• No results found

Energy Efficiency Improvements in Household Refrigeration Cooling Systems

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Energy Efficiency Improvements in Household Refrigeration Cooling Systems"

Copied!
115
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

   

Energy Efficiency Improvements in Household  Refrigeration Cooling Systems 

   

Doctoral Thesis  By 

Erik Björk 

 

Division of Applied Thermodynamics and Refrigeration  Department of Energy Technology 

Royal Institute of Technology   

Stockholm, Sweden 2012   

Trita REFR Report 12/02  ISSN 1102‐0245 

ISRN KTH/REFR/12/02‐SE  ISBN 978‐91‐7501‐306‐0 

© Erik Björk 2012 

   

(2)
(3)

Abstract

This thesis is based on eight articles all related to the characteristics of the cooling system and plate  evaporator of a household refrigerator. Through these articles, knowledge is provided that can be  used to increase the operational efficiency in household refrigeration. Papers A, B and C focus on  heat transfer and pressure drop in a commonly used free convection evaporator – the plate 

evaporator. Applicable correlations are suggested on how to estimate the air side heat transfer, the  refrigerant side pressure drop and the refrigerant side heat transfer. Papers D, E and F hold a unique  experimental study of the refrigerant charge distribution in the cooling system at transient and  steady state conditions. From this cyclic losses are identified and estimated and ways to overcome  them are suggested. In paper G the topic “charging and throttling” is investigated in an unparalleled  experimental study based on more than 600 data points at different quantities of charge and  expansions device capacities. It results in recommendations on how to optimize the capillary tube  length and the quantity of refrigerant charge. Finally, Paper H holds a thermographic study of the  overall cooling system operating at transient conditions. Overall, a potential to lower the energy use  by as much as 25 % was identified in the refrigerator studied. About 10 % was found on the 

evaporator’s air side. 1‐2 % was identified as losses related to the edge effect of the evaporator  plate. About 8 % was estimated to be cyclic losses. About 5 % was found in cycle length optimization.  

It is believed that most of these findings are of general interest for the whole field of household  refrigeration even though the results come from one type of refrigerator. Suggestions of simple  means to reduce the losses without increasing the unit price are provided within the thesis.       

Sammanfattning

Avhandlingen innehåller åtta artiklar som behandlar karaktäristiken hos kylsystemet och förångaren i  ett hushållskylskåp. I artiklarna finns kunskap som syftar till att minska elenergiförbrukningen i kyl  och frysskåp. Artiklarna A, B och C fokuserar på värmeöverföring och tryckfall i en vanligt 

förekommande kylskåpsförångare. Användbara beräkningssamband föreslås vilket är viktiga redskap  för den som vill utforma förångare med hög effektivitet. Artiklarna D, E och F fokuserar på 

kylsystemets köldmediefördelning från vilka de cykliska förlusterna identifieras och uppskattas. I  artikel G undersöks hur systemets energiförbrukning beror av systemets fyllnadsmängd och  strypning. Resultatet är rekommendationer om hur dessa parametrar ska optimeras. Artikel H  innehåller en termografisk studie av kylsystemet under cyklisk drift. Totalt identifierades en potential  att minska energiförbrukningen med motsvarande ca 25 % i det undersökta kylskåpet. Omkring 10 %  återfanns på förångarens luftsida. 1‐2 % var kantförluster på kylskåpsförångaren. Omkring 8 % var  cykliska förluster. Ca 5 % lägre energiförbrukning erhölls med kortare cykellängd.  Resultaten har ett  allmänt intresse för hela kyl‐ och frysskåpsbranschen även om resultaten kommer från studier av ett  kylskåp. Avhandlingen innehåller förslag på enkla åtgärder som syftar till att minska de identifierade  förlusterna utan att öka kylskåpets pris.  

Keywords: Household refrigerator, Domestic refrigerator, Free convection, Plate evaporator, Heat  transfer, Flow boiling, Isobutane, R600a, Pressure drop, Two‐phase, Cooling system, Charge  inventory, Cyclic losses, Thermography. 

(4)

Acknowledgement

This research project has been financed by the Swedish National Energy Agency (Energimyndigheten)  and Electrolux AB through the research programs Klimat 21 (1998‐2001) and EffSys (2001‐2004),  both focusing on energy systems based on heat pumping technologies. 

Special thanks are directed to my supervisor at KTH, Professor Dr Björn Palm, who patiently have  been awaiting this thesis to be finalized and to Professor emeritus Eric Granryd for thorough  manuscript review and warm support. 

Special thanks are also directed to Benny Andersson for experimental help and scientific discussions. 

Benny was employed for a long time at the Electrolux R&D household refrigeration department and  had very valuable hands‐on experience within the field. 

From Electrolux AB, Dr Per Wennerström appeared as supervisor. Klas Andersson and Leif Strindberg  played important roles at the project start‐up. 

Many persons have provided experimental help, interesting scientific discussions and other support  during this project. Among them are Joachim Claesson, Peter Hill, Benny Sjöberg, Karl‐Åke Lundin,  Per Lundqvist, Jan‐Erik Nowacki, Richard Furberg, Jaime Arias, Hans Havtun, Rahmatollah 

Khodabandeh, Åke Melinder, Inga Du Rietz, Nabil Kassem, Primal Fernando, Sanheeva Witharana,   Wilmosiri Pridasawas, Yang Chen, Monika Ignatowicz, Raul Anton, Claudi Calizzo, Jörgen Wallin,  Getachew Bekele, Ehsan Haghigi, Cecilia Fransson, Anders Johansson, Hatef Madani, Mumayun  Maqbool, Gunne Eriksson, Fredrik Lagergren, Martin Forsén, Paul Westin, Samer Sawalha, Oxana  Samoteeva, Wahib Owhaib, Rashid Ali, Aleh Kliatsko, Marino Grozdek, Arrie Setiawan, Arturo  Carrera, Johan Nordenberg,  Anders Herolf, Anders Nilsson, Alexandre Rücker, Aumnad Phdungsilp,  Elin Isgren, Shota Nozadze, Dimitra Sakellari and perhaps someone else that I have forgotten. 

Finally, to my wife Ewa and my children Klara and Åke; You are the best! 

         

 

(5)

Table of Contents

Abstract ... 3

Sammanfattning ... 3

Acknowledgement... 4

Thesis outline ... 7

Thesis articles ... 7

1. Introduction... 9

Background... 9

Aim and scope ... 13

Research questions ... 13

Research methodology... 14

The need for refrigerated space... 15

Historical remarks... 17

Configurations in Household Refrigeration... 19

The basic refrigerator ... 20

Historical remarks about energy use reduction ... 24

2. The refrigerator used in the case study ... 27

3. Summary of appended papers ... 31

Part I: Characteristics of the plate evaporator ... 32

Evaporator free convection air‐side heat transfer... 32

Paper A: Air side heat transfer of a domestic refrigerator plate‐type evaporator ... 33

Temperature probe measurements... 34

Frost formation mass and heat transfer ... 39

Refrigerant side heat transfer ... 41

Paper B: Flow boiling heat transfer at low flux conditions in a domestic refrigerator evaporator ... 42

Refrigerant side pressure drop... 46

Paper C: Pressure drop in a plate evaporator for refrigerators ... 47

PART II: Characteristics of the Cooling System... 55

The on‐off cycling ... 56

Cyclic losses ... 57

The cooling system at steady state ... 58

(6)

Paper D: A simple technique for refrigerant mass measurement ... 60

Paper E: Refrigerant mass charge distribution in a domestic refrigerator. Part I. Transient  conditions ... 62

Paper F: Refrigerant mass charge distribution in a domestic refrigerator Part II: Steady state  conditions ... 68

The subject of charging and throttling ... 71

Paper G: Performance of a domestic refrigerator under influence of varied expansion device  capacity, refrigerant charge and ambient temperature ... 72

Paper H: A thermographic study of the on‐off behaviour of an all‐refrigerator... 78

4. Other activities carried out within the research project... 84

A thermographic study using Thermochromic Liquid Crystals (Björk, 2000)... 84

The observation glass evaporator (Björk, 2000) ... 85

Cycle length experiments (unpublished work)... 88

FEMLAB simulations ... 90

Student works supervised by the author ... 93

5. Conclusions... 97

Nomenclature... 102

List of Publications... 105

Journal Articles ... 105

Conference papers ... 105

Other publications... 105

References... 107

APPENDIX PAPERS ... 115  

 

(7)

Thesis outline

This doctoral thesis is outlined as a compilation thesis (in Swedish sammanläggningsavhandling)  which means that a number of published scientific articles are attached to an introduction part (in  Swedish kappa). The purpose of the introduction part is to present the research problems, goals,  methods and results and to show the relevance of the attached articles to the completeness of the  thesis. 

The introduction part is subdivided into 5 chapters. The first chapter introduces the reader to the  subject of household refrigeration and the race for energy efficiency. It also holds the aim and scope  of the project. In chapter 2 the case study refrigerator, which is used for most of the experiments, is  described. Chapter 3 is a summary of the thesis’s eight scientific articles. This chapter is further  subdivided into part I, which deals with heat transfer and pressure drop of the evaporator studied,  and part II, which deals with the overall cooling system behaviour. Chapter 4 summarizes other work  carried out within the research project relevant to the thesis. In chapter 5, the overall thesis results  are summarized together with some conclusions that can be used to make tomorrow’s refrigerators  and freezers less energy consuming. Finally, in the appendix the articles on which this thesis is based  are collected.  

Thesis articles

The eight articles listed on the next page can be found in full text in the thesis appendix.  

Papers A to C are devoted to the characteristics of a household refrigerator evaporator. More  specifically: Paper A concerns the air side heat transfer. Paper B concerns the refrigerant side heat  transfer. Paper C concerns the refrigerant side pressure drop. The results are given in the form of  recommended correlations to calculate heat transfer and pressure drop.  

Papers D to H focus on the cooling system characteristics. Paper D describes an experimental method  on how to measure the refrigerant charge in different parts of the cooling system. This method was  developed to obtain the experimental results used in papers E and F. In paper E the refrigerant  charge distribution was measured at transient conditions. In paper F it was measured at steady state  conditions. Paper G is a parametric study of the cooling system at varied throttling and charging  conditions. Finally, Paper H gives an overall view of the cooling system characteristics as seen  through an infra‐red camera. 

(8)

 

A. Björk E., Setiawan T., S., Palm B., 2003, Air side heat transfer of a domestic refrigerator  plate‐type evaporator. Presented at The Eurotherm Seminar No 72, Valencia, Spain   B. Björk E., Palm B., 2008, Flow boiling heat transfer at low flux conditions in a domestic 

refrigerator evaporator. International Journal of Refrigeration 31, pp. 1021‐1032 

C. Björk E., 2002, Pressure drop in a plate evaporator for refrigerators. Proc. 1st International  conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (HEFAT), Kruger  National Park, South Africa 

D. Björk E., 2005, A simple technique for refrigerant mass measurement, Applied Thermal  Engineering 25, pp. 1115–1125. 

E. Björk E., Palm B., 2006a, Refrigerant mass charge distribution in a domestic refrigerator. Part  I. Transient conditions, Applied Thermal Engineering 26, pp. 829‐837 

F. Björk E., Palm B., 2006b, Refrigerant mass charge distribution in a domestic refrigerator. Part  II. Steady state conditions, Applied Thermal Engineering 26, pp. 866‐871 

G. Björk E., Palm B., 2006c, Performance of a domestic refrigerator under influence of varied  expansion device capacity, refrigerant charge and ambient temperature. International  Journal of Refrigeration 29, pp. 789‐798 

H. Björk E., Palm B., 2010, A thermographic study of the on‐off behaviour of an all‐refrigerator,  Applied Thermal Engineering 30, pp 1974‐1984. 

 

The major work in all of these papers were made by the first author except in paper H which is based  on a master thesis work by Mr Johan Nordenberg (Nordenberg, 2001). In paper A experimental help  was provided by Mr Arrie Setiawan. In paper G experimental help was provided by Mr Gunne  Eriksson. Dr Björn Palm appears as co‐author in papers A, B, E, F, G and H following the tradition of  acknowledging the role of the supervisor. His contribution to the papers was mainly manuscript  review.  

         

(9)

1. Introduction

Background

Household refrigerators and freezers are found in almost every home in the industrialized parts of  the world and in increasingly larger number elsewhere. It is estimated that the global annual 

production is more than 90 million units (Harrington, 2009). In Asia the annual production is about 45  million units with China alone accounting for more than 30 million units. Production in Europe is  around 25 million units and North and South America is about 20 million units a year.  

 

With an expected lifetime of 10 to 20 years the stock of household refrigerators and freezers  operating in this moment is more than one billion units. Evidently this gives a significant impact on  the global energy consumption. In Sweden household refrigeration is the second largest consumer of  electricity in the average household (Energiläget, 2009). The department of energy in the U.S.A. 

estimated that household refrigeration is responsible for 7.2 % of the average household energy  consumption (Bansal et al., 2011). Melo and Silva estimated that about 6 % of the produced electrical  energy is used by household refrigerators and freezers worldwide (Negrao and Hermes, 2011). Thus,  it is not surprising that household refrigeration is a target for energy consumption controls in the EU  and in many countries around the world.  

 

Internationally, there are about 60 countries world wide that have some sort of program to regulate  the energy efficiency of refrigerators and freezers, mostly in the form of mandatory comparative  energy labelling and Minimum Energy Performance Standards (MEPS). These programs have proven  to be an effective tool to reduce the energy consumption (Mahlia and Saidur, 2010). Within Europe,  the European commission directive of 1994 (94/2/EC) made it compulsory to energy label household  refrigerators and freezers. The objective with this was to encourage consumers to favour appliances  and equipment with high electrical efficiency, thus encouraging the producers to improve the  efficiency of their appliances. Furthermore, in the directive of 1996 (96/57/EC) on energy efficiency  requirements, the most energy consuming units were banned. For the producers the message was  clear: energy efficiency is important! 

 

Two technologies are often discussed as tools to significantly increase energy efficiency in the next  generation household refrigeration units; vacuum insulation panel and variable speed compressors. 

However, among other technical barriers such as uncertainties about performance and reliability  over a typical life expectancy of approximately 20 years (Bansal et. al., 2011), these techniques are  expensive which have so far prevented a wide introduction on the market. Even though energy  consumption is an important factor for the consumer, the first cost, as seen on the price tag is often  the most important.  

 

Therefore it is interesting to explore other low cost solutions to lower the energy consumption. Of  course, if such solutions can increase the operational efficiency without increasing the unit price it is  even better. Moreover, such solutions can in most cases be combined with variable speed 

(10)

compressor or vacuum insulation panels, which might be more common in the future, to achieve an  even higher efficiency.  

 

From  the  second  law  of  thermodynamics  it  is  known  that  the  efficiency  of  a  heat  pump  system,  which is the key technology used in household refrigeration, depends on the temperature levels at  the cold side evaporator and the warm side condenser. A higher evaporation temperature or a lower  condensation temperature gives higher system efficiency. In other words, a smaller temperature lift  from the cold to the warm side increases the system efficiency. This also means that the efficiency of  the heat exchangers, in terms of operating with small temperature differences, is important for the  overall efficiency. The governing equation for the ideal Carnot cycle operating as a cooling machine  is: 

2 1

2

T T COPCarnot T

= −         (1)  

Where  T  is  temperatures  in  Kelvin  and  1  and  2  denotes  the  temperatures  at  the  high  and  low  temperature side. 

COP  stands  for  Coefficient  of  Performance  which,  for  a  cooling  machine,  is  defined  as  the  ratio  between the useful cooling energy and the needed work: 

work energy cooling

COP =         (2)  

Obviously  a  high  COP  is  desirable.  With  a  typical  refrigerator  storing  temperature  of  5°C  and  an  ambient temperature of 25°C the COP ideally becomes 13.9 (Eq. 1). This would however require that  the  heat  exchangers  (evaporator  and  condenser)  are  at  the  same  temperatures  as  their  surroundings,  which  only  could  be  achieved  with  heat  exchangers  having  infinite  surface  areas.  In  practice,  cost  and  size  limitations  give  heat  exchangers  that  must  operate  with  a  temperature  difference  to  their  surroundings,  and  thus  the  system  must  operate  with  a  larger  temperature  lift  compared to the ideal case.  

(11)

 

Figure 1 The refrigeration cycle plotted in a h-log(p)-diagram. The heat exchanger pressure drops are illustrated through the inclined evaporator and condenser temperatures (somewhat exaggerated in the figure). Temperatures are at typical levels for a household

refrigerator.

With  an  evaporation  temperature  of  ‐15°C  (delta  T  20  K  to  the  surrounding  air  on  the  evaporator  side!) and a condensation temperature of 40°C (delta T 15 K on the condenser side!), which can be  taken as normal values, the COP ideally becomes 4.71 (Eq. 1). It is seen that the temperatures play a  large  role  for  the  system efficiency  and  thus  that  the  heat exchanger efficiency,  in  terms  of  having  small  temperature  differences  to  their  surroundings,  is  important.  For  instance,  from  equation  1  it  can  be  calculated  that  for  a  household  refrigerator  the  efficiency  increases  about  2.2  %  for  each  degree  higher  evaporation  temperature2.  Using  typical  freezer  temperatures  (40°C/‐25°C)  the  increase  of  the  COP  for  an  ideal  refrigerant  cycle  is  about  2.1  %  per  degree  increased  evaporation  temperature. It is clear that any improvement to the evaporator that will decrease the temperature  lift will give higher system efficiency. 

It is also known that capacity control by intermittent run (on‐off cycling) lowers the overall efficiency. 

These so called cyclic losses can partly, but not fully, be explained with the temperature losses that  was discussed in the previous paragraph. For example, at start‐up refrigerant is redistributed over  the heat exchangers during which the capacity and efficiency is lowered. This effect, caused by                

(‐15°C)  (5°C)  (25°C)  (40°C) 

Surrounding temperature

Ideal temperature lift

Actual  temperature lift  made by  compressor   Pressure (temperatures 

in two phase region) 

Enthalpy Cabinet air temperature 

Temp.diff. from heat resistance at air  side 

Temp.diff. from heat resistance at  refrigerant side and pressure drop 

1 It is interesting to note that one relation (Granryd et al., 1999) indicates that the real COP is about 40 % of the ideal “Carnot”

COP for a small 1 kW cooling system. If this number is used in the example given the COP for the real refrigerator should be 40 % of 4.7, or about 1.9. This can be compared to normal values of the COP in household refrigerators of about 1-3.

2 In fact, inspection of compressor data indicates an even higher increase of 3 %/K in some cases. Therefore, in the following, 2- 3 %/K will be used as the estimated variation in efficiency with varied evaporation temperature

(12)

improperly charged heat exchangers, operating with superheat and subcooling, means increased  temperature lift and thus lower system efficiency. An example of another kind of loss, not related to  temperature difference, is after the compressor shuts down, when the system pressure equalizes  and refrigerant flows from the condenser to the evaporator. This adds latent heat to the refrigerated  space.  

(13)

Aim and scope

The  purpose  of  this  work  is  to  provide  knowledge  that  can  be  used  to  increase  the  operational  efficiency in household refrigerators and freezers. 

The  focus  has  been  the  characteristics  of  a  free  convection  plate  evaporator  and  of  the  cooling  system  of  a  household  refrigerator.  For  the  evaporator,  the  concern  was  to  find  applicable  correlations  to  predict  heat  transfer  and  pressure  drop;  internally  in  the  refrigerant  tube  and  externally on the air side. For the cooling system a better understanding in general was sought with  some key questions in mind. 

Research questions

The following research questions can be formulated: 

What relationships should be used to predict 

The air side heat transfer of a typical free convection plate evaporator? 

The refrigerant side heat transfer? 

The refrigerant side pressure drop? 

These relations are important when designing highly efficient cooling systems. As was  already mentioned in the first chapter the thermodynamic laws state that the 

temperature lift from the cold side evaporator to the warm side condenser should be  as small as possible. It has been found that the efficiency increases by 2‐3  % when the  evaporation temperature increases 1°C.  It follows that the temperature difference  between the storage volume in the household refrigerator and the evaporation  temperature should be as small as possible. 

How is the refrigerant charge distributed in the cooling system at transient and steady state  conditions?  

The knowledge from these questions is essential to estimate and understand the cyclic  losses and to find means to reduce them. It is also expected that the results would  contribute to a deeper understanding of the cooling system behaviour. 

How does the efficiency depend on the quantity of charge and the expansion device capacity? 

This is a classical topic within household refrigeration. It is a common belief that an  optimum exists, resulting in the lowest energy consumption for a certain combination  of charge and capillary tube capacity. The result may tell if there exist a large potential  for energy saving just by finding another combination between quantity of charge and  capillary tube length. 

(14)

Research methodology

The results of this thesis are mainly based on experimental work. Pure simulations using state of the  art tools (FEMLAB) were also used, but to a lesser extent. 

 

At an early point in the research project it was decided to use one type of household refrigerator as a  case study. Most experiments were therefore conducted on this refrigerator, more or less modified  for the experiments. The Electrolux refrigerator ER8893C can be described as a free convection, cycle  defrost, on‐off controlled, single‐door, upright, all‐refrigerator. In short this means that no fans are  used at the heat exchangers, that defrost occurs when the compressor is at rest without additional  heating and that temperature is controlled by the compressor simply switching on and off. The  reason for selecting this refrigerator as the case study test object was that it was a common product  on the Swedish and European market. Obviously such decision is always open for criticism. One  benefit of having the same type of test object for different experiments is that comparison between  tests is possible. It should also be mentioned that the difference between the cooling systems in this  refrigerator and the cooling system in other refrigerators or freezers (or combinations) in reality is  small. Typically a freezer has lower evaporation temperature and higher capacity than a pure  refrigerator. Different types of heat exchangers are also used (forced convection and free 

convection). Therefore, in many cases it is possible to draw general conclusions from the case study  results that are applicable for the whole field of household refrigeration.  

Different experimental studies were conducted; flow visualization of the refrigerant flow through an  observation glass evaporator, thermo‐graphic study of the overall cooling system including the heat  exchangers,  heat  transfer  and  pressure  drop  measurements  in  the  evaporator,  heat  transfer  measurements at the evaporator air side, charge inventory at different parts of the cooling system,  parametric study of varied refrigerant charge and expansion device capacity. In one case a separate  experimental setup with an isolated test section was used. This was to measure the refrigerant side  heat transfer which called for a more controlled environment. 

The  most  important  results  of  the  various  experiments  were  published  in  reviewed  journal  articles  and conferences relevant to the research field. 

(15)

The need for refrigerated space

It is estimated that one third of all perishable food is lost in one way or another (Lorentzen, 1978). 

Although other food preservation technologies exist, such as ionising radiation, modified 

atmosphere, chemical preservatives, freeze drying, high hydrostatic pressure etc. (Zhou et al., 2010)  refrigeration and freezing is probably the technique causing the least change from the fresh state in  terms of nutrition and taste.   

Moreover, a fast growing population, urbanisation, a need to even out seasonal variations in  production and sales, and a food industry that needs to produce in locations distant from the  consumers are all factors that create a large demand for refrigerated storage space. Hence,  refrigeration as a food preservation technology has become an important industry over the last  century. 

It is a well known fact that almost all processes in nature run more slowly at lower temperatures. 

This knowledge is widely used within food preservation.  

Figure 2 shows the result of a test panel who has judged the acceptable storing time for different  kinds of food at different temperatures. It is seen that lower temperatures give longer storing times. 

 

Time (days)

Temperature (° C)

1: Chicken a) good packing b) bad packing c) cut and fried

2: Fat fish 3: Lean fish 4: Beef 5: Orange

6: Apple a) normal storage b) storage in CO2 atmosphere 7: Egg 8: Banana 9: Peas 10: Raspberry 11: Strawberry

 

Figure 2 The time of storage for different kind of food until the first sign of deterioration is detected in taste or quality. Adopted from Granryd et al. (1999).

As a rule of thumb, the time for a certain chemical process doubles if the temperature is decreased  by 10 °C. Looking in the diagram, it is seen that this rule of thumb holds as a rough estimation of the  acceptable storing time for all the listed foods except for Raspberry and Strawberry. 

(16)

In a more detailed view the processes responsible for the gradual deterioration can be grouped in  four different processes, which are all affected by the temperature (Lorentzen, 1978).  

1. Metabolic processes that slow down with lower temperature and stop completely when the  tissue is frozen.  

2. Physical processes which follow precise laws. Surface drying is proportional to the vapour  pressure difference between the surface, whose pressure follows the saturation pressure  curve, and the vapour pressure in the atmosphere above the surface, whose pressure also  depends on the relative humidity in the air. With lower temperatures, this difference is  bound to be smaller and thus less surface drying occurs. Freezing of tissues can in some  cases be detrimental since the cell walls in the frozen tissue can be damaged by the ice  crystals that are formed in the freezing process. It has been found that the ice crystals are  smaller in a more rapid freezing process compared to a slower one. Therefore one should  strive for a rapid freezing process. Another effect upon freezing is that concentration of salts  may appear in the remaining, unfrozen, liquid, which lowers the freezing point at these  locations.  

3. The chemical processes approximately follow exponential temperature dependence. 

However, factors such as availability of oxygen and enzymes intervene. 

4. The microbiological processes are diverse and depend besides temperature of the sanitary  conditions and the humidity. Each of the thousand strains of bacteria has its own growth  curve, having its own activity maximum and a lower temperature threshold where activity is  strongly reduced. The human pathogens have their activity maximum at about 310K (37 °C)  and their lower threshold at 273K. At typical freezing temperature (255K) they are 

completely inactivated, but will activate as soon as the temperature rises above the lower  threshold. 

In living products such as fruit, vegetable, cheese and egg the biological process (1) dominates. For  non‐living but unfrozen products (such as chilled beef, fish or chicken), the microbiological processes  (4) dominate. In the case of frozen products (living or dead) at lower temperatures than about 263K  the deterioration is purely caused by physical (2) and chemical (3) processes.  

           

(17)

Historical remarks

Prior to the invention of the household refrigerator snow and ice were used to refrigerate and  preserve food. Historically, ancient cultures (Chinese, Hebrews, Greeks, Romans, and Persians)  stored snow and ice throughout the year in different types of ice houses or covered wells. The ice  was harvested from winter lakes or was brought down from the mountains. Later, ice boxes were  used in homes in which the ice were stored to keep the internal box cold. This highly work intensive  transport of thermal energy existed at least into the 1950s when it was outclassed by the household  refrigerator. In 1958, 94 % of the U.S households owned refrigerators (Radermacher and Kim, 1996). 

Today almost all modern homes have household refrigerators, typically powered by electricity and  operating by the vapour compression cycle.  

   

Figure 3 Ice harvesting in Spy Pond in the 19th century (from Wikipedia public domain)

In 1834, Jacob Perkin developed the first vapour compression operated refrigeration machine, using  ether as refrigerant. However, a number of developments were still needed to make the refrigerator  a standard appliance in the normal household. The wiring of homes with electricity, the development  of smaller electrical motors, the hermetically sealed unit that eliminated the belt, the halogenated  hydrocarbon used as refrigerants that made it possible to use a simple capillary tube as expansion  device and eliminated the risk of explosions, poisoning and unpleasant smells, are some of the  important steps taken (Radermacher and Kim, 1996). 

In 1974 it was found (Molina and Rowland, 1974) that the chlorinated refrigerant used up to then,  R12 (also named Freon 12), accumulated in the stratosphere where it damaged the ozone layer that  shields the earth from cancer causing ultra violet solar radiation. Another halogenated refrigerant  HFC‐R134a was therefore introduced, having similar properties as R12. This refrigerant is the  preferred choice today in the U.S, and some other countries of the world as it is a non‐flammable 

(18)

refrigerant. However, it has also been found that this refrigerant contributes to the global warming  and therefore another refrigerant is the preferred choice in Europe and in many other countries. This  refrigerant, Isobutane (HC‐R600a), is a non‐halogenated hydrocarbon refrigerant. To handle the  flammability of this refrigerant, safety regulations stipulate how the refrigerator should be designed  to avoid fire, including leak protected cooling systems and spark free electronics (Gigiel, 2004).   

                 

(19)

Configurations in Household Refrigeration

Household  refrigerators  &  freezers  are  thermally  insulated  compartments  in  which  food  can  be  stored  at  reduced  temperatures  hereby  extending  the  shelf  life.  The  refrigerator  (or  fridge)  has  a  storing temperature above 0 °C (typically 0 to 10 °C) making it suitable for fresh food and vegetables. 

The freezer has a temperature below 0 °C (typically ‐6 to ‐18 °C) making it suitable for frozen food  and  longer  storing  times.  Normally,  there  also  exist  special‐purpose  compartments  within  the  refrigeration unit to provide a more suitable environment for storage of specific food. For example, a  warmer compartment for maintaining butter is often found in the refrigerator door. A high‐humidity  compartment for vegetables and fresh food are also common in a refrigerator.  

Refrigerators and freezers are available in several styles. All‐freezers can be found as upright freezer  or as chest freezer. Combinations of refrigerators and freezers can be found as top‐freezers, bottom‐

freezers,  side‐by‐side  or  as  a  separate  freezer  compartment  located  within  the  larger  refrigerator  compartment.  All‐refrigerators,  which  the  case  study  in  this  work  is  an  example  of,  are  typically  upright3

The configurations vary considerably by region, but at a global level, top freezers are the most  common (nearly 40 %), bottom freezers are next at about 33 % and side‐by‐side combinations are  about 13 %. The remaining types are mostly all‐refrigerators or other configurations including  separate freezer compartments (Harrington, 2009).  

 

Qualities that are desirable in a good cabinet are, according to the ASHRAE handbook (2010): 

 

1. Maximum food‐storage volume for the floor area occupied by the cabinet  2. The best in utility, performance, convenience, and reliability 

3. Minimum heat gain 

4. Minimum cost to the consumer   

Other ways to classify the household refrigeration units is how heat is transferred at the heat  exchangers. The difference between natural convection and forced convection is that no fan is used  in the first case. Sometimes natural convection heat exchangers are referred to as “static” or 

“passive”. The opposite, forced convection heat exchangers, are sometimes referred to as “dynamic” 

or “active”. 

 

The way to defrost is either automatic or manual. In automatic defrosting one can separate cycle  defrost (where defrosting occurs in the off‐cycle) from the heater defrost (where a heater is 

activated during defrost). The cycle defrost is only possible in an on‐off cycling refrigerator where the  cabinet air temperature is higher than 0 °C. In manual defrosting the defrosting must actively be  started, for instance by switching on an electrical heater or by turning off the cooling system. The  latter is typically used for natural convection freezers. 

              

3 Even though chest freezers converted into all-refrigerators exist having very low energy consumption.

(20)

  

One can also separate the way to control the capacity. In on‐off cycling the compressor is switched  on and off with the relative on‐cycle being longer with increasing capacities. This is the dominating  technique to control capacity in household refrigeration. In variable speed capacity control the  compressor is varying its capacity through speed‐modulation. However, normally in combination  with on‐off cycling since it is difficult to achieve a sufficient reduction of the compressor speed to  perfectly match the heat load. 

The basic refrigerator

The cabinet and the cooling system are the main components of a household refrigerator/freezer.  

 

Today, almost universally, polyurethane foam is used as insulation material to minimize the thermal  leakage. In Europe, cyclopentane is the favoured blowing agent4 which gives a typical thermal  conductivity of about 0.02 W/m K. The foam is either expanded directly into the insulation space  between the plastic inner liner and the steel outer shell, which gives a rigid sandwich construction, or  is used to build slabs that are mounted together to form a cabinet.  

 

The cooling system typically operates by the vapour compression principle. In Figure 4 it is seen why. 

The Coefficient of Performance (COP) is higher than other available techniques. It should be noted,  however, that the absorption technique can also be directly operated by heat instead of electricity  which in certain applications is a benefit for this technique. 

(21)

   

 

Vapour 

compression 

 

 

COP ≈ 1‐3

 

Absorption 

   

COP ≈ 0.2‐0.3 

 

Thermoelectric 

   

COP ≈ 0.1‐0.2 

Figure 4 Different cooling principles and their typical efficiencies (ASHRAE handbook, 2010 and Granryd et al., 1999). COP (Coefficient of Performance) is a quality number defined as

the ratio between the useful cooling energy and the supplied work.

 

In vapour compression the fixed relation between saturated vapour pressure and temperature (the  vapour pressure curve) is used to create two thermal conditions; one at a high temperature where  heat is rejected and one at a low temperature where heat is absorbed. By combining a compressor  with an expansion device to separate a high pressure side condenser (from which heat is rejected  while refrigerant is condensing) and a low pressure side evaporator (into which heat is absorbed  while refrigerant is evaporating) a heat pump is formed. At the price of mechanical work, thermal  energy is transferred from a lower to a higher temperature. The cooling system, used in household  refrigeration, is basically a heat pump that absorbs thermal energy from the cabinet’s inside and  rejects it to the outside to maintain a climate at reduced temperature. 

 

(22)

 

compressor

evaporator cap. tube

condenser

filter drier

compressor

evaporator cap. tube

condenser

filter drier

 

+ +

-

Figure 5 Main components (left) and a schematic view (right) of a typical household refrigerator cooling system. The arrows show the path of the working media (refrigerant)

between the different components.

Figure 5 shows the basic components used in a vapour compression refrigerator in a “component‐

depicted” and schematic view.  

• The hermetic compressor is normally reciprocating with an induction split‐phase motor. It is  capsulated in a robust steel shell to stand high pressure and to minimize noise. It is mounted  on  the  bottom  of  the  cabinet  on  rubber  feet  to  further  lower  the  noise  level.  The  typical  capacity ranges between 50 and 250 W. 

• The  steel  pipe  condenser  is  designed  to  stand  high  pressures.  Into  this  the  compressed  refrigerant gas is pumped and brought to condensation. While doing so heat is rejected. The  condenser seen in Figure 5 is a wire on tube condenser. Other common condenser types are  plate on tube and various forced convection fin packages.  

• After  the  condenser  the  filter  drier  follows.  This  device  prolongs  the  system’s  lifetime  by  filtering  out  particles  and  by  absorbing  water  that  may  remain  in  the  cooling  system  after  manufacturing.  The  drier  is  filled  with  small  Zeolite  pellets,  each  with  a  porous,  molecular  sieve surface. 

• Next, the capillary tube follows. This is basically a narrow pipe section through which the  throttling or expansion occurs. The thin copper tube (d = 0.33‐1.5 mm, L = 2‐5 m) restricts 

Suction line heat exchanger

-

Suction line heat exchanger 

(23)

sweating (water condensation on the suction line surface close to the compressor) and to  increase the overall efficiency. 

• Finally,  the  evaporator  follows.  This  is  made  of  aluminium  to  prevent  corrosion.  In  this,  refrigerant is vaporized while heat is absorbed from the internal cabinet. An accumulator is  located  at  the  evaporator  outlet,  either  as  an  integrated  part  of  the  evaporator  or  as  an  external  device.  To  complete  the  cycle,  the  refrigerant  vapour  is  being  sucked  back  to  the  compressor where it is compressed. As was mentioned in the previous point, this suction line  runs in parallel with the capillary tube to form a suction line heat exchanger. Other types of  evaporators are wire on tube (freezers) and various fin packages (forced convection). 

• Not  shown  in  the  Figures  is  the  refrigerant.  Today,  following  the  phase  out  of  Ozone  depleting  refrigerants,  the  refrigerants  used  are  R134a  and  Isobutane  (R600a).  A  typical  quantity of charge is 20‐200 g.  

Overall, one can summarise that the cooling systems in household refrigeration are characterized by  low cooling capacities (50‐250 W), low quantities of refrigerant charge (20‐200 g), a refrigerant  accumulator located at the evaporator outlet, a hermetically sealed cooling system, a capillary tube  expansion device which is in heat exchange with the suction line, and a cooling capacity typically  controlled by intermittent run (on‐off cycling). 

(24)

Historical remarks about energy use reduction

When refrigerators and freezers became common in the average household the need to lower their  energy consumption was brought on the agenda. Different factors have contributed to the decreased  energy consumption that is seen in household refrigeration since the 1970’s. The 1974 energy crisis  highlighted the energy conservation topic in general. The following increase in energy prices 

motivated the consumer to buy low energy products. Moreover, legislation has obliged producers to  declare the energy consumption of their products measured at standardized conditions. This made it  much easier for the end user to compare energy consumption before buying a product. Additionally,  different energy programs have pushed the most energy consuming units out of the market. 

Examples of energy declarations are seen in Figure 6. 

   

Figure 6 Examples of energy declaration in Europe and USA

Rosenfeld (1999) showed that the average energy use in U.S. refrigerators increased from less than  400 to 1800 kWh/year from 1947 to 1974. In the same period the internal volume grew from 8 to 18  cubic feet (226 to 510 l). After 1974 the average volume has only slightly increased to 20 cubic feet 

(25)

Figure 7 shows the energy consumption of household refrigerators, freezers and combinations  (refrigerator‐freezer) in Sweden 1980‐2000. As can be seen, the energy reduction is significant over  the period. For the refrigerators the reduction is more than 30 %. For the freezers and combinations  the reduction is about 50 %. After the year 2000, the trend has continued. In 2012 the average  energy consumption of a 250 l product was about 0.45 kWh/24h (refrigerators), 0.81 kWh/24h  (combinations) and 0.80 kWh/24h (freezers). 

 

 

Figure 7 Average energy consumption on the Swedish market for a 250 l product. Data from the Swedish Consumer Agency.

(26)

Figure 8 shows some of the most important modifications that have been used to lower energy  consumption during the last decades. The modifications are primarily taken from Electrolux AB  products and do not fully represent a worldwide view of the subject.  

The most significant reduction was achieved by better and thicker insulation material. During the  1960´s, the insulation material was changed from mineral wool and cork to polyurethane foam. This  change lowered the heat leakage by around 50 %. In addition, the general wall thickness has 

increased from around 25 mm to 40 mm thus lowering the heat leakage even more.  

+

-

More material in windings and stator, run capacitor

Larger heat- exchangers

Milk

Plastic muffler

el.motor

Semi-direct intake

Thicker and more effective insulation

 

Figure 8 Some of the modifications that have increased the energy efficiency during the last decades.

The physical size of the heat‐exchangers has typically increased over the years. By doing this, the  temperature lift is decreased thus increasing the system efficiency. However, many refrigerators sold  today contain foamed‐in evaporators, which from an energy point of view is a poor solution. 

The compressor efficiency has been increased by different means. The electrical efficiency (indicating  how good the electrical energy is transformed into mechanical work) has been increased by more  material in the windings (copper) and in the stator (steel).  The cylinder inlet gas temperature has  been reduced by semi‐direct intake and a plastic muffler. This increases the compressor isentropic  efficiency (indicating how ideal the compression is). A run capacitor is often added to permit the  compressor start winding to give a helping torque even at running conditions. 

As was already mentioned in the first part of the introduction, techniques exist to further reduce the  energy consumption, but the increased cost has so far prevented a wider break through. A shift from  polyurethane foam into vacuum panels as wall insulation could reduce the heat leakage to half and 

(27)

2. The refrigerator used in the case study

ER8893C is a single compartment upright household all‐refrigerator. The declared energy  consumption is 0.68 kWh/24h (energy class B).  It has the following typical data (Small variations  occurred with different specimens used in the experiments. Consult the various papers for a more  detailed description): 

ƒ Cabinet: (External dimensions: 1.75×0.6×0.6 m and 0.04 m wall thickness), 350 l internal  volume, UA value 2.3 W/K.  

ƒ Evaporator: free convection, (0.66×0.49×0.0014 m), aluminium, plate type, back wall  located (20‐25 mm distance to back wall), integrated downstream located accumulator. 

Refrigerant line length (including accumulator) 6.02 m. Internal hydraulic diameter 3.2 mm. 

Total internal volume 114 ml whereof accumulator volume 46 ml in which approximately half  the volume can store liquid at steady state condition. UA value about 3.7 W/K. 

ƒ Condenser: free convection, (1.33× 0.51× 0.008 m), steel, wire on tube (53 vertical wires on  each side of the tubing, each of diameter 1.5 mm) positioned with 25 mm distance to the  cabinet back wall. The refrigerant flow is horizontally downward (see Figure 9). Internal  volume 135 ml. Internal/external tube diameter 3.5/5.0 mm. UA value about 7.7 W/K  (condenser in original location and cabinet located against a wall)  

ƒ Capillary tube expansion device (2.54 m length and 0.60 mm internal diameter) with coaxial  type suction line heat exchanger of 2 m length. The capillary tube adiabatic inlet and outlet  sections are 0.5 and 0.04 m. 

ƒ Filter drier: molecular sieve with internal free volume 11.3 ml. 

ƒ Piston compressor (HL60AH, ZEM HQY70AA and HQY75AA) with low pressure oil sump and  ca 265 ml mineral oil charge. Cooling capacity (HQY70AA) 118 W and COP 1.49 at ASHRAE  conditions (55/‐23.3 °C). 

ƒ Refrigerant: nominal refrigerant charge 33 to 36 g of Isobutane (R600a) 

ƒ Capacity control by intermittent run (on‐off cycling) with self‐defrosting in every off‐cycle 

(28)

    

Evaporator 

Condenser 

Suction line  heat exchanger 

Compressor 

Figure 9 Household refrigerator ER8893C front and backside.

In Figure 9 (left picture) the plate type, free convection, semi hidden evaporator is located at the  upper part of the back wall in the cabinet. The picture to the right shows the condenser and the  compressor at the refrigerator back side. Both pictures include some experimental equipment  (thermocouples and pressure transducers).  

(29)

660,00 30,00 25,00

30,00

evaporator

30,00

defrost water chute duct behind evaporator

600,00

600,00

496,00 240,00

520,00

25,00

duct behind evaporator

evaporator (wall position) condenser slot

handle

handle

 

Figure 10 Household refrigerator ER8893C in a top and side view

In Figure 10 the household refrigerator cabinet is depicted in a top and side view including the  dimensions of the evaporator. Note that the evaporator is positioned with a small distance to the  back wall (ca 25 mm) as to provide for air to circulate behind the evaporator.   

 

Figure 11 The left picture shows the plate evaporator back side with its integrated refrigerant channels. At the left side in this picture the capillary tube suction line heat exchanger (that connects the evaporator to the cooling system) is visible. The right picture depicts a close-

up of the refrigerant tube cross section.

   

(30)

     

Figure 11 depicts the back side of the plate evaporator (left) and a close‐up of the refrigerant tube  cross section (right). In the left picture one can see the refrigerant tubing with a number of U‐bends. 

The upper part has an area with parallel tubes connected by a number of vertical short tubes. This is  the integrated accumulator located at the evaporator outlet. In this, refrigerant is accumulated to  compensate for different running conditions. For aesthetic reasons the evaporator front side is flat  while the back side contains the refrigerant tubing. This plate evaporator is manufactured from two  plates of aluminium with a bonding zinc‐layer in between. The plates are pressed together in a tool  which has the desired refrigerant tube layout milled on one side. While heated, the refrigerant tube  is inflated whereas the zinc‐layer bonds the plates to each other. The result is an evaporator, flat on  one side and with a non‐circular internal cross section. This type of plate evaporator is sometimes  referred to as a roll‐bond evaporator or simply a bond evaporator. A more detailed description of the  heat exchanger is given in papers B and C. 

                                     

(31)

3. Summary of appended papers

This chapter holds a summary of the appended papers. It is split into two parts to follow the thesis  main topics; the evaporator and the cooling system. Therefore, part 1 concerns heat transfer and  pressure drop of the case study refrigerator plate evaporator (Papers A, B and C). In part 2 the focus  is shifted to the cooling system (Papers D, E, F, G and H). Paper D presents a new technique to  accurately measure refrigerant quantities in different parts of the cooling system. Papers E and F  holds results from experiments conducted with this technique. Paper G is devoted to the classical  topic of optimal charging (quantity of refrigerant charge) and throttling (capillary tube diameter or  length). Finally, in Paper H a thermo‐graphic study of the overall cooling system operating at on‐off  cycling conditions is presented. 

 

References

Related documents

For this selection some characteristics were taken into account such as: the appearance of the material to fit with the aesthetic previously defined; the

In order to reduce the consumption a heat pump will be suggested; to reduce the losses decreasing indoor temperature, improving thermal bridges and the option to change

Parallel hybrid cars have parallel energy sources but the electric path from the wheels to the battery, via the motor/generator and control circuit, are the same [6].. The

The high energy costs and carbon dioxide emissions resulting from the operation of a data centre call for alternative, more efficient, solutions for the power supply design.. One

techniques including proton therapy for breast

Analysen visar att butiken delar upp leksaker för flickor respektive pojkar när leksakerna inte är till för yngre barn eller bebisar.. Flickors leksaker anspelar på hur flickor ska

The case study that will be analyzed is Gotland mircrogrid and it will be examined for ESS frequency response during the HVDC cables fault under different levels of exported

The object of making the FL-X more energy efficient led to comparison between different light sources against the ceramic metal halide!. A test was made on the previous