CFD simulation and exergy flow analysis inside devices for expansion of supercritical CO2 streams to improve the energy performance of a heat pump system

Abstract

Abstract : The heat pumps cycles have been used in residential and commercial application throughout the world due to the attractive advantages of high energy efficiency, reliability, and environmental impacts. The concern on energy-saving continues to rise due to the cost of energy and reducing the sources of fossil fuel. Besides, the heat pump systems are capable of working under various heat sources. The great potential of energy saving of the heat pump system has attracted much attention and many researchers have been attempting to improve its overall efficiency. Despite the high energy efficiency, there is an issue regarding the enormous exergy losses or irreversibility during the isenthalpic process in the expansion valve. There are several pieces of equipment intended to reduce these exergy losses, such as: ejectors, vortex tubes, etc.; however, the problem lies in the optimal integration and sizing of this equipment inside the heat pumps. The main objective of this project is to introduce a new configuration of supercritical CO2 heat pump system in order to maximize the thermal efficiency of the cycle due to the reduction of irreversibilities inside the expansion device. Energy is a conserved quantity, which means that it cannot be destroyed or created, but exergy is the characteristic of the quality of energy that is not consumed. The present research proposes to investigate the use, in the heat pump system, of two different expansion devices namely, the vortex tube and the Tesla turbine The main components of these CO2 heat pumps are: the compressor, gas cooler, evaporator, vortex tube, or Tesla turbine. The first step is the simulation of computational fluid dynamic (CFD) of the vortex tube and Tesla turbine based on different inlet and outlet boundary conditions which are the outlet conditions of the gas cooler and the entry conditions of the evaporator, respectively. The next step is to extract the CFD results and import them as the initial data for modeling the heat pump cycle. The results of the CFD modeling of the second step will be imported into the heat pump system as inputs. The third step is applying the first and second laws of thermodynamics and analyzing the coefficient of performance (COP), exergy efficiency, and irreversibilities. Applying the numercial analysis for the proposed expansion device was, first, applied to the low-pressure CO2 vortex tube in which the inlet pressure was chosen 1.3 MPa. The results indicates that the CO2 vortex splits the inlet stream into two main streams. One stream is discharged at the center of the vortex tube has a temperature lower than the inlet temperature and second flow that moves peripherally and extracts far from the inlet has the higher temperature. It was depicted that higher inlet pressure produces a higher temperature difference. Afterward, the approach was employing the high-pressure CO2 vortex tube in which the inlet pressure was higher than the critical pressure of CO2 (7.37 MPa). The results showed that due to low inlet velocity in the vortex tube, the vortex tube doesn’t work in an ideal situation and due to the presence of the liquid phase in the vortex tube. Therefore, the energy separation diminishes rapidly as the quality of the vapor decreases. The third approach was integrating the Tesla turbine in the heat pump system as an expansion device. The numerical analysis of the Tesla turbine at different inlet and outlet pressures is investigated on the transiting exergy efficiency and exergy loss of the Tesla turbine and overall efficiency of the heat pump cycle. The results showed that the Tesla turbine can improve the COP of the heat pump system by up to 16.3%.

Les cycles de pompes à chaleur sont largement utilisés dans des applications résidentielles et commerciales dans le monde entier grâce à ses avantages attrayants d'une efficacité énergétique élevée, de sa fiabilité et ses impacts environnementaux. Le souci d'économie d'énergie continue d'augmenter en raison du coût de l'énergie et de la réduction des sources de combustibles fossiles. En outre, les pompes à chaleur sont capables de fonctionner une multitude des sources de chaleur. Le grand potentiel d'économie d'énergie d’une pompe à chaleur a attiré beaucoup d'attention et de nombreux chercheurs ont tenté d'améliorer son efficacité globale. Malgré le rendement énergétique élevé de pompe à chaleur, il y a un problème concernant les énormes pertes d'exergie ou l'irréversibilité lors du processus isenthalpique d’expansion dans la vanne de détente. Il y a plusieurs équipements destinés à la diminution de ces pertes d'exergie, tels que : des éjecteurs, des tubes vortex, etc.; Cependant, le problème réside dans l’intégration et le dimensionnement optimals de ces équipements à l’intérieur des pompes à chaleur. L'objectif principal du présent projet est d'introduire une nouvelle configuration de pompe à chaleur au CO2 supercritique afin de maximiser l'efficacité thermique du cycle due à la réduction des irréversibilités à l’intérieur du dispositif de détente. L'énergie est une quantité conservée, ce qui signifie qu'elle ne peut pas être détruite ou créée, mais l'exergie est la caractéristique de la qualité d'énergie qui n’est pas conservée. La présente recherche propose deux dispositifs d'expansion différents à savoir, le Tube à vortex et la turbine Tesla qui sont employés sur le système de pompe à chaleur qui permettent de réduire les pertes d'exergie comparées au processus de détente isenthalpique. Les principaux composants de ces pompes à chaleur au CO2 sont: le compresseur, le refroidisseur de gaz, l'évaporateur, le tube vortex ou la turbine Tesla. La première étape de travail est la simulation de la dynamique des fluides par calcul (CFD) du tube vortex et de la turbine Tesla en basant sur des différentes conditions aux limites d'entrée et de sortie qui sont les conditions de sortie du refroidisseur de gaz et les conditions d'entrée de l'évaporateur respectivement. L'étape suivante consiste à extraire les résultats CFD et à les importer comme les données initiales à la modélisation du cycle de la pompe à chaleur. La troisième étape consiste à appliquer la première et la deuxième loi de thermodynamique et maximiser le coefficient de performance (COP) et l'efficacité exergétique du cycle via la réduction des irréversibilités de détente. L'approche a été tout d'abord appliquée au tube vortex CO2 basse pression dans lequel la pression d'entrée a été choisie de 1,3 MPa. Les résultats ont démontré que le tube vortex à CO2 est capable de produire deux flux dans lesquels un flux qui est évacué au centre du tube vortex à une température inférieure à la température d'entrée et un second flux qui se déplace en périphérie et extrait loin de l'entrée à une température plus élevée. Il a été démontré qu'une pression d'entrée plus élevée produit une différence de température plus élevée. Ensuite, l'approche utilisait le tube vortex de CO2 haute pression dans lequel la pression d'entrée était supérieure à la pression critique de CO2 (7,37 MPa). Les résultats ont montré qu'en raison de la faible vitesse d'entrée dans le tube vortex, il ne fonctionne pas dans une situation idéale et en raison de la présence de la phase liquide dans le tube vortex. En conséquence, la séparation d'énergie diminue rapidement à mesure que la qualité de la vapeur diminue. La troisième approche consistait à intégrer la turbine Tesla dans la pompe à chaleur en tant que dispositif d'expansion. L'analyse numérique de la turbine Tesla aux différentes pressions d'entrée et de sortie a été conduite pour évaluer l’impact sur l'efficacité exergétique transitoire et la perte exergétique de la turbine Tesla et sur l'efficacité globale du cycle de la pompe à chaleur. Les résultats ont montré que la turbine Tesla peut améliorer le COP du système de pompe à chaleur jusqu'à 16,3%.