Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

Throttling-free, ejector-based CO2 heat pump

Alternativ tittel: Gjenvinning av trykktap i CO2 varmepumpe

Tildelt: kr 4,5 mill.

Prosjektnummer:

309314

Prosjektperiode:

2020 - 2023

Midlene er mottatt fra:

Organisasjon:

Prosjektet ble gjennomført i samarbeide mellom Winns, Sintef og NTNU med støtte fra Forskningsrådet. Syntetiske kuldemedier som i dag brukes i nesten alle varmepumper er svært potente klimagasser med et klimaavtrykk som er 1500 – 4000 ganger høyere enn CO2. Bedre lekkasjekontroll og utfasing av syntetiske kuldemedier samt overgang til naturlige kuldemedier vil ifølge FN kunne redusere fremtidig global oppvarming med inntil 0,5°C frem mot 2050. EU har innført strenge krav om utfasing av syntetiske kuldemedier og gjennomføringen er allerede kommet langt. En overgang til bruk av naturlige kuldemedier tvinger seg fram. CO2 er et ypperlig naturlig forekommende kuldemedium med 1500 til 4000 ganger lavere klimabelastning enn de syntetiske mediene som er i bruk i dag. Når vannet eller luften som skal varmes opp har en lav inngående temperatur, så oppnår en varmepumpe som bruker CO2 som kuldemedium en svært god energieffektivitet (lavt strømforbruk ift. produsert varme). Ved inngående temperatur over 30°C faller energieffektiviteten relativt fort. I mange varmeanlegg er returtemperaturen 35°C - 40°C. Det er derfor svært interessant å forbedre ytelsen til CO2 varmepumper i dette returtemperaturområdet. Med en ejektor implementert i en varmepumpe er det mulig å øke sugetrykket inn på kompressor og redusere strømforbruket. Et av hovedmålene i prosjektet var utviklingen av en dedikert ejektor for CO2 varmepumper der returtemperaturen fra varmeanlegg er 35°C - 40°C. Dessuten bør ejektoren være så enkel og rimelig som mulig. For å oppnå en lavest mulig kost på ejektoren ble den så langt det lot seg gjøre bygd opp av opp av standardkomponenter. SINTEF har i samarbeide med NTNU og Winns videreutviklet sine eksisterende numeriske modeller for dimensjonering av ejektorer, samt undersøkt strømningsforholdene i en ejektor med variabel geometri og utviklet en tilhørende kontroller. Testing av ejektoren viste at sugetrykket på kompressoren kunne økes med inntil 6bar noe som gir en reduksjon i strømforbruk på i størrelsesorden 14%. Størst økning av sugetrykket ble oppnådd ved 100% systemytelse. Da mange varmepumper går på dellast store deler av året var det interessant å få testet dellastytelse på den regulerbare ejektoren. Ejektoren lot seg greit regulere ned til 50%, men nedregulert ble det observert et markert fall i ytelse. For å maksimer effekten av ejektor i varmepumper med regulerbar ytelse bør det derfor vurderes flere ejektorer i parallell hvor hver ejektor dimensjoneres for forskjellig ytelse tilpasset driftsforholdene. En annen hovedaktivitet i prosjektet var eksperimentell testing av fordampere for å hente ut varme fra gråvann og å teste forskjellige fordampergeometrier i kombinasjon med ejektor. Gråvann til avløp holder ofte 20 - 30°C og er termisk sett en svært god varmekilde for en varmepumpe. Den største ulempen med gråvann er diverse forurensning. Det ble testet en fylt fordamper (shell and coil) og en platevarmeveksler. Hovedfunnene her fra var at en shell & coil/ fylt fordamper utkonkurrerer en plateveksler i ytelse, men på bekostning av høyt trykkfall i coilen og økt strømforbruk på pumpe, videre må tanken dimensjoneres for et høyt trykk og CO2-fyllingen i anlegget blir høy. Høyt trykkfall og turbulent strømning i coilen gjør imidlertid at denne løsningen er mindre utsatt for påbygging fra forurensning i gråvannet enn en platevarmveksler. En kombinert løsning hvor vannet først ble kjølt ned i shell & coil fordamperen og så videre kjølt ned i platefordamperen ble også testet. Ejektoren ble benyttet for å heve trykket på gassen ut fra plateveksleren. Ejektoren havnet da i et dårlig ytelsesområde og ikke overraskende ble det ikke oppnådd noe bedre ytelse med en totrinnsløsning. Oljeretur fra en shell & coil/ fylt fordamper kan være et problem da det ikke eksisterer noen drivende trykkdifferanse for å føre oljen tilbake. En primitiv ejektor som skulle sikre oljeretur ble bygd sammen av rørdeler. Den viste seg å gjøre jobben godt og det ble ikke observert problemer med oljeretur til kompressor. Gjennomføringen av prosjektet har gitt deltagerne økt prosessforståelse og læring fra prosjektet er allerede implementert i varmepumper bygd av Winns.

Mad basis i læring fra prosjektet har Winns designet, bygget og idriftsatt en CO2 varmepumpe med gråvann som varmekilde. Selskapet har de seinere årene også utviklet kjøleuniter, chillere og varmepumper for offshore. Det tette samarbeidet med Sintef/ NTNU forskningsmiljø har gitt viktige bidrag til å etablere Winns som en ledende leverandør til offshoremarkedet.

The underlying idea of the innovation is realization of a CO2 ejector heat pump cycle where the isenthalpic throttling in expansion devices would be entirely replaced with expansion work recovery in ejectors. The innovative CO2 heat pump ejector cycle would contain 2 main ejector modules: + High-pressure refrigerant ejector, aimed at maintaining the requested compressor discharge pressure in the system, + Low-pressure refrigerant ejector, aimed at circulating the evaporating refrigerant through evaporator, + Use the said low pressure ejector to intermittently return compressor oil to MT receiver where it can be easily separated and returned to the compressor in a conventional way. The innovation is intended to minimize the unnecessary loss of expansion work available in the cycle and thus to elevate the overall energy performance of transcritical CO2 heat pumps, especially for higher return water temperatures. Moreover, by applying ejectors to enforce the circulation of both refrigerant and oil, several other issues will be addressed, namely: + Reduction of compression ratio of compressors. + Flooded evaporators. + Effective and reliable oil management system. The anticipated results of the project will comprise (i) upgraded simulation tools for refrigerant-oil mixture flows in heat pump and refrigeration installations, (ii) a line of newly developed and validated components (ejectors, separation/accumulation tanks, heat exchangers) for throttling-free CO2 transcritical cycles, (iii) a demo CO2 heat pump unit developed, manufactured and tested in both laboratory and field conditions. The project owner is Winns AS. In addition to administration duties Winns will contribute throughout the project with knowledge from years of designing, building and operating CO2 heat-pumps as well as experimental testing and field testing. SINTEF ER together with NTNU will lead and perform the research and development activities in the project in close cooperation with Winns.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi