Design of a R744 refrigeration unit for naval application

In this thesis, the application of the refrigerant R744 in refrigeration cycles for marine use is analyzed. Firstly, an overview of the regulations is introduced: given the high global warming potential of some freon and the hazard of these substances, carbon dioxide is claiming an even more important role, in particular for the application of this project. After that, the main properties of CO₂ are analysed in order to comprehend the choice behind its utilization: the primary reason is environmentally friendly use of the refrigerant for the naval sector, at the expense of efficiency. Subsequently, the description of the project’s cycle starts: it is outlined the process flow diagram, with all the main characteristics of the components. The development’s choices come from a trade-off between costs, performance and space’s occupancy, very important to consider for these applications. After that, it is shown the simulation procedure for a preliminary design: first, the cycle is simulated through the Bitzer software, then it is better analysed with UniSim to obtain all the thermodynamic conditions. Given that, after introducing the peculiarity of the chilled water (CW) use, the COP of the plant is computed and found to be 1,77. To conclude, it is shown an off-design case where the chilled water is available at a higher temperature; in this condition, it is computed the differences of the performances of each main component. At the end, a reduction of 4,7 % of the efficiency is expected. This means that the plant is able to work efficiently also in this situation.

In questa tesi viene analizzata l’applicazione del refrigerante R744 nei cicli frigoriferi per uso marino. Innanzitutto, viene presentata una panoramica delle normative: dato l’elevato potenziale di riscaldamento globale di alcuni freon e la pericolosità di queste sostanze, l’anidride carbonica sta assumendo un ruolo sempre più importante, in particolare per l’applicazione oggetto di questo progetto. Successivamente, vengono analizzate le principali proprietà della CO₂ per comprendere la scelta del suo impiego: la ragione principale è l’utilizzo ecocompatibile del refrigerante nel settore navale, a scapito dell’efficienza. In seguito, inizia la descrizione del ciclo di progetto: viene illustrato il diagramma di flusso del processo, con tutte le principali caratteristiche dei componenti. Le scelte di sviluppo derivano da un compromesso tra costi, prestazioni e ingombro, aspetti molto importanti da considerare per queste applicazioni. Successivamente, viene mostrata la procedura di simulazione per una progettazione preliminare: dapprima il ciclo viene simulato tramite il software Bitzer, poi viene analizzato più approfonditamente con UniSim per ottenere tutte le condizioni termodinamiche. Dopo aver introdotto la particolarità dell’utilizzo dell’acqua refrigerata (CW), viene calcolato il COP dell’impianto, che risulta pari a 1,77. In conclusione, viene presentato un caso off-design in cui l’acqua refrigerata è disponibile a una temperatura più elevata; in questa condizione vengono calcolate le differenze nelle prestazioni di ciascun componente principale. Alla fine, è prevista una riduzione dell’efficienza del 4,7%. Ciò significa che l’impianto è in grado di funzionare in modo efficiente anche in questa situazione.