Thermodynamic Evaluation of a Heat Pump Employing R1234yf as an Alternative to R134a Refrigerant

Abstract

In view of the increasing demand for energy efficient and environmentally friendly heating technologies, this work presents a numerical thermodynamic investigation of a heat pump for the assessment of the system performance under different operating conditions and comparison of the performance of two different refrigerants, R134a and its possible alternative R1234yf. The system was modeled and simulated using MATLAB software along with the REFPROP database developed by NIST for accurate calculation of thermodynamic and transport properties, enhancing the reliability of the simulation, particularly in the two-phase region. A single-stage heat pump based on the standard vapor compression cycle was considered. The heat pump consists of a compressor, condenser, expansion valve and evaporator. The analysis makes some simplifying assumptions: steady state, negligible pressure losses, isenthalpic expansion, and the compressor isentropic efficiency at varied values. System performance was evaluated through COPh (heating coefficient of performance) considering evaporation and condensation temperatures at different values too. The results indicate that the performance increases as the evaporating temperature increases. The coefficient of performance (COPh) increases from 2.541 to 3.031 for R134a and from 1.982 to 2.410 for R1234yf as the evaporating temperature increases from 20 °C to 30 °C. The reduction in the work of the compressor is responsible for this improvement, while the increase in the condensing temperature decreases the COPh due to the higher work of compression. The comparison results show that R134a has a better thermal performance while R1234yf has lower discharge temperatures and better environmental properties especially in terms of global warming potential. Therefore, as a final result of this investigation, it is obvious that R1234yf despite its lower performance compared to R134a, it can be proposed as an environmentally friendly alternative to R134a, in which future improvements such as integrating nanoparticles and the study of this refrigerant as a nanorefrigerant within the heat pump system could give promising results. نظراً للطلب المتزايد على تقنيات التدفئة الموفرة للطاقة والصديقة للبيئة، يقدم هذا العمل دراسة حرارية ديناميكية عددية لمضخة حرارية بهدف تقييم أداء النظام في ظل ظروف تشغيل مختلفة، ومقارنة أداء سائلي عمل مختلفين، هما R134a وبديله المحتمل R1234yf. تم نمذجة النظام ومحاكاته باستخدام برنامج MATLAB جنبًا إلى جنب مع قاعدة بيانات REFPROP التي طورها المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) من أجل الحساب الدقيق للخصائص الديناميكية الحرارية وخصائص النقل، مما يعزز موثوقية المحاكاة، لا سيما في منطقة الطورين. تم النظر في مضخة حرارية أحادية المرحلة تعتمد على دورة ضغط البخار القياسية. تتكون المضخة الحرارية من ضاغط ومكثف وصمام تمدد ومبخر. ويستند التحليل إلى بعض الافتراضات المبسطة: الحالة المستقرة، وفقدان الضغط الضئيل المتجاهل، والتمدد الإيزنتالبي، وكفاءة الضاغط الإيزنتروبية عند قيم متنوعة. تم تقييم أداء النظام من خلال معامل الأداء الحراري (COPh) مع الأخذ في الاعتبار درجات حرارة التبخر والتكثيف عند قيم مختلفة أيضًا. تشير النتائج إلى أن الأداء يزداد مع ارتفاع درجة حرارة التبخر. . يرتفع معامل الأداء (COPh) من 2.541 إلى 3.031 بالنسبة لـ R134a ومن 1.982 إلى 2.410 بالنسبة لـ R1234yf مع ارتفاع درجة حرارة التبخر من 20 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية. ويُعزى هذا التحسن إلى انخفاض عمل الضاغط، في حين أن ارتفاع درجة حرارة التكثيف يؤدي إلى انخفاض معامل الأداء (COPh) بسبب زيادة عمل الضغط. وتُظهر نتائج المقارنة أن مادة R134a تتمتع بأداء حراري أفضل، في حين تتمتع مادة R1234yf بدرجات حرارة تفريغ أقل وخصائص بيئية أفضل، خاصة من حيث إمكانية إحداث الاحترار العالمي. لذلك، كنتيجة نهائية لهذا البحث، من الواضح أن R1234yf، على الرغم من أدائه الأقل مقارنة بـ R134a، يمكن اقتراحه كبديل صديق للبيئة لـ R134a، حيث يمكن أن تؤدي التحسينات المستقبلية، مثل دمج الجسيمات النانوية ودراسة هذا المبرد كمبرد نانوي داخل نظام المضخة الحرارية، إلى نتائج واعدة.