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Experimental Evaluation Of Large Scale Propane Heat Pump For Space Heating Application
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Applied Thermodynamics and Refrigeration. Politecnico di Torino.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

A significant part of the environmental impact of a heat pump isgenerally related to the direct emission of the refrigerant fluid during thelife time of the machine. Although the Montreal Protocol has alreadylargely secured its status as a success story by cutting the ozone deplentationrefrigerants drastically, we still have to deal with the challengesresulting from climate change.Natural refrigerants such as Propane permits to design more ecofriendlysystem without sacrificing the performance of the machine. Thethesis work is part of a European project called Next Generation of HeatPumps working with Natural fluids (NxtHPG) whose primary aim is thedevelopment of heat pumps working with Natural refrigerant that aresafe, reliable, with high efficiency and high capacity. Royal Institute oftechnology (KTH) is one of the partner of the project and responsiblefor the experimental campaign of two large propane heat pumps: an airsource heat pump (Case 1 ) and a ground source heat pump suitablefor boreholes (Case 2 ). Few cases in literature report on studies aboutlarge capacity heat pumps using propane as refrigerant.This thesis project focuses on the experimental evaluation of theCase 2 from an energy point view. The safety issues about the use of flammable refrigerant, i.e propane, are briefly reported; however theyare not considered strictly part of the thesis work since they are coveredin other phases of NxtHPG project. Experimental tests for Case 1 werenot conducted during this thesis work because of delays in the prototypedelivery from the manufacturer. However, concerns about the hydraulicloop of the test rig of both the heat pumps was identified and a newdesign was suggested and implemented.During the experimental campaign for Case 2 a significant numberof tests were performed according to a specific text matrix definedfrom the EN 14285 standard. A simple heat pump model has beenused to evaluate the overall performance of the machine from the directmeasurements. The heat pump components (compressors, condenser,evaporator, expansion valve) have been analysed in details by definingspecific analysis model for each one. The results have been comparedwith the manufacture expectation.The prototypes demonstrated to have potentially very good performance,since in the first set of tests the machine behaved as expectedby the IMST-ART software. On the other hand, a drop of the unitefficiency and capacity have been registered during the experimentalcampaign for similar working condition. Two different explanations areinvestigated to clarify the strange phenomenon. The first hypothesisconsiders minor internal damage in the compressor, as check valve leakage;consequence of the use of the compressor in a tandem layout. Itgenerates a back-flow in the non working compressor. The second explanationregards inert gas infiltration in the system. On the otherhand they are not able to explain entirely the system issues and theyneed to be confirmed by the manufacturer analysis of the open compressor.The further improvements, proposed and discussed with themanufacture companies involved, can help to solve the question markson the strange system behaviour during the future work. The nextexperimental campaign for Case 1 that will start on April 2015.The software IMST-ART, used to predict the performance of theheat pump, is demonstrated to be a fast and useful tool. The model ofthe software for propane as refrigerant and brazed plate heat exchangerpredicts adequately the experimental measurement.

Abstract [it]

Una parte significativa dell’impatto ambientale relativo a una pompadi calore è legato alle emissioni dirette di refrigerante durante ilperiodo di vita della macchina. Nonostante l’accordo di Montreal siagià stato considerato come un successo storico per il drastico taglio deirefrigeranti dannosi per lo strato di ozono, bisogna ancora fronteggiarele sfide relative al cambiamento climatico.Refrigeranti naturali, come il Propano, permettono di realizzaremacchine più ambientalmente compatibili senza però sacrificare le prestazionidella macchina stessa. Questo lavoro di tesi fa parte di unprogetto Europeo chiamato Next Generation of Heat Pumps workingwith Natural fluids (NxtHPG), in cui obiettivo primario è quello di svilupparepompe di calore che lavorano con fluidi Naturali che allo stessotempo siano sicure, affidabili, con elevata efficienza e taglia.Royal Institute of technology (KTH) è uno dei partner del progettoe anche responsabile della campagna sperimentale di due pompe dicalore a propano di grossa taglia: una pompa ad aria Case 1 e unageotermicaCase 2. Sono pochi gli esempi in letteratura che riguardanolo studio di macchine di questo tipo di grande taglia, questo costituiscela novità del lavoro.Il lavoro di tesi presentato è incentrato principalmente sulla valutazionesperimentale da un punto di vista energetico di Case 2. Leproblematiche legate alla sicurezza legate all’utilizzo di refrigeranti infiammabili,quale è il propano, sono solo citate; d’altra parte non sonoconsiderate strettamente facenti parte del lavoro di tesi in quando altrefasi del progetto NxtHPG sono incentrate su questo argomento.Misure sperimentali per Case 1 non sono state condotte durante illavoro di tesi a causa di ritardi nella consegna dei prototipi da parte dell’aziendaproduttrice. Ad ogni modo sono stati individuate problematichelegate ai circuiti idraulici dell’installazione sperimentale di entrambele pompe di calore e successivamente risolte con l’implementazione diuna nuova proposta di circuito idraulico.Durante la campagna sperimentale di Case 2, sono stati svolti undiscreto numero di misurazioni secondo una ben specifica test matrixderivata dalla normativa europea EN 14285. Un semplice modello dipompa di calore è stato utilizzato per la valutazione delle prestazionigenerali della macchina a partire dalle misurazioni dirette. I componenti della pompa di calore, quali compressore, condensatore, evaporatore,valvola di espansione, sono state analizzati separatamente definendouno specifico modello per ognuno di essi e comparato con i risultatiattesi dai produttori.Il prototipo di Case 2 dimostra avere ottime potenzialità come prestazioni,in quanto, durante il primo set di test, il comportamento dellamacchina era in linea con le previsioni del software IMST-ART. D’altraparte, durante la campagna sperimentale, si è evidenziato un fortecalo delle prestazioni nonostante le condizioni di funzionamento fosseropressoché simili. Per spiegare questa anomalia, due differenti ipotesisono state formulate. La prima assume la presenza di di deterioramentiminori nel compressore, come perdite nella valvola di non ritorno (checkvalve), conseguente ad l’utilizzo in configurazione tandem. Si genererebbeun flusso riverso di refrigerante nel compressore non funzionante.La seconda ipotesi riguarda infiltrazione di gas inerte all’interno dellamacchina. D’altra parte tali ipotesi non sono in grado di spiegareinteramente le problematicità nel sistema e hanno necessità di essereconfermate dall’analisi a compressore aperto da parte della aziendaproduttrice.Successivi perfezionamento dei prototipi sono stati proposti e discussicon le aziende produttrici coinvolte, e questo permetterebbe dirispondere ai punti di domanda riguardo lo strano comportamento delsistema. La prossima campagna sperimentale per Case 2 inizierà adAprile 2015. Il software IMST-ART, usato per predire le performancedella pompa di calore, ha dimostrato essere uno strumento veloce e utile.Il modello implementato nel software per il propano e per gli scambiatoridi calore a piatti predice adeguatamente le misure sperimentali.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Keyword [en]
Heat pumps, propane, tandem compressor, IMSTART model, hydraulic system design
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-165769OAI: oai:DiVA.org:kth-165769DiVA: diva2:808785
Subject / course
Energy Technology
Educational program
Master of Science - Vehicle Engineering
Presentation
2015-02-19, Stockholm, 14:32 (English)
Supervisors
Examiners
Projects
Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids (NxtHPG)
Available from: 2015-05-25 Created: 2015-04-29 Last updated: 2015-05-25Bibliographically approved

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By organisation
Applied Thermodynamics and Refrigeration
Energy Engineering

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