Study of innovative techniques aimed at reducing energy consumption in domestic refrigeration system

The most popular cold appliances in EU are combined two doors refrigerator-freezers. The two compartments function at very diverse air temperatures usually 4°C and -18°C. Nevertheless only the models with two compressors are currently able to evaporate refrigerant at two significantly different evaporation temperatures to match compartments air temperatures. This PhD activity focused on the particular refrigeration circuit called sequential dual evaporator (SDE) which operates freezer (FC) and refrigerator (RC) compartments evaporators in an alternative mode with single compressor. Hence only one evaporator is cooled at the time and high evaporation temperature and COP can be achieved during RC operation. The principal problem of the SDE system is an extremely large cooling capacity delivered by volumetric compressor and low heat transfer rate at increased RC evaporation temperature. Two innovative concepts of SDE circuit with variable speed compressor are presented in this work. The first concept employs phase change material in direct contact with visible RC evaporator to accumulate high cooling capacity. PCM then continuously absorbs heat from the RC air by natural convection at very small heat rate which has positive effect on the fresh food preservation. The RC air temperature is much more stable and resistance of the RC to grid power failure is improved. The second concept implements supplementary loop attached to the freezer liquid line, which by passing through RC PCM can additionally subcool liquid refrigerant and shift load from the FC to RC. Theoretically shifting thermal load to RC improves overall appliance COP. Both concepts were turned to the appliance prototypes and experimentally tested. Performance of SDE-PCM concept was compared to the performance of the baseline SDE circuit without PCM. The SDE-PCM concept showed significant improvement in the RC COP up to 29% and overall appliance COP was raised by 9%. It was also understood that refrigerant migration and design of condenser play essential role in reaching high efficiency. RC air temperature was stabilized and the RC compressor OFF period was extended from 1 hour to almost 13 hours. The concept with additional subcooling loop didn't confirm expected energy efficiency benefit and suggestions for further studies were drawn.

I refrigeratori domestici maggiormente diffusi nell'UE sono refrigeratori combinati frigorifero-congelatore tipicamente con due porte di apertura. I due scomparti operano a temperature molto diverse, tipicamente 4°C e -18°C. Tuttavia, solo i modelli con due compressori sono attualmente in grado di far evaporare il fluido refrigerante a due temperature di evaporazione molto diverse tra loro in modo avvicinarsi alle temperature dell’aria dei compartimenti. L’attività di dottorato si focalizza su un particolare circuito frigorifero chiamato “sequential dual evaporator” (SDE, ovverosia circuito a doppio evaporatore sequenziale) che attiva gli evaporatori del reparto congelatore (FC) e del reparto frigorifero (RC) in modo alternato utilizzando un singolo compressore. In questo modo, solamente un solo reparto alla volta è raffreddato consentendo di raggiungere più alte temperature di evaporazione e, conseguentemente, maggiori COP durante il funzionamento del reparto RC. Il problema principale del sistema SDE è una potenza di raffreddamento estremamente elevata prodotta dal compressore volumetrico ed uno scambio termico modeste alle elevate temperature di evaporazione proprie del funzionamento del reparto RC. Due prototipi innovativi di circuito SDE con compressore a velocità variabile sono introdotti in questo lavoro. Il primo prototipo impiega un materiale a cambiamento di fase (PCM) a contatto diretto con l’evaporatore del reparto RC per accumulare un’elevata quantità di energia durante il raffreddamento. Esaurita la fase di carica del PCM, questo scambia continuamente calore con l'aria del reparto RC con un meccanismo di convezione naturale con un tasso di scambio molto modesto che ha un effetto positivo sulla conservazione degli alimenti freschi. Di conseguenza, la temperatura dell'aria nel reparto RC è molto più stabile ed il reparto RC resistenza può operare per periodi prolungati anche in caso di interruzione improvvisa dell’alimentazione della rete eletrica. Il secondo prototipo realizza un circuito aggiuntivo collegato alla linea del liquido in ingresso all’evaporatore del reparto congelatore. Il refrigerante, passando attraverso il PCM del reparto RC, va incontro ad un forte sottoraffreddamento che risulta in uno spostamento del carico termico dal reparto FC al reparto RC. Teoricamente lo spostamento del carico termico al reparto RC migliora il COP complessivo del refrigeratore domestico. Le prestazioni di entrambi i prototipi sono state analizzate sperimentalmente. Le prestazioni del prototipo del circuito SDE con PCM sono state confrontate con le prestazioni del circuito SDE senza PCM. Il prototipo SDE-PCM ha mostrato un miglioramento significativo della COP del reparto RC fino al 29% ed un miglioramento del COP complessivo del refrigeratore domestico pari al 9%. Inoltre, l’analisi ha permesso di comprendere che la migrazione del refrigerante ed il design del condensatore svolgono un ruolo essenziale nel raggiungimento di elevate efficienze. Infine, la temperatura dell’aria del reparto RC è stata stabilizzata e il periodo di spegnimento del compressore per il raffreddamento del reparto RC è stato prolungato da 1 ora a quasi 13 ore. Il prototipo di circuito che prevede il sottoraffreddamento aggiuntivo del refrigerante non ha mostrato dei benefici significativi in termini di efficienza energetica, lasciando aperta la possibilità a miglioramenti futuri di cui è stata delineata una traccia.