Kuumalämpöpumpun sekä kuumalämpöpumpun ja höyryn mekaanisen puristuksen COP-arvojen vertailu

Abstract

Tässä diplomityössä on tarkoituksena selvittää matala-asteisen höyryn tuottamista kahdella eri kytkentävaihtoehdolla teollisuuden hukkalämmöstä. Teollisuudessa hukkalämpö on usein 20–150 celsiusasteista ja tämän lämmön hyödyntäminen kuumalämpöpumpuilla laskisi sekä hiilidioksidipäästöjä että energian kulutusta. Työssä tullaan vertaamaan kummalla kytkentävaihtoehdolla, saavutetaan parempi COP. Työssä käytettävät kylmäaineet ovat matalan kasvihuone- ja otsonihaitallisuuden kylmäaineita.

Työssä ensimmäisessä vaihtoehdossa höyry tuotetaan kaskadi- ja kaksiportaisella kuumalämpöpumpulla. Toisessa vaihtoehdossa kuumalämpöpumpulla tuotetaan vesihöyryä, jonka lämpötila puristetaan höyrykompressorilla haluttuun lämpötilaan. Laskentaosuudessa Coolprop-tietokannasta ja log p,h -tilapiirroksesta saatavien arvoja avulla lasketaan prosessin tilapisteet. Lauhduttimen lämpötila vaihtelee 110:n ja 160 °C:n välillä ja lauhduttimen tehona käytetään 1,95–2 megawattia.

Laskentaosuudessa eri kylmäaineille ja kytkennöille lasketaan COP:it ja näitä verrataan keskenään. Korkeimmat COP-arvot saatiin syklopentaanilla. Tuloksista voidaan nähdä, että kylmäaineen kriittisellä lämpötilalla on suuri merkitys COP:iin. Tästä syystä, uusien tiukentuvat ympäristövaatimukset täyttävien, korkeita lämpötiloja tuottavien kylmäaineiden sekä korkean lämpötilaeron tuottavien kompressoreiden kehittäminen on tärkeää.

The purpose of this master thesis is to investigate the production of low-grade steam with two different high temperature heat pump configurations from industrial waste heat. In industry, the temperature of waste heat often varies between 20–150 °C and utilizing this waste heat with a high temperature heat pump would reduce both carbon emissions and energy consumption. In this work the two configurations are compared to determining which option achieves the best COP. The refrigerants used in this work have low global warming and ozone depletion potential.

In this work, the first option is to produce steam with cascade and two-stage high temperature heat pump configurations. In the second option, a vapor is produced by high temperature heat pump and a vapor is compressed to higher temperature by mechanical vapor recompression. In calculations, Coolprop database and log p,h -diagram are used to determine the specific state point values of the refrigerants. The temperature of the condenser varies between 110 and 170 °C. The heat rate of the condenser is 1,95–2 megawatts.

In the calculation section, the COP values of the different refrigerants and configurations are calculated, and these values are compared. The highest COP is achieved with cyclopentane. Based on the results, the critical temperature of the refrigerant has a major impact on the COP. Based on the results, it is important to develop new refrigerants that meet the environmental requirements and compressors that can produce a high temperature lift.