Optimization of a highly-efficient hydro-CO₂ piston for commercial refrigeration

This paper presents a novel thermodynamic system developed to generate heat and cold for industrial processes. The efficiency is improved compared to commercialized ones and current state-of-the-art systems. The proposed hydro-CO₂ piston combines three counter-intuitive innovations with the operation of discontinuous and slowed thermodynamic cycles where mechanical work is transferred to the refrigeration through a hydraulic circuit based on modified transcritical Carnot and Rankine cycles. This allows to operate unusual thermodynamic transformations such as isothermal compression and two-phase isentropic expansion. The cycles are tailored to the demand and irreversibilities are minimized to make cold/heat generation valorisation highly efficient and cost-effective. This study focuses on the technology energetic efficiency for commercial refrigeration producing negative (-20°C) and positive (0°C) cold. Based on numerical analysis and validated models using numerical tools (EES, Python) and thermodynamic data bases (REFPRP), simulations results compare standard CO₂ transcritical cycles (STC) to the hydro-CO₂ piston in two different case studies. The results show an increase in COP between 38 and 112% showing the energy efficiency and environmental impact decrease potential of the technology.

Cet article présente un nouveau système thermodynamique développé pour générer simultanément de l’énergie calorifique chaude et froide pour les processus industriels. Il dispose d’une efficacité accrue par rapport aux systèmes commercialisés et actuellement présents dans l’état de l’art. Le piston hydro-CO₂ combine trois innovations contre-intuitives avec le fonctionnement de cycles thermodynamiques discontinus et ralentis ou le travail mécanique est transféré au fluide frigorigène par un circuit hydraulique sur la base de cycles transcritiques modifiés de Carnot et Rankine. Cela permet de faire fonctionner le cycle sous des transformations thermodynamiques inhabituelles telles que la compression isotherme et la détente pluri-phasique isentropique. Les cycles sont adaptés à la demande et les irréversibilités sont minimisées pour rentre la production/valorisation de froid/chaud très efficace et rentable. Cette étude se centre sur l’analyse énergétique de la technologie pour la production de froid commercial négatif (-20°C) et positif (0°C). Les résultats sont basés sur des études numériques et des modèles validés à l’aide d’outils numériques (EES, Python) et de bases de données thermodynamiques (REFPROP). Les résultats de la simulation comparent les unités frigorifiques de CO₂ transcritiques (STC) au piston hydro-CO₂ au travers de deux études de cas. Les résultats montrent une augmentation de COP allant de 38 à 112 % et démontrent l’efficacité énergétique et potentiel de réduction de l’impact environnemental de la technologie proposée.

CO₂ thermal energy MVC refrigeration transcritical cycle isothermal compression two-phase isentropic expansion Carnot cycle Rankine cycle Lorentz efficiency

CO₂ energie thermique CMV réfrigération cycle transcritique compression isotherme détente pluri-phasique isentropique cycle de Carnot cycle de Rankine rendement de Lorentz