Analisi numerica delle prestazioni di miscela propano-anidride carbonica in macchine a compressione di vapore di piccola taglia

In this thesis an energy performance analysis of propane- CO2 mixture in a small size vapor-compression chiller is developed, varying the mass composition of the mixture. A MATLAB numerical model is developed to calculate the steady state performance of a coaxial heat exchanger (CHX) where the refrigerant is cooled with counter flow water. Two different layout of CHX is identified: condenser used in inverse subcritical cycles and gas cooler used in inverse transcritical cycles. Hence the algorithms and heat transfer models used for the two CHX layouts are displayed to define the performance. Two different models, each one based on a particular flow pattern map, are used in the condenser to calculate the heat transfer coefficient and the frictional pressure losses. Within the numerical model thermophysical properties of the different mixtures are obtained from the REFPROP 9.1 software. Moreover the suitable compressors for the subcritical and transcritical cycles are chosen from the Frascold® software and from it are obtained also the volumetric and isentropic efficiencies as a function of compression ratio to calculate the electric power load. Finally the energy efficiency trends, as a function of mass composition of the mixture, are reported.

In questa tesi è stata sviluppata un’analisi delle prestazioni della miscela propano-CO2 in una macchina a compressione di vapore di piccola taglia variando la composizione massica dei componenti della miscela. Per effettuare tale analisi è stato sviluppato un modello numerico MATLAB per il calcolo delle prestazioni in regime stazionario di uno scambiatore di calore coassiale dove il refrigerante viene raffreddato da acqua in flusso controcorrente. Sono individuate due configurazioni di scambiatori di calore coassiali: il condensatore utilizzato nei cicli subcritici e il gas cooler nei cicli transcritici. Quindi vengono mostrati gli algoritmi scelti per le due configurazioni di scambiatore di calore coassiale e i modelli di scambio termico impiegati per determinarne le prestazioni. In particolare per il condensatore vengono impiegati due modelli differenti per la determinazione del coefficiente di scambio termico e delle perdite di carico basati sulle rispettive mappe di flusso. All’interno del modello numerico le proprietà termofisiche delle miscele vengono ricavate tramite il software REFPROP 9.1. Inoltre con l’ausilio del sofware di dimensionamento Frascold® si scelgono i compressori adatti ai cicli inversi subcritici e transcritici e si individuano i rendimenti volumetrici e isoentropici in funzione del rapporto di compressione, in modo da calcolare le potenze elettriche assorbite. Infine vengono riportati come risultati delle simulazioni gli andamenti delle efficienze energetiche del ciclo inverso in funzione della composizione massica della miscela.