The performance of a heat pump using $CO_2$ is predicted and analyzed by using a cycle simulation model developed in this study. Cycle simulations are conducted by varying design parameters and operating conditions with the applications of advanced techniques to improve system performance. The applied systems in the simulations are internal heat exchanger, expander, and 2-stage compression with intercooling. As a result, the applications of advanced techniques improve the heating and cooling performances of the transcritical $CO_2$ cycle by 8∼26% and 20∼30%, respectively, over the basic cycle.
The purpose of this study is to investigate the performance of a transcritical cycle for hot water heating using $CO_2$ as a working fluid. Some of the main parameters that affect the practical performance of the $CO_2$ system are discussed; the performance on the variation of refrigerant charge, changes in flow conditions of secondary fluids, and that with or without internal heat exchanger, The experimental results show that the optimum charge is approximately the same for various mass flow rates of the secondary fluid at gas cooler. The experimental results on the effect of secondary fluids are in general agreement with the experimental results of transcritical cycle in the open literature and show similar trend for conventional subcritical vapor compression cycles. The heat exchanger effectiveness increases with an increase of the heat exchange area of the internal heat exchanger regardless of the mass flow rate at the gas cooler.
A simulation on the performance of a transcritical $CO_2$ heat pump system is carried out to investigate its characteristics for various operating conditions. Cycle simulation models are established for a steady-state simulation and are verified by comparing experimental data. Based on correlations and methods available in the literature, the processes in individual components of the transcritical cycle are simulated to analyze the performance of $CO_2$ transcritical heat pump system. The simulation models are good enough to predict the performance of a $CO_2$ transcritical cycle. Simulation results are provided to show the relative effects when varying the size of internal heat exchanger and the discharge pressure of a compressor.
Since a transcritical $CO_2$ cycle shows lower performance than conventional air conditioners in the cooling mode operation, it is required to enhance the performance of the $CO_2$ cycle by applying advanced technologies and optimizing components. In this study, the cooling performance of a $CO_2$ system measured by varying refrigerant charge amount, compressor frequency, EEV opening and length of internal heat exchanger. As a result, the cooling COP of the basic system without internal heat exchanger was 2.1. The cooling performance of the modified cycle applying internal heat exchanger improved by $4-9\%$ over the basic cycle.
The performance of a residential heating and cooling system with $CO_2$ is predicted by using a cycle simulation model. The simulations are conducted by varying design parameters and operating conditions. The efficiency of the transcritical cycle can be improved by utilizing the advantages in heat transfer characteristics of $CO_2$ and developing microchannel indoor and outdoor heat exchangers. For the designed system of this study, the predicted COP of the heat pump system is approximately 3.5 in the heating mode and 3.0 in the cooling mode. The predicted optimal discharge pressure for the heat pump system is approximately 11 MPa in the heating mode and 9 MPa in the cooling mode.
In the air-conditioning and refrigeration industry, the efforts to protect the environment have been made. One of them is to use carbon dioxide as an alternative refrigerant, however, several researches have shown that the transcritical heat pump system using $CO_2$ has relatively lower efficiency resulting in a degraded steady-state system performance. Capacity control with fuzzy controller was carried out for $CO_2$ heat pump system. Evaporator secondary fluid outlet temperature was suggested for the control variable of compressor speed modulation.
The applications of a transcritical $CO_2$ cycle into water heaters show advantages over conventional systems in the respect of power consumption and heating efficiency because the $CO_2$ cycle has a high compressor discharge temperature. Besides, the heating performance of the transcritical $CO_2$ cycle can be improved by optimizing operating conditions. In this study, the heating performance of a variable speed $CO_2$ heat pump was measured and analyzed by varying refrigerant charge amount, EEV opening, compressor frequency and outdoor temperature. As a result, the optimum normalized charge for heating was 0.226. The COPs at the compressor frequencies of 40, 50 and 60 Hz were 2.94, 2.75 and 2.25, respectively. The heating performance of the $CO_2$ cycle with charge amount was more sensitive than the cooling performance. Moreover, the heating performance was improved significantly by optimizing of compressor frequency and EEV opening.
The objective of this paper is to investigate the performance characteristics of a $CO_2$ cooling and water heating system using a twin-rotary compressor with the compression volume ratio of 0.6. The cooling performances of the $CO_2$ heat pump were measured and analyzed with the variations of charge amount, EEV opening, and compressor frequency. In addition, the performance of the combined system including cooling and water heating was also measured and analyzed by varying inlet temperature of the EEV. As a result, the optimal normalized charge and cooling COP in the cooling mode were 0.307 and 2.06, respectively. The application of the water heating into the $CO_2$ heat pump improved the cooling performance over 78% and decreased the EEV inlet temperature by $8^{\circ}C$, which can increase system reliability.
Since operating conditions are significantly different for heating and cooling mode operations in a $CO_2$ heat pump system, it is difficult to optimize the performance of the $CO_2$ cycle. In addition, the performance of a $CO_2$ heat pump is very sensitive to outdoor temperature and gascooler pressure. In this study, the cooling and heating performances of a variable speed $CO_2$ heat pump with a twin-rotary compressor were measured and analyzed with the variations of EEV opening and compressor frequency. As a result, the cooling and heating COPs were 2.3 and 3.0, respectively, when the EEV opening was 22%. When the optimal EEV openings for heating and cooling were 28% and 16%, the cooling and heating COPs increased by 3.3% and 3.9%, respectively, over the COPs at the EEV opening of 22%. Beside, the heating performance was more sensitive to EEV opening than the cooling performance. As the compressor speed decreased by 5 Hz, the cooling COP increased by 2%, while the heating COP decreased by 8%.
The cooling heat transfer coefficient of $CO_2$ (R-744) in a horizontal and helically coiled tube was investigated experimentally. The main components of the refrigerant loop are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater, evaporator and gas cooler (test section). The test section consists of a horizontal stainless steel tube and hellically coiled copper tube of 4.57 and 7.75 mm. The experiments were conducted at saturation temperature of 100 to $20^{\circ}C$, and mass flux of 200 to $500kg/m^2s$. The test results showed the variation of the heat transfer coefficient tended to decrease as cooling pressure of $CO_2$ increased. The heat transfer coefficient with respect to mass flux increased as mass flux increased. The experimental results were also compared with the existing correlations for the supercritical heat transfer coefficient, which generally underpredicted the measured data. However, the experimental data showed a relatively good agreement with the correlations of Pitla et al. except for the pseudo critical temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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