Experimental analysis of an air to air heat pump equipped with digital scroll compressor and evaluation of the pulsing flow influence on the refrigerant air side and on the overall performances

Techniques of compressor capacity control are increasingly common in energy efficient direct expansion HVAC equipment. Compressor short cycling is one such technique that increases system efficiencies at part loads by continued heat transfer in the heat exchangers during the compressor off cycle. In particular, the digital scroll compressor is a device that is outfitted with a unique clutching mechanism designed to initiate short cycling behaviour while minimizing compressor wear due to startup/shutdown. In this thesis an investigation into the behaviour of the digital scroll compressor and its capacity control mechanism is presented. For these purposes, a 15ton (52,7 kW) nominal capacity heat pump unit was retrofitted with digital scroll compressors and a new control module. The operating conditions of the unit were varied in a parametric fashion using a large scale climate controlled psychrometric chamber. Instantaneous suction and discharge flow rates were measured to determine the flow cycling characteristics and their effect on the capacity and efficiency. Pressures, temperatures, and compressor absorbed power were measured in-line and in real time during compressor short cycling operating conditions. The new data serve to validate the modeling method proposed in this thesis. A detailed R-410A digital scroll compressor model is also developed using Modelica, a dynamic simulation environment, to support the experimental campaign. A novel experimental testbed apparatus is developed. In the second stage of tests, a further investigation was made on the behaviour of the compressor at very low load (below 25%). Then another set of tests was conducted in order to evaluate the unit performances, to see the influence of the pulsing flow on the overall system (air properties included). A heat balance was built across the evaporator coil, air side and refrigerant side, in order to demonstrate that since they are similar (difference below 5%) the collected are reliable. Finally, an electric heater was installed right before the evaporator coil to see a preliminary shape of a settle transitory of the unit, with the final goal of looking for the optimal control strategy.

Le tecniche di controllo del potere frigorifero dei compressori sono sempre più frequenti in un contesto di efficienza energetica dei sistemi a espansione diretta. La gestione del compressore in short-cycling è una delle tecniche che aumentano l’efficienza del sistema a carico parziale attraverso uno scambio di calore continuo negli scambiatori, anche durante il periodo off del compressore stesso. In particolare, i compressori Digital Scroll sono caratterizzati dell’essere equipaggiati con un peculiare meccanismo di accoppiamento per lavorare in short-cycling. In questa tesi viene presentata un’indagine sul comportamento del compressore digital scroll e sui suoi effetti sul sistema unità-ambiente. Questo è stato fatto realizzando un apparato sperimentale costituito da una pompa di calore aria-aria di 52,7 kW di potenza frigorifera nominale, modificata tramite l’installazione di due nuovi compressori digital scroll e un nuovo modulo di controllo. Le condizioni operative dell’unità sono state variate utilizzando una camera psicrometrica di dimensioni adeguate alla potenzialità dell’apparato e ne sono state valutate le prestazioni a carico totale e parziale. Sono state misurate le portate istantanee in aspirazione e scarico al compressore per determinare le caratteristiche dei cicli e il loro effetto sulle prestazioni e sull’efficienza del sistema. Pressioni, temperature, surriscaldamento, potenza elettrica assorbita sono state misurate real time. I dati sperimentali ricavati servono a validare il modello di simulazione di un compressore digital scroll ad R-410A sviluppato in Modelica, un simulatore dinamico. Nel secondo stage di test, un’ulteriore investigazione è stata condotta sul comportamento del compressore a carico molto basso, sotto il 25%. Una serie di nuovi test è stata poi condotta al fine di determinare le prestazioni dell’unità funzionante in modalità raffrescamento per capire l’influenza della portata pulsante, e soprattutto dimostrare che i dati raccolti sono affidabili effettuando un bilancio termico a cavallo dell’evaporatore, lato aria e lato refrigerante, mostrando che questi coincidono a meno di una tolleranza prefissata (5%). Infine, è stato installato un riscaldatore elettrico a monte della batteria di evaporazione per cercare di osservare un tempo di assestamento dell’unità tra le condizioni stazionarie di partenza e quelle di arrivo, attraverso l’introduzione di una variazione a gradino della temperatura di ritorno dell’aria.