Performance of adsorption cooling using MOF-303 adsorbent: Experimental and theoretical investigation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmed Maaty PHD thesis Final with cover-Final.pdf Restricted to Repository staff only until 6 May 2027. Download (18MB)

Arabic Abstract

تقيّم هذه الرسالة أداء أنظمة التبريد بالامتزاز باستخدام المادة الممتزة MOF-303 من خلال دراسة تجريبية ومنهج نمذجة متعددة المقاييس بشكل متكامل. في البداية، تم تحضير MOF-303 بطريقة التحضير الحراري المذابي وإجراء توصيف كامل لها باستخدام حيود الأشعة السينية، ومساحة السطح النوعية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والتحليل الوزني الحراري، إضافة إلى اختبارات الامتزاز الديناميكي للبخار. بعد ذلك، تم فحص حركية امتزاز بخار الماء تحت ظروف تفريغ مماثلة لظروف التشغيل الفعلية لأنظمة التبريد بالامتزاز، حيث أظهرت النتائج معدلات انتقال كتلي أسرع بشكل ملحوظ مقارنةً بالسيليكا جل، خاصةً ضمن مدى الضغط النسبي 10–30% المناسب لدورات التبريد، مع معاملات انتشار فعّالة تصل إلى سبعة أضعاف. كما تم قياس السعة الحرارية النوعية (SHC) لـ MOF-303 تجريبياً كدالة لدرجة الحرارة (10–95 °م) ولمحتوى بخار الماء باستخدام المسح الحراري التفاضلي، وأظهرت النتائج زيادة غير خطية مع كلٍ من درجة الحرارة ونسبة التحميل، لتصل إلى نحو 2.4 جول/جم·كلفن عند التشبع الكامل. تم بعد ذلك دمج الخصائص الحركية والحرارية المستخلصة تجريبياً في نموذج عددي احادى الابعاد، وتم التحقق من صحته بمقارنته مع بيانات منشورة. أظهرت دراسات التحليل المتغيرات أن القدرة النوعية للتبريد يمكن أن تصل إلى نحو 420 واط/كغم مع معامل أداء يتجاوز 0.6 عند ظروف التشغيل المثلى. كما تم تطوير نموذج ديناميكيات موائع حسابية يحاكي الدورة كاملةً مع تضمين الحركية عبر دوال معرفة من المستخدم، حيث أكدت النتائج تفوق MOF-303 على السيليكا جل بزمن نصف دورة أمثل يتراوح بين 200–300 ثانية وقدرة تبريد نوعية 254–257 واط/كغم، مقارنةً بـ 600–700 ثانية و128.4 واط/كغم للسيليكا جل. وأخيراً، تم تصميم وبناء نموذج تجريبي مبتكر للتحقق من الأداء الفعلي، حيث سُجّل زمن نصف دورة أمثل مقداره 360 ثانية لـ MOF-303 مقابل 600 ثانية للسيليكا جل تحت نفس الظروف التشغيلية، مع قدرة تبريد نوعية تعادل ثلاثة أضعاف ما تحققه السيليكا جل. كما أظهرت المقارنة بين النتائج التجريبية ونتائج النموذجين العددي احادى الابعاد و ديناميكيات موائع حسابية توافقاً جيداً في منحنيات درجات الحرارة وقيم القدرة النوعية، مما يؤكد موثوقية النمذجة المطوّرة. وتثبت الدراسة أن الدمج بين الحركية المحسّنة، والتوصيف الحراري الدقيق، والنمذجة المتكاملة يجعل MOF-303 مرشحاً واعداً لأنظمة تبريد عالية الكفاءة تعمل بمصادر حرارة منخفضة الدرجة.

English Abstract

This thesis evaluates the performance of adsorption cooling systems (ACS) using MOF-303 through a structured experimental and multiscale modeling investigation. First, MOF-303 was synthesized via a solvothermal method and fully characterized using PXRD, BET, SEM, TGA, and dynamic vapor sorption analyses. Its water vapor adsorption kinetics were then experimentally examined under vacuum conditions representative of real ACS operation. The results revealed markedly faster mass transfer compared to silica gel, particularly within the 10–30% relative pressure range relevant to cooling cycles, where effective diffusion coefficients were up to seven times higher. Next, the specific heat capacity (SHC) of MOF-303 was experimentally measured as a function of temperature (10–95 °C) and water vapor loading using Differential Scanning Calorimetry. The measurements showed that SHC increases nonlinearly with both temperature and uptake, reaching approximately 2.4 J. g⁻¹. K⁻¹ at full saturation. These experimentally determined kinetic and thermophysical properties were subsequently integrated into a transient lumped two-bed ACS model, which was validated against literature data. Parametric analysis and Particle Swarm Optimization identified optimal operating conditions, yielding a maximum specific cooling power of about 420 W.kg⁻¹ and COP values exceeding 0.6. Finally, a cycle-resolved CFD model incorporating user-defined adsorption kinetics was developed to capture the coupled heat and mass transfer processes within the adsorption bed. The CFD results confirmed the superior uptake swing and enhanced thermal performance of MOF-303 compared to silica gel, with an optimal half-cycle time of 200-300 s and SCP of 254-257 W.kg-1, while silica gel demonstrates 600-700 s and 128.4 W.kg-1, respectively. An experimental novel prototype has been developed to investigate the performance of the MOF-303 as an adsorbent. It was observed that the optimal cycle time was 360 s, which is much less compared to silica gel under the same operating conditions, which experienced 600 s. Comparing experimental data for SCP at optimal half-cycle times, MOF-303 and silica gel have revealed that MOF-303 could deliver three times the silica gel values. To strengthen our modelling and CFD data, both lumped and CFD results were compared to experimental data for temperature profiles and SCP values. Good agreement was observed, which ensures reliable modelling for ACS. The study demonstrates that combining enhanced kinetics, accurate thermophysical characterization, and integrated system modeling establishes MOF-303 as a strong candidate for high-efficiency, low-grade heat-driven adsorption cooling applications.