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Improvements on the effiency of an autonomous commercial refrigeration system that uses low GWP fluids by the development of a thermoelectric subcooling system

La producción de frío de manera artificial es considerada una de las contribuciones más relevantes de la historia, jugando un papel clave en el desarrollo de la sociedad humana, gracias a su contribución en la conservación de productos perecederos y como herramienta para conseguir confort térmico tanto en edificios como vehículos. Debido a su importancia, el sector de la refrigeración cuenta con un gran volumen y se encuentra ampliamente extendido tanto en el ámbito industrial como doméstico. Como consecuencia de su gran volumen, el sector viene ligado de un considerable impacto sobre el medioambiente debido al consumo eléctrico de las instalaciones y a los refrigerantes utilizados. Además, la demanda de refrigeración se espera que siga creciendo durante las próximas décadas y las estimaciones más recientes predicen que llegará a duplicarse para el año 2050. Estos hechos, junto con la actual problemática medioambiental, ponen de manifiesto la importancia de disminuir el impacto medioambiental del sector de la refrigeración. El impacto medioambiental de los equipos frigoríficos se debe a la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera los cuales contribuyen al calentamiento global del planeta. Estas emisiones se deben por un lado al consumo eléctrico del sistema de refrigeración y por otro lado a la fuga de refrigerantes con alto potencial de calentamiento atmosférico de las instalaciones. Con el objetivo de reducir las emisiones de los equipos frigoríficos existen dos principales vías de acción: el uso de refrigerantes naturales con bajo poder de calentamiento atmosférico, como el dióxido de carbono, y el desarrollo de equipos más eficientes para disminuir el consumo eléctrico de los sistemas de refrigeración. Esta tesis doctoral combina ambas líneas de acción centrándose en el desarrollo de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico para la mejora de la eficiencia de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. Esta combinación de tecnologías se presenta como una solución novedosa y prometedora para la reducción de las emisiones de los equipos frigoríficos y es posible gracias a la robustez, escalabilidad,controlabilidad y versatilidad que ofrecen los sistemas termoeléctricos. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un modelo computacional capaz de simular el comportamiento de un ciclo de compresión de vapor de dióxido de carbono en estado transcrítico junto con un sistema de subenfriamiento termoeléctrico. El modelo computacional desarrollado ha sido validado de manera experimental y los resultados muestran que es capaz de predecir el comportamiento real del sistema con desviaciones dentro del +/-7% de error. Una vez desarrollado y validado el modelo computacional, este ha sido utilizado para el estudio y diseño del sistema de subenfriamiento termoeléctrico con el objetivo de optimizar el funcionamiento del sistema global de refrigeración. En el estudio se ha realizado una caracterización térmica de los intercambiadores de calor utilizados en el subenfriador termoeléctrico y mediante la utilización del modelo computacional se ha cuantificado el impacto de los interacambiadores de calor en el sistema global de refrigeración. Los resultados obtenidos muestran que mediante la utilización de intercambiadores optimizados, el aumento en potencia frigorífica con el sistema de subenfriamiento termoeléctrico se incrementa desde un 21.4% a un 26.3%. Asimismo, la mejora obtenida en el coeciente de operación pasa de un 11.96% a un 14.75%. Los resultados obtenidos demuestran el gran impacto que los intercambiadores de calor del subenfriador termoeléctrico tienen en el funcionamiento global del sistema de refrigeración. Gracias a la información obtenida mediante el modelo computacional, se ha sido diseñado, construido e incorporado un sistema de subenfriamiento termoeléctrico en una instalación experimental de compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. La planta experimental ha sido ensayada bajo diferentes condiciones climáticas y de operación para comprobar de manera experimental el efecto del subenfriador termoeléctrico en el funcionamiento global del sistema. Además, los resultados obtenidos mediante la incorporación del subenfriador termoeléctrico han sido comparados con la utilización de un intercambiador recalentador subenfriador, una tecnología comúnmente utilizada para mejorar la eficiencia de ciclos de refrigeración por compresión de vapor. Los resultados obtenidos muestran como las mejoras obtenidas mediante el subenfriador termoeléctrico superan las obtenidas mediante el intercambiador recalentador subenfriador tanto en coeficiente de operación como en potencia frigorífica. La inclusión del sistema de subenfriamiento termoeléctrico resulta en un aumento de potencia frigorífica de hasta un 20.8% y una mejora del coeficiente de operación del sistema de hasta el 16.2%. Por último, debido a la versatilidad y controlabilidad del subenfriador termoeléctrico, esta tecnología se ha combinado junto con el intercambiador recalentador subenfriador, con el objetivo de comprobar el funcionamiento del ciclo de compresión de vapor trabajando con ambas tecnologías simultáneamente. La incorporación de un subenfriador termoeléctrico junto con el intercambiador recalentador subenfriador resulta en un aumento de la potencia frigorífica de un 22.5% y en un incremento del coeficiente de operación del 22.4%. Estos resultados muestran que mediante la combinación de estas dos tecnologías se obtienen mejoras superiores a las obtenidas a través de cada una de ellas de manera independiente. Los resultados de esta tesis demuestran que la utilización de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico es una solución tecnológicamente viable para la mejora de la eficiencia de sistemas de refrigeración por compresión de vapor con dióxido de carbono en estado transcrítico, disminuyendo así, las emisión de gases de efecto invernadero de los sistemas de refrigeración y contribuyendo a la producción de frio de manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

The refrigeration sector plays a critical role in the development and well-being of society by aiding in the conservation of perishables and providing thermal comfort in vehicles and buildings. Due to its undeniable importance and necessity, the vast volume of this sector is linked to a considerable impact on the environment. The demand of refrigeration is expected to grow over the next decades and according to the most recent estimations, the volume of the sector could double by 2050. This fact, alongside the current environmental problematic, reveals the importance of reducing the environmental impact of refrigeration systems. The environmental impact of a refrigeration system is produced by the emission of greenhouse effect gases onto the atmosphere which contributes to the global warming of the planet. The emissions are related to the electrical consumption of the refrigeration system and the leakage of refrigerants with high global warming potential. Therefore, the two main lines of action are the use of natural refrigerants with almost negligible global warming potential, such as carbon dioxide, and the development of more efficient systems in order to reduce the electrical consumption of refrigeration facilities. The present Ph. D. dissertation focuses on the development of a thermoelectric subcooling system to improve the performance of a vapour compression refrigeration cycle that uses transcritical carbon dioxide as a refrigerant. This combination of technologies presents itself as a novel and promising solution, possible due to the robustness, scalability, controlability and versatility that thermoelectric systems offer. Firstly, a computationl model has been developed. It simulates the behaviour of a transcritical carbon dioxide vapour compression cycle working with a thermoelectric subcooler. The model has been experimentally validated and the results show that it is capable of representing a real system with deviations for the main outputs between the +/-7% interval of error. Then, the computational model is used to aid in the design and to study the working principles of thermoelectric systems in order to maximize the performance of the global refrigeration system. A thermal characterization of the heat exchangers used in the thermoelectric subcooler has been performed and with the aid of the computational model developed, the impact that those heat exchangers have in the global refrigeration system has been quantified. The results demonstrate that when optimized heat exchangers are included in the thermoelectric subcooler, the enhancement in the cooling capacity of the system rises from 21.4% to 26.3%. Likewise, the improvement obtained in the coeficient of performance of the cycle rises from 11.96% to 14.75%. These results display that the heat exchangers of the thermoelectric subcooling system have a critical impact on the performance of the global system. Considering the information obtained with the computational model, a thermoelectric subcooling system is designed, built and included in an experimental vapour compression facility that uses carbon dioxide in transcritical state as a refrigerant. The experimental plant is tested for multiple climatic and operation conditions to prove through experimental results the effect of including a thermoelectric subcooling system in the global performance of the refrigeration facility. In addition, the results with the thermoelectric subcooler are compared with the inclusion of an internal heat exchanger, a commonly used technology to boost the performance of vapour compression refrigeration cycles. The results show that, in terms of cooling capacity and coeficient of performance, the improvements reported with the thermoelectric subcooler surpass the ones obtained through the inclusion of the internal heat exchanger. Using the thermoelectric subcooler the cooling capacity of the refrigeration system is enhanced by 20.8% and the coeficient of performance is boosted by 16.2%. Moreover, considering the versatility and controllability of the thermoelectric subcooler, this system is used in combination with the internal heat exchanger to test the performance of the cycle working with both technologies at the same time. The inclusion of the thermoelectric subcooler in combination with the internal heat exchanger reported a maximum improvement in the cooling capacity of 22.5% and and increase in the coeficient of performance of 22.4%. These results showcase that improvements obtained with both technologies working together surpass the ones obtained with each of the technologies on their own. The results of the present Ph. D. dissertation demonstrate that the inclusion of a thermoelectric subcooling system is a viable solution to boost the performance of vapour compression refrigeration systems that use natural refrigerants, reducing the emission of greenhouse gases from refrigeration systems and contributing to the production of cold in a sustainable way.