Ice rinks are energy intense industrial applications. A typical single sheet ice rink in Sweden uses about 1000 MWh/season. A state-of-the art ice rink systems can use less than 500 MWh/season, indicating the potential for improvements. According to several investigations CO2 refrigeration system with heat recovery has proven to be energy-efficient and cost-effective solution in ice rinks.To further improve the efficiency, geothermal function may be added feature. The objective of this study is to evaluate the geothermal function from techno-economic perspective for a typical ice rink in Sweden. Modelling of several scenarios has been performed. Obtained results suggest that CO2 refrigeration system with 2-stage heat recovery, if upgraded with geothermal function, can save between 1.7 to 6.8% of energy annually. In the best case, this study suggests the geothermal function would pay back in 16.4 years. / Ishallar är energikrävande industriella applikationer. En typisk ishall i Sverige använder cirka 1000 MWh / säsong. Ett toppmodernt ishallsystem kan använda mindre än 500 MWh / säsong, vilket indikerar stora förbättringsmöjligheter. Enligt flera undersökningar har CO2-kylsystem med värmeåtervinning visat sig vara energieffektivt och kostnadseffektivt i ishallar.För att ytterligare förbättra effektiviteten kan geotermisk funktion läggas till. Syftet med denna studie är att utvärdera den geotermiska funktionen ur ett tekno-ekonomiskt perspektiv för en typisk ishall i Sverige. En modellering av flera scenarier har utförts. Resultaten antyder att CO2-kylsystem med 2-steg värmeåtervinning, om det uppgraderas med geotermisk funktion, kan spara mellan 1,7 och 6,8% energi årligen. I bästa fall antyder denna studie att den geotermiska funktionen skulle betala tillbaka om 16,4 år.

This thesis theoretically and experimentally investigates different aspects of the application of CO2 in supermarket refrigeration. Theoretical analysis has been performed using computer simulation models developed to simulate CO2 indirect, NH3/CO2 cascade, CO2 trans-critical and direct expansion (DX) R404A systems. The models supported the selection of the CO2 system solutions to be tested experimentally and facilitated the design of NH3/CO2 cascade and trans-critical systems test rigs. Performance evaluation and systems’ optimizations have also been carried out. In order to verify the findings of the theoretical analysis an experimental evaluation has been performed whereby a scaled-down medium size supermarket has been built in a laboratory environment. NH3/CO2 cascade and trans-critical systems have been tested and compared to a conventional R404A system installed in the same laboratory environment. Experimental findings have been compared to the computer simulation models. In supermarket refrigeration applications, safety is a major concern because of the large number of people that might be affected in the event of leakage. Therefore, a computer simulation model has been developed to perform calculations of the resulting concentration levels arising from different scenarios for leakage accidents in the supermarket. The model has been used to validate some of the risks associated with using CO2 in the application of supermarket refrigeration. Results of the experiments and the computer simulation models showed good agreement and suggest that the NH3/CO2 cascade system is a more efficient solution than the analyzed conventional ones for supermarket refrigeration. On the other hand, CO2 trans-critical solutions have efficiencies comparable to the conventional systems analyzed, with potential for improvements in the trans-critical systems. From a safety point of view, the analysis of the calculations’ results clearly shows that using CO2 in supermarket refrigeration does not create exceptional health risks for customers and workers in the shopping area. Studies conducted in this thesis prove that the CO2 systems investigated are efficient solutions for supermarket refrigeration. / QC 20100909

Submitted by Luciano Guimarães Alves (luciano_kouros@hotmail.com) on 2018-10-05T00:31:18Z No. of bitstreams: 1 Tese - Luciano Guimarães Alves - 02-10-18_Versão Final.pdf: 3679805 bytes, checksum: a7d506e1df21202b74acc947a1ce92bb (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-10-05T18:42:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_lg_dr_guara.pdf: 3679805 bytes, checksum: a7d506e1df21202b74acc947a1ce92bb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-05T18:42:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_lg_dr_guara.pdf: 3679805 bytes, checksum: a7d506e1df21202b74acc947a1ce92bb (MD5) Previous issue date: 2018-08-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / As indústrias queimam combustíveis para produzir energia térmica para um processo. Em alguns casos, uma fração dessa energia não é completamente utilizada. Com o intuito melhorar a eficiência do sistema, essa fração de energia térmica não utilizada pode ser usada para acionar um Sistema de Refrigeração por Absorção (SRA). Nas últimas décadas, o interesse em usar SRA aumentou consideravelmente por conta da possibilidade de se utilizar vapor, água quente e gases de exaustão de sistemas de potência. Além disso, melhorias tecnológicas permitiram uma melhor eficiência do SRA. Uma modelagem termodinâmica do SRA foi realizada para analisar o desempenho de uma máquina em termos energéticos e exergéticos para obter água gelada a 5, 7, 9, 11 e 15 oC com uma fonte de água quente a 80, 90, 100, 110, 120 e 130 oC . A primeira e segunda lei da termodinâmica, tabelas e equações das propriedades da solução aquosa de brometo de lítio e água foram utilizadas para modelar o ciclo e efetuar os cálculos. As hipóteses básicas consideradas foram regime permanente, água pura, bomba isentrópica e processos adiabáticos. Através da análise dos resultados, que essa metodologia pode ser aplicada para determinar o comportamento da variação do COP e eficiência exergética em função da temperatura da água quente que alimenta o gerador e da água gelada obtida no evaporador. Realizou-se análise energética e exergética em cada componente do sistema. Com base nesses dados, pode-se verificar que a faixa de temperatura de água quente que o SRA deve ser alimentado de modo a operar na maior eficiência energética e exergética é de 90 a 100 oC. Ao analisar a distribuição exergética nos componentes, nota-se que as maiores perdas de exergia estão no gerador e absorvedor. / Industries burn fuels to produce thermal energy for a process. In some cases, a fraction of this energy is not fully utilized. In order to improve the efficiency of the system, this waste of energy can be used to drive an Absorption Refrigeration System (ARS). On the last decades, the interest in using ARS increased considerably because of the possibility of using steam, hot water or exhaust gases from thermal engines. Furthermore, technological improvements increased efficiency of this cycle. A thermodynamic model of an ARS was developed to calculate the required energy to generate cold water at 5, 7, 9, 11 e 15 oC from a heat source at 80, 90, 100, 110, 120, 130 oC. First law of thermodynamic, tables and equations of property of aqueous solution of lithium bromide and water were used to model the cycle. The basic hypothesis considered was steady state, pure water, isentropic pump and adiabatic processes. Analysis of the results revealed that this methodology can be applied to study the relationship between COP and exergetic efficiency as a function of the inlet hot water temperature and outlet cold water . Energetic and exergetic analysis were performed for each component. The results show that the highest COP and exergetic efficiency were obtained for hotwater temperature range between 90 to 100 oC. The distribution in terms of exergy in main components were studied and revealed that the high losses of exergy occurred in evaporator and absorber / 1586376

With more restrictions regarding the use of refrigerants with high GWP-values, refrigeration systems that uses R744 (Carbon dioxide) as a refrigerant increases. Supermarkets are energy intense facilities where the refrigeration system utilize a significant part of the total utilized energy. Heat recovery have been proven beneficial and reduces the total energy utilization for the building.  This master thesis evaluates an existing R744 refrigeration system with heat recovery, for the purpose to find an optimal system configuration and control strategy that minimizes the operational costs. Today the refrigeration system uses a water-cooled condenser/gas cooler that during the period from February to November 2021 consumed 8 194 m3 of cooling water, that resulted in high water costs for the supermarket. With the development of a model that takes historical data as input can different system configurations and control strategies be tested and compered to the historical analysis of the existing refrigeration system. Four system configurations with different heat recovery solutions were evaluated.  The result of this study shows that the operational cost can be reduced by 31% (55 400 SEK) with a control strategy that adapts the discharge pressure to the facility’s heating demand. With maximized heat recovery the condenser/gas cooler load decreases and therefore the cooling water flow decreases too. With an additional heat exchanger in the supermarkets ventilation exhaust duct can the water consumption further be reduced, compared with similar system without an additional heat exchanger. The additional heat exchanger reduced the cooling water consumption by 1 400 m3 for the investigated period and reduced the total operational cost by 9 800 SEK. However, it is recommended to first apply the control strategy that adapts the discharge pressure to the heating demand, and from there evaluate the benefits of a heat exchanger in the exhaust duct. / Med ett allt strängare regelverk angående användandet av köldmedier med höga GWP-värden, ökar antalet kylanläggningar som använder R744 (Koldioxid) som köldmedium. Livsmedelsbutiker är energikrävande där kylsystemen är en stor del av den totala energimängd som nyttjas. Studier visar att värmeåtervinning för dessa system kan med fördel användas för att minska energianvändningen i fastigheten.  Detta masterexamensarbete utvärderar en befintlig R744-kylanläggning med värmeåtervinning, i syfte att finna en optimal systemkonfiguration och styr-strategi som minimerar driftkostnaderna. Idag används en vattenkyld kondensor/gaskylare som under perioden februari till november 2021 förbrukade 8 194 m3 kylvatten, vilket resulterade i höga vattenkostnader för butiken. Genom att utveckla en modell som använder historisk mätdata som indata kan olika systemlösningar och styr-strategier testas och jämföras med analysen av det befintliga kylsystemet. Fyra systemkonfigurationer med olika grad av värmeåtervinning utvärderades. Studiens resultat visar att driftkostnaderna kan reduceras genom att anpassa kylsystemens högtryck till fastighetens värmebehov. Genom att maximera värmeåtervinningen minskar nyttjandet av kondensorn/gaskylaren och därmed flödet av kylvatten. Med en extra värmeväxlare i butikens frånluftskanal kan vattenförbrukningen reduceras ytterligare jämfört med liknande system utan denna värmeväxlare. Dock rekommenderas att initialt nyttja en styrstrategi som anpassar högtrycket efter värmebehov, för att sedan utvärdera fördelarna med en värmeväxlare i ventilationens frånluftskanal.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-09-25Bitstream added on 2014-06-13T19:26:47Z : No. of bitstreams: 1 leandro_e_me_ilha.pdf: 1745578 bytes, checksum: 2db70f1465f9f7258fdbcda3cdebf72c (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma nova proposta para sistema de refrigeração com controle dinâmico de temperatura, operando com estrutura de compressor aberto, acionado por motor de indução trifásico com velocidade variável, e estágio de entrada retificador com correção ativa do fator de potência. O estágio de entrada é composto por um retificador Boost monofásico com elevado fator de potência, com duas células entrelaçadas, operando no modo de condução crítica, empregando técnica de comutação não dissipativa e controlado por dispositivo FPGA, associado a um estágio de saída inversor de dois níveis convencional trifásico à IGBT, o qual é controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP - Digital Signal Processor). A técnica de comutação não dissipativa para o estágio de entrada é baseada em células ZCS (Zero-current-switching). As principais características do retificador incluem a redução da ondulação da corrente de entrada, redução da ondulação da tensão de saída retificada, utilização de componentes com reduzidos esforços, reduzido volume do filtro de entrada para Interferências Eletromagnéticas (EMI - Electromagnetic Interference), elevado Fator de Potência (FP) e reduzida Distorção Harmônica Total (DHT) da corrente de entrada, atendendo os limites da norma IEC61000-3-2. O controle digital para o estágio de saída inversor foi desenvolvido usando duas diferentes técnicas, incluindo a técnica convencional controle escalar Volts/Hertz (V/Hz) e o controle Vetorial com Orientação pelo Fluxo do estator, com o propósito de verificar a aplicabilidade e a performance dos controles digitais propostos, para o controle contínuo da temperatura, aplicados a um protótipo de sistema de refrigeração. / This work presents a new proposal for refrigeration systems with dynamic control of temperature, working with structure of open compressor, driving a three-phase induction motor with variable speed, and input rectifier with active power factor correction. The proposed system is composed of a single-phase high-power-factor boost rectifier, with two cells in interleaved connection, operating in critical conduction mode, and employing a softswitching technique, controlled by a Field Programmable Gate Array (FPGA), associated with a conventional three-phase IGBT bridge inverter (VSI - Voltage Source Inverter), controlled by a Digital Signal Processor (DSP). The soft-switching technique for the input stage is based on zero-current-switching (ZCS) cells. The rectifier s features include reduction in input current ripple, reduction in output voltage ripple, use of low stress devices, low volume for the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for the output stage inverter has been developed using two different techniques, the conventional Voltage-Frequency control (scalar V/Hz control), and a simplified stator oriented vector control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls, for continuous temperature control, applied at a refrigerator prototype.

Resumo: Este trabalho apresenta uma nova proposta para sistema de refrigeração com controle dinâmico de temperatura, operando com estrutura de compressor aberto, acionado por motor de indução trifásico com velocidade variável, e estágio de entrada retificador com correção ativa do fator de potência. O estágio de entrada é composto por um retificador Boost monofásico com elevado fator de potência, com duas células entrelaçadas, operando no modo de condução crítica, empregando técnica de comutação não dissipativa e controlado por dispositivo FPGA, associado a um estágio de saída inversor de dois níveis convencional trifásico à IGBT, o qual é controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP - Digital Signal Processor). A técnica de comutação não dissipativa para o estágio de entrada é baseada em células ZCS (Zero-current-switching). As principais características do retificador incluem a redução da ondulação da corrente de entrada, redução da ondulação da tensão de saída retificada, utilização de componentes com reduzidos esforços, reduzido volume do filtro de entrada para Interferências Eletromagnéticas (EMI - Electromagnetic Interference), elevado Fator de Potência (FP) e reduzida Distorção Harmônica Total (DHT) da corrente de entrada, atendendo os limites da norma IEC61000-3-2. O controle digital para o estágio de saída inversor foi desenvolvido usando duas diferentes técnicas, incluindo a técnica convencional controle escalar Volts/Hertz (V/Hz) e o controle Vetorial com Orientação pelo Fluxo do estator, com o propósito de verificar a aplicabilidade e a performance dos controles digitais propostos, para o controle contínuo da temperatura, aplicados a um protótipo de sistema de refrigeração. / Abstract: This work presents a new proposal for refrigeration systems with dynamic control of temperature, working with structure of open compressor, driving a three-phase induction motor with variable speed, and input rectifier with active power factor correction. The proposed system is composed of a single-phase high-power-factor boost rectifier, with two cells in interleaved connection, operating in critical conduction mode, and employing a softswitching technique, controlled by a Field Programmable Gate Array (FPGA), associated with a conventional three-phase IGBT bridge inverter (VSI - Voltage Source Inverter), controlled by a Digital Signal Processor (DSP). The soft-switching technique for the input stage is based on zero-current-switching (ZCS) cells. The rectifier’s features include reduction in input current ripple, reduction in output voltage ripple, use of low stress devices, low volume for the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for the output stage inverter has been developed using two different techniques, the conventional Voltage-Frequency control (scalar V/Hz control), and a simplified stator oriented vector control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls, for continuous temperature control, applied at a refrigerator prototype. / Orientador: Carlos Alberto Canesin / Coorientador: Flávio Alessandro Serrão Gonçalves / Banca: Fabio Toshiaki Wakabayashi / Banca: João Onofre Pereira Pinto / Mestre

[pt] Em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, o projeto adequado dos circuitos para o refrigerante nos trocadores de calor pode ter um impacto significativo no seu coeficiente de performance (COP). O projeto otimizado dos circuitos de refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor do tipo tubo-aletado não é trivial, devido à complexidade de sua representação assim como o elevado número de possíveis combinações, mesmo quando metodologias inteligentes de otimização são empregadas. No presente trabalho propõe-se uma nova metodologia para a otimização simultânea (condensador e evaporador) dos circuitos do refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor de tipo tubo-aletado. Esta metodologia, aqui denominada como GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), mostra-se mais eficiente que as metodologias até então descritas na literatura. Foi aplicado o método GAFIS, em conjunto com um simulador completo para o sistema de refrigeração, Genesym, na otimização de unidades comerciais de condicionamento de ar de alto desempenho. Estudaram-se casos onde o sistema atingiu aumentos de até 15,3 por cento no coeficiente de performance. Em outros estudos, obtiveram-se casos onde o custo de produção foi reduzido em 3,85 por cento (do custo total da unidade), mantendo-se um similar desempenho (capacidade e COP). Testes de otimização, considerando-se diferentes diâmetros dos tubos, na construção dos trocadores de calor, e sistemas com distribuição não uniforme de velocidade de ar, também foram realizados com o GAFIS. Igualmente foram estudados condensadores de microcanais, devido ao interesse atual da indústria com estes trocadores de calor. A otimização do circuito para o refrigerante, neste caso, é relativamente simples, devido ao baixo custo computacional das simulações. Entretanto, modelos de simulação adequados para estes tipos de trocadores de calor só recentemente começaram a surgir, e não têm sido explorados de maneira adequada até a presente data. Explorou-se no presente trabalho, a influência, no desempenho térmico do condensador, dos parâmetros que definem o circuito do refrigerante. Para tal efeito, desenvolveu-se um modelo de simulação baseado em análise local, validado com dados experimentais disponíveis, de condensadores de microcanais de uso automotivo com diâmetro hidráulico (lado do refrigerante) de 0,9 e 1,0mm, para refrigerantes R-134a, Fluid-H e R-1234yf. Foram encontradas relações diretas entre os parâmetros geométricos que definem os circuitos de refrigerante no condensador e seu desempenho térmico. Tal fato pode ser utilizado como orientação expedita para o projeto do circuito ótimo do condensador. / [en] Refrigerant circuiting in condensers and evaporators has a significant effect in the performance of refrigeration systems. The optimized project of the refrigerant circuits in refrigeration systems with plate-fin heat exchangers is not trivial, due to the complexity of their representation as well as the high number of possible combinations, even when methodologies of intelligent optimization are used. The present work proposes a new methodology for the simultaneous optimization of refrigerant circuiting in air-air refrigeration systems with plate-fin heat exchangers. This new methodology, here defined as GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), has proven to be more efficient than traditional methods. The GAFIS method was applied, in conjunction with a full refrigeration system simulator, Genesym, for the optimization of high performance commercial air-conditioning units. Typical cases were studied and a coefficient of performance improvement of up to 15.3 percent has been observed. In other studies, there were cases where the manufacturer s predicted cost was reduced in 3,85 percent (of total cost of the unit), while a similar thermal performance (capacity and COP) was maintained. Optimization tests, considering different diameters of tube, for the construction of heat exchangers, as well as systems with non-uniform air velocity distribution, were also performed with the GAFIS method. Microchannel condensers were also studied, given the current interest of industry on this kind of heat exchanger. The optimization of the refrigerant circuiting, in this case, would not be a major problem, due to the low computational cost of its simulation. However, simulation models appropriate for these types of heat exchangers have only been recently in use, and, to date, have not been adequately explored. In the present work, the influence on condenser performance of parameters that define the refrigerant circuiting has been investigated. For this purpose, a simulation model, based on local analysis, was developed. It was validated against experimental data, available from automotive microchannel condenser tests, with hydraulic diameters (refrigerantside) of 0.9 and 1.0mm for refrigerants R-134a, Fluid-H and R-1234yf. A direct relation was found between the geometric parameters that define the condenser refrigerant circuiting and its thermal performance. This fact can be appropriately used as guidance for expeditious design practices of the optimal refrigerant circuit of the condenser.

Systematické řízení tepelných a elektrických toků v plně elektrických automobilech se stává velmi důležitým, protože v těchto typech automobilů není k dispozici dostatek odpadního tepla pro vytápění kabiny. Aby v zimním období nedocházelo ke snížení dojezdu, je nutné použití technologií, které umožní snížení spotřeby energie nutné k vytápění kabiny (např. tepelné čerpadlo, zásobník tepla). Je také zapotřebí vytvořit řídicí algoritmy pro tato zařízení, aby byl zajištěn jejich optimální provoz. V letním období je nezbytné řídit tepelné toky v rámci elektromobilu tak, aby nedocházelo k nadměrnému vybíjení baterie kvůli chlazení kabiny a dalších částí. Tato práce řeší jak návrh řídicích algoritmů, tak i vývoj rozhodovacího algoritmu, který zajistí směřování tepelných toků.