Efficiencies of transcritical CO2 cycles with and without an expansion turbine

With the discovery that fluorocarbons may have a profoundly detrimental effect on the earth's atmosphere, it has become necessary to find a suitable replacement for a fluorocarbon-based refrigeration cycle. Such a replacement must perform comparably to current refrigerants, be economically feasible, and significantly reduce the possibility of a negative environmental impact compared with current refrigerants. A review of the literature on the first vapor compression refrigeration cycles indicate that carbon dioxide was used as the working fluid prior to and after the turn of the century. Moreover, recent literature has suggested that carbon dioxide will work for certain air conditioning applications. Initial investigation of the heat transfer properties of carbon dioxide and subsequent modeling of a transcritical carbon dioxide vapor compression cycle suggest potential performance comparable to that of existing refrigeration systems. This paper will present a detailed literature review of carbon dioxide's role in refrigeration cycles and what has been investigated so far to find a suitable application for carbon dioxide as a refrigerant. In addition, two thermodynamic models for transcritical carbon dioxide cycles with and without an expansion turbine have been developed. Both models contain an internal suction-to-supercritical line heat exchange. The efficiencies of the transcritical carbon dioxide cycles will be compared with the ones of conventional HCFC-22 cycles. A second law analysis on both carbon dioxide and HCFC-22 cycles will be included. La découverte de l'effet nocif que peuvent avoir les fluorocarbons sur l'atmosphère terrestre a exigé de trouver des remplaçements aux cycles frigorifiques fondés sur eux. De tels remplaçants doivent avoir un rendement comparable, être économique acceptables et réduire nettement le risque d'impact négatif sur l'environnement. La littérature relative aux premiers cycles à compression de vapeur montre que le dioxyde de carbone fur utilisé à cette fin à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. En outre des publications récentes suggèrent que le dioxyde de carbone à certaines applications en conditionnemnt d'air. Un examen préalable des propriétés de transfert de chaleur du dioxyde de carbone puis la modélisation d'un cycle transcritique avec ce fluide suggèrent que l'on peut obtenir ainsi des performances comparables à celles des systèmes frigorifiques actuels. Cet article présente une revue bibliographique détaillée sur le dioxyde de carbone dans les cycles frigorifiques et l'état des recherches effectuées pour trouver une utilisation possible de dioxyde de carbone comme frigorigène. Deux modèles thermodynamiques pour des cycles transcritiques au dioxyde de carbone avec et sans turbine d'expansion ont été réalisés. Ces deux modèles comprennent un échange de chaleur interne entre admission et ligne supercritique. Leurs rendements sone comparés avec ceux de cycles conventionnels, au R22. Une analyse comparée selon la 2e loi y est jointe.