Kuumalämpöpumppujen prosessikytkentöjen vertailu

Abstract

Tässä diplomityössä syvennytään suurien, lämpöteholtaan 0,5–10 MW:n korkean lämpötilan lämpöpumppujen sisäisiin kytkentöihin. Työssä vertaillaan erilaisten kytkentätapojen, lisälaitteiden ja kylmäaineiden tuomia muutoksia prosessin COP:hen. Tutkittavat kytkennät rajautuvat suljetun kierron prosesseihin, jotka toimivat alikriittisellä alueella. Työssä käytettävät kylmäaineet ovat F-kaasuasetuksessa sekä Montrealin sopimuksessa sallittujen aineiden listalla. Työssä keskitytään prosessien välisiin eroihin, jolloin käytettävien kompressorien tyypillä ja sisäisillä muuttujilla ei ole vaikutusta lopputuloksiin.

Työn tarkoituksena on löytää parhaimman COP:n tuottavat prosessikytkennät, kun tuotettava lauhtumislämpötila on 100–150 celsiusastetta, ja lämpötilannousu eli höyrystimen ja lauhduttimen lämpötilaero on 80–100 celsiusastetta. Työ pohjautuu aiemmin tehtyihin tutkimuksiin, joissa on tutkittu yksittäisten lisälaitteiden ja kytkentätapojen tuomia etuja ja muutoksia COP:hen. Aiempien tutkimusten pohjalta valitaan niissä parhaiten menestyneet kytkentätavat, minkä perusteella luodaan MS Excel -laskentamalli, jossa kytkentöjen muutoksia simuloidaan eri lämpötilatasoilla. Laskentamallissa hyödynnetään Coolprop-tietokantaa, josta saadaan työssä käytettäville kylmäaineille niiden lämpöfysikaaliset ominaisuudet, joiden avulla laskelmat toteutetaan.

Laskentamallissa prosessikytkennöille saatiin laskettua COP jokaiselle kytkennälle ja lämpötilatasolle siten, että ne ovat keskenään vertailukelpoisia. Laskennan tuloksista saadaan selville suurimman COP:n tuottavat prosessit. Lisäksi tulosten perusteella voidaan sanoa, että kytkentätavoilla, lämpötilatasoilla ja lämpötilannousuilla, sekä käytettävällä kylmäaineella on merkitystä prosessin COP:hen. Saatujen tulosten perusteella tutkimusta voidaan jatkojalostaa laajentamalla kytkentätapojen ja käytettävien kylmäaineiden määrää.

This master's thesis focuses on the internal connections of large, high-temperature heat pumps with a thermal output of 0.5–10 MW. The work compares the changes in the COP of the process caused by different configurations, additional equipment and refrigerants. The configurations under study are limited to closed-cycle processes that operate in the subcritical range. The refrigerants used in the work are on the list of substances permitted in the F-gas Regulation and the Montreal Protocol. The work focuses on the differences between the processes, whereby the type of used compressors and internal variables have no effect on the results.

The purpose of the work is to find the process configurations that produce the best COP when the condensing temperature to be produced is 100–150 degrees Celsius, and the temperature rise is 80–100 degrees Celsius. The work is based on previous studies that have investigated the benefits and changes in COP brought by individual accessories and configurations. Based on previous studies, the most successful configurations are selected, on which basis an MS Excel calculation model is created, in which changes in configurations are simulated at different temperature levels. The calculation model utilizes the Coolprop database, which provides the thermophysical properties of the refrigerants used in the work, with which the calculations are carried out.

In the calculation model, the COP for the processes was calculated for each type and temperature level in such a way that they are comparable with each other. The calculation results reveal the processes that produce the highest COP. In addition, based on the results, it can be said that configurations, temperature levels and temperature increases, and the refrigerant used are important for the COP of the process. Based on the results obtained, the research can be further refined by expanding the number of configurations and refrigerants used.