt (çalışma süresi yüzdesi) ile bağımsız değişkenler (bileşenlerin konsantrasyonları) arasındaki ilişkiyi ortaya koyan ikinci dereceden bir polinom denklemi (R2=0,9521) türetilmiştir. Sonuç olarak, dondurucuların uzun süre az enerji ile çalıştırılmasına olanak sağlayabilecek maliyeti düşük, kolay bulunabilen ve toksik olmayan alternatif bir FDM önerilmiştir.

Freezers are widely used for the preservation of temperature-sensitive and perishable food items due to their ability to maintain the required temperature Although the theoretical internal air temperature of the freezer is set to -18°C, it is often recorded above the recommended temperature. This deviation can lead to a loss of quality in frozen products and may result in significant energy consumption to achieve the required temperature. Therefore, to prevent these undesirable results, the operation of cooling systems frequently involves phase change materials (PCMs). In this study, the performance of a cooling system simulating a freezer operating at temperatures higher than the recommended temperature (-5°C to -13°C) was tested both with and without PCMs. As PCM, sodium chloride (NaCl) solutions were utilized due to its suitable phase change temperature, and different concentrations of carboxymethyl cellulose (CMC) as thickening and borax as nucleating agents were mixed with these solutions. Firstly, the experimental effects of different concentrations of NaCl (4.0 and 16.0 weight %), CMC (0.0-1.5 weight %) and borax (0.0-2.0 weight %), was investigated for this cooling system. All results indicate that the freezer performance is significantly dependent on both NaCl and agent concentrations. 4.0 wt.% NaCl -1.0 wt.% CMC-1.0 wt.% borax solution was determined as the more suitable PCM. In addition, this study aimed to identify the optimum PCM for minimizing the energy consumption of a freezer. A set of PCM formulations based on sodium chloride (4.0-8.0 wt.%)- carboxymethyl cellulose (0.5-1.5 wt.%) and water binary system including borax (0.0-2.0 wt.%) were tested for the cooling system simulating a freezer operating between -5℃ and -13℃. The experimental results were evaluated by Response Surface Methodology (RSM) based on the Box-Behnken design. Thus, the optimum PCM formulation was determined and also a second-order polynomial equation (R2=0.9521) was developed to establish the relationship between response (running time percentage) and the independent variables (concentrations of components). In conclusion, a cost-effective, easily accessible, and non-toxic alternative FDM has been proposed that could enable freezers to operate for an extended period with minimal energy.