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Saglia, Pietro (2018) New frontiers and environmental sustainability of refrigeration systems. [Ph.D. thesis]

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Abstract (italian or english)

Clothes drying is a very energy-intensive process and it has a high impact in the domestic electricity consumption. In 2005, the EU-28 total energy consumption of household tumble dryers has been estimated at 21 TWh and an increase up to 30 TWh in 2020 will be expected. Therefore, there is a strong interest to improve the efficiency of these household appliances in order to reduce their energy consumption. In fact, the traditional technology of domestic tumble dryers, based on opened or closed air cycle, uses electrical heaters to warm up the process air before the entrance in the drum. Since many years, vapour compression heat pump system has been identified as a suitable technology for more efficient household tumble dryers. In the case of heat pump tumble dryers, it is of the greatest importance to pursue efficiency improvement, by focusing on the single components or process and in the general unit operation. The research focuses on the process of mass transfer in order to improve the condensation rate, leading to a faster removal of moisture. The fin surface characteristics impact on heat and mass transfer rate, as well as on air pressure losses; in a tumble dryer the selection of the surface which leads to the fastest removal of moisture from the air is crucial. For this purpose, an experimental study was undertaken to evaluate the impact of different coatings on evaporator performance during dehumidification process. Studies in the existing literature that investigate into the impact of fin coatings in dehumidification process are limited. Moreover, data at high air absolute humidity (more than 40 gv/kga) are not available in the open literature. A wind tunnel was then designed and built at the ITC-CNR of Padova for experimental investigations. A characterization of the heat exchanger behaviour in dry conditions was performed. Then, tests in dehumidification conditions were carried out to compare experimental results to a dehumidification model. Good model predictions was found using a log-mean enthalpy method (LMED) for tests with air inlet absolute humidity up to 30 gv/kga; for higher values of this parameter, the relative difference between experimental and model results increased. The model assumption of a unit value of the Lewis Factor was not verified for tests with air inlet absolute humidity higher than 30 gv/kga; a Lewis Factor equal to 0.5 was calculated. An alternative model was then considered, based on a modification of the previous log-mean enthalpy difference method (m-LMED). This model included the Lewis Factor value in the calculation of the overall heat transfer coefficient. For tests with air inlet absolute humidity higher than 30 gv/kga, relative differences below 10% was found between experimental results and m-LMED predictions. The core of the experimental activity investigated into the impact of fin coatings on heat exchanger performance in dehumidification conditions. Experimental test conditions were characterized by values of air inlet absolute humidity higher than 40 gv/kga. Three test sample with different surface characteristics were analyzed: one is the untreated aluminium surface, a second with an hydrophilic coating and a third with an hydrophobic coating. Comparisons were carried out according to the total heat transfer rate, the drain rate and the retained weight. Dehumidification tests were performed in steady state conditions at different air volumetric flow rates. The hydrophobic sample presented the lowest values of heat transfer rate and drain rate for all the investigated flow rates, but it showed the highest values of retained weight. On the other hand, the hydrophilic and the untreated samples showed similar values of heat transfer rate, drain rate and retained weight, highlighting no relevant difference between their behaviour in dehumidification conditions.

Abstract (a different language)

Il processo di asciugatura dei vestiti ha un elevato impatto nel consumo elettrico domestico. Di conseguenza, c'è un forte interesse nel miglioramento dell'efficienza energetica delle asciugatrici domestiche al fine di ridurre il loro consumo di energia. La tecnologia tradizionale di questi elettrodomestici utilizza resistenze elettriche per riscaldare l'aria prima dell'ingresso nel cesto. Da alcuni anni, i sistemi a pompa di calore sono stati identificati come la tecnologia più adatta per realizzare asciugatrici domestiche più efficienti. Nel caso di questo tipo di elettrodomestico, il miglioramento dell'efficienza del singolo componente, del singolo processo o del funzionamento generale ha un ruolo fondamentale. In particolare, lo studio si è focalizzato sullo scambio di massa all'evaporatore al fine di incrementare il tasso di condensazione, facilitando la rimozione dell'acqua dall'aria di processo. Le caratteristiche della superficie alettata dell'evaporatore influenzano lo scambio di calore, lo scambio di massa e le perdite di carico dell'aria. In un'asciugatrice, la scelta della superficie che consente di ottenere una più rapida deumidificazione è fondamentale. A questo scopo, un'indagine sperimentale è stato intrapreso al fine di valutare l'impatto di diversi rivestimenti superficiali sull'efficienza dell'evaporatore durante il processo di deumidificazione. Gli studi in letteratura inerenti all'impatto di trattamenti della superficie alettata nei processi di deumidificazione sono limitati. Inoltre, dati sperimentali in condizioni di elevata umidità assoluta non sono disponibili in letteratura. Una galleria aerodinamica è stata progettata e costruita all' ITC-CNR di Padova per le indagini sperimentali. I primi test sono stati effettuati per caratterizzare il comportamento dello scambiatore di calore in assenza di deumidificazione. Successivamente, sono state condotte prove in deumidificazione per confrontare i risultati sperimentali con un modello di deumidificazione. Buone previsioni sono state ottenute utilizzando un modello di differenza media efficace entalpica (LMED) per prove con umidità assoluta di ingresso fino a 30 gv/kga; per valori maggiori, la differenza relativa tra i risultati sperimentali e quelli del modello aumenta. Ciò è dovuto da un'invalidazione di un'ipotesi del modello che pone il fattore di Lewis pari a uno; per tali prove è stato calcolato un fattore di Lewis pari a 0.5. Perciò, è stato considerato un modello alternativo, basato su una modifica del precedente (m-LMED). Questo modello include il valore del fattore di Lewis nel calcolo del coefficiente di scambio termico totale. Per i test con umidità assoluta di ingresso maggiore di 30 gv/kga sono state trovate differenze relative inferiori al 10% tra i risultati sperimentali e quelli del modello m-LMED. La maggior parte dell'attività sperimentale ha interessato lo studio dell'impatto dei trattamenti della superficie alettata sull'efficienza dello scambiatore in deumidificazione. Le prove sperimentali sono state caratterizzate da elevati valori di umidità assoluta di ingresso, maggiori di 40 gv/kga. Tre campioni aventi caratteristiche diverse delle alette sono stati analizzati. Il primo è caratterizzato dalla superficie in alluminio non trattato, il secondo da un rivestimento idrofilico ed un terzo da uno idrofobico. Sono stati effettuati confronti in termini di potenza termica scambiata, di tasso di condensazione e di peso dell'acqua ritenuta. Le prove in deumidificazione sono state condotte in condizioni stazionarie a diverse portate volumetriche dell'aria. Il campione idrofobico ha evidenziato i più bassi valori di potenza termica scambiata e di tasso di condensazione, ma i più elevati valori di peso dell'acqua ritenuta. D'altra parte, il campione non trattato ed il campione idrofilico hanno manifestato valori simili in tutte e tre le categorie di confronto, non evidenziando particolari differenze nel loro funzionamento in deumidificazione.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Zilio, Claudio
Supervisor:Minetto, Silvia
Ph.D. course:Ciclo 31 > Corsi 31 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:29 November 2018
Anno di Pubblicazione:30 November 2018
Key Words:Tumble dryer, Refrigeration, Finned coil, Surface coatings.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/10 Fisica tecnica industriale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:11483
Depositato il:14 Nov 2019 13:53
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