Đang tải... (xem toàn văn)
(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2” cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Thị Bảo Hà x LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Đặng Thành Trung nhiệt tình hướng dẫn ln tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình thực luận văn “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2” Tiếp theo em xin chân thành cảm ơn quý thầy môn Công nghệ Nhiệt – Điện Lạnh thuộc khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh thầy trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, trường Đại học Nông Lâm TP HCM trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM Các thầy truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện tốt để em nghiên cứu thực đề tài Em xin cảm ơn thầy/ cô nghiên cứu sinh, anh chị học viên bạn sinh viên hỗ trợ để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp thạc sĩ xi TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thực nghiệm thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 Dữ liệu thực nghiệm vận hành điều kiện nhiệt độ môi trường 330C; lưu lượng khối lượng tầng thấp CO2 m1 = 27 kg/h làm lạnh kho từ nhiệt độ môi trường 330C xuống nhiệt độ yêu cầu -200C Kết thu hai trường hợp: Trường hợp 1: Sử dụng trao đổi nhiệt ống lồng ống với chiều dài 15m; thời gian làm lạnh xuống nhiệt độ yêu cầu 180 phút Nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp 7,20C nhiệt độ bay -300C Năng suất lạnh hệ thống Q0 =1,643 (kW) Công máy nén lạnh tầng thấp CO2: 0,39 (kW) Công máy nén lạnh tầng cao R134a: 0,525 (kW) Hệ số hiệu suất (COP) hệ thống: 1,79 Trường hợp 2: Sử dụng hai trao đổi nhiệt ống lồng ống mắc song song với chiều dài 7,5m; thời gian làm lạnh xuống nhiệt độ yêu cầu 30 phút Nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp 7,90C nhiệt độ bay -300C Năng suất lạnh hệ thống Q0 =1,62 (kW) Công máy nén lạnh tầng thấp CO2: 0,375 (kW) Công máy nén lạnh tầng cao R134a: 0,476 (kW) Hệ số hiệu suất (COP) hệ thống: 1,9 Trong nghiên cứu này, thông số tính tốn lý thuyết phù hợp với thơng số thực nghiệm Đề tài góp phần bổ sung thêm liệu khoa học thực nghiệm có giá trị nghiên cứu hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 xii ABSTRACT This study experimented a thermodynamic analysis of a cascade refrigeration system using R134a/CO2 refrigerants The experimental data were operated under the same ambient temperature is 330C, the mass flow rate of CO2 is m1 = 27 kg/h and the cold room temperature is from 330C to - 200C The results were obtained in two cases: Case 1: Using a cascade heat exchanger (type double – tube) with a length of 15m; the time to reach the required temperature is 180 minutes The low stage CO2 has the condensing temperature of 7,20C and the evaporating temperature of -300C Cooling capacity of the system Q0 = 1,643 (kW) Low stage compression work CO2: 0,39 (kW) High stage compression work R134a: 0,525 (kW) The coefficient of performance of the system: 1,79 Case 2: Using two paralle cascade heat exchangers (type double – tube) with a length of 7,5m; time to reach the required temperature is 30 minutes The low stage has the condensing temperature of 7,90C and evaporating temperature of -300C Cooling capacity of the system Q0 = 1,62 (kW) Low stage compression work CO2: 0,375 (kW) High stage compression work R134a: 0,476 (kW) The coefficient of performance of the system: 1,9 In this study, the theoretical results are consistent with the experimental results This thesis has distributed to add the essential experimental data when studying on the cascade refrigeration system using CO2 xiii MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ix LỜI CAM ĐOAN x LỜI CẢM ƠN xi TÓM TẮT xii MỤC LỤC xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH xix DANH SÁCH CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ xxi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục đích nghiên cứu 18 1.4 Đối tượng giới hạn đề tài 19 1.5 Phương pháp nghiên cứu 19 CHƯƠNG 20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Lý thuyết môi chất lạnh CO2 R134a 20 2.2 Lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 23 CHƯƠNG 25 TÍNH TỐN VÀ THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 25 3.1 Tính tốn hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 25 3.2 Thiết lập mô hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 40 3.3 Các thiết bị hệ thống 51 3.4 Các thiết bị đo 55 CHƯƠNG 60 MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60 4.1 Thực nghiệm trường hợp 60 4.2 Thực nghiệm trường hợp 65 xiv 4.3 Kết so sánh điểm nút nhiệt động, suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, hệ số làm lạnh COP hệ thống lý thuyết thực nghiệm 70 CHƯƠNG 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 5.1 Kết luận 74 5.2 Kiến nghị 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 xv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên chữ viết tắt t Nhiệt độ [0C] p Áp suất [bar] v Thể tích riêng [m3/kg] h Enthalpy [kJ/kg] s Entropy [kJ/(kg.K)] q0 Năng suất lạnh riêng [kJ/kg] qk Công suất nhiệt riêng [kJ/kg] l Công nén riêng [kJ/kg] m Lưu lượng khối lượng [kg/s] N Công nén đoạn nhiệt [kW] Q0 Năng suất lạnh [kW] QK Công suất nhiệt [kW] Nđc Công suất điện động máy nén [kW] Hiệu suất truyền nhiệt [%] 𝑖 Hệ số hiệu suất thị trình nén đoạn nhiệt 𝑒 Hệ số hiệu suất học tổn thất ma sát 𝑡đ Hệ số hiệu suất truyền động 𝑒𝑙 Hệ số hiệu suất động điện cp Nhiệt dung riêng [kJ/kg.độ] F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt [m2] k Hệ số truyền nhiệt [W/m2K] t Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarit [K] 𝛼𝑎𝑖𝑟 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía khơng khí [W/m2.độ] 𝛼𝐶𝑂2 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía mơi chất lạnh CO2 [W/m2.độ] xvi 𝛿 Chiều dày vách [m] Hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ] tw Nhiệt độ vách [0C] ts Nhiệt độ sôi môi chất [0C] tN Nhiệt độ ngưng môi chất [0C] tqn Độ nhiệt [0C] tql Độ lạnh [0C] t0 Độ chênh nhiệt độ bay với yêu cầu [0C] tk Nhiệt độ ngưng tụ [0C] t0 Nhiệt độ bay [0C] p0 Áp suất bay [bar] pk Áp suất ngưng tụ [bar] tyc Nhiệt độ kho lạnh yêu cầu [0C] tmt Nhiệt độ môi trường [0C] tqn Nhiệt độ nhiệt [0C] tql Nhiệt độ lạnh [0C] Hệ số làm lạnh ℎ Khối lượng riêng [kg/m3] 𝑓 Khối lượng riêng màng chất lỏng [W/mK] Độ nhớt động học chất lỏng [m2/s] Độ nhớt động lực học màng chất lỏng [Pa.s] Sức căng bề mặt [N/m] r Nhiệt ẩn hóa [kJ/kg] Tốc độ trung bình môi chất [m/s] Nu Tiêu chuẩn Nusselt Re Tiêu chuẩn Reynodls Pr Tiêu chuẩn Prandtl ODP (Ozone Depletion potential) Chỉ số phá hủy tầng Ozone xvii GWP (Global Warming potential) Chỉ số nóng lên tồn cầu COP Hệ số làm lạnh tồn hệ thống V Thể tích khơng gian cần làm lạnh [m3] C Chu vi ống [m] xviii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống lạnh ghép tầng [1] Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng R744/R717 [5] Hình 1.3: Thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng NH3 CO2 [13] Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 [27] 13 Hình 1.5: Sơ đồ thực nghiệm nhà máy [30] 14 Hình 2.1: Sơ đồ pha môi chất lạnh CO2 [41] 20 Hình 2.2: Biểu đồ áp suất – enthalpy môi chất lạnh CO2 [40] 21 Hình 2.3: Biểu đồ áp suất – enthalpy môi chất lạnh R134a [40] 22 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 23 Hình 3.1: Đồ thị áp suất - enthalpy tầng thấp CO2 29 Hình 3.2: Biến thiên nhiệt độ thiết bị bay 33 Hình 3.3: Đồ thị áp suất – enthalpy tầng cao R134a 35 Hình 3.4: Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình mơi chất R134a khơng khí 38 Hình 3.5: Dàn ngưng tụ tầng cao R134a 39 Hình 3.6: Sơ đồ trình trao đổi nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống 41 Hình 3.7: Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống (Thiết bị bay tầng cao R134a, thiết bị ngưng tụ tầng thấp CO2) 47 Hình 3.8: Kích thước trao đổi nhiệt ống lồng ống 48 Hình 3.9: Hệ thống thí nghiệm lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 49 Hình 3.10: Hệ thống thí nghiệm thực tế hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 49 Hình 3.11: Máy nén tầng thấp CO2 51 Hình 3.12: Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống 51 Hình 3.13: Van tiết lưu tay tầng thấp CO2 52 Hình 3.14: Thiết bị bay tầng thấp CO2 53 xix TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mrs J.S Jadhav, Ms A.D Apte Review of cascade refrigeration system with different refrigerant pairs novateur publications international journal of innovations in engineering research and technology [ijiert] issn: 2394-3696 volume 2, issue 6, june-2015 [2] Vivek Patel, Deep Panchal, Anil Prajapati, Anurag Mudgal, Philip Davies An efficient optimization and comparative analysis of cascade refrigeration system using NH3/CO2 and C3H8/CO2 refrigerant pairs International Journal of Refrigeration 102 (2019) 62–76 [3] Souvik Bhattacharyya*, S Mukhopadhyay, A Kumar, R.K Khurana, J Sarkar Optimization of a CO2–C3H8 cascade system for refrigeration and heating International Journal of Refrigeration 28 (2005) 1284–1292 [4] Nasruddin, S Sholahudin, N Giannetti, Arnas Optimization of a cascade refrigeration system using refrigerant C3H8 in high temperature circuits (HTC) and a mixture of C2H6/CO2 in low temperature circuits (LTC) Applied Thermal Engineering 104 (2016) 96–103 [5] Tzong-Shing Lee, Cheng-Hao Liu, Tung-Wei Chen Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems International Journal of Refrigeration 29 (2006) 1100 – 1108 [6] H.M Getu, P.K Bansal Thermodynamic analysis of an R744–R717 cascade refrigeration system, Department of Mechanical Engineering International Journal of Refrigeration 3I (2008) [7] A.H Mosaffa, L Garousi Farshi, C.A Infante Ferreira, M.A Rosen Exergoeconomic and environmental analyses of CO2/NH3 cascade refrigeration systems equipped with different types of flash tank intercoolers Energy Conversion and Management 117 (2016) 442–453 76 [8] Ming Ma, Jianlin Yu, Xiao Wang Performance evaluation and optimal configuration analysis of a CO2/NH3 cascade refrigeration system with falling film evaporator–condenser Energy Conversion and Management 79 (2014) 224 – 231 [9] E Gholamian, P Hanafizadeh, P Ahmadi Advanced Exergy Analysis of a Carbon Dioxide Ammonia Cascade Refrigeration System Applied Thermal Engineering (2018) [10] Bingming, W Huagen, W Jianfeng, L Ziwen, X (2009) Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin – screw compressor International Journal of Refrigeration, 32 (6), 1358 – 1365 [11] Omid Rezayan, Ali Behbahaninia Thermoeconomic optimization and exergy analysis of CO2/NH3 cascade refrigeration systems Energy 36 (2011) 888 – 895 [12] Mehdi Aminyavari, Behzad Najafi, Ali Shirazi, Fabio Rinaldi Exergetic, economic and environmental (3E) analyses, and multiobjective optimization of a CO2/NH3 cascade refrigeration system Applied Thermal Engineering 65 (2014) 42 – 50 [13] J Alberto Dopazo, Jose´ Ferna ´ndez-Seara Experimental evaluation of a cascade refrigeration system prototype with CO2 and NH3 for freezing process applications, International journal of refrigeration 34 (2011) 257 – 267 [14] J Alberto Dopazo, José Fernández-Seara, Jaime Sieres, Francisco J Uhía, Theoretical analysis of a CO2–NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1577– 1583 [15] Yeqiang Zhang, Yongning He, Yanling Wang, Xuehong Wu, Mingzheng Jia, Yi Gong Experimental Investigation of the Performance of an R1270/CO2 Cascade Refrigerant System International Journal of Refrigeration (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.02.017 [16] K Megdouli, N Ejemni, E Nahdi, A Mhimid, L Kairouani Thermodynamic analysis of a novel ejector expansion transcritical CO2/N2O cascade refrigeration 77 (NEETCR) system for cooling applications at low temperatures Energy 128 (2017) 586 - 600 [17] Souvik Bhattacharyyaa, Anirban Garaia, Jahar Sarkar Thermodynamic analysis and optimization of a novel N2O–CO2 cascade system for refrigeration and heating international journal of refrigeration 32 (2009) 1077 – 1084 [18] Md Ezaz Ahammed, Souvik Bhattacharyya, M Ramgopal Analysis of CO2 based refrigeration systems with and without ejector for simultaneous pasteurization and chilling of milk International Journal of Refrigeration (2018) [19] Yue Cao, Jingqi Ren, Yiqian Sang, Yiping Dai Thermodynamic analysis and optimization of a gas turbine and cascade CO2 combined cycle Energy Conversion and Management 144 (2017) 193–204 [20] Rodrigo Llopis, Carlos Sanz-Kock, Ramon Cabello, Daniel, Enrique Torrella Experimental evaluation of an internal heat exchanger in a CO2 subcritical refrigeration cycle with gas-cooler Applied Thermal Engineering 80 (2015) 31 – 41 [21] Gautam, Gyanesh Kumar, Satyabrata Sahoo Performance improvement and comparisons of CO2 based adsorption cooling system using modified cycles employing various adsorbents: A comprehensive study of subcritical and transcritical cycles, Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology (Indian School of Mines), Dhanbad 826004, India [22] Daniel Sánchez, Jorge Patiño, Carlos Sanz-Kock, Rodrigo Llopis, Ramón Cabell, Enrique Torrella Energetic evaluation of a CO2 refrigeration plant working in supercritical and subcritical conditions Applied Thermal Engineering 66 (2014) 227 - 238 [23] Liang-Liang Shao, Chun-Lu Zhang, Thermodynamic transition from subcritical to transcritical CO2 cycle, International Journal of Refrigeration (2016) [24] Hao Guo, Maoqiong Gong, Xiaoyu Qin Performance analysis of a modified subcritical zeotropic mixture recuperative high-temperature heat pump Applied Energy 237 (2019) 338 – 352 78 [25] Antonio Messineo, R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System, Energy Procedia 14 (2012) 56 – 65 [26] Yulong Song, Dongzhe Li, Feng Cao, Xiaolin Wang Theoretical investigation on the combined and cascade CO2/R134a heat pump systems for space heating, Applied Thermal Engineering 124 (2017) 1457 – 1470 [27] Yulong Song, Dongzhe Li, Dongfang Yang, Lei Jin, Feng Cao, Xiaolin Wang Performance Comparison between the Combined R134a/CO2 Heat Pump and Cascade R134a/CO2 Heat Pump for Space Heating, International Journal of Refrigeration 2016 [28] Daniel Sánchez, Rodrigo Llopis, Ramón Cabello, Jesús Catalán-Gil, Laura Nebot-Andrés Conversion of a direct to an indirect commercial (HFC134a/CO2) cascade refrigeration system Energy impact analysis, International Journal of Refrigeration (2016) [29] Carlos Sanz-Kock, Rodrigo Llopis, Daniel Sanchez, Ramon Cabello, Enrique Torrella Experimental evaluation of a R134a/CO2 cascade refrigeration plant Applied Thermal Engineering 73 (2014) 39e48 [30] R Cabello, D Sánchez, R Llopis, J Catalán, L Nebot-Andrés, E Torrella Energy evaluation of R152a as drop in replacement for R134a in cascade refrigeration plants Applied Thermal Engineering (2016) [31] Thanhtrung Dang, Chihiep Le, Tronghieu Nguyen, Minhhung Doan (2017) A Study on the COP of CO2 Air Conditioning System with Minichannel Evaporator Using Subcooling Process Mechanics, Materials Science & Engineering, Vol 10 doi:10.2412/mmse.46.29.103 [32] Thanhtrung Dang, Kimhang Vo, and Tronghieu Nguyen Experiments on Expansion and Superheat Processes of a CO2 Cycle Using Microchannel Evaporator, American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 79 [33] Tronghieu Nguyen and Thanhtrung Dang The Effects of Mass Flow Rate on the Performance of a Microchannel Evaporator Using CO2 Refrigerant International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), 2018 [34] Tankhuong Nguyen, Tronghieu Nguyen, Thanhtrung Dang, and Minhhung Doan An Experiment on a CO2 Air Conditioning System with Copper Heat Exchangers International Journal of Advanced Engineering, Management and Science (IJAEMS) 2016 [35] Paride Gullo, Armin Hafner , Krzysztof Banasiak Transcritical R744 refrigeration systems for supermarket applications: Current status and future perspectives International Journal of Refrigeration (2018), doi: 10.1016/j.ijrefrig.2018.07.001 [36] Dr A B Pearson Commercial CO2 Refrigeration Systems Guide for Subcritical and Transcritical CO2 Applications International Institute of Refrigeration 2011 [37] Lê Xn Hịa Giáo trình Kỹ Thuật Lạnh Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2007 [38] Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Lợi Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R32/CO2 2019 [39] Nguyễn Đức Lợi Giáo trình hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2005 [40] ASHRAE Handbook - Fundamentals 2017 [41] İ Ekmekci R744 (CO2) Refrigerant Cooling Systems and Their Performances, Department of Industrial Engineering, İstanbul Commerce University İstanbul, Turkey [42] Hồng Đình Tín Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt NXB Khoa học kỹ thuật, TP HCM 2001 [43] Heat Trasfer Gregory Nellis, Sanford Klein Cambridge University Press 2009 - 1107 trang 80 IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com Experimental results of a R134a/CO2 cascade refrigeration system with the CO2 evaporation temperature of -30ºC Thanhtrung Dang and Baoha T Le Department of Thermal Engineering, Hochiminh City University/of Technology and Education, Hochiminh City, Vietnam Abstract This paper investigated a cascade refrigeration system using R134a/CO2 refrigerants by the experimental method The refrigerant R744 was used for the low stage cycle and the refrigerant R134a was used for the high stage cycle The experimental data were operated under the same ambient temperature of 33 0C In this study, the thermodynamic parameters of the cascade refrigeration system have shown in more detail, with the cold room temperature is dropping from 33 0C to - 200C With the low stage CO2 has the condensation temperature of 7.90C and the evaporation temperature of -300C, the cooling capacity of the system is 1.62 kW and the coefficient of performance of the system is 1.9 In addition, the theoretical results are in good agreement with the experimental results; the errors are less than 10% Keywords: CO2, R134a, Refrigerant, Cascade refrigeration, Thermodynamic, Experiment Introduction Currently, the destruction of the ozone (ODP - Ozone Depletion Potential) and global warming (GWP - Global Warming Potential) are being focused by the scientists on the world One of the biggest sources of CO2 (or R744) emissions is in the refrigeration: industrial refrigeration, commercial refrigeration, and air conditioners Therefore, scientists are constantly studying new natural refrigerants, new refrigerants to reduce the ozone depletion and the global warming, especially in the cascade refrigerant systems Among refrigerants, CO2 refrigerant is one of the most promising natural refrigerants in the future that has the ozone depletion potential of zero (ODP=0) and has the global warming potential of (GWP=1) Regarding to the cascade refrigeration cycle using CO2, Jadhav et al [1] compared and evaluated a cascade cycle with different refrigerants R744 is used in the low temperature cycle whereas R134a, R290, R717 and R404A are used in the high temperature cycle The COP of R744/NH3 is higher than the refrigerants such as R744/R134a, R744/R290 and R744/R404A with the same condensation temperature in the high temperature cycle, the evaporation temperature at low stage and the condensation temperature in the low temperature cycle Patel et al [2] studied the performance optimization of the cascade refrigeration system using NH3/CO2 and C3H8/CO2 The results show the refrigerants C3H8/CO2 in 5.33% lower cost and 6.42% higher exergy destruction to compare with refrigerants NH3/ CO2 Nasruddin et al [3] optimized a cascade refrigeration system using the refrigerant C3H8 in the high temperature cycle and a mixture of C2H6/CO2 in the low temperature cycle The parameters such as the evaporation temperature, the condensation temperature, the mixture temperature C 2H6/CO2, the temperature difference in the cascade heat exchanger and the CO2 mass flow rate were chosen as the decision variables The operation temperature and the CO2 mass flow rate were added to create a system optimization on economics and thermodynamics Lee et al [4] analyzed on the thermodynamic phenomena to optimize the condensation temperature of a CO2/NH3 cascade refrigeration system Results show that the condensation temperature of a cascade refrigeration system depends on the evaporation temperature, the condensation temperature and the temperature difference in the cascade heat exchanger The COP system increases when the evaporation temperature increases and the condensation temperature decreases and the temperature difference in the cascade heat exchanger increases IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com Getu and Bansal [5] theoretically analyzed a cascade refrigeration system carbon dioxide – ammonia R744/R717 to optimize the design and the operation parameters of the system The results indicate the evaporation temperature increases both COP and the mass flow ratio increase An increase of the temperature difference in the cascade condenser will be reduced both COP and the mass flow ratio Ma et al [6] presented a cascade refrigeration system CO2/NH3, where evaporator – condenser was used as the cascade heat exchanger The results shows that when the system COP is maximized, the thermal conductance ratios are depended upon the temperature differences of the three heat exchangers and the effectiveness factors of the condenser and the evaporator This study could contribute to the further development and the optimal design of CO2/NH3 cascade refrigeration systems Gholamian et al [7] advanced an exergy analysis of a Carbon Dioxide Ammonia Cascade Refrigeration System The results of the advanced exergy analysis show that CO – throttle valve, CO2 - compressor and the cascade heat exchanger are the necessary components for improving while the conventional exergy analysis can not provide such recommendations In addition, the advanced exergy analysis results indicate that improvement of the components has the ability to improve the system efficiency for about 42.13% Bingming et al [8] presented the experimental results of a NH 3/CO2 cascade driven by two screw compressors They evaluated experimentally the influence of the temperature difference in the cascade heat exchanger, the condensing temperature in the low temperature cycle and the degree of superheat in this heat exchanger Also, they presented an experimental comparison with single-stage and two - stage NH3 systems, concluding that the cascade system is very competitive in low temperature applications, especially below 400C Dopazo et al [9] theoretically analyzed of the cascade refrigeration system CO2 – NH3 for cooling applications in low temperature The results of COP increase 70% when the evaporating temperatures of CO2 change from -550C to -300C; the results of COP decrease 45% when the condensing temperatures increase 25 to 500C Llopis et al [10] presented the experimental evaluation of heat exchanger with refrigeration CO2 operating with the subcritical state The study was experimented by a 1.5 kW CO2 semi hermetic compressor, a brazed plate heat exchanger as condenser, an evaporator and an internal heat exchanger, an air finned tube gas – cooler and an electronic expansion valves The results show that the heat exchangers not improve the performance in the subcritical cycle but improve the performance if it was used in the cascade refrigeration system Messineo [11] compared the performance of a HFC two – stage system The results show that the R744-R717 cascade refrigeration system offers good energy, security and environment to compare with the R404A two – stage cycle at the low evaporating temperature (-30°C ÷ -50°C) for commercial refrigeration Song et al [12, 13] theoretically investigated on the combined and cascade CO 2/R134a heat pump systems for the space heating Results shows that the CO cycle played the major role in the combined system and the R134a cycle played the major role in the cascade system The system COP comparison shows that the cascade system performed better under the low hot water supply temperatures while the combined system performed better under the high hot water supply temperatures The results provide engineers and researchers a guide to choose the most suitable system for any particular operating conditions A conversion of an indirect HFC134a/CO2 cascade refrigeration system for commercial applications was experimentally analyzed by Sánchez et al [14] The evaporating temperature decreases from 1.9 to 3.5 K of the high temperature cycle was measured when using an indirect system In this study, a variation of the energy consumption of the whole system is from 7.6 to 14.0 % when using propylene-glycol/water as the secondary fluids Kock et al [15] presented the experimental evaluation of a R134a/CO2 cascade refrigeration system using the low evaporation temperature in commercial refrigeration applications The cooling coefficient COP depends on the condensation temperature of the low temperature cycle: the cooling coefficient COP increases as the condenser temperature decreases The measured COP is from 1.05 at -40 and 400C to 1.65 at - 30 and 300C The reduction of COP is 18% when the condensing temperature increases 10 0C and the reduction is 12% for each 50C reduction of the evaporating temperature From literature reviews above, the thermodynamic parameters for the R134a/CO2 cascade refrigeration system did not indicate clearly So, it is important to fulfil a case study for this system In this study, the cooling capacity of the cascade system is around kW, the CO2 evaporation temperature is -30ºC and the cold room temperature is -200C Methodology 2.1 Experimental Setup The experimental diagram of the R134a/R744 cascade refrigeration system is shown in Fig.1 In this test loop, the refrigerant R134a was used for the high stage cycle and the refrigerant R744 was used for the low stage IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com cycle In this study, the R134a evaporation temperature was changed from 3.6 to 4.7 ºC and the CO2 evaporation temperature was kept at -30ºC The system was designed to operate with the CO2 mass flow rate of 30 kg/h A picture of this cascade refrigeration system is shown in Fig.2 The cascade heat exchanger is the double-pipe type The time to reach the required temperature (- 200C) is about 30 minutes Fig.1 The experimental cascade refrigeration system R134a/CO2 (a – R134a compressor, b – R134a condenser, c – R134a throttle valve, d – Cascade heat exchanger (double – pipe type), e – CO2 compressor, f – oil separator, g – CO2 throttle valve, h – CO2 evaporator, i - Thermal flow meter) Fig.2 A picture of the R134a/CO2 cascade refrigeration system The accuracies and ranges of the testing devices are indicated in Table The equipments used for the experiments are listed as follows: - Thermocouples, T-types - Thermostat, EW – 181 H, made by Ewelly - Infrared thermometer, AT 430L2, made by APECH - Infrared thermometer, Raynger@ST, made by Raytek - Thermal camera, Fluke Ti9, made by Fluke, USA - Pressure gauge, made by Pro – Instrument IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com - Pressure sensor, made by SENSYS, Korea - Thermal flow meter, made by JUJIE TECH - Anemometer, AVM-03, made by Prova - Clamp meter, Kyoritsu 2017, made by Kyoritsu Table Accuracies and ranges of testing apparatuses Testing apparatus Thermocouples Thermal camera Infrared thermometer Pressure gauge Pressure sensor Thermal flow meter Clamp meter Anemometer Accuracy 0.1 C 2% C of reading FS 0.5 FS 2.5 % 1.5 % rdg 3% Range 100 C -20~250°C - 32 400 C 0100 kgf/cm2 0100 bar 0.1 120 m/s 200 A 45 m/s 2.2 Governing equations To analyze the thermodynamic parameters of the R134a/CO cascade refrigeration system and the coefficient of performance (COP) of system, the governing equations for the low stage cycle and the high stage cycle were given below: For the low stage CO2 The heat transfer rate of the evaporator was calculated as: Q0(C02) = m1 × (h1 – h4) (1) where m1 is the mass flow rate of the low stage CO and h is enthalpy The isotropic power input was determined by: N (CO2) = m1 × (h2 – h1’) (2) The heat transfer rate of the cascade heat exchanger (the condenser - evaporator) was calculated as: QK (CO2) = m1 × (h2 – h3) (3) The coefficient of performance (COP) for the CO2 cycle was quantified by: COPCO2 = 𝑄0(𝐶𝑂2) 𝑁(𝐶𝑂2) (4) where N is the isotropic power input and Q is the heat flow rate For the high stage R134a The heat transfer rate of the evaporator was calculated as: Q0(R134a) = QK (CO2) (5) The mass flow rate of the high stage R134a: m2 = 𝑄0(𝑅134𝑎) ℎ1 − ℎ4 (6) The isotropic power input was determined by: N(R134a) = m2 × (h2 – h1’) (7) The heat transfer rate of the R134a condenser was calculated as: QK (R134a) = m2 × (h2 – h3’) (8) IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com The coefficient of performance of the R134a cycle was quantified by: COPR134a = 𝑄0(𝑅134𝑎) (9) 𝑁(𝑅134𝑎 ) Finally, the coefficient of performance of the cascade refrigeration system R134a/CO2: COP = 𝑄0(𝐶𝑂2) (10) 𝑁(𝐶𝑂2) + 𝑁(𝑅134𝑎) Results and Discussion The cascade refrigeration system was experimented more times in order to collect the stable data under the ambient temperature around 33ºC The average mass flow rate of CO was measured by a thermal flow meter with its value of 27 kg/h The experimental results of the low stage CO are shown in Table It is observed that the superheat of the cycle is 10.5 ºC The superheat is due to the heat transfer area of the evaporator, the mass flow rates of CO2 and air Based on the emperical data, the CO2 cycle is shown in Fig by using the EES (Engineering Equation Solver) software It is observed that the experimental pressure drop of the cascade heat exchanger for the CO2 side (the condenser) is 0.5 bar Table The experimental results of the low stage CO2 Points 1’ t (0C) -29 -18.5 58.9 7.9 -30 p (bar) 14 14 43 42.5 14 Fig.3 The p-h diagram for the low stage CO2 h (kJ/kg) 437 449 499 221 221 IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com Table The experimental results of the high stage R134a Points 1’ 3’ t (0C) 3.6 10.7 58.8 37.3 34.4 4.4 p (bar) 3.3 3.3 9.3 9.3 9.3 3.4 h (kJ/kg) 401 408 443 252 248 248 For the high stage R134a, the experimental results are shown in Table and Fig The temperature difference between CO2 and R134a in the cascade heat exchanger is around 4ºC The experimental results of R134a and CO2 indicate that at a saturation pressure, the experimental temperature is different with the value obtained from the theory temperature The difference is due to the errors in experiment However, the experimental results are in good agreement with those obtained from the theoretical results For an example in the theory calculation for the CO2 cycle, the evaporation and condensation pressures are 14.3 bar and 43.9 bar, respectively; their percentage errors are less than 10% Fig.4 The p-h diagram for the high stage R134a The R134a evaporation temperature Fig.5 The discharge temperature vs the condensation temperature of CO2 cycle IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com This experimental investigation mentioned on the evaporation temperature of the high stage R134a changing from 3.6 to 4.7 ºC and the constant evaporation temperature of -30ºC in the CO2 cycle A relationship between the discharge temperature and the condensation temperature is shown in Fig It is observed that the R134a evaporation temperature affects to the CO2 condensation temperature and the CO discharge temperature When the R134a evaporation temperature decreases from 4.7 to 3.6 ºC, the CO2 condensation temperature decreases from 9.7 to 7.9 ºC and the CO2 discharge temperature decreases from 63.8 to 58.9 ºC The results are in good agreement with the theoretical calculation of the refrigeration system (In the theory, the CO2 discharge temperature is 62 ºC) Fig.6 The cooling capacity vs the condensation temperature of CO2 cycle Fig.7 The system COP vs the condensation temperature of CO2 cycle IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com The figure shows a relationship between the cooling capacity system and the CO2 condensation temperature when changing the R134a evaporation temperature When the CO2 condensation temperature increases from 7.9 to 9.7 ºC (the R134a evaporation temperature increases from 3.6 to 4.7 ºC), and the cooling capacity of the cascade refrigeration system decreases from 1.624 to 1.599 kW The results are the same rule with the COP of the cascade refrigeration system, as shown in Fig When the CO condensation temperature increases from 7.9 to 9.7 ºC, the COP of the refrigeration system decreases from 1.904 to 1.848 The experimental data are essential for studying on the cascade refrigeration system using CO Conclusions This study has experimented a cascade refrigeration system using R134a/CO2 refrigerants The refrigerant R134a was used for the high stage cycle and the refrigerant R744 was used for the low stage cycle The experimental data were operated under the same ambient temperature of 33 0C For this investigation, the CO2 mass flow rate is 27 kg/h and the cold room temperature is dropping from 33 0C to - 200C The thermodynamic parameters of the cascade refrigeration system have shown in more detail The low stage CO2 has the condensation temperature of 7.90C and the evaporation temperature of -300C The cooling capacity of the system is 1.62 kW and the coefficient of performance of the system is 1.9 In addition, the theoretical results are consistent with the experimental results The results have distributed to add the essential experimental data when studying on the cascade refrigeration system using CO Acknowledgments The supports of this work by the project No B2020-SPK-04 (sponsored by the Vietnam Ministry of Education and Training) are deeply appreciated References [1] J.S Jadhav and A.D Apte Review of cascade refrigeration system with different refrigerant pairs novateur publications international journal of innovations in engineering research and technology, volume 2, issue 6, june2015 [2] Vivek Patel, Deep Panchal, Anil Prajapati, Anurag Mudgal, Philip Davies An efficient optimization and comparative analysis of cascade refrigeration system using NH3/CO2 and C3H8/CO2 refrigerant pairs International Journal of Refrigeration 102 (2019) 62–76 [3] Nasruddin, S Sholahudin, N Giannetti, Arnas Optimization of a cascade refrigeration system using refrigerant C3H8 in high temperature circuits (HTC) and a mixture of C2H6/CO2 in low temperature circuits (LTC) Applied Thermal Engineering 104 (2016) 96–103 [4] Tzong-Shing Lee, Cheng-Hao Liu, Tung-Wei Chen Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems International Journal of Refrigeration 29 (2006) 1100 – 1108 [5] H.M Getu, P.K Bansal Thermodynamic analysis of an R744–R717 cascade refrigeration system, Department of Mechanical Engineering International Journal of Refrigeration 3I (2008) [6] Ming Ma, Jianlin Yu, Xiao Wang Performance evaluation and optimal configuration analysis of a CO 2/NH3 cascade refrigeration system with falling film evaporator–condenser Energy Conversion and Management 79 (2014) 224 – 231 [7] E Gholamian, P Hanafizadeh, P Ahmadi Advanced Exergy Analysis of a Carbon Dioxide Ammonia Cascade Refrigeration System Applied Thermal Engineering (2018) [8] Bingming, W Huagen, W Jianfeng, L Ziwen, X (2009) Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin – screw compressor International Journal of Refrigeration, 32 (6), 1358 – 1365 [9] J Alberto Dopazo, José Fernández-Seara, Jaime Sieres, Francisco J Uhía, Theoretical analysis of a CO2–NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1577–1583 IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12, December 2020 ISSN (Online) 2348 – 7968 | Impact Factor (2020) – 6.72 www.ijiset.com [10] Rodrigo Llopis, Carlos Sanz-Kock, Ramon Cabello, Daniel, Enrique Torrella Experimental evaluation of an internal heat exchanger in a CO2 subcritical refrigeration cycle with gas-cooler Applied Thermal Engineering 80 (2015) 31 – 41 [11] Antonio Messineo, R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System, Energy Procedia 14 (2012) 56 – 65 [12] Yulong Song, Dongzhe Li, Feng Cao, Xiaolin Wang Theoretical investigation on the combined and cascade CO2/R134a heat pump systems for space heating, Applied Thermal Engineering 124 (2017) 1457 – 1470 [13] Yulong Song, Dongzhe Li, Dongfang Yang, Lei Jin, Feng Cao, Xiaolin Wang Performance Comparison between the Combined R134a/CO2 Heat Pump and Cascade R134a/CO2 Heat Pump for Space Heating, International Journal of Refrigeration 2016 [14] Daniel Sánchez, Rodrigo Llopis, Ramón Cabello, Jesús Catalán-Gil, Laura Nebot-Andrés Conversion of a direct to an indirect commercial (HFC134a/CO2) cascade refrigeration system Energy impact analysis, International Journal of Refrigeration (2016) [15] Carlos Sanz-Kock, Rodrigo Llopis, Daniel Sanchez, Ramon Cabello, Enrique Torrella Experimental evaluation of a R134a/CO2 cascade refrigeration plant Applied Thermal Engineering 73 (2014) 39-48 S K L 0 ... giới nghiên cứu không nhiều cho chế độ trữ đông Chính vậy, việc nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2? ?? cần thiết Nghiên cứu đưa... nhiệt đồng [34] Từ nghiên cứu liên quan trên, báo chưa thể nhiều thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 thực nghiệm Chính mà việc thực đề tài ? ?Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông. .. nghiên cứu Đưa thông số nhiệt động: nhiệt độ, áp suất thơng số điểm nút chu trình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/ CO2 thực nghiệm So sánh công suất nhiệt, suất lạnh, công máy nén lạnh, hệ số làm lạnh