Analysis of using different refrigerants and operating conditions in steam generating heat pump

Abstract

This thesis investigates the performance of a steam-generating heat pump (SGHP) system combining a closed-loop cascade high-temperature heat pump (HTHP) cycle with a mechanical vapour recompression (MVR) cycle. The study is motivated by the need to decarbonise industrial processes, where fossil fuels are still used for process heat and steam generation. High-temperature heat pumps offer a promising solution for electrifying process heat production by upgrading low-temperature waste heat into usable process steam with high efficiency.

An Excel-based calculation tool using Visual Basic for Applications (VBA) macros was developed to model and analyse the system. Six different refrigerants, including five hydrocarbons and one synthetic refrigerant, are analysed under various operating conditions. The study focuses on system performance through the comparison of Coefficient of Performance (COP) values and the distribution of temperature lift between the HTHP and MVR cycles. The results indicate that cyclopentane achieves higher COP values than the other investigated refrigerants, while also enabling high condensation temperatures due to its high critical temperature. A configuration using cyclopentane as the working fluid in the high-temperature cascade cycle and butane as the low-temperature cycle working fluid offers good COP while keeping the cycle design feasible.

Tämä diplomityö tutkii höyryä tuottavan kuumalämpöpumpun (SGHP) suorituskykyä. Lämpöpumppujärjestelmä koostuu suljetun piirin kaskadilämpöpumpusta (HTHP) sekä mekaanisesta höyryn uudelleenpuristuspiiristä (MVR). Tutkimuksen taustalla vaikuttaa tarve teollisuuden prosessien hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle, joissa fossiilisia polttoaineita käytetään yhä prosessilämmön ja -höyryn tuotannossa. Lämpöpumput tarjoavat lupaavan ratkaisun prosessien sähköistämiselle hyödyntämällä matalalämpöistä hukkalämpöä tehokkaasti prosessihöyryn tuottamiseksi.

Järjestelmän mallinnusta ja analysointia varten kehitettiin Excel-pohjainen laskentatyökalu, joka hyödyntää Visual Basic for Applications (VBA) -makroja. Tutkimuksessa analysoidaan kuutta eri kylmäainetta, joista viisi on hiilivetyjä ja yksi synteettinen kylmäaine. Tarkastelun keskiössä on systeemin suorituskyvyn analysointi COP-arvoa vertailemalla, sekä lämpötilannousun jakautuminen kuumalämpöpumpun sekä höyryn puristuspiirin välillä. Tulokset osoittavat, että syklopentaani saavuttaa korkeammat COP-arvot verrattuna muihin tutkittuihin kylmäaineiseen, mahdollistaen myös korkean lauhtumislämpötilan, johtuen sen korkeasta kriittisestä lämpötilasta. Systeemi, jossa käytetään syklopentaania kaskadipiirin korkean lämpötilapiirin kylmäaineena ja butaania matalan lämpötilapiirin kylmäaineena tarjoaa hyvät COP-arvot samalla mahdollistaen myös järjestelmän teknisen toteutettavuuden.