Non-adiabatic capillary tubes in high efficiency household refrigerator: an experimental study

Abstract

El tubo capilar con intercambio de calor líquido-succión (CT-LSHX) es un componente ampliamente utilizado en refrigeradores domésticos. Trabajos recientes han indicado que la entrada del tubo capilar era bifásica, aunque condiciones subenfriadas estaban medidas a la salida del condensador. El objetivo de esta tesis doctoral es examinar las condiciones reales a la entrada del tubo capilar de un refrigerador doméstico mediante el uso de un banco de pruebas innovador. Se instalaron tubos transparentes a la salida del condensador y a la entrada del tubo capilar con el fin de visualizar el flujo. La campaña de visualización experimental revela que el flujo a la entrada del tubo capilar era bifásico a pesar de la medición de un cierto subenfriamiento, independientemente de la posición del filtro instalado a la entrada del capilar (horizontal o vertical), la dirección del flujo (hacia arriba o hacia abajo) y la carga de refrigerante. Este estudio demuestra también que el filtro no estaba actuando como un acumulador ya que el nivel de líquido del capilar siempre siguió la entrada del tubo capilar, independientemente de la longitud del tubo capilar dentro del filtro. Se plantearon dos hipótesis para explicar el fenómeno: una condición de no equilibrio del refrigerante y/o un desequilibrio entre el caudal másico del compresor y del capilar, es decir, el sistema estaría equipado con un capilar no bastante restrictivo en comparación con las necesidades del compresor. El condensador original refrigerante-aire fue reemplazado por un condensador refrigerante-agua para evaluar, a partir del balance de calor en el condensador de agua, las condiciones del refrigerante a la salida del condensador y, por lo tanto, a la entrada del tubo capilar. Las mediciones indican un flujo bifásico no equilibrado compuesto de vapor y líquido subenfriados a la entrada del tubo capilar. Para verificar si la presencia de flujo bifásico se debía a un desequilibrio entre el caudal másico del compresor y del capilar, el diseño del banco de prueba se modificó utilizando un diámetro de tubo capilar más pequeño y aumentando la velocidad del compresor. Con esta nueva configuración, se alcanzó a llenar de líquido el filtro y, por lo tanto, tener condiciones exclusivamente líquidas a la entrada del tubo capilar. Se realizó una comparación de prestaciones entre un flujo bifásico y un flujo únicamente líquido a la entrada del capilar. Los resultados revelan que el COP fue mayor cuando la entrada del capilar era sólo líquida.

El tub capil·lar amb intercanvi de calor líquid-succió (CT-LSHX) és un component àmpliament utilitzat en refrigeradors domèstics. Treballs recents han indicat que l'entrada del tub capil·lar era bifàsica, encara que condicions sub-refredades estaven mesurades a l'eixida del condensador. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és examinar les condicions reals a l'entrada del tub capil·lar d'un refrigerador domèstic mitjançant l'ús d'un banc de proves innovador. Es van instal·lar tubs transparents a l'eixida del condensador i a l'entrada del tub capil·lar amb la finalitat de visualitzar el flux. La campanya de visualització experimental revela que el flux a l'entrada del tub capil·lar era bifàsic malgrat el mesurament d'un cert sub-refredament, independentment de la posició del filtre instal·lat a l'entrada del capil·lar (horitzontal o vertical), la direcció del flux (cap amunt o cap avall) i la càrrega de refrigerant. Aquest estudi demostra també que el filtre no estava actuant com un acumulador ja que el nivell de líquid del capil·lar sempre va seguir l'entrada del tub capil·lar, independentment de la longitud del tub capil·lar dins del filtre. Es van plantejar dues hipòtesis per a explicar el fenomen: una condició de no equilibri del refrigerant i/o un desequilibri entre el cabal màssic del compressor i del capil·lar, és a dir, el sistema estaria equipat amb un capil·lar no bastant restrictiu en comparació amb les necessitats del compressor. El condensador original refrigerant-aire va ser reemplaçat per un condensador refrigerant-aigua per a avaluar, a partir del balanç de calor en el condensador d'aigua, les condicions del refrigerant a l'eixida del condensador i, per tant, a l'entrada del tub capil·lar. Els mesuraments indiquen un flux bifàsic no equilibrat compost de vapor i líquid sub-refredats a l'entrada del tub capil·lar. Per a verificar si la presència de flux bifàsic es devia a un desequilibri entre el cabal màssic del compressor i del capil·lar, el disseny del banc de prova es va modificar utilitzant un diàmetre de tub capil·lar més xicotet i augmentant la velocitat del compressor. Amb aquesta nova configuració, es va aconseguir omplir de líquid el filtre i, per tant, tindre condicions exclusivament líquides a l'entrada del tub capil·lar. Es va realitzar una comparació de prestacions entre un flux bifàsic i un flux únicament líquid a l'entrada del capil·lar. Els resultats revelen que el COP va ser major quan l'entrada del capil·lar era només líquida.

Capillary tube with liquid-to-suction heat exchanger (CT-LSHX) is a component widely used in household refrigerators. Recent works have indicated that even when measuring subcooled conditions at the condenser outlet, the actual capillary tube inlet is two phase-flow. The aim of this PhD thesis is to examine the actual conditions at the capillary tube inlet of a household refrigerator by using an innovative test bench. Transparent tubes were set up at the condenser outlet and capillary tube inlet. The experimental visualisation campaign reveals that the capillary tube inlet was two-phase flow despite the measurement of a certain subcooling, regardless of the filter position (horizontal or vertical), flow direction (upward or downward) and refrigerant charge. This study also demonstrates that the filter was not acting as an accumulator since the liquid level of the capillary always followed the capillary tube entrance, regardless of the capillary tube length inside the filter. Two hypotheses were then posed to explain the phenomenon: a non-equilibrium condition of the refrigerant and/or an unbalanced matching between compressor and capillary tube, that is, the system would be equipped with a capillary tube with a notably large expansion capacity compared to the needs of the compressor. The original refrigerant-to-air condenser was replaced by a refrigerant-to-water condenser to assess, from the heat balance at the water condenser, the refrigerant conditions at the condenser outlet and therefore, at the capillary tube inlet. Measurements indicate a non-equilibrium two-phase flow composed of subcooled vapour and liquid at the capillary tube inlet. To verify if the presence of two-phase flow was due to unbalanced matching between the capillary tube and compressor, the test bench design was modified by using a smaller capillary tube diameter and increasing compressor speed. Fully liquid conditions at the capillary tube inlet were reached with this new configuration. A performance analysis comparison between a capillary tube inlet composed of vapour and liquid and a capillary tube inlet composed of only liquid was also performed. Results reveal that COP were higher in cases of fully liquid conditions at the capillary tube inlet.