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Zweistufige Wärmepumpe mit ölfreien Turbokompressoren
Motivation
- Die Kombination von mehrstufigen Wärmepumpenzyklen mit kleinen ölfreien Turbokompressoren sind vielversprechend, um die Leistung in privaten und gewerblichen Wärmepumpen zu erhöhen.
- Die Turbokompressoren sind für R134a optimiert und rotieren auf einer Gaslagerung.
- In diesem Projekt wird ein neuartiges zweistufiges Wärmepumpensystem mit zwei Wärmequellen bei zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus unter Verwendung von zwei separaten Turbokompressoren entwickelt.
- Das Wärmepumpensystem ermöglicht die Integration von nicht genutzten Wärmequellen, z.B. Solarthermie oder Abwärme aus der Wärmeerzeugung von industriellen Prozessen, mit einem minimalen Verlust von Exergie.
Ziele
- Das Ziel dieser Studie ist es theoretisch die Leistung dieses Wärmepumpenzyklus anhand eines Systemmodells in der Software EES zu evaluieren.
Erkenntnisse
- Beim Auslegungspunkt erzeugt die Wärmepumpe heißes Wasser von 55 °C mit einer Heizleistung von 6.5 kW. Die erste Wärmequelle ist eine Sole von 5 °C und die zweite Wärmequelle Wasser von 30 °C. Bis zu 30% der gesamten Kondensatorwärmeleistung wird über die zweite Wärmequelle eingespeist.
- Simulationsergebnisse zeigen, dass sich der Leistungskoeffizient (COP) um 20% bis 30% verbessert. Dies ist abhängig von den Temperaturniveaus der Wärmequellen und der Leistung der zweiten Wärmequelle.
- Der COP steigt mit höheren Quellentemperaturen, höherer Wärmequellenleistung und niedriger Vorlauftemperatur.
- Die benötigten Druckverhältnisse der Turbokompressoren werden durch die auferlegten Temperaturniveaus definiert.
- Die Massenströme des Kältemittels in der ersten Stufe wird im Wesentlichen durch die zweite Wärmequellenleistung bestimmt, und in der zweiten Stufe durch die Wärmeleistung des Kondensators.
Publikation
Javed A., Arpagaus C., Bertsch S.S., Schiffmann, J.: Small-scale turbocompressors for wide-range operation with large tip-clearances for a two-stage heat pump concept, International Journal of Refrigeration, 2016, 69, 285–302