Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'énergétique industrielle LENI)

Efficient air-water heat pumps for high temperature lift residential heating, including oil migration aspects

Zehnder, Michele ; Favrat, Daniel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2998.

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    Summary
    This thesis presents a system approach with the aim to develop improved concepts for small capacity, high temperature lift air-water heat pumps. These are intended to replace fuel fired heating systems in the residential sector, which leads to a major reduction of the local greenhouse gas emissions. Unfavorable temperature conditions set by the existing heat distribution systems and by the use of atmospheric air, as the only accessible heat source, have to be overcome. The proposed concepts are intended to cover the total application range and to provide the full heat demand without any additional (electric) heat supply. A systematic approach, using a multi objective optimization tool, has been applied to evaluate possible alternate refrigerants, which perform best, regarding to the system COP and the specific heat output. All the optimal refrigerant blends are composed by flammable refrigerants and a potential increase of the COP of 8% (compared to the commercial blend R-407C) has been determined. These potential improvements highly depend on the acceptance to use flammable refrigerants, as can be shown by this evaluation. The standard concepts of small capacity heat pumps suffer from a restricted application range and show highly decreasing performances (COP and provided heat) at extreme operating conditions. From the examination of the thermodynamic cycle, different improved concepts are proposed and are assembled in a generalized super-configuration. The most promising concepts have been built as prototype units and have been tested in laboratory. These concepts are: a) the two-stage compression cycles with economizer heat exchanger or b) with economizer flash tank at the intermediate pressure level, c) the booster-compressor setup, d) the one-stage compression cycle including a new developed hermetic compressor, which enables intermediate injection of saturated vapor flow and e) a small capacity auxiliary cycle for liquid subcooling. In all these concepts the application range could be extended, by achieving reduced discharge temperatures and the heat rate provided at extreme operating conditions could be substantially increased (20%-35%, +100% for the booster setup), using the same compressor and evaporator size. System COP has been improved (~5%) over a large application range, and specifically in high temperature lift operating conditions. The experimental evaluation reveals the major problem of unbalanced oil migration in two-stage compression cycles (except for the booster concept). An extensive evaluation has been applied, to analyze the oil migration in two-stage compression heat pumps. A new developed measurement technique, using a Fourier Transform Infrared Spectrometry combined with a high pressure supporting ATR cell, has been calibrated (with a lower detection limit at 0.2% - 0.4%, and a sensitivity of 0.1%) with the used refrigerant-oil mixtures (R-134a/POE oil and R-407C/POE oil). It has been applied to perform on-line oil concentration measurements during two-stage and one-stage steady stage and during transitory operating modes. A generalized steady state simulation model has been developed including namely the new developed compressor model with an intermediate injection port, considering the geometrical flow path of the tested prototype compressors. A flow map based extensive heat transfer model is integrated into a finned tube evaporator model and taking into account oil effects on the heat transfer. General models of plate heat exchangers and for capillary tube expansion devices complete this modular simulation model, on which the concepts of the super-configuration can be calculated and some parametric analysis has been performed. An in house developed fluid interface module includes the fluid properties calculation program Refprop and allows to define new mixtures or to use the large number of predefined refrigerants.
    Résumé
    Ce travail de thèse est basé sur une approche système ayant pour but de développer des pompes à chaleur (PAC) air-eau de haute performance pourvues de fonctionner dans des applications à des hauts rapports de températures externes. Ces unités remplacent des systèmes de chauffage résidentiel, qui sont souvent à base d'énergie fossile. Par leur remplacement une contribution majeure de réduction d'émissions locales de gaz à effet de serre pourrait être obtenue. Des niveaux de températures élevées dans ces systèmes de chauffage actuels et l'utilisation de l'air externe comme source principale de chaleur, posent des conditions de fonctionnement particulièrement difficiles et des systèmes améliorés seront choisis en fonction de cette utilisation. Une approche systématique, basée sur un outil d'optimisation multi-objectif, est proposée pour évaluer de nouveaux mélanges de réfrigérants qui montrent les meilleures performances de COP et de puissance de chauffage spécifique. Tout lesmélanges identifiés sont composés de réfrigérants in- flammables et un potentiel d'amélioration maximal de 8% au niveau du COP (comparé au mélange R-407C) à été identifié. Les concepts standards des PAC de petite taille fonctionnent dans un domaine d'application fortement réduit et leurs performances chutent considérablement aux conditions extrêmes. Par une analyse thermodynamique, plusieurs solutions de cycles à performance améliorée ont été identifi ées et sont représentées dans une superstructure. Les concepts les plus prometteurs ont été testés en laboratoire. Ces concepts sont : a) PAC bi-étagée avec échangeur économiseur ou b) avec réservoir intermédiaire à séparation de phase c) ou concept de compresseur "Booster", d) PAC mono-étagée avec un nouveau type de compresseur avec port d'injection intermédiaire qui est adapté pour l'injection de vapeur saturée, e) PAC à cycle auxiliaire de sous-refroidissement. Le domaine d'utilisation de ces approches est considérablement étendu, grâce à une réduction importante des températures de fin de compression. La puissance de chauffage de base est augmentée de (20%-35%, +100% concept "Booster") tout en conservant la même taille de compresseur et d'évaporateur. Le COP a pu être amélioré sur un large plage de fonctionnement (~5%). Les expériences ont relevé le problème majeur de mauvaise répartition d'huile de lubrification dans les concepts à compression bi-étagée (à l'exception du concept "Booster"). Une analyse détaillée a été poursuivie, afin de mesurer et analyser plus précisément ce phénomène dans les cycles bi-étagés et de pouvoir identifier des solutions stables de fonctionnement. Une nouvelle approche de mesures en ligne de la concentration massique d'huile dissoute dans des mélanges de réfrigérants est appliquée. Par un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier et une cellule de mesure à réflection totale, des tests de calibrage avec les couples R-134a/huile polyolester et R-407C/huile polyolester ont étéeffectués (avec une limite inférieure de détection d'huile de 0.2% - 0.4% et une sensibilité de 0.1%). La méthode a été appliquée pour mesurer la concentration d'huile migrante dans une pompe à chaleur en fonctionnement bi- et mono-étagé, en régime permanent et en régimes transitoires. Un modèle de simulation généralisé a été développé incluant notamment un nouveau modèle de compresseur avec port d'injection intermédiaire, incluant une description physique de la géométrie d'injection correspondante aux compresseurs prototypes testées en laboratoire. Un modèle de transfert de chaleur, basé sur des cartes d'écoulement et incluant l'impact de l'huile a été considéré pour la modélisation des évaporateurs à ailettes. Des modèles généralisés d'échangeurs à plaques et de capillaires complètent ce programme de simulation modulaire, qui permet de calculer les cycles améliorés considérés. Une interface de calcul de propriétés de fluides a été développée est permet d'intégrer les modules du programme Refprop, qui permet d'utiliser et de définir un grand nombre de mélanges de réfrigérants ou d'utiliser les fluides prédéfinis.
    Zusammenfassung
    Diese Dissertation basiert auf einem ganzheitlichen system-orientierten Ansatz, mittels welchem neue Konzepte für Hochtemperatur-Anwendungen mit Luft-Wasser Kleinwärmepumpen (WP) erarbeitet werden. Diese sollen bestehende Öl- oder Gasheizungen ersetzen, womit ein wesentlicher Beitrag zu Verminderung der lokalen CO2 Emissionen geleistet werden kann. Die erarbeiteten Konzepte müssen auf einem hohen Temperaturhub und ganzjährlich, ohne Zusatzheizung, betrieben werden können. Die Arbeitsbedingungen sind durch das bestehende Heizungsnetz und durch die Wahl der Umgebungsluft als Wärmequelle bestimmt. Neue Kältemittelgemische, welche die bestmögliche Kombination von COP und spezifischer Heizleistung aufweisen, wurden mittels einer multikriteriellen Optimierung berechnet. Alle optimalen Gemische bestehen aus brennbaren Kältemitteln und ein Verbesserungspotenzial von 8% im COP (bezüglich R-407C) wurde ermittelt. Diese potenzielle Verbesserung hängt von der Akzeptanz brennbarer Stoffe in der Wärmepumpenanwendung ab. Standard WP-Kreisprozesse sind stark in ihrem Anwendungsbereich eingeschränkt und fallen mit ihren Leistungsmerkmalen bei höherem Temperaturhub stark ab. Durch die Untersuchung des thermodynamischen Prozesses konnten mehrere verbesserte Konzepte erarbeitet werden, welche in einer Grafik zusammengefasst wurden. Verschiedene Lösungen konnten im Labor aufgebaut und getestet werden, diese sind: a) Zwei-stufige WP mit "Economizer" Wärmeübertrager oder mit b) Zwischendruckbehälter oder mit c) "Booster" Kompressor als Zusatzverdichter, d) ein-stufige WP mit neu entwickeltem Kompressor mit angepasstem Zwischeneinspritzungs-Einlass für Dampfeinspritzung während der Kompression und Economizer Wärmeübertrager und e) ein-stufige WP mit Hilfskreislauf zur Kondensatunterkühlung. Bei all diesen Konzepten konnte eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsgebietes durch Reduktion der Verdichter-Austrittstemperaturen erreicht werden. Bei gleicher Verdichtergrou Messungen an WP mit zwei seriellen Kompressions-Stufen (ausser beim "Booster"-Betrieb) haben gezeigt, dass sich das von den Verdichtern zur Schmierung benötigte Öl durch Migration in den unteren Verdichter verschiebt und dadurch bei kontinuierlichem Betrieb die Schmierung im oberen Verdichter nicht mehr gewährleistet ist. Diese Ölmigration wurde näher untersucht und eine neu entwickelte kontinuierliche Öl-Konzentrations Messung, basierend auf einem Fourier Transformations Infrarot Spektrometers und einer ATR-Zelle, konnte mit den Kältemittel-Öl Gemischen (R-134a/POE Öl und R-407C/POE Öl) kalibriert werden (untere Messgrenze: 0.2% - 0.4%, Sensibilität: 0.1%). Diese Mess-Methode wurde im zwei- und ein-stufigen bei stationärem, sowie im dynamischen Betrieb eingesetzt. Ein für den stationären Betrieb entwickeltes Wärmepumpen-Simulationsmodell beinhaltet namentlich ein neu entwickeltes Kompressionsmodell, welches die geometrischen Grundlagen der Zwischeneinspritzung der getesteten hermetischen Prototyp-Verdichter berücksichtigt. Ein auf physikalischen Mechanismen basierendes Verdampfungsmodell wurde in ein eigens programmiertes Lamellen-Verdampfer Berechnungsmodell eingegliedert. Einwirkungen von Ölanteilen im Kältemittel wurden im Wärmeübergang berücksichtigt. Die Modelle von den Plattenwärmeübertragern und des Kapillar-Rohres ergänzen das Simulationsprogramm und alle berücksichtigten Kreisprozesse können berechnet werden. Eine eigene Schnittstelle für die Berechnung von thermodynamischen und physikalischen Stoffwerten, wurde ebenfalls entwickelt und beinhaltet das Berechnungsprogramm Refprop.