Design and experimental investigation of basic, flash gas bypass and subcooler configurations of an R744 medium temperature condensing unit

The present work is focused on the design and the experimental investigation of a condensing unit for medium temperature refrigeration applications using R744 as refrigerant fluid. Though R744 is an environmental friendly, cheap and easy accessible refrigerant, which also has great thermal properties that allow reducing the size of the piping, it works with high pressures and also has a low critical point (31°C). Therefore, when condensing units are operated at high external ambient temperatures, the condenser will act as a gas cooler because the refrigerant will be transcritical. The consequence is a loss in performance, cooling capacity and also safety and operating issues when working at very high ambient temperatures. In this work, using as baseline an R744 condensing unit, viable cycle improvements have been investigated with respect to high ambient temperature operation, focusing on performance and operating characteristics. The selected improved cycles are a flash gas bypass configuration and a dedicated mechanical subcooler configuration. For testing purposes only, the mechanical subcooler works with R407C as it has similar properties to R290, which is a natural refrigerant and could be potentially used in the next generation. The second part of the work is focused on the design of the additional components required for the prototype test rig. Then, the base configuration and the two new cycles are tested over the widest possible envelope range within the lab facility of the Emerson Europe Solution Center. The final part of the work focuses on the analysis of the test results, reporting the key parameters of the refrigeration system, which include the COP and the cooling capacity, and comparing the performances of the three configurations. It has been found that the flash gas bypass configuration allows the extension of the envelope at high ambient temperatures through intermediate (liquid receiver) pressure regulation; however, the bypass of refrigerant gas leads to a decrease in cooling capacity and performance. The dedicated mechanical subcooler configuration, besides extending the envelope at high ambient temperature, provides also a noticeable improvement in COP and cooling capacity.

Il presente lavoro si occupa della progettazione e la conseguente prova sperimentale in laboratorio di un’unità condensante per refrigerazione a media temperatura che utilizza R744 come fluido refrigerante. Sebbene l’R744 sia un fluido refrigerante non nocivo per l’ambiente, economico e di facile reperibilità e sebbene abbia ottime proprietà termodinamiche che permettono di ridurre la dimensione delle tubazioni, esso lavora ad elevate pressioni ed ha anche un basso punto critico (31°C). Pertanto, quando le unità condensanti operano ad elevate temperature dell’ambiente esterno, il condensatore della macchina agisce in realtà come un gas cooler poiché il refrigerante si trova in condizioni transcritiche. Di conseguenza, si registra una riduzione delle prestazioni, della capacità frigorifera e si verificano anche problemi legati alla sicurezza e problemi di tipo operativo, quando si lavora a temperature ambiente molto elevate. In questa tesi, usando come configurazione di base un’unità condensante a R744, i possibili miglioramenti del ciclo frigorifero sono stati investigati e valutati, relativamente all’operatività della macchina ad alte temperature ambiente, focalizzandosi in particolare sulle prestazioni e le caratteristiche operative. Le strategie per migliorare il funzionamento del ciclo frigorifero che sono state selezionate sono una configurazione di tipo flash gas bypass e una con un subcooler meccanico dedicato. Ai soli fini dei test, si è deciso di operare il subcooler con R407C poiché esso ha proprietà simili all’R290, dove quest’ultimo è un fluido refrigerante naturale e potrebbe potenzialmente essere utilizzato per prossima generazione di unità. La seconda parte del lavoro si focalizza sulla progettazione dei componenti aggiuntivi necessari per realizzare la macchina di prova. Quindi, la configurazione di base e le due nuove configurazioni vengono testate nella più ampia area possibile del campo operativo, all’interno del laboratorio dell’Emerson Europe Solution Center. La parte finale del lavoro si occupa dell’analisi dei risultati sperimentali, riportando i parametri principali del sistema di refrigerazione testato, tra i quali i più importati che si menzionano sono il COP e la capacità frigorifera, e comparando le prestazioni delle tre diverse configurazioni. È stato ricavato che la configurazione con il flash gas bypass permette di estendere il campo operativo alle alte temperature attraverso la regolazione della pressione intermedia (pressione del liquid receiver); tuttavia, il refrigerante bypassato che si trova in stato gassoso porta ad una riduzione delle prestazioni e della capacità frigorifera. La soluzione con il subcooler meccanico, oltre ad estendere il campo operativo alle alte temeperature, permette anche di gadagnare notevolmente in COP e capacità frigorifera.