Studio sperimentale e modellistico di innovazioni tecnologiche a livello componentistico e di sistema nel campo della refrigerazione: ottimizzazione e valutazione delle prestazioni termo-economiche-ambientali

Most of the cooling and heating appliances, both for refrigeration and air conditioning purposes, employ vapor compression cycles, due to their efficiency in energy conversion. Currently, refrigeration and air condition account for the 17% (almost 4000 TWh/year) of the total electricity consumption worldwide, and this share is likely to rise remarkably, due to the enormous increase of the installed units expected by 2050. Technologies employing vapor compression cycles are responsible for a huge environmental impact, both indirect and direct. The indirect environmental impact is related to the pollutant emissions due to the electricity generation, that is currently produced mainly (80%) by means of non-renewables sources. This aspect causes the emission of substances, such as CO2 and other greenhouse gases, that lead to an increase of the Earth average temperature, expected by 2100 to be 3.6°C higher compared to the preindustrial levels. The direct environmental impact, instead, is connected to the release in atmosphere of hydrofluorocarbons (HFC) refrigerants with high global warming potential (GWP). This scenario can be partially mitigated by implementing the following policies: from one side, higher efficiency both at component and at system level, that lead to a reduction of the energetic consumption and the related indirect environmental impact. From the other side, the reduction of the direct environmental impact can be achieved with the ban of high GWP refrigerants and the use of alternative eco-friendly substances. For these reasons, the aim of the present thesis is to deepen the mentioned issues with a double approach, both modelling and experimental, to analyse the performance of low-GWP refrigerants and to investigate the innovations both at component and at system levels, to define the efficiency, the economic feasibility and the competitiveness on the market. As regards the innovation at components level, both compressors and heat exchangers are addressed. Particularly, a numerical thermo-economic analysis of a linear compressor is firstly proposed, with the purpose to highlight the main design parameters having the higher influence on the compressor performance and costs in order to optimize its design. Concerning the heat exchangers, an experimental investigation on the flow boiling heat transfer coefficient and pressure drop measurement of low-GWP refrigerants (mixtures R454C and R455A) is performed. The experimental data collected allow to carry out a critical assessment of several predictive methods available in scientific literature, in order to provide useful information to engineers involved in the heat exchangers design process. As regards the innovation in cold production systems, a thermodynamic model of a ejector hybrid cycle is developed. The novel cycle is made up by a direct/indirect system, with the presence of an ejector that allows to compress the refrigerant without using a compressor. The proposed thermodynamic cycle provides the cool production by means of solar energy or waste heat from industrial processes, allowing a reduction of the electricity consumption. The system under investigation has been optimized for different applications, that are residential air conditioning by using the solar energy and the air conditioning system of a cruise ship, exploiting the residual heat of the exhaust gas released from the propulsion diesel engines. The thermo-economic comparison highlighted the convenience of these systems with respect to traditional electric chillers, especially in scenarios with high specific cost of the electric energy and of the fossil fuels.

La quasi totalità delle macchine per la climatizzazione e la refrigerazione impiegano cicli a compressione di vapore, caratterizzati da un’elevata efficienza nella conversione energetica. Attualmente, questi settori contribuiscono al 17% dei consumi totali di elettricità, quota destinata ad aumentare notevolmente, in quanto che le attuali unità installate (circa 4 miliardi) triplicheranno entro il 2050. Le tecnologie adoperanti cicli a compressione di vapore sono anche responsabili di un notevole impatto ambientale, sia indiretto che diretto. Riguardo il primo, esso è dovuto alle emissioni inquinanti causate dalla produzione di energia elettrica, prodotta in larga parte (80%) da fonti non rinnovabili. Ciò determina emissioni di sostanze climalteranti, responsabili dell’incremento della temperatura superficiale media della Terra, che nel 2100 potrebbe diventare di 3.6°C superiore rispetto ai livelli preindustriali. L’impatto ambientale diretto è invece connesso all’impiego di fluidi refrigeranti ad alto GWP. Tale scenario può essere parzialmente mitigato tramite l’adozione delle seguenti politiche: da un lato, la riduzione dei consumi energetici e del conseguente impatto ambientale indiretto, che passa attraverso l’implementazione di soluzioni che permettano di aumentare sia l’efficienza dei singoli componenti che dell’intero sistema. In secondo luogo, la riduzione dell’impatto diretto tramite sostituzione dei refrigeranti ad alto effetto serra con fluidi ecocompatibili. Di conseguenza, l’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di affrontare tali problematiche, con un approccio sia modellistico che sperimentale, al fine di investigare le prestazioni di refrigeranti a basso impatto ambientale e studiare le innovazioni sia a livello componentistico che di configurazione impiantistica, caratterizzandone l’efficienza, la fattibilità economica e la competitività sul mercato. In relazione alle innovazioni sui componenti di impianto, sia i compressori che scambiatori di calore sono oggetto di questo studio. In particolare, viene proposto uno studio numerico di un compressore lineare, con l’obiettivo di effettuarne un’analisi termo-economica ed individuare su quali parametri costruttivi risulta più conveniente agire per avere dei benefici sia in termini prestazionali che economici. Per gli scambiatori di calore, invece, è stato condotto uno studio sperimentale per la misura del coefficiente di scambio termico e delle perdite di carico durante l’evaporazione in tubi di refrigeranti a basso impatto ambientale (miscele R454C e R455A). La raccolta di dati sperimentali consente di effettuare una valutazione critica dei metodi predittivi presenti in letteratura, per fornire informazioni utili ai progettisti di scambiatori di calore circa le migliori correlazioni da impiegare per la valutazione del coefficiente di scambio termico di questi nuovi refrigeranti. In relazione alle innovazioni sui sistemi di produzione del freddo, è stato sviluppato un modello termodinamico di un ciclo ibrido ad eiettore, composto dall’unione di un ciclo diretto ed un ciclo inverso. L’eiettore permette la compressione del refrigerante senza l’impiego del compressore azionato elettricamente. Questo nuovo ciclo termodinamico, consentendo la produzione dell’effetto frigorifero tramite energia solare o calore di scarto da processi industriali, comporta una notevole riduzione dei consumi del sistema. Il sistema in esame è stato ottimizzato con riferimento a particolari applicazioni, riguardanti la climatizzazione residenziale o di navi da crociera, sfruttando, rispettivamente, energia solare o l'energia residua contenuta nei gas di scarto dei motori propulsivi. Il confronto termo-economico con la tecnologia di riferimento ha evidenziato la particolare convenienza di questi sistemi, ulteriormente incrementata con scenari di aumento del costo specifico dell'energia elettrica e dei combustibili fossili.