Design of centrifugal compressors for large scale transcritical CO2 heat pumps

Abstract

This master’s thesis focuses on the potential and limitations of the application of centrifugal compressors in large-scale transcritical high-temperature carbon dioxide (CO2) heat pump systems. High-temperature heat pumps (HTHP) have a crucial role to play in mitigating carbon emissions from heating systems. More than 60% of heating and 90% of district heating is still produced from fossil fuels globally. Tightening regulations on refrigerants makes carbon dioxide one of the most potential refrigerants in high-temperature heat pumps.

The thesis begins with a literature review on transcritical heat pump technology, carbon dioxide refrigerant, and centrifugal compressor technology. The mathematical model is developed using MATLAB which is used to calculate the operating conditions of the transcritical heat pump and estimate the dimensions and performance of the centrifugal compressor in the heat pump system for varying capacities, supply temperatures, source conditions, and thermodynamic cycle modifications.

The MATLAB calculations revealed that centrifugal compressors demonstrate stable performance across varying conditions, provided that the heat pump capacity exceeds 3000 kW. However, below this capacity, the required rotational speed becomes excessively large, and the impeller diameter becomes unfeasibly small.

This research contributes to the understanding of centrifugal performance in transcritical CO2 heat pump systems and provides a preliminary estimation of the centrifugal compressor performance and size in large-scale heat pump systems utilizing carbon dioxide as a refrigerant.

Tämä diplomityö keskittyy keskipakokompressorin käytön mahdollisuuksiin ja rajoituksiin suurissa transkriittisissä korkean lämpötilan hiilidioksidi (CO2) lämpöpumppujärjestelmissä. Korkean lämpötilan lämpöpumpuilla on tärkeä rooli lämmityksen hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä. Yli 60 % lämmöstä ja 90 % kaukolämmöstä tuotetaan edelleen fossiilisilla polttoaineilla maailmanlaajuisesti. Kylmäaineita koskevat tiukentuneet määräykset tekevät hiilidioksidista yhden potentiaalisimmista kylmäaineista korkean lämpötilan lämpöpumpuissa.

Opinnäytetyö alkaa kirjallisuuskatsauksella transkriittisestä lämpöpumpputeknologiasta, hiilidioksidikylmäaine- ja keskipakokompressoriteknologiasta. Matemaattinen malli on kehitetty käyttämällä MATLAB:ia, jolla lasketaan transkriittisen-lämpöpumpun toimintaolosuhteet ja arvioidaan lämpöpumppujärjestelmän keskipakokompressorin mitat ja suorituskyky vaihtelevilla tehoilla, menolämpötiloilla, lämmönlähteen arvoilla ja prosessimuutoksilla.

MATLAB-laskelmat osoittivat, että keskipakokompressorit toimivat vakaasti vaihtelevissa olosuhteissa edellyttäen, että lämpöpumpun teho ylittää 3000 kW. Kuitenkin tämän kapasiteetin alapuolella vaadittava pyörimisnopeus tulee liian suureksi ja juoksupyörän halkaisija tulee epäkäytännöllisen pieneksi.

Tämä diplomityö auttaa ymmärtämään keskipakokompressorin toimintaa ja soveltuvuutta transkriittisissä CO2-lämpöpumppujärjestelmissä ja antaa alustavan arvion keskipakokompressorin suorituskyvystä ja koosta suurissa lämpöpumppujärjestelmissä, joissa käytetään hiilidioksidia kylmäaineena.