The objective of this study is to analyze theoretically the performance of an open air-cycle refrigeration system in which environmental concerns increase. The pressure ratio of the external compressor and efficiencies of the components that compose of the system are selected as important parameters. As the pressure ratio of the external compressor increases, the pressure ratio of the ACM compressor is determined high, the refrigerating temperature and capacity increase, the COP decreases, and the total entropy production rate increases. The effect of heat exchanger effectiveness and turbine efficiency on the performance are greater than that of the ACM compressor efficiency. Also the performance of the air-cycle refrigeration system with two heat exchangers has been enhanced like high COP and low total entropy production rate, compared to the system with one heat exchanger.
In this paper, cycle performance analysis of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature in the carbon dioxide two-stage refrigeration cycle. The main results were summarized as follows : The cooling capacity of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, compressor efficiency and gas cooling pressure, but decreases with the increasing mass flowrate ratio and evaporating temperature. The compression work of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, outlet temperature of gas cooler, gas cooling pressure and evaporating temperature, but decreases with the increasing compressor efficiency and mass flowrate ratio. The COP of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing compressor efficiency, but decreases with the increasing superheating degree, gas cooling pressure, mass flowrate ratio and evaporating temperature. Therefore, superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system have an effect on the cooling capacity, compressor work and COP of this system.
This study has been conducted to design the high efficiency centrifugal compressor for a HFC-134a. The 2-stage centrifugal compressor consists of inlet guide vanes, two impellers with splitters, a deswirler, a vaneless diffuser and a volute casing. We have designed the high efficiency centrifugal compressor by applying the repeated design procedure including a meanline design, a 3D geometry generation of 1st and 2nd impellers etc. Also, a fluid dynamic calculation of impellers and deswirler have been conducting using a commercial code STAR-CD.
Optimization using a hybrid multi-objective evolutionary algorithm coupled with response surface approximation has been performed to improve the performance of a transonic axial compressor with circumferential casing grooves. In order to optimize the operating stability and peak adiabatic efficiency of the compressor with circumferential casing grooves, tip clearance, angle distribution at blade tip and the depth of the circumferential casing grooves are selected as design variables. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport turbulence model are discretized by finite volume approximations. The trade-off between two objectives with the interaction of blade and casing treatment is determined and discussed with respect to the representative clusters in the Pareto-optimal solutions compared to the axial compressor without the casing treatment.
In this paper, the effect of modification of geometric variables on the performance of a centrifugal compressor blade has been studied numerically. The compressor contains six main blades and six splitter blades. Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations with shear stress turbulence (SST) model are discretized by finite volume approximations and solved on hexahedral grids for flow analysis. The design variables from blade lean angle at tip and middle of the blade have been modified. The isentropic blade efficiency and pressure have been predicted with the variation of the variables. Frozen rotor simulation is performed and adiabatic wall condition has been used. One of the six blades of compressor has been used for simulation to reduce the computational load. Optimum number of meshes has been selected by grid-dependency test, and this is used for all the simulations with changing geometric variables. The detailed flow analysis results have been reported as well as the effects of the variables.
Closed-loop J-T (Joule-Thomson) refrigeration cycle is advantageous compared to common open loop $N_2$ decompression system in terms of nitrogen consumption. In this study, two closed-loop pure $N_2$ J-T refrigeration systems with sub-atmospheric device for cooling High Temperature Superconductor (HTS) power cable are investigated. J-T cooling systems include 2-stage compressor, 2-stage precooling cycle, J-T valve and a cold compressor or an auxiliary vacuum pump at the room temperature. The cold compressor and the vacuum pump are installed after the J-T valve to create sub-atmospheric condition. The temperature of 67 K is possible by lowering the pressure up to 24 kPa at the cold part. The optimized hydrocarbon mixed refrigerant (MR) J-T system is applied for precooling stage. The cold head of precooling MR J-T have the temperature from 120 K to 150 K. The various characteristics of cold compressor are invstigated and applied to design parameter of the cold compressor. The Carnot efficiency of cold compressor system is calculated as 16.7% and that of vacuum pump system as 16.4%. The efficiency difference between the cold compressor system and the vacuum pump system is due to difference of enthalpy change at cryogenic temperature, enthalpy change at room temperature and different work load at the pre-cooling cycle. The efficiency of neon-nitrogen MR J-T system is also presented for comparison with the sub-atmospheric devices. These systems have several pros and cons in comparison to typical MR J-T systems such as vacuum line maintainability, system's COP and etc. In this paper, the detailed design of the subcooled $N_2$ J-T systems are examined and some practical issues of the sub-atmospheric devices are discussed.
This study presents an aerodynamic design and an experimental performance test of a turbo air compressor consisted of mixed-flow impeller and curved diffuser for the PEM fuel cell vehicle application. Many studies compare the efficiency, cost or noise level of high-pressure and low-pressure operation of PEM fuel cell systems. Pressure ratio 2.2:1 is considered as design target The goal of compressor design is to enlarge the flow margin of compressor from surge to choke mass flow rate to cover the operational envelope of FCV. Large-scale rig test is performed to evaluate the compressor performance and to compare the effects of compressor exit pipe volume to stall or surge characteristics. The results show that the mixed-flow compressor designed has large flow margin, and the flow margin of compressor configuration with small exit volume is larger than that with large exit volume.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제14권2호
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pp.76-83
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2006
An efficiency of a refrigeration cycle and a reliability of a compressor can be reduced if a refrigerant including excessive lubricating oil is exhausted from the compressor. Thus, the analysis of the oil behavior inside the compressor is required to prevent the problem. A tested rotary compressor with visualization windows has been manufactured. in this study to investigate the oil behavior using developed visualization techniques. The oil behaviors at various operating conditions have been quantified to obtain the relationship with the outlet pressure inside the compressor. Also, the effect of the operating conditions on the quantity of the exhausted oil from the rotary compressor has been investigated using a manufactured test model.
In this study, a parametric study on a cavity as casing treatment of a centrifugal compressor has been conducted using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with shear stress transport turbulence model. Two kinds of cavity were applied at choke and surge conditions, respectively, in this work. Inlet and outlet port widths, angle of outlet port, and length of cavity were chosen as the geometric parameters and investigated to find their effects on the aerodynamic performances such as adiabatic efficiency at design mass flow rate and stall margin of the centrifugal compressor. It was found that the aerodynamic performances of the centrifugal compressor were affected considerably by the four geometric parameters. The adiabatic efficiency was hardly changed by the geometric parameters, excepts for the angle of outlet port. With an increase in the angle of outlet port, the adiabatic efficiency and the stall margin decreased. The stall margin was more sensitive to the outlet port width than to the other geometric parameters. And, with a decrease in the outlet port width, the stall margin increased by 2% compared to that of the reference.
A study to improve the accuracy of a map-based compressor model with experiment was performed. Corrections on the effects of suction gas superheat and heat leakage from a compressor shell are required to apply the compressor amp model based on the empirical performance data(map) of compressor manufacturers to the actual system. So experiments to assess the effects of superheat and hat leakage were performed and the corrected equations were made. Compressors and refrigerant used in the experiment were the high pressure type rotary compressor and R-22, experiments were performed by compressor calorimeter. From the experiment, a volumetric efficiency correction factor$(F_ν)$ showed the value of 0.77, slightly higher than 0.75 proposed by Dabiri and Rice for low pressure type reciprocating compressor, and the heat leakage from the compressor shell turned out to be a factor that influenced the discharged mass flow rate. The relation between heat leakage of compressor shell and the variation of discharged mass flow rate from compressor was considered in compressor map modeling as an empirical function. With this function, the prediction accuracy of compressor model in system conditions was improved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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