Development of Transcritical CO2 Heat Pump Chillers
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3100355Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
(note: this was done via google translate)Karbondioksid ble først brukt som kjølemiddel på 1850-tallet, først og fremst på grunn av dets naturlige overflod, kostnadseffektivt og ikke-toksisitet. Det begynte da å fases ut for bruk av hydroklorfluorkarboner (HFC) på grunn av det høye driftstrykket og den lave kritiske temperaturen til CO2. Med ny lovgivning (Montreal-protokollen og EU-F-gasspolitikk fra EU-kommisjonen) på plass som krever en reduksjon i bruken av visse kjølemedier på grunn av deres høye GWP-faktorer. Etter å ha oppdaget deres skadelige effekt på ozon og miljøhelse, med matlagringsindustrien som den mest ansvarlige. Derfor ble vekten flyttet til bruk av naturgasser og CO2 som et fungerende kjølemiddel ble gjenoppdaget for sine store fysiske egenskaper, ubetydelig effekt på miljøet og dets store overflod. CO2 varmepumpe og kjølesystemer ble opprinnelig utviklet på 2000-tallet for å imøtekomme det nordeuropeiske været. Hvor CO2 viste seg å være et svært effektivt alternativ på grunn av de lave omgivelsestemperaturene i nord som sjelden overstiger 25OC, hvor systemet lett fungerte i subkritisk modus året rundt. Med de lave omgivelsestemperaturene var systemkonfigurasjonene enkle og viste seg å være mer effektive og svært effektive sammenlignet med motparten HFC-systemene. Dette er en annen historie, for varmere klimaforhold der CO2 vil operere i transkritisk syklus i lange deler av året, noe som betyr at systemene hadde mye lavere effektivitet enn sammenlignet med de i nordlige klima, enda lavere enn effektiviteten til HFC-systemer. Dessuten resulterer systemer som arbeider i transkritisk modus i høy utløpstemperatur og trykk som skaper pålitelighetsproblemer på den tiden. Som et resultat begynte begrepet CO2-ekvator å bli brukt for å referere til breddegraden der CO2-systemer var ineffektive og upraktiske. Denne oppgaven har til hensikt å implementere en omfattende gjennomgang av utviklingen av CO2-kjøle- og varmepumpesystemer som dekker de viktigste aspektene ved de nyeste kommersielle transkritiske CO2-systemene som har dukket opp for å overgå sin verste motstykke HFC-teknologiene, og sette en stopper for til bruk av kjølemedier med høy GWP. Det ble konkludert med at til tross for skepsisen rundt innføringen av CO2-systemer i varme land, viser R744 seg som det eneste fungerende kjølemediet i transkritisk drift med integrasjon av de nyeste teknologiene feil. Denne oppgaven utvikler et R744 varmepumpesystem for et hotell i India, og viser at R744-systemer er effektive i varme land med potensial for flere oppgraderinger. Ved slutten av oppgaven ble det konstruert et transkritisk varmepumpesystem som er i stand til å oppnå gode resultater under alle mulige forhold. Carbon dioxide was first used as a refrigerant in the 1850s, primarily due to its natural abundance, cost efficient and non toxicity. It then started to phase out for the use of hydrochloroflourocarbons (HFC) due to the high operating pressure and low critical temperature of CO2. With new legislations (The Montreal Protocol, and EU-F gas policies by the European commission) in place that call for a reduction in the use of certain refrigerants for their high GWP factors. After discovering their harmful effect on the ozone and environmental health, with the food storage industry being the most responsible. Hence, the emphasis shifted to the use of natural gases and CO2 as a working refrigerant was rediscovered for its great physical properties, negligible effect on the environment and its wide abundance. CO2 heat pump and refrigeration systems were initially developed in the 2000s to accommodate the North European weather. Where CO2 proved to be a very efficient option due to the low ambient northern temperatures that rarely ever exceed 25OC, where the system easily operated in subcritical mode year round. With the low ambient temperatures the system configurations were simple and proved to be more efficient and very effective when compared to its counterpart the HFC systems. This is another story, for warmer climate conditions were CO2 will operated in transcritical cycle for long portions of the year, which means the systems had much lower efficiencies than when compared to those in Northern Climate even lower than the efficiency of HFC systems. Moreover, systems working in transcritical mode results in, high discharge temperature and pressures creating reliability issues at that time. As a result, the term CO2 equator started to be used to refer to the latitude below which CO2 systems were inefficient and inconvenient. This thesis, intends to implement a comprehensive review of the evolution of CO2 refrigeration and heat pump systems covering the most important aspects of the state of the art commercial transcritical CO2 systems which have emerged to overtake its worst counterpart the HFC technologies, and put an end to the use of high GWP refrigerants. It was concluded that, despite the scepticism around the adoption of CO2 systems in warm countries, R744 as an only working refrigerant in transcritical operation with the integration of the newest technologies proves wrong. This thesis, develops an R744 heat pump system for a hotel in India, and shows that R744 systems are efficient in warm countries with potential for more upgrades. By the end of the thesis, a transcritical heat pump system capable of achieving great results in all possible conditions was engineered.