Innovative techniques to reduce energy consumption of household refrigerators

In the last decades the legislation related to the household refrigerators forced the manufacturers to reduce the energy consumptions of the appliances. Thus we decided to study a particular refrigeration technology, called Sequential Dual Evaporator, that showed relevant benefits in lowering the energy expenses. In this thesis we chose to focus on the measure and the prevision of the energy consumptions of a refrigerator prototype coupled with different innovative technologies. In the second and third chapters, we built up the acquisition system of the relevant parameters of the refrigerator and we ran several tests to optimize the freezing temperature of the Phase Change Material that is positioned in the refrigerator cabinet. In the fourth chapter we conducted an experimental campaign to gather some experimental inputs for the simulation model of the entire thermodynamic cycle. We made several tests to understand the possible heat transfer improvements between the evaporator and the refrigerator internal air related to the adoption of different fans and multiflows (i.e. air channels) positioned on the back wall of the cabinet. In the next four chapters of the thesis, we tried to merge a new compressor model into the cycle simulation code to predict accurately the required compressor power, the refrigerant mass flow rate and the quantity of refrigerant dissolved in the lubricant oil. In particular we developed both a polytrophic and a differential model for the compressor and we compared the predicted values of the outputs to understand the benefits and the disadvantages of every model. We also generated a simple solubility model of the refrigerant in the compressor oil using the Raoult's law. In the last chapter we showed the results of the stationary simulation of the thermodynamic cycle in terms of energy consumptions of different configurations of the prototype. At the end of the thesis we proposed some suggestions for future improvements of the Sequential Dual Evaporator refrigerators.

Negli ultimi decenni la legislazione correlata ai refrigeratori domestici ha forzato i produttori a ridurre i consumi energetici di questi elettrodomestici. Pertanto si è deciso di studiare una particolare tecnologia di refrigeratori, chiamata Doppio Evaporatore Sequenziale, che ha mostrato caratteristiche positive in termini di consumi energetici. In questa tesi l'attenzione si è focalizzata sulla misurazione e sulla previsione dei consumi energetici di un prototipo di refrigeratore su cui si sono provate diverse tecnologie innovative. Nei capitoli secondo e terzo, si sono cercati di ottimizzare alcuni parametri del refrigeratore costruendo il sistema di acquisizione delle grandezze rilevanti della refrigeratore e conducendo una campagna sperimentale per capire i possibili miglioramenti che si potrebbero avere adottando dei materiali in cambiamento di fase con diverse temperature di congelamento all'interno dello scomparto frigorifero. Nel quarto capitolo, si è condotta un'altra campagna di misurazioni per avere input sperimentali per il modello di simulazione dell'intero ciclo. In particolare si sono caratterizzati diversi ventilatori e multiflow (ovvero canalizzazioni per l'aria) installati sulla parete posteriore della cavità del refrigeratore al fine di aumentare lo scambio termico lato aria tra evaporatore e aria interna allo scomparto. Nei quattro capitoli successivi del lavoro, si è cercato di integrare il codice di simulazione del ciclo con un nuovo modello di compressore che predica con accuratezza la potenza richiesta, la portata di refrigerante e la quantità di refrigerante disciolta nell'olio lubrificante. In particolare si è sviluppato sia un modello politropico che un modello differenziale del compressore confrontando i risultati prodotti e sottolineando vantaggi e svantaggi di ogni modello. Si è anche creato un semplice modello per prevedere la solubilità del refrigerante nell'olio del compressore basandosi sulla legge di Raoult. Infine nell'ultimo capitolo della tesi sono mostrati i risultati delle simulazioni stazionarie dell'intero ciclo in termini di consumi energetici di alcune particolari configurazioni del prototipo. Alla fine della tesi i risultati del lavoro hanno suggerito alcune possibili strade per alcuni miglioramenti futuri dei refrigeratori con tecnologia a Doppio Evaporatore Sequenziale.