Thermodynamic modeling of a water injected twin screw compressor used in high temperature heat pump range
Abstract
Det anslås at høytemperaturs varmepumper skal være en vesentlig del av en grønnindustrisektor i fremtiden (IEA, 2020). Hovedutfordringen for høytemperatursvarmpepumper er å finne pålitelige og effektive kompressorer som kan drives medkjølemedium som har lavt GWP og null ODP. Denne oppgaven undersøker hvordan mankan overkomme denne utfordringen. I den forbindelse har et literaturstudie påkompressorer brukt i høytemperaturs varmepumper blitt utført, samtidig sombegrensingene til dagens kompressorer i forhold til trykk og temperatur har blitt undersøkt.Hoveddelen av oppgaven var å lage en simuleringsmodel for en kompressors dynamikk.En spesifikk kompressor utviklet i et forskningsprosjekt ved SJTU ble undersøkt.Høytemperaturs varmepumpesystemet har fått internasjonal annerkjennelse og er etveldig-høytemperaturs varmepumpesystem som bruker en vanninjeksjonsskruekompressor, og drives med vanndamp som kjølemedium. En av åraskene til at dettesystemet ble valgt er at vann og vanndamp er et naturlig, miljøvennlig kjølemedium somkan drives trygt og pålitelig. Vanndamp har veldig kjente og utforskede termodynamiskeegenskaper.Skurekompressoren med vanninjeksjon er en lovende teknologi, og en termodynamiskmodel ble utviklet for å kunne optimalisere driften av kompressoren. Et studie for å finneden optimale mengden vanninjeksjon, samt et studie for å finne fordelingen avinjeksjonstrømmen i tre injeksjonsdyser i kompressoren ble utført. Den termodynamiskemodellen ble laget i simuleringsprogrammet Modelica. Modellen er basert på en tidligereutviklet ammonium-vannkompressor. Dette øker fleksibiliteten til modellen og kan åpnefor at modellen lett kan justeres til å passe andre kompressorer.Modellen ble validert mot eksperimentelle data før optimaliseringstudiene av vanninjeksjonble utført. Injeksjonsstudien indikerer at dersom kompressoren er analysert som enenkeltstående komponent vil høyere vanninjeksjon redusere kompressorarbeidet. Dersomet helt varmepumpesystem er analysert kommer det fram at det er noen nedsier ved storemengder vanninjeksjon som ikke kommer fram dersom man bare fokuserer påkompressorarbeid fra simuleringen. Dersom man studerer de termodynamiskebetingelsene i fluidet som kommer ut av kompressoren kan man finne en optimaltilstandog derfor en optimal mengde med vanninjeksjon. Studiet for å finne fordelingen avvanninjeksjonstrømmer viser at dette er en faktor som er påvirker bådekompressorarbeidet og de termodynamiske betingelsene for fluidet som går ut avkompressoren. Trenden viser at mer vann injesert tidlig i kompressoren fører til laverekompressorarbeid. High-temperature heat pumps (HTHPs) are predicted to be an integral part of a moreenergy-efficient industry sector in the future (IEA, 2020). The main challenge in HTHPresearch is to find reliable, efficient compressors that can operate with low-global warmingpotential and zero ozone depletion potential refrigerants. This was investigated closely inthis thesis. Consequently, a literature review of compressors used in HTHPs and theavailability of compressors regarding temperature and pressure. The main task in thethesis was to make a simulation program for the compressor dynamics. A specificcompressor from a research project at SJTU was investigated. The system has receivedinternational attention and is a very high-temperature heat pump (VHTHP) system with awater injected twin-screw compressor operated with water vapor as the refrigerant. Oneof the reasons why this project was chosen is that water is a natural, environmentallyfriendly refrigerant that is safe and reliable in operation due to its well knownthermodynamic properties.The twin-screw compressor with water injection shows good promise, and athermodynamic model was developed to optimize the operation of the compressor. A studyon the optimum amount of liquid injected, along with the distribution of liquid injected onthree injection nozzles has been conducted. The thermodynamic model was developed inthe Modelica programming language. It was based on another model used for an ammonia-water compressor. This makes the model more adaptable and allows for furthermodifications to fit other applications.The model was validated against experimental data before the liquid-injection optimizationstudy was conducted. The results indicate that when the compressor is investigated as anindividual component, a higher amount of liquid injected leads to less compressor work.However, the output named compressor work is not the only indicator of how well thecompressor is performing. The enthalpy of the discharged fluid is an important indicator ofthe heat capacity of the heat pump system. The model is used to perform a thermodynamicanalysis to find the optimum amount of injection, which reduces compressor work withoutcompromising heat capacity. Furthermore, the study indicates that the compressorperformance differs depending on the distribution of the liquid injected. The general trendshows that a larger amount of liquid injection early in the process is beneficial for theperformance of the compressor.