Development of a novel hybrid frost detection and defrost system for refrigeration systems and its applications
Soğutma sistemleri ve uygulamaları için yeni bir hibrit don algılama ve buz çözme sisteminin geliştirilmesi
- Tez No: 749785
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Biyolojik örneklerin tekrar tekrar toplanması ve daha sonraki bir aşamada analizler için korunması, biyomedikal araştırmanın önemli bir yönüdür. Uygun saklama koşulları sağlanmazsa, dünya çapında her gün toplanan milyonlarca numune bozulabilir. Bu nedenle, bu numunelerin zaman içinde bütünlüğünü koruyacak kadar verimli bir depolama tesisine sahip olmak zorunludur. Soğutma sistemleri, depolama tesislerinde uygun termal koşulları koruyarak numunelerin bozunma sürecini geciktirmede çok önemli bir rol oynamaktadır. Ancak, soğutma sisteminin aralıksız çalışması ve depolama tesisi içinde nem bulunması, evaporatör yüzeyinde buzlanma ile sonuçlanabilir. Buzlanma, buzdolabı kabini içindeki ısı transfer sürecini doğrudan etkilediğinden, soğutma sistemlerinin performansına çok zarar veren bir durumdur. Kompresör üzerindeki iş yükü, buzlanma koşullarında çok artar ve buzdolabı istenen sıcaklığı korumak için yüksek efor sarfeder. Buna bağlı olarak, enerji tüketimi ve depolanan numunelerin zamanla bozulma olasılığı artar. Ticari soğutma sistemleri, herhangi bir buz tespit çalışması olmaksızın tek taraflı/geri beslemesiz ve periyodik bir buz çözme döngüsü kullanır, bu da daha düşük verimliliğe yol açar. Bu nedenle, yalnızca buz varlığını tespit etmekle kalmayan, aynı zamanda depolanan numunelerin kalitesini etkilemeden istenildiği anda evaporatörün buzunu çözmek için önlemler alan akıllı bir sisteme ihtiyaç vardır. Bu çalışmanın ilk bölümünde, yeni bir foto-kapasitif algılama tekniği ve eklemeli üretimle üretilebilir sensör ve buz çözme ısıtıcısından oluşan bir hibrit buz algılama – buz çözme sistemi (hybrid frost detection – defrosting system: HFDDS) geliştirilmiştir. HFDDS don oluşumunu algılayabilir, %5 hata payıyla 1,3 ila 8 mm arasında buz kalınlığını ölçebilir ve kritik donma kalınlığına ulaşıldığında bir defrost tepkisini tetikleyebilir. HFDDS, soğutma sistemleri için verimsiz kör/tek taraflı ve periyodik buz çözme yerine isteğe bağlı bir buz çözme sağlamayı hedefler. Bu araştırmanın ikinci bölümünde, gerçek zamanlı buz kalınlıklarını kullanan soğutma sistemi için istenen anda çalışan yeni bir buz çözme yaklaşımı sunulmaktadır. İlk bölümde geliştirilen hibrit don algılama ve buz çözme sistemi, gerçek zamanlı olarak don kalınlığını ölçmek ve 12 W'lık bir ısıtıcı kullanarak evaporatörün buzunu çözmek için kullanılmıştır. Donma bazlı defrost eşiğinin kalınlığının buzdolabının enerji tüketimine etkisi değerlendirilmiştir. 6 mm'lik buz çözme eşiği, test buzdolabının varsayılan kör ve periyodik buz çözme stratejisine kıyasla maksimum %10 enerji tasarrufu sağlar. Bu araştırma çalışmasının üçüncü bölümünde, defrost uyumsuzluğunu en aza indirmek için yeni, donma geri beslemesine dayalı dağıtılmış bir buz çözme yaklaşımı önerilmiştir. Evaporatör, donma dağılım modeline göre üç bölgeye ayrılmıştır. Bu bölgelerin her biri, bir optik donma geri besleme sensörü tarafından kontrol edilen, eklemeli üretilmiş düşük güçlü bir buz çözme ısıtıcısı ile donatılmıştır. Donma geri bildirimine dayalı dağıtılmış yaklaşımın, buz çözme senkronizasyonsuzluğunu ortadan kaldırmada etkili olduğu kanıtlanmıştır. Donma geri bildirimi, dağıtılmış/ayrıklaştırılmış bölgedeki buz erir erimez sistemin defrost işlemini sonlandırmasını sağlar, ve bu da defrost enerjisini önemli ölçüde azaltır. Dağıtılmış yaklaşım, buz çözme sırasında kabin sıcaklığındaki artışı en aza indirir ve bu nedenle sonraki döngüde harcanan enerjinin azalmasına yol açar. Donma geri beslemesine dayalı dağıtılmış yaklaşımın sonuçları, hali hazırda varolan tek bir buz çözme ısıtıcısı kullanılan sıcaklığa dayalı stratejiyle karşılaştırıldı. Ayrı ayrı konumlandırılan üç defrost ısıtıcının 6 W'ta donma geri beslemesi temelli çalışması, sıcaklığa dayalı stratejiye kıyasla maksimum toplam enerji tasarrufunun %18,9 olduğunu gösterdi.
Özet (Çeviri)
The repetitive collection of biological samples and their preservation for analyses at a later stage is a key aspect of biomedical research. Millions of samples collected every day around the world may degrade if proper storage conditions are not provided. Therefore, it is imperative to have a storage facility that is efficient enough to preserve the integrity of these samples over time. Refrigeration systems play a crucial role in delaying the degradation process of samples by maintaining suitable thermal conditions in storage facilities. However, the unremitting operation of the refrigeration system and the presence of moisture inside the storage facility may result in frosting on the surface of the evaporator. The frosting is a phenomenon most detrimental to the performance of refrigeration systems, as it directly affects the heat transfer process inside the refrigerator cabin. The workload on the compressor increases many folds under frosting conditions and the refrigerator struggles to maintain the desired temperature. Consequently, the energy consumption and the probability of stored samples degradation over time increases. The commercial refrigeration systems use a blind and periodic defrosting cycle without any quantification of frost, which leads to lower efficiencies. Therefore, there is a need for an intelligent system that not only detects the presence of frost but also takes countermeasures to defrost the evaporator on-demand, without affecting the quality of stored samples. In the first part of this research study, a hybrid frost detection – defrosting system (HFDDS) is developed that is comprised of a novel photo-capacitive sensing technique and a dual-purpose additively manufacturable sensor and defrosting heater. The HFDDS can detect the formation of frost, measures the thickness of frost from 1.3 to 8 mm with a 5% margin of error, and triggers a defrosting response once a critical frost thickness is attained. The HFDDS is targeted to provide a defrosting on-demand instead of the inefficient blind and periodic defrosting for the refrigeration systems. In the second part of this research study, a novel real-time thickness of the frost-based defrost-on demand technique is presented for refrigeration systems. The hybrid frost detection and defrost system developed in the first part, is employed to quantify the thickness of frost in real-time and to defrost the evaporator using a 12 W heater. The effect of the thickness of the frost-based defrost threshold on the energy consumption of the refrigerator is evaluated. The defrost threshold of 6 mm yields the maximum energy conservation of 10% as compared to the default blind and periodic defrost strategy of the test refrigerator. In the third part of this research study, a novel, frost feedback-based distributed defrosting approach to minimize the defrost desynchronization is proposed. The evaporator is divided into three regions based on the frost distribution pattern. Each of these regions was equipped with an additively manufactured low-powered defrost heater controlled by an optical frost feedback sensor. The frost feedback-based distributed approach proved to be effective in eliminating the defrosting desynchronization. The frost feedback enables the system to terminate defrosting as soon as the frost in the discretized region melts, which reduced the defrost energy significantly. The distributed approach minimizes the rise in the cabin temperature during defrosting and therefore, leads to the reduction of energy spent in the subsequent recovery cycle. The results of the frost feedback-based distributed approach were compared to the default temperature-based strategy using a single defrost heater. The frost feedback-based operation of the three distributed defrost heaters at 6 W each demonstrated maximum overall energy conservation of 18.9% as compared to the default temperature-based strategy.
Benzer Tezler
- Evaluation of material options for electrical power supplying and protective wearable equipment
Koruyucu ve elektrik gücü sağlayıcı askeri kıyafetlere yönelik malzeme seçeneklerinin değerlendirilmesi
MURAT KAAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Savunma ve Savunma TeknolojileriAbdullah Gül ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ERDEM
- Development of novel hybrid rocket internal ballistic configuration for in-space applications
Uzay uygulamaları için özgün hibrit roket iç balistik konfigürasyonu geliştirilmesi
MEHMET KAHRAMAN
Doktora
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Kaotik kril sürüsü optimizasyon yönteminin geliştirilmesi ve süspansiyon parçasının optimizasyonu
Development of chaotic krill herd optimization method and optimization of suspension part
HALİL BİLAL
Doktora
Türkçe
2021
Otomotiv MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERRUH ÖZTÜRK
- Hybrid particle swarm optimization algorithm for obtaining Pareto front of discrete time-cost trade-off problem
Kesikli zaman-maliyet ödünleşim problemlerinde Pareto eğrisinin melez kuş sürüsü optimizasyon algoritmasi ıle oluşturulmasi
SAMAN AMİNBAKHSH
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RIFAT SÖNMEZ
- San Andreas ve Kuzey Anadolu Fay Hatlarının benzerliklerinden faydalanarak oluşabilecek depremlerin büyüklük tahmini için özgün bir hibrit topluluk modelinin geliştirilmesi
Development of a novel hybrid ensemble model for the estimation of earthquake magnitudes based on similarities between the San Andreas and North Anatolian Fault Lines
ELİF ÖZCEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Arel ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR KARADAYI ATAŞ