Integrated Experimental and Numerical Analysis of System Performance and Product Freezing in a Vapor Injection Seafood Freezing System

Seafood has a high level of perishability, which makes cryogenic preservation the most effective modality in meat to preserve its safety, quality, and shelf life. However, industrial refrigeration systems result in high energy requirements and often use high global warming potential (GWP) refrigerants, thus creating environmental and regulatory challenges. The thesis will look at a seafood freezing design that has a vapor-injection scroll compressor system using the low-GWP refrigerant R448A. The purpose of the investigation is to evaluate the thermodynamic performance of the refrigeration system as well as the kinetics of freezing the product at strictly controlled conditions of the work.A test rig was created in order to test the performance of the system over a range of condensing temperatures, setpoint chamber conditions, and openings of the expansion valve. Key performance indices such as cooling capacity, power consumption of the power compressor, discharge temperature, and coefficient of performance were measured in the specified steady-state operating conditions, and the measurement errors were evaluated to determine reliability. The system efficiency with respect to the influence of vapor injection and condensing temperature was carefully studied to clarify the effects of the two factors in terms of the energy consumption and stability in operation.Simultaneously, a numerical model that was based on the finite element method (FEM) was employed to model the transient heat transfer in fish products during freezing. The temperature changes of the surface and core were compared with experimental values to determine the consistency over the range of investigation. Combining experimental study with numerical modeling, the work provides a complete perspective on the performance of the system and freezing dynamics at the product level, thus providing a viable contribution to more sustainable and energy-efficient refrigeration technologies of seafood products.

I prodotti ittici hanno un alto livello di deperibilità, il che rende la conservazione criogenica la modalità più efficace per preservarne la sicurezza, la qualità e la durata di conservazione. Tuttavia, i sistemi di refrigerazione industriale comportano un elevato fabbisogno energetico e spesso utilizzano refrigeranti ad alto potenziale di riscaldamento globale (GWP), creando così sfide ambientali e normative. La tesi esaminerà un progetto di congelamento dei prodotti ittici che prevede un sistema di compressori scroll a iniezione di vapore che utilizza il refrigerante R448A a basso GWP. Lo scopo della ricerca è valutare le prestazioni termodinamiche del sistema di refrigerazione e la cinetica di congelamento del prodotto in condizioni di lavoro rigorosamente controllate.È stato creato un banco di prova per testare le prestazioni del sistema in un intervallo di temperature di condensazione, condizioni della camera di riferimento e aperture della valvola di espansione. Gli indici di prestazione chiave, quali la capacità di raffreddamento, il consumo energetico del compressore, la temperatura di scarico e il coefficiente di prestazione, sono stati misurati nelle condizioni operative stabili specificate e gli errori di misurazione sono stati valutati per determinarne l'affidabilità. L'efficienza del sistema in relazione all'influenza dell'iniezione di vapore e della temperatura di condensazione è stata studiata attentamente per chiarire gli effetti dei due fattori in termini di consumo energetico e stabilità di funzionamento.Contemporaneamente, è stato utilizzato un modello numerico basato sul metodo degli elementi finiti (FEM) per modellare il transitorio.