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Mancini, Ferdinando (2011) ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENTS OF HOUSEHOLD HEAT PUMP SYSTEMS. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Sustainable development is one of the major challenges that humanity faces today. The rational use of energy resources and the increase of systems efficiency seems to be an important task for all contexts of modern life, from industry to transport and household appliances. The interest on this subject is justified not only by the price of energy, which can potentially increase, but also by the need to reduce emissions of gases, which are thought to be responsible for global warming.
This work wants to present innovative solutions for the energy efficiency improvement of household heat pump systems, with particular reference to heat pump dryers, domestic refrigerators and tap water heat pumps.
Since clothes drying is a very energy-intensive process, in recent years much attention has been paid to the development of energy efficient dryers. The heat pump has been recognised as a very attractive technology for this application. Actual interest is focused on finding good alternatives to halocarbon refrigerants. Because it’s safe for domestic rooms, carbon dioxide is regarded as a possible substitute for the traditional synthetic compounds. In this research work, the CO2 transcritical cycle is compared with the traditional R134a subcritical cycle. The comparison is carried out with a theoretical analysis and experimental tests, returning a positive assessment for CO2 as working fluid.
Tap water heat pumps are considered a privileged application for the employment of CO2 as refrigerant. This work presents an innovative upper cycle pressure control logic to face the optimisation problem, and also reports an experimental investigation of CO2 heat pump prototype, using a double wall plate heat exchanger gas cooler. This solution was studied as a possibility to reduce the risk of tap water contamination with lubricant oil.
Here some innovative solutions for the energy efficiency improvements of household refrigerators are presented. An experimental study was carried out on a under-counter refrigerator to analyse the effect of the operating cycling frequency on the electric consumptions. The experimental results show a reduction in energy consumption when the frequency of the compressor start-up increases.
To better understand these issues it was developed a dynamic simulation model for evaporators, based on the “moving boundary” scheme. Temporal integration of core variables makes the mean void fraction to be time-variant. The use of this kind of variables improves the model accuracy and speed, with respect to boundary variables, when the compressor start-up is simulated. This choice was considered suitable to simulate household refrigerators, which typically work with continuous on/off cycles.
Finally it’s presented an innovative solution for the energy efficiency improvement of total no-frost combi refrigerators. In these systems the fresh food compartment is cooled by air streams coming from the freezer. Therefore, the refrigeration unit produces the cooling effect at a temperature which is suitable for the freezer, but considerably colder than what is needed for the fridge. Consequently the system works with the thermodynamic disadvantage of supplying the cooling power at the lowest level of temperature. It was studied a combined household refrigerator (fridge/freezer), which works with a single refrigeration unit, but with two different air-loops. The unit consists of a single evaporator, which is employed to cool both the compartments. The air flow, involving the heat exchanger, comes alternately from the fridge or from the freezer. In this way the system works at two different evaporating temperatures, improving the thermodynamic efficiency when the fresh food compartment requires the cooling supply.

Abstract (italiano)

Lo sviluppo sostenibile rappresenta una delle più importanti sfide che oggi l’umanità deve affrontare. L’uso razionale delle risorse energetiche e l’aumento dell’efficienza dei sistemi che le utilizzano, è un importante obiettivo per tutti i contesti della vita moderna, dal settore industriale, ai trasporti, agli elettrodomestici di uso quotidiano. L’interesse verso questo tema è giustificato, non solo dal prezzo dell’energia in potenziale aumento, ma anche dalla necessità di ridurre le emissioni dei gas che sono ritenuti responsabili del riscaldamento globale.
Questo lavoro si inquadra nello studio di soluzioni tecnologiche innovative volte al miglioramento dell’efficienza energetica di apparecchiature domestiche, più precisamente macchine che operano con un ciclo inverso a compressione di vapore. In particolare verrà fatto riferimento ad asciugabiancheria a pompa di calore, refrigeratori domestici e pompe di calore per il riscaldamento di acqua calda sanitaria.
Come è noto, le asciugatrici domestiche realizzano un processo termodinamico che richiede un elevato dispendio energetico. Per questo motivo negli ultimi anni si è dato molto spazio alla ricerca di soluzioni che ne possano ridurre i consumi elettrici, trovando nella tecnologia della pompa di calore una significativa possibilità di miglioramento. Oggi l’attenzione è rivolta a incrementarne ulteriormente l’efficienza energetica e a trovare dei sostituiti ai tradizionali fluidi refrigeranti alogenati per ridurne l’impatto sull’ambiente. Poiché non è né tossica né infiammabile, l’anidride carbonica è perfettamente compatibile con gli ambienti domestici, ed è vista come un possibile sostituto dei composti sintetici. In questo lavoro il ciclo transcritico ad anidride carbonica viene messo a confronto, sia su base teorica che sperimentale, con il ciclo subcritico a R134a. I risultati di questa indagine mostrano buone prospettive per l’impiego della CO2 in questa applicazione.
Nella sezione successiva verranno approfonditi aspetti teorici e tecnologici delle pompe di calore dedicate al riscaldamento di acqua calda sanitaria, applicazione in cui il ciclo transcritico ad anidride carbonica risulta essere molto efficace. L’analisi prevede lo studio di logiche di controllo di tipo adattativo per l’ottimizzazione della pressione superiore di ciclo. Sarà inoltre presentato uno studio sperimentale di macchine operanti con gas-cooler a piastre a doppia parete, impiegato per ridurre il rischio di contaminazione del circuito idraulico.
Verranno poi approfondite alcune tematiche legate al miglioramento dell’efficienza energetica dei refrigeratori domestici. Si riportano i risultati di un’indagine sperimentale condotta su un frigorifero domestico di tipo “sottotavolo”, i cui consumi elettrici sono stati monitorati al variare della frequenza ciclica di accensione del compressore. Per questa apparecchiatura è stata registrata una significativa riduzione dei consumi ad elevati frequenze.
Per approfondire ulteriormente questi temi, mediante simulazione numerica, è stato sviluppato un modello per evaporatori in regime di funzionamento dinamico, seguendo uno schema di tipo “moving boundary”. Un’opportuna scelta delle variabili di stato (nello specifico, variabili corrispondenti a proprietà medie e non a grandezze di confine del modello) ha permesso di tenere conto delle variazioni nel tempo del grado di vuoto medio della zona bifase e di conseguire una maggiore velocità di simulazione dei transitori di avviamento del compressore. Questo modello è stato quindi sviluppato appositamente per la simulazione di refrigeratori domestici che operano in regime ciclico di funzionamento.
Infine, nell’ottica del miglioramento dell’efficienza dei refrigeratori domestici combinati di tipo total-no-frost, viene presentata una soluzione innovativa per il ciclo termodinamico. In queste apparecchiature il vano dei prodotti freschi viene di solito raffreddato facendo circolare una piccola portata d’aria proveniente dal vano dei prodotti surgelati. Questo tipo di funzionamento è inefficiente, in quanto la potenza frigorifera viene erogata al più basso livello di temperatura. La soluzione studiata prevede, invece, di convogliare alternativamente verso l’evaporatore due flussi d’aria che raffreddano distintamente i due vani refrigerati. Così facendo è possibile differenziare due livelli di temperatura per la produzione della potenza frigorifera, conseguendo un aumento dell’efficienza energetica quando l’unità opera al raffreddamento del vano a temperatura positiva.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Doretti, Luca
Correlatore:Fornasieri, Ezio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 23 > Scuole per il 23simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > ENERGETICA
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2011
Parole chiave (italiano / inglese):heat pump, CO2, R744, household, domestic, appliances, dryer, tap water, refrigerator, combi refrigerator,
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/10 Fisica tecnica industriale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Codice ID:3667
Depositato il:29 Lug 2011 15:05
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