Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    1/17

    1

    Hydrocarbon Refrigeration –

    Status, Challenges & Opportunities

    Tuesday, September 10, 2013

    TieJun (TJ) Zhang

    [email protected]

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    2/17

    2

      A research‐driven graduate university in science and technologies

      Focused on advanced energy, water and sustainability research

      Over 80

     professors

     and

     400

     PhD/MSc

     students

     from

     50

     countries

     

      1 PhD and 9 MSc programs covering various engineering fields

      In collaboration with Massachusetts Institute of  Technology (MIT)

      Located in carbon‐neutral “Masdar City” in Abu Dhabi, UAE

    MASDAR INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

    PV Plant

    Masdar

    Institute

    AD Airport

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    3/17

    3

    Research Experience: 

    •   2011‐2012, Visiting Faculty at DRL, Massachusetts Institute of  Technology (MIT), USA 

    •   2008‐2011, Postdoctoral Research Associate, Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), USA 

    Honors and Awards 

    •   Principal Investigator,

     Masdar

     Institute

      – MIT

     Flagship

     Solar

     Research

     Project,

     2013

    •   Alien of  Extraordinary Ability in Science, U.S. Department of  Homeland Security, 2012

    Professional Activities

    •   K‐18 Technical Committee Member of  ASME Heat Transfer Division

    •   Session 

    Organizer/Chair 

    of  

    many 

    ASME/IEEE 

    International 

    Conferences•   Invited Reviewer for over 20 International Journals and Numerous Conferences

    DR. TJ ZHANG – BIO & RESEARCH LAB

    5 PhD & 6 MSc students

    2 Postdoc Researchers

    Visiting 

    Scientist

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    4/17

    4

    Cooling Represents ~Half  of  UAE Electrical LoadADWEA 2008 daily loads for Abu Dhabi Island: Weather Sensitivity

    COOLING DEMAND IN ABU DHABI, UAE

    Provided by

     Dr. Peter Armstrong

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    5/17

    5

    J. Catano, T.J. Zhang, et al., “Vapor Compression Refrigeration Cycle for Electronics Cooling–Part I: Dynamic 

    Modeling and Experimental Validation & Part II: gain‐scheduling control for critical heat flux avoidance,” 

    International  

     Journal  

    of  

    Heat  

    and  

    Mass 

    Transfer , 

    in 

    press.

    VAPOR COMPRESSION REFRIGERATION COOLING CYCLE

    Compact refrigeration

     cooling

     cycle

     research

     testbed

    at RTRL  – Masdar Institute (before insulation)

    Diagram of 

     typical

     refrigeration

     cooling

     cycle

     

    with air‐cooled condenser

    Thermo‐

    Physical 

    Property

    Heat 

    Transfer

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    6/17

    6

    -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    1000

    2000

    3000

    4000

    5000

    6000

    7000

    8000

    Temperature T (C)

       P  r  e  s  s  u  r  e

       P   (   k   P  a

       )

     

    R134a

    R1234yf 

    R1234ze

    R290 (Propane)

    R600a (Isobutane)

    R600 (Butane)

    R601 (Pentane)

    R744 (CO2)

    -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3x 10

    4

    Temperature T (C)

       V  o

       l  u  m

      e   t  r   i  c   C  o  o

       l   i  n  g

       C  a  p  a  c

       i   t  y

      q  v   (   k   J   /  m

       3   )

     

    R134a

    R1234yf 

    R1234ze

    R290 (Propane)

    R600a (Isobutane)

    R600 (Butane)

    R601 (Pentane)

    R744 (CO2)

    Pressure level of  different refrigerants   Volumetric cooling capacity of  different refrigerants

    ENVIRONMENT-FRIENDLY ALTERNATIVE REFRIGERANTS

    1) At certain operating temperature, the pressure of  CO2 is much higher than other refrigerants

    2) In a nominal operating temperature range (0‐80 C), the cooling capacity of  Propane is higher

    3) At high temperature (80‐120 C), the cooling capacity of  isobutane/butane is comparable

    4) At very high temperature (>120 C), the cooling capacity of  pentane is also comparable

    Conclusions 

    T. 

    J. 

    Zhang, 

    S. 

    Mohamed, 

    “Conceptual 

    Design 

    and 

    Analysis 

    of  

    Hydrocarbon‐

    based 

    Solar 

    Thermal 

    Power 

    and Ejector Cooling Systems in Hot Climates,”  ASME   Journal  of  Solar  Energy  Engineering, under review.

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    7/17

    7

    1 1.5 20

    0.5

    1

    1.5

       M  a  s

      s   F   l  o  w   R  a   t  e   (  g   /  s   )

    1 1.5 20

    100

    200

    300

    t / ts

       C  o  o   l   i  n  g   C  a  p  a  c   i   t  y   (   W   )

     

    R134a

    R1234ze

    R290 (Propane)

    R600a (Isobutane)

    LINEAR COMPRESSOR WITH ALTERNATIVE REFRIGERANTS

    M. Alzoubi, T. J. Zhang, “Transient Thermal‐Fluid Modeling  of  a Linear Micro‐Compressor in Compact Refrigeration 

    Cooling Systems”

      ASME 

     

    2013 

    International  

    Mechanical  

    Engineering 

    Congress 

    Exposition, San

     Diego,

     USA,

     2013.

    At the

     same

     inlet/exit

     condition

     &

     piston

     velocity

     profile:

    1) The cooling flowrate of  R1234ze is higher

    2) The cooling capacity of  Propane is higher0 100 200 300 400 500 600 70050

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    450

    500

    Enthalpy (kJ/kg)

       P  r  e  s  s  u  r  e

       (   k   P  a

       )

    Propane (R290)

     

    h

    Sat. Vapor 

    Sat. Liquid

    VCC Cycle

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    8/17

    8

    HEAT TRANSFER ON NANOSTRUCTURED SURFACES

    •   Thin Liquid Film Evaporation on Superhydrophilic Nanostructured CuO Surfaces

    •   Jumping‐Drop Condensation on Superhydrophobic Nanostructured CuO Surfaces

    Vapor condensation on superhydrophobic nanostructured copper surfaces 

    in Environmental Scanning Electron Microscopy (to be applied to hydrocarbon)

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    9/17

    9

    -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    1600Pentane

    Enthalpy h (kJ/Kg)

       P  r  e  s

      s  u  r  e   P   (   k   P  a   )

     

    c

    p g

    m

    myx

    d

    v e

    er 

    ey

    power 

    cooling

    sat.vap.

    sat.liq.

    -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    Pentane

    Entropy s [kJ/(kg*K)]

       T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   T   (          C   )

     

    cp

    g

    m

    myx

    d

    v e

    er 

    ey

    power 

    cooling

    sat.vap.

    sat.liq.

    amb.T

    Hydrocarbon

    Refrigerant asWorking Fluid

    Ejectorvs.

    Compressor 

    Stand-Alone

    COMPACT SOLAR THERMAL POWER & EJECTOR COOLING

    T. J. Zhang, S. Mohamed, “Conceptual Design and Analysis of  Hydrocarbon‐based Solar Thermal Power 

    and Ejector

     Cooling

     Systems

     in

     Hot

     Climates,”

      ASME   Journal  of  Solar  Energy  Engineering, under review.

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    10/17

    10

    1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

    0

    50

    100

    150

    200

    Entropy s [kJ/(kg*K)]

       T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   T   (          C   )

     

    R134a

    R1234yf 

    R1234ze

    R290 (Propane)

    R600a (Isobutane)

    R600 (Butane)

    R601 (Pentane)R744 (CO

    2)

    amb. T

    10-3

    10-2

    10-1

    100

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    4000

    4500Pentane

    Specific Volume v (m3/kg)

       P  r  e  s  s  u  r  e   P   (   k   P  a   )

     

    mt

    n my xdf 

    spinodal

    sat.vap.

    sat.liq.

    Tt=131C

    Tn=110C

    Isotherm T

    MetastableSupersat.

    Vapor Zone

    Ejector Motive

    Flow

    Pressure‐specific volume spinodal lines and metalstable

    region of  pentane (‘o’: ejector motive flow P‐v diagram)

    Temperature‐specific entropy lines of  different 

    refrigerants (saturated vapor): ambient T=40 C 

    T. J. Zhang, S. Mohamed, “Conceptual Design and Analysis of  Hydrocarbon‐based Solar Thermal Power 

    and Ejector Cooling Systems in Hot Climates,”  ASME   Journal  of  Solar  Energy  Engineering, under review.

    WORKING FLUID SELECTION IN EJECTOR COOLING CYCLE

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    11/17

    11

    m t n(e) y x d f  0

    200

    400

       P  r

      e  s  s  u  r  e   P   (   k   P  a   ) Pentane

     

    Motive

    Entrain

    m t n(e) y x d f  0

    50

    100

    150

       T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   T   (          C   )

     

    Motive

    Entrain

    m t n y x d f0

    1

    2

    3

       M  a  c   h   N  u  m   b  e  r   M

     

    Motive

    T. J. Zhang, S. Mohamed, “Conceptual Design and Analysis of  Hydrocarbon‐based Solar Thermal Power 

    and Ejector Cooling Systems in Hot Climates,”  ASME   Journal  of  Solar  Energy  Engineering, under review.

    HYDROCARBON REFRIGERANT GAS EJECTOR

    Axial pressure/temperature/velocity

     distributions

     inside a pentane gas ejectorHydrocarbon

     refrigerant

     gas

     ejector

    (top: diagram; bottom: automatic ejector photo)

    (S& K)

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    12/17

    12

    COMBINED SUPERCRITICAL CO2 BRAYTON & ORC CYCLE

    Supercritical‐CO2 Brayton Cycle under development

    Organic 

    Rankine Cycle 

    Testbed under 

    development

    (Infinity

    S‐CO2

     

    Turbine)

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    13/17

    13

    Difference most pronounced at high ambient, high load conditions!

    Annual energy savings wrt R410A (Zakula 2012)

    w/night precooling Conventional plant

    Propane versus R410A 2.4 % 7.8%

    Ammonia versus R410A 8.7 % 14.0%

    PROPANE VS. R410A IN VRF SPLIT SYSTEM – DR. ARMSTRONG

    T. Zakula, P. Armstrong & L. Norford, “Optimal coordination of  heat pump compressor and fan speeds and 

    subcooling over a wide

     range

     of 

     loads

     and

     conditions,”

     HVAC&R

     Research,

     18(6),

     pp.

     1153

    ‐1167,

     2012

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    14/17

    14

    Applied Research in Cooling Efficiency and Advanced Control(Dr. Peter Armstrong)

    1. A/C and Chiller component‐based model for optimal equipment design and control (MI‐MIT)

      Air‐cooled,

     water

     cooled

     chiller

     and

     DX

    ‐equipment

     including

     BPHX

      Any compressor technology (recip, scroll, screw, centrifugal, economized)

      Any refrigerant supported by REFPROP

    2. GCC‐Chiller—optimal design & efficiency standard (AD Gov.  – Executive Affairs Authority)

      Oversize EXV,

     combined

     condenser

     and

     evaporator

     circuits

      Optimal coordination of  fan and compressor speeds and SC

    3. GCC‐Dehumidification—design & efficiency standard (AD Gov.  – Executive Affairs Authority)

      Enthalpy‐wheel, run‐around heat exchanger optimized for low SHR

      DX coil, variable‐speed condensing unit, subcooling/reheat HX

    4. District Cooling

     VFD

     retrofit

     and

     optimal

     control

     (National

     Central

     Cooling

     Co.

      – Tabreed)

      Variable‐speed CW pump retrofits

      Optimal coordination of  pumps, CT‐fan, CT cells, and compressors

    5. Hydrocarbon refrigeration system safety control system (Collaborating with Dr. TJ Zhang)

    OTHER COOLING RESEARCH ACTIVITIES – DR. ARMSTRONG

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    15/17

    15

    Thank You

    Q & A

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    16/17

    16Thursday, September 05, 2013

    3D IMAGE OF CUO NANO-NEEDLES FOR REFRIGERATION

  • 8/18/2019 Day 1 Session III - 01 TJ Zhang.masdar

    17/17

    17

    -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    3.5

    Temperature T (C)

       K   i  n  e  m  a   t

       i  c   V   i  s  c  o  s

       i   t  y     

      v   (  c   S   t   )

     

    R134a

    R1234yf 

    R1234zeR290 (Propane)

    R600a (Isobutane)

    R600 (Butane)

    R601 (Pentane)

    R744 (CO2)

    Kinematic viscosity of  different refrigerants (saturated vapor)

    (Similar to Saturated liquid/vapor density ratio)

    -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    0.002

    0.004

    0.006

    0.008

    0.01

    0.012

    0.014

    0.016

    Temperature T (C)

       S  u  r   f  a  c  e

       T  e  n  s

       i  o  n        (

       N   /  m   )

     

    R134a

    R1234yf 

    R1234ze

    R290 (Propane)R600a (Isobutane)

    R600 (Butane)

    R601 (Pentane)

    R744 (CO2)

    Surface tension of  different refrigerants

    THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF REFRIGERANTS