Experimental analysis of an advanced R744 multi-ejector

Abstract

Den økende interessen for energieffektive løsninger, samt å arbeide mot en mer bærekraftig framtid, viser til viktigheten av å spare energi. Dagens butikkjøleanlegg med karbondioksid har et stort potensial for å redusere primærenergiforbruket. Multiejektoren har blitt utviklet som en del av løsningen, men videre forbedringer er nødvendig. Formålet med masteroppgaven er å gjennomføre en rekke eksperimentelle tester ved å kartlegge den avanserte multiejektoren.

En prototype av en avansert multiejektor utviklet av Danfoss ble eksperimentelt undersøkt i et R744 parallellkompresjonssystem. Testanlegget hos NTNU Trondheim ble brukt for å evaluere ytelsen til multiejektoren. Grunnet prototypens patentsituasjon, avsløres ikke dimensjoner og antall ejektorpatroner i denne masteroppgaven.

Ejektorens ytelse ble undersøkt for ejektorinnløpet på høytrykksiden fra 59,3 bar til 90,3 bar med en temperatur mellom 18,4˚C og 35,2˚C. Trykkene på sugesiden var mellom 25,2 og 28,3 bar, mens ejektorutløpstrykkene økte fra 27,8 bar til 35,5 bar underveis i målingene. Dette resulterte i et trykkløft fra 2 bar til 8 bar. Ejektorvirkningsgraden varierte mellom 5% og 23%. Massestrømsforholdet varierte fra 0,06 til 0,53. En usikkerhetsanalyse ble gjennomført for resultatene fra den avanserte multiejektoren. Det ble fastsatt at trykksensorene i testanlegget hadde en relativt høy usikkerhet sammenlignet med massestrømsmålerne. Dette viser at nye trykksensorer i testanlegget må installeres.

Videre ble det utført en sammenligningsanalyse mellom den avanserte multiejektoren og kommersielle multiejektorer fra Danfoss. De eksperimentelle resultatene ble lagt inn i beregningsvertøyet Coolselector. Her ble transkritiske lavtrykk og høytrykkmultiejektorer fra Danfoss anbefalt med de samme bedriftsbetingelser som den avanserte multiejektoren. Tre tilfeller ble undersøkt basert på forskjellen i massestrøm på sugesiden, beholdertrykket (utløpstrykket i ejektor) og massestrøm på høytrykksiden.

I tillegg, for de tre tilfellene ble de tilhørende massestrømforholdene, ejektoreffektivitetene og trykkløftene sammenlignet. De gjennomførte simuleringene bekreftet at den avanserte multiejektoren har lav virkningsgrad for høyere trykk rundt 90 bar. Simuleringene antydet også at multiejektoren ligner mer på en lavtrykkmultiejektor enn en høytrykkmultiejektor.

The increasing interest in energy efficient solutions and working towards a more sustainable future, give rise to the importance of saving energy. Present supermarket refrigeration systems with carbon dioxide have a large potential to limit power consumption. The multi-ejector has been developed as a part of the solution, but further improvements are necessary. The aim of this Master`s Thesis is to carry out a campaign of experimental tests at performance mapping of a new advanced multi-ejector.

A prototype of an advanced multi-ejector designed by the Danish company Danfoss was experimentally investigated at a R744 parallel-compression system. The test facility at NTNU Trondheim was utilized to evaluate the performance of the multi-ejector. Based on the patent situation of the prototype, the dimensions and number of ejector cartridges are confidential and are therefore not revealed in this Master`s Thesis.

The ejector performance was investigated for inlet motive nozzle pressures from 59.3 bar to 90.3 bar with a motive temperature between 18.4˚C and 35.2˚C. The suction side pressures were between 25.2 bar to 28.3 bar, while the ejector outlet/receiver pressures ranged from 27.8 bar to 35.5 bar. This resulted in a pressure lift between 2 bar and 8 bar. The overall ejector efficiencies recorded were between 5% and 23%. The entrainment ratios varied between 0.06 and 0.53.

In addition, an uncertainty analysis was performed for the test results of the advanced multi-ejector. It was determined that the pressure transmitters in the test facility have a relative high uncertainty compared with the mass flow meters. This indicates that new pressure transmitters in the test facility must be installed.

Moreover, a comparison analysis was performed between the advanced multi-ejector and commercial multi-ejectors from Danfoss. The experimental results were implemented into the selection tool Coolselector. Here, transcritical low pressure and high pressure multi-ejectors from Danfoss were recommended under the same operational conditions as the advanced multi-ejector. Three cases were investigated based on the difference in suction mass flow rate, receiver pressure (ejector outlet pressure) and motive nozzle mass flow rate.

Additionally, for the three cases, the corresponding entrainment ratios, ejector efficiencies and pressure lifts were compared. The conducted simulations confirmed that the advanced multi-ejector has low efficiencies for higher motive nozzle pressures around 90 bar. The simulations also indicated that the multi-ejector is more similar to a low pressure multi-ejector than a high pressure multi-ejector.