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 grønn industrisektor i fremtiden (IEA, 2020). Hovedutfordringen for høytemperaturs varmpepumper er å finne pålitelige og effektive kompressorer som kan drives med kjølemedium som har lavt GWP og null ODP. Denne oppgaven undersøker hvordan man kan overkomme denne utfordringen. I den forbindelse har et literaturstudie på kompressorer brukt i høytemperaturs varmepumper blitt utført, samtidig som begrensingene 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 et veldig-høytemperaturs varmepumpesystem som bruker en vanninjeksjons skruekompressor, og drives med vanndamp som kjølemedium. En av åraskene til at dette systemet ble valgt er at vann og vanndamp er et naturlig, miljøvennlig kjølemedium som kan drives trygt og pålitelig. Vanndamp har veldig kjente og utforskede termodynamiske egenskaper. Skurekompressoren med vanninjeksjon er en lovende teknologi, og en termodynamisk model ble utviklet for å kunne optimalisere driften av kompressoren. Et studie for å finne den optimale mengden vanninjeksjon, samt et studie for å finne fordelingen av injeksjonstrømmen i tre injeksjonsdyser i kompressoren ble utført. Den termodynamiske modellen ble laget i simuleringsprogrammet Modelica. Modellen er basert på en tidligere utviklet ammonium-vannkompressor. Dette øker fleksibiliteten til modellen og kan åpne for at modellen lett kan justeres til å passe andre kompressorer. Modellen ble validert mot eksperimentelle data før optimaliseringstudiene av vanninjeksjon ble utført. Injeksjonsstudien indikerer at dersom kompressoren er analysert som en enkeltstående komponent vil høyere vanninjeksjon redusere kompressorarbeidet. Dersom et helt varmepumpesystem er analysert kommer det fram at det er noen nedsier ved store mengder vanninjeksjon som ikke kommer fram dersom man bare fokuserer på kompressorarbeid fra simuleringen. Dersom man studerer de termodynamiske betingelsene i fluidet som kommer ut av kompressoren kan man finne en optimaltilstand og derfor en optimal mengde med vanninjeksjon. Studiet for å finne fordelingen av vanninjeksjonstrømmer viser at dette er en faktor som er påvirker både kompressorarbeidet og de termodynamiske betingelsene for fluidet som går ut av kompressoren. Trenden viser at mer vann injesert tidlig i kompressoren fører til lavere kompressorarbeid.

High-temperature heat pumps (HTHPs) are predicted to be an integral part of a more energy-efficient industry sector in the future (IEA, 2020). The main challenge in HTHP research is to find reliable, efficient compressors that can operate with low-global warming potential and zero ozone depletion potential refrigerants. This was investigated closely in this thesis. Consequently, a literature review of compressors used in HTHPs and the availability of compressors regarding temperature and pressure. The main task in the thesis was to make a simulation program for the compressor dynamics. A specific compressor from a research project at SJTU was investigated. The system has received international attention and is a very high-temperature heat pump (VHTHP) system with a water injected twin-screw compressor operated with water vapor as the refrigerant. One of the reasons why this project was chosen is that water is a natural, environmentally friendly refrigerant that is safe and reliable in operation due to its well known thermodynamic properties. The twin-screw compressor with water injection shows good promise, and a thermodynamic model was developed to optimize the operation of the compressor. A study on the optimum amount of liquid injected, along with the distribution of liquid injected on three injection nozzles has been conducted. The thermodynamic model was developed in the Modelica programming language. It was based on another model used for an ammonia-water compressor. This makes the model more adaptable and allows for further modifications to fit other applications. The model was validated against experimental data before the liquid-injection optimization study was conducted. The results indicate that when the compressor is investigated as an individual 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 the compressor is performing. The enthalpy of the discharged fluid is an important indicator of the heat capacity of the heat pump system. The model is used to perform a thermodynamic analysis to find the optimum amount of injection, which reduces compressor work without compromising heat capacity. Furthermore, the study indicates that the compressor performance differs depending on the distribution of the liquid injected. The general trend shows that a larger amount of liquid injection early in the process is beneficial for the performance of the compressor.