Energy and Exergy Analyses of Different Transcritical $CO2$ Refrigeration Cycles

Abstract

Carbon dioxide has received increasing attention owing to its zero ODP and negligible GWP.Furthermore, carbon dioxide also has desirable thermodynamic properties, such as large specific heat, lowviscosity, and large heat conductivity. Carbon dioxide $CO2$ has low critical pressure and temperature which are7.36 MPa and 31.1°C, respectively. The low critical temperature causes the heat rejection process to occurabove the critical point and heat absorption process to happen below the critical point. However, due to thehigh throttling loss, the energy efficiency of the basic transcritical $CO2$ cycle is lower than that of theconventional low pressure refrigeration cycle. In the present study three different kinds of transcritical carbondioxide cycles that are the transcritical cycle with expansion valve (called also the conventional transcriticalcycle), the transcritical cycle with expander and the transcritical cycle with ejector are analyzed. The effect ofoperating parameters on the maximum performance and exergy efficiency of the three cycles is investigated.Results reveal that replacing the expansion valve by an expander or an ejector does not only improve themaximum COP and the exergy efficiency but also reduces the optimal heat rejection pressure.

Özet

Karbon dioksit sıfır ODP ve ihmal edilebilir GWP'ye bağlı olarak artan ilgiye sahip olmuştur. Ayrıca, karbon dioksit ayrıca büyük özgül ısı, düşük viskozite ve büyük ısı iletkenliği gibi arzu edilen termodinamik özelliklere sahiptir. Karbondioksit $CO2$, sırasıyla 7.36 MPa ve 31.1 °C olan düşük kritik basınç ve sıcaklığa sahiptir. Düşük kritik sıcaklık, kritik noktanın üzerinde gerçekleşmesi için kritik reddetme işleminin ve ısı emme işleminin gerçekleşmesine neden olur. Bununla birlikte, yüksek bastırma kaybına bağlı olarak, temel transkritik $CO2$ döngüsünün enerji verimliliği, geleneksel düşük basınçlı soğutma döngüsünden daha düşüktür. Bu çalışmada, genleşme valfı (geleneksel transkritik çevrim olarak da adlandırılır) ile transkritik döngü olan üç farklı transkritik karbon dioksit döngüsü, genleştirici ile transkritik döngü ve ejektör ile transkritik döngü analiz edilmiştir. Çalışma parametrelerinin üç çevrimin maksimum performansı ve ekserji verimliliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar, genleşme vanasının bir genişletici veya bir ejektör ile değiştirilmesinin sadece maksimum COP'yi ve eksi verimi arttırmayı değil, aynı zamanda optimal ısı reddetme basıncını da düşürdüğünü ortaya koymaktadır.