Development of an innovative and efficient cryogenic refrigeration system for mobile applications

This thesis introduces a novel cryocompressed air refrigeration system optimized for mobile applications, specifically designed to enhance both safety and efficiency by replacing nitrogen, a commonly used refrigerant that poses asphyxiation risks, with cryocompressed air. The study develops and validates a comprehensive thermodynamic model to accurately simulate air behavior under cryogenic conditions. This model employs an in-house numerical framework used to predict the system’s cooling performance under various conditions, including initial temperature, insulation quality, and different target operating temperatures. The refrigeration system is tested in two distinct configurations, each tailored to meet specific application demands. The Simple configuration, in which air is released directly into the refrigerated compartment through an expansion valve, is designed for compact applications and short-haul transport. The Complete configuration includes a turbine to increase cooling efficiency, making it suitable for long-haul and high-performance applications. The operational cooling power of both configurations is mapped over a wide range of loading conditions, including varied pressures and initial temperatures. This analysis not only establishes the performance metrics of each configuration but also highlights the efficiency difference between them, with the Simple configuration generally showing a 30-35\% lower cooling efficiency than the Complete configuration at an initial cryogenic load temperature of 120 K. This efficiency gap further widens to 45–60\% at higher initial temperatures. A sensitivity analysis of temperature variations shows that pressure fluctuations have minimal impact on cooling efficiency below 130 K. However, in the 130–170 K range, increased pressure substantially enhances cooling performance by influencing both the mass flow rate and enthalpy of the air. Above 160 K, pressure primarily affects only the loading mass, yielding limited efficiency improvements. The system demonstrates effective temperature control for sensitive goods such as vaccines, maintaining consistent temperatures around 200 K, while applications like food transport exhibit extended cooling capabilities; the system can maintain a set temperature of 2°C for up to 48 hours, ensuring food safety and quality over prolonged transport durations. The findings confirm that cryocompressed air is a viable, safe, and efficient alternative to nitrogen-based cryogenic systems, suitable across a wide range of temperatures and operational conditions. The thesis concludes with recommendations for further optimization and an outline for an experimental campaign on a dedicated test bench, aimed at validating and refining the results obtained through the mathematical and numerical models.

Questa tesi presenta un innovativo sistema di refrigerazione a aria criocompressa ottimizzato per applicazioni mobili, progettato per aumentare sicurezza ed efficienza sostituendo l’azoto, un refrigerante comunemente usato ma con rischi di asfissia, con aria criocompressa. Lo studio sviluppa e valida un modello termodinamico completo per simulare con precisione il comportamento dell'aria in condizioni criogeniche. Si è sviluppata una struttura numerica per prevedere le prestazioni di raffreddamento del sistema in vari scenari, tra cui condizioni iniziali di temperatura, qualità dell'isolamento e differenti temperature operative target. Il sistema di refrigerazione è testato in due configurazioni distinte, ciascuna progettata per rispondere a specifiche esigenze applicative. La configurazione Semplice, in cui l’aria viene rilasciata direttamente nel compartimento refrigerato tramite una valvola di espansione, è destinata ad applicazioni compatte e al trasporto a breve raggio. La configurazione Completa, invece, include una turbina per aumentare l'efficienza del raffreddamento, risultando adatta per applicazioni a lungo raggio e ad alte prestazioni. I due sistemi di raffreddamento sono stati testasti su un ampio intervallo di condizioni, incluse variazioni di pressione e temperature iniziali. Questa analisi non solo stabilisce i parametri di prestazione di ciascuna configurazione, ma evidenzia anche la differenza di efficienza tra le due: la configurazione Semplice mostra generalmente un'efficienza di raffreddamento inferiore del 30-35\% rispetto alla configurazione Completa a una temperatura di carico criogenico iniziale di 120 K. Tale differenza di efficienza si amplia ulteriormente al 45-60\% a temperature iniziali più elevate. Un’analisi di sensibilità alle variazioni di temperatura mostra che le fluttuazioni di pressione hanno un impatto minimo sull’efficienza di raffreddamento al di sotto dei 130 K. Invece, nel range tra 130 e 170 K, l’aumento della pressione migliora significativamente le prestazioni di raffreddamento influenzando sia la portata di massa sia l'entalpia dell'aria. Al di sopra dei 160 K, la pressione incide principalmente solo sul flusso di massa, producendo guadagni di efficienza limitati. Il sistema dimostra un controllo efficace della temperatura per merci sensibili come i vaccini, mantenendo temperature stabili attorno ai 200 K, mentre applicazioni come il trasporto di alimenti registrano una capacità di raffreddamento prolungata; il sistema è in grado di mantenere una temperatura impostata di 2°C per un massimo di 48 ore, garantendo sicurezza e qualità degli alimenti anche durante trasporti prolungati. I risultati confermano che l’aria criocompressa è una valida alternativa, sicura ed efficiente, ai sistemi criogenici a base di azoto, adattabile a un’ampia gamma di temperature e condizioni operative. La tesi si conclude con raccomandazioni per ulteriori ottimizzazioni e con una proposta per una campagna sperimentale su un banco prova dedicato, volta a validare e perfezionare i risultati ottenuti tramite i modelli matematici e numerici.