Study of scroll compressors with vapor-injection for heat pumps operating in cold climates or in high-temperature water heating applications

Abstract

[ES] Esta tesis doctoral presenta un estudio de compresores scroll con inyección de vapor (SCVI) para bombas de calor que operan en climas fríos o para aplicaciones de calentamiento de agua a alta temperatura. Para ello, se comparó experimentalmente un SCVI con un compresor de dos etapas de pistones (TSRC) trabajando con R-407C en condiciones extremas. La comparación se realizó en términos de eficiencias del compresor, capacidad, COP y rendimientos estacionales tanto para el modo calefacción como para el modo refrigeración. Los resultados proporcionan una idea general sobre el rango de aplicación de los compresores estudiados y sobre las diferencias en los rendimientos de los compresores. Sin embargo, se identificaron varias limitaciones en la caracterización de los compresores y en el análisis del ciclo. Esto motivó a profundizar en el estudio del ciclo de compresión de dos etapas y sus componentes. El siguiente paso fue realizar un análisis teórico de los ciclos de compresión de dos etapas para aplicaciones de calefacción, en donde se identificó a la presión intermedia y a la relación de inyección como los parámetros del sistema más influyentes sobre el COP. La presión intermedia se optimizó para dos configuraciones de inyección (tanque de separación y economizador) utilizando varios refrigerantes. Basándose en los resultados de la optimización, se propuso una correlación que permite obtener la presión intermedia óptima del ciclo, considerando la influencia del subenfriamiento a la salida del condensador. Además, se analizó la influencia del diseño de los componentes del sistema sobre el COP del ciclo. Posteriormente, el estudio se profundizó a nivel de componentes. El factor más crítico en el sistema es el rendimiento del compresor. Por lo tanto, el siguiente paso fue evaluar la influencia de varios sistemas de compresión con inyección de vapor sobre el COP. Se tomaron en cuenta tres tecnologías de compresores, un SCVI, un TSRC y un compresor scroll de dos etapas (TSSC). Estas tecnologías de compresores fueron caracterizadas y modeladas para estudiar su rendimiento. Para ello, se propuso una nueva metodología para caracterizar compresores scroll con inyección de vapor. Esta metodología permite evaluar el rendimiento del compresor independientemente del mecanismo de inyección que se utiliza en el ciclo. Se identificó una correlación lineal entre la relación de inyección de refrigerante y la relación de compresión intermedia. Esta correlación se utiliza para determinar el flujo másico de inyección en función de la presión intermedia. Posteriormente, se propuso un modelo semi-empírico de compresores scroll y una metodología para extender dicho modelo para compresores scroll con inyección de vapor. Los modelos fueron ajustados y validados usando datos experimentales de cuatro compresores scroll trabajando con R-290 y un SCVI trabajando con R-407C. Finalmente, se comparó un SCVI con dos compresores de dos etapas, un TSSC y un TSRC, trabajando en condiciones extremas. Se optimizó la relación de volúmenes de los compresores de dos etapas. Los resultados muestran que, en las condiciones nominales de funcionamiento (Te=-15 °C, Tc=50 °C), la relación de volúmenes óptima del TSSC es 0.58, y del TSRC es 0.57. El TSSC consigue un COP 6% mayor que el SCVI y un COP 11.7% mayor que el TSRC. Bajo un amplio rango de condiciones de operación, el SCVI presenta una mejor eficiencia y COP para relaciones de presión inferiores a 5. Para relaciones de presión más altas, el TSSC presenta mejor rendimiento y consigue una temperatura de descarga más baja. Se concluye que el SCVI es una solución fácil de implementar, desde el punto de vista del mecanizado, y que permite extender el mapa de trabajo de los compresores de una etapa. Sin embargo, los resultados muestran que la compresión en dos etapas consigue mejorar en mayor medida el COP del ciclo y la capacidad, con una mayor redu

[CA] Aquesta tesi doctoral presenta un estudi de compressors scroll amb injecció de vapor (SCVI) per a bombes de calor que operen en climes freds o per a aplicacions d'escalfament d'aigua a alta temperatura. Per a això, es va comparar experimentalment un SCVI amb un compressor de dues etapes de pistons (TSRC) treballant amb R-407C en condicions extremes. La comparació es va realitzar en termes d'eficiències del compressor, capacitat, COP i rendiments estacionals tant per al mode calefacció com per al mode refrigeració. Els resultats proporcionen una idea general sobre el rang d'aplicació dels compressors estudiats i sobre les diferències en els rendiments dels compressors. No obstant això, es van identificar diverses limitacions en la caracterització dels compressors i en l'anàlisi del cicle. Això va motivar a aprofundir en l'estudi del cicle de compressió de dues etapes i els seus components. El següent pas va ser realitzar una anàlisi teòrica dels cicles de compressió de dues etapes per a aplicacions de calefacció, on es va identificar la pressió intermèdia i la relació d'injecció com els paràmetres del sistema més influents sobre el COP. La pressió intermèdia es va optimitzar per a dues configuracions d'injecció (tanc de separació i economitzador) utilitzant diversos refrigerants. Basant-se en els resultats de l'optimització, es va proposar una correlació que permet obtindre la pressió intermèdia òptima del cicle, considerant la influència del subrefredament a l'eixida del condensador. A més, es va analitzar la influència del disseny dels components del sistema sobre el COP del cicle. Posteriorment, l'estudi es va aprofundir a nivell de components. El factor més crític en el sistema és el rendiment del compressor. Per tant, el següent pas va ser avaluar la influència de diversos sistemes de compressió amb injecció de vapor sobre el COP. Es van prendre en compte tres tecnologies de compressors, un SCVI, un TSRC i un compressor scroll de dues etapes (TSSC). Aquestes tecnologies de compressors van ser caracteritzades i modelades per a estudiar el seu rendiment. Per a això, es va proposar una nova metodologia per a caracteritzar compressors scroll amb injecció de vapor. Aquesta metodologia permet avaluar el rendiment del compressor independentment del mecanisme d'injecció que s'utilitza en el cicle. Es va identificar una correlació lineal entre la relació d'injecció de refrigerant i la relació de compressió intermèdia. Aquesta correlació s'utilitza per a determinar el flux màssic d'injecció en funció de la pressió intermèdia. Posteriorment, es va proposar un model semi-empíric de compressors scroll i una metodologia per a estendre aquest model per a compressors scroll amb injecció de vapor. Els models van ser ajustats i validats utilitzant dades experimentals de quatre compressors scroll treballant amb R-290 i un SCVI treballant amb R-407C. Finalment, es va comparar un SCVI amb dos compressors de dues etapes, un TSSC i un TSRC, treballant en condicions extremes. Es va optimitzar la relació de volums dels compressors de dues etapes. Els resultats mostren que, en les condicions nominals de funcionament (Te=-15 °C, Tc=50 °C), la relació de volums òptima del TSSC és 0.58, i del TSRC és 0.57. El TSSC aconsegueix un COP 6% major que el SCVI i un COP 11.7% major que el TSRC. Sota un ampli rang de condicions d'operació, el SCVI presenta una millor eficiència i COP per a relacions de pressió inferiors a 5. Per a relacions de pressió més altes, el TSSC presenta millor rendiment i aconsegueix una temperatura de descàrrega més baixa. Es conclou que el SCVI és una solució fàcil d'implementar, des del punt de vista del mecanitzat, i que permet estendre el mapa de treball dels compressors d'una etapa. No obstant això, els resultats mostren que la compressió en dues etapes aconsegueix millorar en major mesura el COP del cicle i la capacitat, amb una major reducció de la

[EN] This Ph.D. thesis presents a study of scroll compressors with vapor-injection (SCVI) for heat pumps operating in cold climates or in high-temperature water heating applications. To do so, firstly, an SCVI was experimentally compared with a two-stage reciprocating compressor (TSRC) working with R-407C under extreme conditions. The comparison was made in terms of compressor efficiencies, capacity, COP, and seasonal COP, both for heating and cooling modes. The results give a general idea about the application range of the studied compressors and the differences in the compressors' performance. Nevertheless, several restrictions in the compressors' characterization and the cycle analysis were identified. This motivated us to deepen in the study of the two-stage compression cycle and its components. The next step was performing a theoretical analysis of two-stage compression cycles for heating applications, where the intermediate pressure and the injection ratio were identified as the most influential system parameters on the COP. The intermediate pressure was optimized for two vapor-injection configurations (flash tank and economizer) using several refrigerants. Based on the optimization results, a correlation was proposed that allows obtaining the optimal intermediate pressure of the cycle, considering the influence of the subcooling at the condenser outlet. In addition, a theoretical analysis of the influence of the design of the system components on the COP of the cycle was performed. Once the thermodynamic analysis of the two-stage cycle was carried out, the study was deepened at the component level. The most critical factor in the system is the compressor performance. Hence, the next step was evaluating the influence of several compression systems with vapor-injection on the COP. Three compressor technologies were taken into account, an SCVI, a TSRC and a two-stage scroll compressor (TSSC). These compressor technologies were characterized and modeled in order to study their performance. To do so, a new methodology to characterize SCVI was proposed. This methodology allows evaluating the compressor performance independently of the injection mechanism used in the cycle. A linear correlation was identified between the refrigerant injection ratio and the intermediate compression ratio. This correlation is used to determine the injection mass flow as a function of the intermediate pressure. Then, a semi-empirical model of scroll compressors and a methodology to extend the model for scroll compressors with vapor-injection was proposed. The models were adjusted and validated using experimental data from four scroll compressors working with R-290 and an SCVI compressor working with R-407C. Finally, an SCVI was compared with two two-stage compressors, a TSSC, and a TSRC, working in extreme conditions. The displacement ratio of the two-stage compressors was optimized. Results show that, at the nominal operating conditions (Te=-15 °C, Tc=50 °C), the optimal displacement ratio of the TSSC is 0.58, and of the TSRC is 0.57. The TSSC achieves 6% larger COP than the SCVI and 11.7% larger COP than the TSRC. Under a wide range of operating conditions, the SCVI presents a better efficiency and COP for pressure ratios below 5. For higher-pressure ratios, the TSSC presents better performance and achieves lower discharge temperature. It is concluded that the SCVI is an easy solution to implement from the point of view of machining, which allows extending the working map of the single-stage compressors. However, the results show that the two-stage compression technology gets further improve the COP of the cycle and the capacity, with a greater reduction of the discharge temperature operating under extreme conditions.