Experimental and theoretical analysis of high-temperature cascade heat pump

Abstract

Denne masteroppgaven beskriver den teoretiske og eksperimentelle utviklingen av en kaskade varmepumpe med høy temperatur. Industrielle prosesser har et betydelig varmebehov. Ved å gjenvinne spillvarmen fra industrielle prosesser, er det mulig å øke energieffektiviteten og redusere CO2 utslipp. Å bruke høytemperatur varmepumper som er mere kostnadseffektive og miljøvennlige, sammenlignet med kjeler og kjøletårn. For å utføre eksperimenter, er det brukt en 20kW prototype varmepumpe med konstant volumetrisk virkningsgrad for kompressoren, som er blitt studert og brukt som referanse for beregningene. Varmepumpen bruker butan og propan som arbeidsmedium, som er naturlige arbeidsmedier med null ozonnedbrytning og har ett ubetydelig globalt oppvarmingspotensiale, for henholdsvis høy temperatur og lav temperatur kretsen av HTHP. For å gjennomføre ytterligere undersøkelser, ble den teoretiske modellen implementert i programmet Dymola og resultatene ble validert med de eksperimentelle dataene. Systemet ble deretter isolert med 25 mm HT/Armaflex HT-25X035 isolasjon. Resultatene fra simuleringen indikerte at ved å legge på isolasjon, så vil varmepumpens energibehov reduseres, utløpstrykket og -temperaturen for kompressoren øke. Deretter ble driftsparametere som kompressorens utløpstemperatur og -trykk, massestrømningshastighet på vannside av kondensator, innløps- og utløpstemperatur for kondensator, varmepumpens COP og kondensatorvarme, undersøkt under forskjellige isolasjonsforhold som fullt isolert, ikke-isolert og delvis isolert. Til slutt, for å øke varmeavgivelsen, har det gjennomført noen variasjoner for vannmengde gjennom kondensator, vannets innløpstemperatur i kondensator og kompressorens varmetap. Resultatene viser at mens vannmengden og COP er direkte proporsjonal med hverandre, så er vannmengden gjennom kondensator og kompressorens utløpsstemperaturtrender motstridende. Ved å øke kompressorens varmetap i beregningen, så vil utløpstemperaturen fra kondensatoren og kondensatortrykket øke. Dette kan gjøres ved å ha en aktiv kjøling av kompressoren.

This master thesis describes the theoretical and experimental development of a cascade high-temperature heat pump. Industrial processes have significant heat demand. By recovering the waste heat of industries, it is possible to increase energy efficiency and reduce the CO2 emissions. Using HTTPs is more cost-effective and environmentally friendly compare with boilers and cooling towers. To conduct experiments, a 20kW heating capacity cascade heat pump with a constant volumetric efficiency compressor that can recover waste heat as low as 30 °C has been studied. The heat pump is using butane and propane, natural working fluids with zero ozone depletion potential and negligible global warming potential, were used as the refrigerant for high temperature and low temperature cycle of the HTHP, respectively. To propose further investigation, the theoretical model was implemented by Dynamic modelling laboratory (Dymola), and its results were validated with the experimental ones. For the next step, system was insulated by 25 mm HT/Armaflex HT-25X035 insulation. The results from the simulation indicated that by adding insulation, the heat pump energy demand will reduce, discharge pressure and temperature of the system’s compressor will increase. Moreover, operating parameters such as the compressor discharge temperature and pressure, mass flow rate, heat sink inlet and outlet temperature, heat pump COP, and output heat were investigated in different insulation conditions like fully insulated, non-insulated, and partially insulated. Finally, to increase the heat delivery, some modifications have been done on water mass flow rate, heat sink inlet temperature, and compressor’s heat loss. The results showed that while water mass flow rate and COP are directly proportional to one other, the water mass flow rate and compressor’s discharge temperature trends are contradictory. By increasing the heat loss of the compressor, the heat sink outlet temperature and the condenser pressure will increase.