Energy analysis of household devices and their modeling software

The purpose of this work was to develop three simulation models of tumble dryers: heat pump tumble dryer, air vented tumble dryer and condenser tumble dryer. In interests of competitiveness, manufactures of tumble dryers are seeking to reduce both their electricity consumption and the drying time. Nowadays, this challenge has led to use innovative work methodologies, especially in case of complex and non-linear dynamic systems as the drying process, where the development of a model plays a crucial role. The heat pump tumble dryer system is divided into three parts: heat pump module, drum and air circuit. A model, for each of the previous components, was developed. The first part of this dissertation tries to develop a dynamic model of a vapor compression cycle system, and hence of the heat pump module, using a first-principles modeling framework. The mass and energy conservation principles were used to draw up the equation set, whereas collected experimental data was used to validate each component. The modeling of the heat exchanger is based on the moving-boundary scheme, the capillary tube was modeled through an analytical correlation found in literature and the dynamic behaviour of the compressor was considered. The characteristic of the aeraulic circuit of the heat pump tumble dryer was investigated using performance tests that allowed to characterize its aeraulic resistances as well as the characteristic curve of the process fan. A significant part of the work was focused on the analysis of the physical phenomena that take place inside the dryer drum due to the interaction between the air stream and the moistened laundry load. The features of this component determine the mass and energy flow through the complete unit. The analysis of experimental tests led to develop a correlation that gives the overall heat transfer coefficient between air and laundry load. The overall mass transfer is deduced invoking the heat and mass transfer analogy based on the Lewis number. An original model of the system laundry-content of water is presented. This model was validated through a series of drying tests. The models of the heat pump, the air circuit and the drum were joined together to develop the entire model of the heat pump tumble dryer. The model predictions were compared with experimental data, and the result showed that the energy consumption is adequately predicted with maximum deviation of ± 10% if the drying time is properly predicted. Further some case studies are presented where the capabilities in prediction of the model, in cases where model's parameters were strongly varied, were checked. The second dryer analyzed and modeled is the air vented tumble dryer that operates with an open-configuration. The modeling effort on this dryer platform was focused on the understanding of the fluid-dynamic aspects that govern its behaviour. Two sources of leakage, where the air can enter into the process circuit, were detected. These sources heavily affect the performances. The whole experimental aeraulic characterization of the air process circuit is presented together with the pressure drop correlation of each component. These correlations allowed to develop a simulation model where also the heat transfer dynamics concerning the heating element and the evaporation process were considered. Simulation results are in excellent agreement with experimental data. The third dryer analyzed and modeled is the condenser tumble dryer. This kind of tumble dryer can be viewed as an extension of the air vented tumble dryer where the air leaving the drum is recirculated back. Before crossing the heater, the air stream is cooled and dehumidified by an air-to-air heat exchanger with cross flow arrangement. In order to develop the whole system a heat exchanger model was developed. The model is based on a 2D discretization of the metallic plate whose properties are considered as lumped. Furthermore, the model is able to catch both mass and energy phenomena. Also for this device the aeraulic circuit was first analyzed experimentally and then modeled for the purpose of predicting the process mass flow rate along the drying cycle. The model capabilities were checked by testing the model throughout the drying cycle and the results are presented. The different arrangement of the drum flange seems to reduce the active portion of the mass flow rate involved in heat and mass transfer exchanges with the laundry load. This leads a longer drying time compared with those derived by the relations developed for the heat pump and air vented tumble dryer that predict the mass and energy transfer between air and laundry.

Lo scopo di questo lavoro è stato lo sviluppo di tre modelli numerici adatti alla simulazione dinamica di asciugatrici domestiche. In particolare modo è stata analizzata l’asciugabiancheria a pompa di calore, l’asciugabiancheria ad aria ventilata ed infine l’asciugabiancheria a condensa. Oggigiorno i produttori di asciugabiancheria, per ragioni di competitività, si stanno sfidando sul mercato con prodotti sempre più efficienti: ridotto consumo energetico e ridotta durata del ciclo. Questa sfida ha condotto all’uso di metodologie di lavoro innovative come il "model-based-design" adatto all’analisi di sistemi complessi e non lineari come è il ciclo di asciugatura. In questo approccio riveste un ruolo fondamentale lo sviluppo di un modello matematico che spieghi il funzionamento del sistema. L’asciugatrice a pompa di calore è costituita da tre componenti principali: modulo pompa di calore, cesto e circuito aeraulico. Per ognuno di essi è stato sviluppato un modello. La prima parte di questo lavoro è stata dedicata allo sviluppo di un modello dinamico del ciclo a compressione di vapore usando un approccio di primo principio in cui i principi di conservazione della massa e dell’energia vengono applicati per sviluppare le equazioni che ne descrivono il comportamento. Gli scambiatori di calore sono stati modellizzati attraverso l’approccio a frontiera mobile noto in letteratura con il nome: "moving-boundary". Per la stima della portata di refrigerante elaborata dal tubo capillare è stata impiegata una relazione analitica disponibile in letteratura, coerente con i valori sperimentali. Infine il comportamento dinamico del compressore manifestatosi durante alcune fasi del ciclo di asciugatura, è stato considerato sviluppando un modello a due capacità termiche. Le caratteristiche del circuito aeraulico della pompa di calore sono state soggette prima ad analisi sperimentali, permettendo la derivazione delle correlazioni in grado di stimare le perdite di carico lato aria di processo, e successivamente alla loro modellizzazione utilizzando l’analogia elettrica. Una significativa parte del lavoro è stata concentrata sull’analisi del processo di evaporazione a cui è soggetta l’acqua contenuta nei panni. L’analisi sperimentale condotta ha permesso di sviluppare la correlazione che spiega come varia la trasmittanza media aria-panni durante il ciclo di asciugatura, inoltre sfruttando l’analogia di scambio di calore e di massa, basata sul numero di Lewis, è stato determinato il coefficiente medio di scambio di massa. Il sistema acqua-panni è stato modellizzato con un approccio originale che prevede di dividerlo in due zone: una zona secca ed una zona bagnata, l’estensione della zona bagnata è funzione del grado di asciugatura. La correlazione che spiega come varia l’estensione di tale zona è stata ricavata dai dati sperimentali. Il modello è stato validato e mostra una accuratezza del 5% nella predizione del tempo di asciugatura. I tre sotto-modelli sviluppati sono stati collegati tra di loro in modo da sviluppare il modello complessivo dell’asciugabiancheria a pompa di calore. L’attendibilità del modello è stata verificata prima con confronti sperimentali e successivamente con più casi studio che hanno evidenziato, qualora il tempo ciclo fosse predetto, delle deviazioni di circa il 10% sulla stima del consumo energetico del compressore. La seconda piattaforma di asciugabiancheria che è stata analizzata è il modello ad aria ventilata. Questo tipo di elettrodomestico opera con una configurazione di ciclo aperta in cui l’aria uscente dal cesto viene espulsa in ambiente. Lo sforzo modellistico è stato concentrato nella comprensione dei fenomeni fluidodinamici che ne regolano il funzionamento. Due tipi di sorgenti di perdita sono stati messi in luce, in questi punti, l’aria può entrare nel sistema. L’effetto della portata non riscaldata influenza notevolmente le prestazioni dell’asciugabiancheria. L’intera caratterizzazione sperimentale del circuito aeraulico ha permesso di dedurre delle correlazioni che stimano le perdite di carico attraverso i vari componenti. Ciò ha permesso la derivazione di un modello aeraulico, che accompagnato dalla descrizione dinamica dell’elemento riscaldante, ha permesso lo sviluppo del modello complessivo della macchina. Il modello è stato validato sperimentalmente ed il confronto tra risultati sperimentali e numerici ha indicato che esso è in grado di predire eccellentemente le prestazioni della macchina nel ciclo di aciugatura. La terza piattaforma di asciugabiancheria che è stata analizzata è il tipo a condensa. Esso può essere visto come un’estensione del modello ad aria ventilata in cui il flusso d’aria proveniente del cesto viene ricircolato ma prima di passare attraverso l’elemento riscaldante il flusso d’aria transita in uno scambiatore compatto ad aria dove viene raffreddato e deumidificato. Pertanto lo sforzo modellistico si è concentrato non solo nello sviluppo del consueto modello aeraulico derivato dai dati sperimentali ma anche nello sviluppo di un modello bidimensionale dello scambiatore di calore. La piastra metallica dello scambiatore di calore è strata discretizzata bidimensionalmente. Il modello è in grado di cogliere fenomeni sia di scambio sensibile che di trasporto di massa. Le capacità di predizione del modello sono state testate confrontando i risultati su un intero ciclo di asciugatura. La diversa configurazione della flangia, che immette l’aria all’interno del cesto, riduce la porzione attiva di portata d’aria a contatto con i panni.