Hydrofluoroolefiny pro ejektorový chladicí systém

Ing. Vu Nguyen Van

Doctoral thesis

Hydrofluoroolefins as working fluids for ejector cooling technology

Abstract:

For decades, ejector technology was considered as a potential alternative for conventional compressor cooling technology due to its promising features. For instance, ejector refrigeration cycle can be driven by renewable heat sources with high stability and maintenance. With the current climate change issues, the demand for sustainable cooling technologies using an environmentally friendly working fluid becomes stronger than ever. The present thesis aims a comprehensive investigation into ejector cooling technology using numerical and experimental methods. The numerical method was employed to understand the influences of various parameters to the system performance, such as the superheating, generator temperature, the heat exchangers size. A theoretical design of an ejector refrigeration system with a novelty environmentally friendly as the working fluid was a major objective of the thesis. Experimental assessments of the solar ejector cooling system were performed to reveal the system behaviors under real conditions. A prototype of an ejector refrigeration system (ERS) with R600a as the working fluid was used to study the system performance at various working conditions. The behavior of the ejector at on-design and off-design conditions was investigated. The experimental results were used to fine tune and validate the mathematical model of the ejector cooling cycle. The mathematical model developed considers the ejector cooling cycle in detail, including the plate heat exchangers. The model enables to study the cooling cycle from various aspects, such as the influence of heat exchanger design to the performance of the system, or the degree of superheat at the ejector inlets on the system behavior. The mathematical model was used to assess four novel refrigerants of the hydrofluoroolefin group: R1234yf, R1234ze(e), R1234ze(z), and R1233zd(e). A study using computational fluid dynamics was carried out to validate the results from the mathematical model. The experimental results using a variable geometry ejector (VGE) in an ERS clearly showed the benefit of the design. The improvement of the system performance was up to 42% when compared to a conventional ejector. It was observed that the coefficient of performance was inversely proportional to the secondary inlet pressure when the ejector works at the off-design regime. The results from mathematical work well agreed with the experimental results, within ?15% of tolerance. The mathematical model also confirmed that a variable geometry ejector is necessary, for all selected working fluids, to obtain desirable cooling performance when the working conditions vary. The influences of the working emperatures to the system performance were considerable. The sizes of the heat exchangers significantly influenced the effectiveness and the pressure drop of the refrigerant flow. The assessment pointed out R1234ze(e) and R1234yf were the most desirable working fluids. The work with computational fluid dynamics supported the results of the mathematical model.

Abstract:

Ejektorový chladicí technologie je považována za potenciální alternativu ke kompresorové chladicí technologii díky některým svým výhodám. Mezi ně patří možnost ejektorového chladicího okruhu (ECO) být poháněn obnovitelnými zdroji; navíc je ECO stabilní a má jednoduchou údržbu. Silněji než kdy dříve nyní zaznívá požadavek na všechny chladicí technologie používat ekologickou pracovní látku z důvodu rychlých klimatických změn a problémů z nich plynoucích. Cílem této práce je detailní výzkum ejektorové chladicí technologie prostřednictvím numerických a experimentálních metod. Numerická metoda byla použita k pochopení vlivů nejrůznějších parametrů, např. přehřátí, teploty generátoru, velikost výměníků tepla aj., na výkon systému. Dalším cílem práce je teoretický návrh ejektorového chladicího systému využívajícího ekologická chladiva. Bylo provedeno experimentální vyšetřování ejektorového chladicího systému poháněného solární energií za účelem posouzení výkonu systému za reálných podmínek. Ke studiu výkonu systému při různých pracovních podmínkách byl použit prototyp ejektorového chladicího systému s pracovním chladivem R600a. Bylo zkoumáno chování ejektoru v návrhových podmínkách (on-design) a nenávrhových podmínkách (off-design). Výsledky experimentu byly použity k doladění a ověření matematického modelu ejektorového chladicího cyklu zahrnujícího všechny součásti systému včetně deskových výměníků tepla. Uvedený model umožňuje studovat chladicí cyklus z různých hledisek, jako je vliv konstrukce výměníků na výkon systému nebo vliv stupně přehřátí na chování systému. Model byl rovněž použit k posouzení čtyř nových chladiv ze skupiny hydrofluoroolefinů: R1234yf, R1234ze(e), R1234ze(z) a R1233zd(e). Jako doplněk byla provedena numerická studie proudění reálného plynu v ejektoru. Výsledky experimentu jasně prokázaly přínos ejektoru s proměnlivou geometrií. Zlepšení výkonu systému bylo až 42% vůči ejektoru s pevnou geometrií. Výsledky matematického modelu souhlasily s experimentálními výsledky v rozmezí tolerance ? 15%. Matematický model rovněž potvrdil, že při měnících se pracovních podmínkách je nutné k zajištění požadovaného výkonu použít ejektor s proměnlivou geometrií. Toto platí pro všechna zkoumaná pracovní chladiva. Vliv pracovních teplot na výkon systému byl značný. Velikosti výměníků významně ovlivnily účinnosti přenosu tepla a tlakovou ztrátu. Studie ukázala, že R1234ze (e) a R1234yf jsou pro ejektorový chladicí systém nejperspektivnější pracovní látky. Výsledky matematického modelu byly podpořeny numerickými výpočty (CFD).

Keywords

ejektorový chladící technologie, ejektor s proměnném geometrii, obnovitelný energie, plechový výměník, R1234ze(e), R1234yf, hydrofluoroolefin, R600a.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 12. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Václav Dvořák, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Applied Mechanics