Experimental Characterisation of a High-Temperature Heat Pump with Ejector

Abstract

Wärmepumpen bieten eine äußerst effiziente und umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Kohle und Gas, indem sie Umgebungswärme aus Luft, Wasser oder Boden unter minimalem Einsatz von Strom nutzen. Jedoch tritt bei herkömmlichen Expansionsventilen in Wärmepumpen ein irreversibler Verlustprozess auf. Der Ejektor ist ein innovatives Bauteil, das in den Kältekreislauf eingefügt werden kann, um diese Verluste signifikant zu verringern und die Effizienz der Wärmepumpen im Vergleich zu konventionellen Systemen um bis zu 27% zu steigern.Üblicherweise ist der Ejektor ein starres Bauteil ohne bewegliche Teile, das aus drei Öffnungen besteht – einer Saugdüse, einer Antriebsdüse und einem Auslass. Der Hochdruckantriebsstrom induziert einen Saugstrom von der Niederdruckseite, was zu einem höheren Druck am Auslass des Ejektors beziehungsweise am Einlass des Verdichters führt und den elektrischen Strombedarf des Verdichters reduziert.Im Rahmen des Forschungsprojekts "ETHP – Ejektortechnologie für Wärmepumpen" wurde eine industrielle Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Ejektor entwickelt. Das System wurde für eine Quellentemperatur von etwa 45°C und eine Senketemperatur von rund 130°C optimiert, mit einem simulierten Leistungskoeffizienten von 2.04 und einer Heizleistung von etwa 60 kW. Die Wärmepumpe und der Ejektor wurden hergestellt und im Betrieb getestet.Diese Diplomarbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit dem experimentellen Teil des ETHP-Projekts, insbesondere mit der Sensorik und dem Messsystem zur Datenerfassung und -analyse. Über 30 Messsensoren wurden in den Kältekreis eingebaut, um Druck-, Temperatur- und Massenstromwerte an verschiedenen Stellen zu ermitteln. Ein Schaltschrank wurde konstruiert, um die Messsensoren mit einem Computer zu verbinden. Die Messdaten wurden sowohl in Echtzeit als auch nachträglich ausgewertet und mit einem besonderen Fokus auf den Einfluss des Ejektors visualisiert.Während der Messungen traten mehrere Herausforderungen auf, wie ein zu geringer Kältemittelmassenstrom, mangelnde Unterkühlung und hohe Wärmeverluste, die dazu führten, dass der Auslegungspunkt der Wärmepumpe noch nicht erreicht werden konnte. Diese Diplomarbeit liefert konkrete Adaptionsvorschläge für die nächsten Messungen und trägt durch die Analyse der experimentellen Daten zu einem verbesserten Verständnis industrieller Hochtemperaturwärmepumpen mit Ejektoren bei.

Heat pumps offer a highly efficient and environmentally-friendly alternative to fossil fuels like coal and gas by utilising ambient heat from air, water or ground with minimal use of electricity. However, in the expansion valves used in traditional heat pumps an irreversible dissipation process occurs. An innovative component inserted into the refrigeration circuit, the ejector, has the potential to decrease these losses significantly and improve the Coefficient of Performance of heat pumps by up to 27% in comparison to conventional systems.An ejector normally is a passive component without moving parts that consists of three openings – a suction nozzle, a motive nozzle and an outlet. The high-pressure motive flow induces a suction flow from the low-pressure side, resulting in a higher pressure at the compressor inlet. This process reduces the electrical power required for compressor operation.Within the research project “ETHP – Ejector Technology for Heat Pumps”, an industrial high-temperature heat pump featuring an ejector was designed. The system was optimised for a source temperature of approximately 45°C and a sink temperature of around 130°C with a simulated Coefficient of Performance of 2.04 and a heating capacity of about 60 kW. The heat pump and the ejector were manufactured and put into operation.This diploma thesis mostly deals with the experimental part of the ETHP project, primarily focusing on the sensor technology and the measurement system for data acquisition and data analysis. Over 30 measurement sensors were installed to gather data on pressure, temperature gradients, and refrigerant mass flow at various points within the refrigerant circuit. An electrical cabinet was designed to connect the measurement sensors to a computer. The collected data were analysed and visualised in real-time and during post-processing, focusing particularly on the impact of the ejector.Several challenges were encountered during the measurements, such as insufficient mass flow, a lack of subcooling, and high heat losses, which led to the design conditions of the heat pump not yet being reached. This diploma thesis provides crucial suggestions for improvements for the next measurements and contributes to an enhanced understanding of industrial high-temperature heat pumps with ejectors through the analysis of experimental data.