Survey on practical technologies and applications for high temperature heat pumps intended to recycle energy

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-05-18
Department
Major/Subject
Sustainable Energy in Buildings and Built Environment
Mcode
ENG3068
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
72 + 9
Series
Abstract
The objective of this thesis was to find out practical high temperature heat pump (HTHP) technologies and potential applications for heat sinks at least up to 100 °C within a heating capacity range of 50…1000 kW along with to find out the profitability of HTHPs. A literature survey was executed to find out the technologies and applications. The survey was focusing on both the state-of-the-art research and practices. The profitability was found out via a Finnish case study. According to the survey, there are at least 32 commercialized HTHP models currently from which several can produce heat sinks of at least 100 °C. Several industrial sectors have some processes whose heat demand could be supplied with HTHPs that can produce heat sinks up to 100 °C. In addition, current district heating networks are a promising application for HTHPs since the heat demand is generally at temperatures below 100 °C. According to the survey, the refrigerant, the compressor and the cycle configuration are the most critical considerations as for HTHPs. There is both scientific and practical evidence on that the HTHP technology exists for heat sinks of at least 100 °C, even up to around 165 °C. The refrigerant should be selected such that its critical temperature is at least 10…15 °C higher than that of the condensation temperature and the vapor pressures should be such that the compressor can withstand those, both at the suction and at the discharge. In principle, the refrigerant selection determines the higher temperature limit that could be supplied with a HTHP, at least up to 165 °C. If considering higher temperatures, the maximum compressor discharge temperature of around 180 °C seems to be a limiting factor that is a technological challenge. In outline, the temperature difference between the condensation and evaporation temperatures (temperature lift) determine whether to use a single-stage or a two-stage compression. As for most of suitable refrigerants, the use of an internal heat exchanger (IHX) is suggested to provide the minimum superheat and to increase both the coefficient of performance and the volumetric heating capacity at least up to 20 % along with this improvement is the same in the operational emissions and the energy efficiency. In general, temperature lifts up to 60 °C can be feasible with the single-stage compression. Higher temperature lifts, up to even 120 °C, should be implemented with the two-stage compression to avoid a decrease in the performance. In addition, the two-stage compression can be used to limit the discharge temperature that is especially important as for some refrigerants along with when using the IHX. According to the conditions of the case study, HTHPs can be currently on average around 4.5 times more environmentally friendly and around 1.5…5.5 times more energy efficient when compared to the Finnish average district heating. As for the case study, the HTHPs are economically profitable as well because the simple payback period was estimated to be around two years. However, the profitability is highly sensitive with respect to the source information.

Työn tavoitteena oli selvittää käytännönläheisiä kuumalämpöpumppu (HTHP) tekniikoita ja niiden mahdollisia käyttökohteita lämpötiloissa ainakin 100 °C saakka lämmitystehoalueella 50…1000 kW sekä selvittää HTHP:jen kannattavuutta. Tekniikat ja käyttökohteet selvitettiin kirjallisuusselvityksellä. Selvitys keskittyi sekä tuoreimpaan tutkimukseen että käytäntöihin. Kannattavuutta selvitettiin Suomalaisen tapaustutkimuksen avulla. Selvityksen perusteella, kaupallisia HTHP malleja on ainakin 32 kappaletta, joista useat voivat tuottaa ainakin 100 °C lämpötilaa. Useissa teollisuuden sektoreissa on prosesseja, joiden lämmöntarvetta voitaisiin kattaa lämpötiloja 100 °C saakka tuottavilla HTHP:illa. Lisäksi, nykyiset kaukolämpöverkot ovat lupaava käyttökohde HTHP:ille, koska lämmöntarve on yleisesti alle 100 °C lämpötiloissa. Selvityksen perusteella, kylmäaine, kompressori ja kiertoprosessin kokoonpano ovat kriittisimmät huomioonotettavat seikat HTHP:illa. On sekä tieteellisiä ja käytännöllisiä merkkejä siitä, että HTHP-tekniikka on olemassa ainakin 100 °C lämpötiloille, jopa 165 °C lämpötiloihin saakka. Kylmäaine tulisi valita siten, että sen kriittinen lämpötila on vähintään 10…15 °C lauhtumislämpötilaa korkeampi ja höyrynpaineet pitäisivät olla sellaiset, että kompressori voi kestää ne, sekä imu- että painepuolella. Periaatteessa, kylmäainevalinta määrittelee korkeimman lämpötilan, jota voidaan tuottaa HTHP:lla, ainakin lämpötilaan 165 °C saakka. Korkeampien lämpötilojen suhteen, kompressorin suurin sallittu lämpötila (kuumakaasu), noin 180 °C, näyttäisi olevan rajoittava tekijä ollen kompressoritekninen haaste. Pääpiirteissään, lauhtumis- ja höyrystymislämpötilojen ero (lämpötilan nousu) määrittelee sen, että tulisiko käyttää yksi- vai kaksiasteista puristusta. Useimpien kylmäaineiden tapauksessa, sisäisen lämmönsiirtimen (IHX) käyttö on suositeltavaa minimitulistuksen tuottajaksi sekä, koska lämpökerroin ja lämmityksen tilavuustuotto voivat parantua ainakin 20 %. IHX parantaa saman verran HTHP:jen ympäristöystävällisyyttä ja energiatehokkuutta. Yleistäen, lämpötilan nousut 60 °C saakka voivat olla toteuttamiskelpoisia yksiasteisella puristuksella. Korkeammat lämpötilan nousut, jopa 120 °C saakka, pitäisi toteuttaa kaksiasteisella puristuksella välttääkseen suorituskyvyn heikkenemistä. Lisäksi, kaksiasteista puristusta voidaan käyttää alentamaan kuumakaasun lämpötilaa ollen erityisen tärkeää muutamien kylmäaineiden tapauksessa sekä käytettäessä IHX. Tapaustutkimuksen olosuhteiden mukaan, HTHP:t voivat olla tällä hetkellä keskimäärin 4,5 kertaa ympäristöystävällisempiä ja noin 1,5…5,5 kertaa energiatehokkaampia Suomalaiseen keskinkertaiseen kaukolämmitykseen verrattuna. Tapaustutkimuksen tapauksessa, HTHP:t ovat myös taloudellisesti kannattavia, koska investoinnin koroton takaisinmaksuaika olisi arviolta noin kaksi vuotta. Kuitenkin, kannattavuus on erittäin herkkä lähtötietojen suhteen.
Description
Supervisor
Vuorinen, Ville
Thesis advisor
Aula, Ari
Aarnio, Aleksi
Keywords
refrigeration technology, high temperature heat pump, energy recycling, refrigerant, COP
Other note
Citation