Experimental investigation of injection cooling for water as the working fluid of high temperature heat pumps and theoretical study of industrial drying processes

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Weiterentwicklung industrieller Hochtemperatur Wärmepumpen, mit der Absicht die Wärmeabgabetemperatur zu steigern und den Anwendungsbereich, insbesondere in Bezug auf die industrielle Trocknung, zu erweitern. Trocknungsprozesse sind in hohem Maß energieintensiv und zählen in verschiedenen Industriezweigen zu den wichtigsten Prozessschritten. Rund 85% aller Trocknungsprozesse werden mit fossil befeuerten konvektiven Ablufttrocknern betrieben. Die Wärmerückgewinnung aus der Abluft unter Verwendung von Hochtemperatur Wärmepumpen bietet sich als Substitut der fossilen Energiebereitstellung an. Da der Verdichter sowie das Arbeitsmedium die zentrale Rolle, im Zusammenhang mit erhöhten Temperaturen, einnehmen, wurde der Fokus auf diese beiden Komponenten der Wärmepumpe gelegt. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasser als Kältemittel hohe Verdichterendtemperaturen verursacht, jedoch für höhere Wärmequellentemperaturen und in der zweiten Stufe eines Kaskadenzyklus gut geeignet ist. Direkte Zylindereinspritzung bietet Möglichkeiten, die hohe thermische Belastung zu reduzieren, erhöht aber auch die Gefahr von Wasserschlag. Ein Einspritzsystem wurde entwickelt und erfolgreich getestet. In einem weiteren Versuchsaufbau wurde ein vorhandener Kolbenverdichterprüfstand adaptiert und mit dem Einspritzsystem betrieben. Ein Temperaturabfall des verdichteten Arbeitsmediums konnte erreicht werden. Der betrachtete Kompressor erwies sich als weitgehend unempfindlich gegenüber Flüssigkeiten im Zylinderraum. Um das Trocknungsverhalten von Tonziegeln in einem Kammertrockner zu untersuchen, wurde eine offene und leicht erweiterbare Trocknungsbibliothek entwickelt. Die Modellierungsansätze und daraus resultierenden mathematischen Formulierungen wurden in der Modellierungssprache Modelica implementiert und anhand von Messdaten aus Trocknungsexperimenten validiert. Alle wesentlichen Eigenschaften und Prozesse wurden mit ausreichender Genauigkeit reproduziert. Die Bibliothek bildet die Grundlage, für die Untersuchung von Trocknungsprozessen in Verbindung mit Hochtemperatur Wärmepumpen zur Energiebereitstellung, um Aussagen zur Prozessqualität treffen und den Anwendungsbereich erweitern zu können.

This work is intended to investigate and advance industrial high temperature heat pumps in order to increase the supply temperature and to expand the field of application, especially in concern of industrial drying processes. Drying processes are energy-intensive and the most important process steps in various branches of industry. About 85% of all drying processes are operated by fossil-fired, convective exhaust air dryers. The use of high temperature heat pumps recovering thermal energy from the exhaust air offers opportunities as a substitute for fossil energy supply. Since the compressor and the working fluid play the central roles in concern of elevated temperatures, the focus was on these two components as parts of high temperature heat pumps. General theoretical investigations have shown that water as refrigerant causes high compressor discharge temperatures but suits well for higher heat source temperatures and in the second stage of a cascaded heat pump cycle. Direct injection cooling offers chances to reduce the elevated thermal loads but also increases the risk of hydrolock. An injection system was developed and tested successfully. As a subsequent experimental step, an existing reciprocating compressor test bench was adapted and operated with the injection system. A certain temperature decrease of the discharged vapour could be achieved. The considered compressor was rather insensitive to liquid drops in the cylinder space. In order to investigate the drying behaviour of clay bricks in a chamber dryer, an open and easily expandable drying library has been developed. The modelling approaches and the descriptive mathematical formulations were implemented in the modelling language Modelica and validated using measurement data from drying tests performed on a small-scale laboratory container. All the substantial properties and processes were reproduced with sufficient accuracy. The models are forming the basis to investigate drying processes in conjunction with the energy supply by high temperature heat pumps, to assess the process quality, and to extend their field of application.