Modeling of R290 Vapor Heat Pump System and Charge Minimization Technique = R290 증기 히트펌프 시스템 모델링 및 냉매 충전량 최소화 전략

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural refrigerants have received increasing attention as alternatives to conventional working fluids with high global warming potential (GWP) and ozone depletion potential (ODP), driven by international environmental regulations such as the Kigali Amendment to the Montreal Protocol. Among various natural refrigerants, propane (R290) has emerged as a promising candidate for heat pump applications due to its exceptional thermodynamic properties, latent heat of vaporization, favorable pressure levels, and negligible environmental impact. However, despite these advantages, the practical application of R290 in heat pump systems is significantly constrained by its high flammability, classified as safety group A3. Safety standards and regulations impose strict limits on the maximum allowable refrigerant charge, particularly in systems installed in occupied spaces. As a result, refrigerant charge minimization has become a critical design requirement for R290 heat pump systems.
In parallel with the push for low-GWP refrigerants, there has been a growing demand for heat pumps capable of delivering high heating capacity and efficiency under low ambient temperature conditions. Vapor injection heat pump technology has been widely recognized as an effective solution to enhance heating performance in cold climates. Through injecting intermediate-pressure vapor into the compressor, vapor injection reduces the effective compression ratio, increases mass flow rate through the condenser, and improves the coefficient of performance (COP). However, the incorporation of vapor injection typically requires additional components such as additional expansion device or internal heat exchanger (IHX), which inevitably increase the internal volume of the system and lead to higher refrigerant charge requirements. This creates a fundamental conflict between the objectives of performance enhancement and refrigerant charge reduction in R290 heat pump systems.
The present study addresses this challenge by developing a comprehensive steady-state numerical model of R290 vapor heat pump system and proposing a novel charge minimization strategy based on a three-expansion-valve (3EXV) injection configuration. Three system architectures are investigated and compared: a basic single-stage vapor compression heat pump, a conventional vapor injection heat pump with an internal heat exchanger, and the proposed 3EXV injection heat pump. The modeling framework is component-based and includes detailed sub-models for the compressor, plate-type condenser and evaporator, internal heat exchanger, and expansion valves. The compressor is modeled assuming polytropic compression with volumetric and efficiency correlations calibrated from previous vapor injection studies. Brazed plate heat exchangers with corrugated herringbone geometry are employed for both condensation and evaporation, and their heat transfer characteristics are evaluated using correlations developed specifically for two-phase flow in plate heat exchangers.
The system models are solved under steady-state conditions using an iterative solution procedure in which the condenser pressure and evaporator pressure are adjusted to satisfy both the specified refrigerant charge and a target degree of superheat at the compressor inlet. For injection systems, additional convergence variables such as intermediate pressure and injection mass flow rate are introduced. Total refrigerant charge is calculated by integrating the local refrigerant density over all control volumes in the system, including two-phase regions where void fraction models are applied. System performance is evaluated in terms of heating, cooling capacity and COP under a fixed set of operating conditions representative of low ambient temperature heating.
Simulation results indicate that the basic R290 heat pump system requires a minimum refrigerant charge of approximately 20 g to achieve stable operation, with a maximum COP in the range of 2.0–2.6 and heating capacity of 3.35–3.55 kW. The conventional vapor injection system significantly improves heating capacity and efficiency, achieving heating capacities of 4.39–5.39 kW and a maximum COP of approximately 3.06; however, stable operation is obtained only when the refrigerant charge exceeds about 70 g. In contrast, the proposed 3EXV injection system demonstrates the ability to maintain stable operation with reduced charge of 50 g while achieving a maximum COP of 3.062, comparable to that of the conventional injection system at 70 g. Parametric analysis reveals that an intermediate-to-high pressure ratio of 0.6 provides an optimal balance between charge reduction and performance enhancement.
The results of this study demonstrate that the 3EXV injection configuration can reduce the required R290 charge by approximately 30% without significant degradation of heating performance. This charge reduction is achieved by redistributing refrigerant inventory from high-pressure components to lower-risk regions of the system while preserving the thermodynamic benefits of vapor injection. The proposed modeling framework and system configuration provide valuable insights into the design of safe, efficient, and environmentally friendly R290 heat pump systems and offer a promising pathway for the broader adoption of hydrocarbon refrigerants in heating applications.

국문 초록 (Abstract)

자연냉매는 몬트리올 의정서 키갈리 개정안과 같은 국제 환경 규제에 의해 지구온난화지수(GWP)와 오존층파괴지수(ODP)가 높은 기존 작동유체의 대안으로서 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 다양한 자연냉매 중 프로판(R290)은 높은 증발잠열, 적절한 압력 수준, 무시할 수 있는 환경영향 등 우수한 열역학적 특성으로 인해 히트펌프 적용을 위한 유망한 냉매로 부상하였다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 R290은 안전등급 A3으로 분류되는 높은 가연성으로 인해 히트펌프 시스템에서의 실제 적용에 큰 제약을 받는다. 안전 기준 및 규정은 특히 사람이 거주하는 공간에 설치되는 시스템의 경우 허용 가능한 최대 냉매 충전량에 대해 엄격한 제한을 두고 있다. 이에 따라 R290 히트펌프 시스템에서는 냉매 충전량 최소화가 핵심적인 설계 요구사항으로 대두되고 있다.
지구온난화지수가 낮은 냉매에 대한 요구와 더불어, 저외기온 조건에서도 높은 난방용량과 효율을 제공할 수 있는 히트펌프에 대한 수요 또한 증가하고 있다. 증기분사 히트펌프 기술은 한랭 지역에서의 난방 성능을 향상시키는 효과적인 해결책으로 널리 인식되고 있다. 중간압력의 증기를 압축기에 분사함으로써 증기분사는 유효 압축비를 감소시키고, 응축기를 통과하는 질량유량을 증가시키며, 성능계수(COP)를 향상시킨다. 그러나 증기분사를 적용하기 위해서는 내부열교환기(IHX) 및 추가적인 팽창밸브와 같은 부가적인 시스템 구성요소가 필요하며, 이는 시스템 내부 체적을 증가시키고 결과적으로 냉매 충전량 요구를 증가시킨다. 이는 R290 히트펌프 시스템에서 성능 향상과 냉매 충전량 저감이라는 두 목표 간의 근본적인 상충 관계를 초래한다.
본 연구는 R290 증기분사 히트펌프 시스템에 대한 포괄적인 정상상태 수치해석 모델을 개발하고, 3개의 팽창밸브(3EXV)를 적용한 새로운 냉매 충전량 저감 전략을 제안함으로써 이러한 문제를 해결하고자 한다. 세 가지 시스템 구조가 조사 및 비교되었으며, 이는 단일단 증기압축 히트펌프, 내부열교환기를 적용한 기존 증기분사 히트펌프, 그리고 본 연구에서 제안한 3EXV 증기분사 히트펌프 시스템이다. 모델링 프레임워크는 구성요소 기반으로 구축되었으며, 압축기, 판형 응축기 및 증발기, 내부열교환기, 팽창밸브에 대한 상세한 하위 모델을 포함한다. 압축기는 다변압축을 가정하여 모델링되었으며, 체적효율 및 효율 상관식은 기존 증기분사 관련 연구 결과를 기반으로 보정되었다. 응축 및 증발에는 물결무늬 헤링본 구조를 갖는 브레이징 판형 열교환기가 적용되었으며, 이들의 열전달 특성은 판형 열교환기 내 이상유동에 특화된 상관식을 사용하여 평가되었다.
시스템 모델은 정상상태 조건에서 반복 계산 절차를 통해 해석되었으며, 이 과정에서 응축기 압력과 증발기 압력을 조정하여 지정된 냉매 충전량과 압축기 입구에서의 목표 과열도를 동시에 만족하도록 하였다. 증기분사 시스템의 경우, 중간압력과 분사 질량유량과 같은 추가적인 수렴 변수가 도입되었다. 전체 냉매 충전량은 이상 영역에서의 공극률 모델을 적용하여 시스템 내 모든 제어체적에 대해 국소 냉매 밀도를 적분함으로써 계산되었다. 시스템 성능은 저외기온 난방 운전을 대표하는 고정 운전 조건하에서 난방용량과 COP를 기준으로 평가되었다.
시뮬레이션 결과, 기본 R290 히트펌프 시스템은 안정적인 운전을 달성하기 위해 약 20 g의 최소 냉매 충전량이 요구되었으며, 최대 COP는 2.0–2.6 범위, 난방용량은 3.35–3.55 kW로 나타났다. 기존 증기분사 시스템은 난방용량과 효율을 크게 향상시켜 4.39–5.39 kW의 난방용량과 약 3.06의 최대 COP를 달성하였으나, 안정적인 운전은 냉매 충전량이 약 70 g 이상일 때만 가능하였다. 반면, 제안된 3EXV 증기분사 시스템은 냉매 충전량을 50 g으로 감소시킨 조건에서도 안정적인 운전을 유지하면서, 70 g 조건의 기존 증기분사 시스템과 유사한 최대 COP 3.062를 달성하였다. 매개변수 해석 결과, 중간압력 대비 고압 비가 0.6일 때 냉매 충전량 저감과 성능 향상 간의 최적 균형이 확보됨을 확인하였다.
본 연구 결과는 3EXV 증기분사 구성 방식이 난방 성능의 유의미한 저하 없이 R290 냉매 충전량을 약 30% 저감할 수 있음을 입증한다. 이러한 충전량 저감은 증기분사의 열역학적 이점을 유지하면서, 고압 부품에 집중된 냉매 재고를 시스템 내 상대적으로 위험도가 낮은 영역으로 재분배함으로써 달성된다. 제안된 모델링 프레임워크와 시스템 구성은 안전하고 효율적이며 환경친화적인 R290 히트펌프 시스템 설계에 대한 유용한 통찰을 제공하며, 탄화수소 냉매의 난방 분야 적용 확대를 위한 유망한 경로를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents viii
• List of Figures. xi
• List of Tables xiv
• Nomenclature xv
• Chapter 1. Introduction 20
• 1.1. Background of the study 20
• 1.2. Literature survey 26
• 1.3. Objectives and scopes 28
• Chapter 2. Methodology 32
• 2.1. Component Modeling 32
• 2.1.1 Compressor Model 32
• 2.1.2 Plate Heat Exchanger Model 36
• 2.1.3 Refrigerant Charge Calculation 39
• 2.2. Basic Heat Pump System Model 39
• 2.2.1 System Configuration 39
• 2.2.2 Governing Equations and Cycle Calculation 41
• 2.2.3 Numerical Solution Procedure 41
• 2.3. Vapor Injection Heat Pump System Model (IHX Injection System) 43
• 2.3.1 System Configuration and Modeling Philosophy 43
• 2.3.2 Component Models Used in the Injection System 48
• 2.3.3 Definition of State Points and Mass Flow Paths 49
• 2.3.4 IHX Model: Structure and Governing Equations 50
• 2.3.5 Injection Control Target: Why the Code Enforces “IHX Cold Outlet Superheat Margin” 52
• 2.3.6 Mixing Enthalpy and Second-stage Suction State 53
• 2.3.7 Intermediate Pressure Determination via Mass Balance Residual 54
• 2.3.8 Outer-loop Convergence: DSH + DSC or DSH + Charge 55
• 2.3.9 Practical Implementation: Nested Iteration Structure 56
• 2.3.10 Performance Metrics and Outputs 57
• 2.4. 3EXV Injection Heat Pump System Model 58
• 2.4.1 Motivation: Why a Third Expansion Valve Reduces Required Charge 58
• 2.4.2 System-Level Difference Relative to 2EXV Injection 62
• 2.4.3 Pressure Ratio as a Design Variable (Key to Chapter 3 Results) 62
• 2.4.4 Component Modeling in 3EXV System 63
• 2.4.5 Modified Mass and Energy Balances Around Expansion Devices 64
• 2.4.6 Iteration Structure for the 3EXV Solvers 64
• 2.4.7 Why Φ=0.6 Produces the Best Charge Minimization 67
• 2.4.8 Output Metrics for 3EXV Analysis 67
• 2.5 Summary of Methodology and Reproducibility Notes 68
• 2.6 Model Inputs, Boundary Conditions, Assumed Constants, and Convergence Criteria 69
• 2.6.1 Model Inputs and Operating Conditions 69
• 2.6.2 Boundary Conditions and System Constraints 71
• 2.6.3 Assumed Constants and Modeling Simplifications 73
• 2.6.4 Convergence Criteria and Numerical Tolerances 74
• 2.6.5 Role of This Section in Result Interpretation 76
• Chapter 3. Results and Discussion 78
• 3.1. Results of the Basic Heat Pump System 78
• 3.1.1 Convergence Characteristics and Stability of the Basic System 78
• 3.1.2 Effect of Refrigerant Charge on Heating Capacity 81
• 3.1.3 Effect of Refrigerant Charge on Heating COP 84
• 3.1.4 Thermodynamic Interpretation Using Pressure–Enthalpy Diagrams 87
• 3.2 Results of the Vapor Injection Heat Pump System 90
• 3.2.1 Stability Limit and Minimum Required Refrigerant Charge 90
• 3.2.2 Effect of Vapor Injection on Heating Capacity 93
• 3.2.3 Effect of Vapor Injection on Heating COP 95
• 3.2.4 Role of the Internal Heat Exchanger and Injection Mass Flow 97
• 3.2.5 Thermodynamic Analysis Using Pressure–Enthalpy Diagrams 98
• 3.3 Results of the 3EXV Injection Heat Pump System 101
• 3.3.1 Effect of Pressure Ratio on System Stability and Minimum Refrigerant Charge 101
• 3.3.2 Heating Capacity Variation with Pressure Ratio 104
• 3.3.3 Heating COP Variation with Pressure Ratio 107
• 3.3.4 Refrigerant Charge Redistribution Mechanism 110
• 3.3.5 Thermodynamic Interpretation Using Pressure–Enthalpy Diagrams 111
• 3.4 Comparative Discussion of the Three System Configuration 114
• 3.4.1 Comparison of Minimum Stabilizing Refrigerant Charge 114
• 3.4.2 Comparison of Heating Capacity 115
• 3.4.3 Comparison of Heating COP 116
• 3.4.4 Trade-offs and Design Implications 117
• 3.5 Summary of Key Findings 119
• Chapter 4. Conclusion 121
• References 124
• 국 문 초 록 128