Experimental Study on the Integration of a Novel Two-Stage Evaporator in a CO2 Heat Pump Chiller

Abstract

I denne masteroppgaven er det blitt utført eksperimentelle forsøk på en ny totrinns fordamper integrert i et transkritisk CO2-kjøleanlegg. Motivet for forsøkene er å se på muligheten for å forbedre energieffektiviteten i kommersielle varmepumpe-/kjøleanlegg ved bruk av CO2 som kjølemedie. Oppgavens mål er å evaluere ytelsen i en totrinns fordamper, både ved bruk av kun ett fordampningstrinn, og ved bruk av begge fordampningstrinnene. Rørkonfigurasjonen til den selvsirkulerende gravitasjonsloopen blir også vurdert.

De eksperimentelle forsøkene ble utført ved et testanlegg ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU). Resultatene fra forsøkene ble sammenlignet med de opprinnelige designkriteriene for totrinnsfordamperen.

De eksperimentelle resultatene viste at både gravitasjonsloopen og totrinns fordamperkonseptet er gjennomførbart og har potensiale til å gi positive resultater. Før man kommer dit kreves ytterligere forbedringer på konseptet. Gravitasjonsloopen oppnådde omtrent halvparten av forventet kjølekapasitet. Dette var hovedsakelig grunnet det høye trykktapet over kretsen som førte til utilstrekkelig CO2-massestrøm i fordamperen.

Konseptet med totrinns fordamper viste spesielt positive resultater ved høye vannmengder gjennom fordamperen. Dette ga en jevnere fordeling av kjølekapasitet over de to fordampningstrinnenen. Samlet sett viser resultatene i denne avhandlingen at gravitasjonsloopen og totrinns fordampning er gjennomførbart for CO2-kjølesystemer, men videre optimalisering er nødvendig for å forbedre ytelsen.

This thesis presents experimental investigations on a novel two-stage evaporator integrated into a transcritical CO2 refrigeration system. The motivation behind this research is to improve the energy efficiency of commercial heat pump chillers using CO2 as a refrigerant. The objective of the thesis is to evaluate the performance of the two-stage evaporator in single-stage and two-stage modes, as well as to assess the pipe configurations attached to the gravity stage of the evaporator.

The experimental investigations were conducted using a test facility at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). The results obtained from the experiments were compared to the original design criteria of the two-stage evaporator.

The experimental results showed that the gravity loop and two-stage evaporator concept is feasible and has the potential to yield positive results on CO2 refrigeration systems. However, there were some areas where further improvement is needed. The gravity loop only achieved a cooling capacity of approximately half of the expected capacity. This is attributed to the high pressure drop across the loop causing an insufficient CO2 mass flow in the evaporator.

The two-stage evaporator concept was shown to be functional, with higher water mass flow rates providing a more even distribution of cooling capacity in the two stages. Overall, the results of this thesis demonstrate the feasibility of the gravity loop and two-stage evaporator concept for CO2 refrigeration systems, but further optimization is required to improve its performance.