Theoretical study of thermally driven heat pumps based on double organic rankine cycle : Working fluid comparison and off-design simulation

Part of: Thermally driven heat pumps for heating and cooling. – Ed.: Annett Kühn – Berlin: Universitätsverlag der TU Berlin, 2013 ISBN 978-3-7983-2686-6 (print) ISBN 978-3-7983-2596-8 (online) urn:nbn:de:kobv:83-opus4-39458 [http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:83-opus4-39458]This study deals with a type of thermally driven heat pumps that consists of a reverse Rankine heat pump cycle, the compressor of which is driven by the turbine of a supercritical Organic Rankine Cycle (ORC). The application is residential heating (domestic hot water and floor heating) of small buildings requiring a cumulated thermal power of approximately 40 kW. An approach that enables the comparison of performance that can be expected with different working fluids is presented. It appears that R134a, R1234yf, R227ea and R236fa are among the best candidates. An off-design simulation tool of such thermally driven heat pumps has been implemented that includes both turbine and compressor off-design models. This thermally driven heat pump model has been used to predict the performance of an existing experimental prototype about to be tested

Optimal process design for thermochemical biofuel production plants

Transport applications are a major global source of greenhouse gas emissions and the production of fuels that are renewable and neutral in CO2 is an important issue in chemical process research and development. Contrary to the biological routes that produce bioethanol and -diesel on industrial scale through fermentation or esterification, 2nd generation biofuels obtained through thermochemical processing of lignocellulosic and waste biomass by means of gasification and fuel reforming are expected to be truly sustainable since high conversion efficiencies and a decidedly positive environmental balance are achieved. The poster addresses the optimal design of such thermochemical fuel production processes with respect to its environomic (energetic, economic and environmental) performance. Thereby, the challenge is to develop design methodologies that allow the identification of the most promising conversion routes in a specific environmental and economical context. Thermo-economic process modelling and integration techniques are coupled with a multi-objective optimisation algorithm to target the best process technology and operating conditions for the trigeneration of fuels, heat and power. The approach is demonstrated on the production of synthetic natural gas from wood considering different gasification technologies and the possibility to increase the fuel yield from biomass and electrical power by integrating an electrolyser in the system

Réfrigérants: le retour de flamme.

En découvrant les CFC, on avait cru trouver la panacée. Or, aujourd’hui, les chlorofluorocarbures sont sur le banc des accusés pour tentative d’assassinat. Les victimes: l’ozone et la température actuelle de la planète. L’arrêt de mort est déjà signé, mais l’exécution des coupables s’accomplit dans la douleur. La mutation technologique qu’impose la disparition des CFC se présente en effet dans un climat lourd d’incertitudes. (Red.) La maîtrise du froid artificiel, c’est-à-dire la capacité de “pomper” de l’énergie thermique d’un bas niveau de température à un niveau supérieur, atmosphérique par exemple, est relativement récente, puisque sa mise en oeuvre industrielle date de la deuxième moitié du siècle passé

Pour une meilleure conception des systèmes énergétiques

L’Institut des sciences de l’énergie (ISE) est un institut pluri-disciplinaire, fondé en 2001 dans le cadre de la réorganisation de l’EPFL. L’ISE fait partie de la faculté des sciences et techniques de l’ingénieur qui regroupe les anciens départements de génie mécanique, de microtechnique, d’électricité et des matériaux. L’ISE est constitué de neuf laboratoires (120 personnes) couvrant les domaines allant de l’électricité de puissance aux sciences des fluides et de la thermique, sans oublier les approches systémiques des systèmes énergétiques. Le financement de l’institut est actuellement assuré à raison de près de 38% par des fonds externes. Ce regroupement au sein de l’ISE de laboratoires reconnus dans leur domaine d’activité propre offre l’opportunité d’accroître leur visibilité auprès de la communauté préoccupée des enjeux énergétiques actuels. L’ISE permet d’abord des thématiques de recherches à composantes pluri-disciplinaires et holistiques tout en développant des méthodologies communes dans les domaines de l’expérimentation, de la simulation numérique ou de la modélisation. Les synergies mises en œuvre permettent d’offrir une réponse intégrée sur les plans méthodologiques et technologiques d’une part, aux besoins académiques et scientifiques de la Faculté des sciences de l’ingénieur et d’autre part, aux demandes des partenaires industriels actifs dans le secteur de l’énergie. Enfin, l’ISE offre une assise plus favorable à la participation de ses laboratoires dans les grands programmes internationaux de R&D

20 ans de contribution du LENI-EPFL à la recherche sur les pompes à chaleur

Throughout the years LENI-EPFL spent a significant part of its research activities on heat pumps be it for industrial heat recovery or for domestic or district heating and cooling. Methodological contributions include the improvement of the formulation of the exergy efficiency indicators, including for a cantonal law on energy and in the energy integration techniques for industrial processes. Novel, socalled environomic, mono- and multi-objective optimisation analyses of large integrated systems with heat pumps, including for tri-generation have been published. LENI also contributed to a novel physically based correlation for tubular boiling of various refrigerants that received an international award. The main technological innovations include major contributions to scroll compressors with intermediate vapor injection, two-stage domestic heat pumps and small high speed radial compressors on self-acting refrigerant vapor bearings with direct thermal or electric drives. New concepts of district heating and cooling systems with centralized and decentralized heat pumps have been proposed. Supercritical heat pumps cycles for novel electricity storage concepts have also been studied

Filières de conversion d'energie - partie 1, note de cours

En cette fin de siècle, nous sommes graduellement amenés à prendre conscience des limites de notre planète, tant en ce qui concerne ses ressources naturelles, que dans sa capacité d'absorption de nos rejets. Sur le plan régional, les problèmes liés à la pollution de l'air dans les zones de transit ou à population très dense et les difficultés d'acceptation de grands projets en matière de production d'énergie ou de stockage de déchets deviennent de plus en plus aigus. D'autres problèmes d'envergure beaucoup plus importante, liés à l'atteinte à la couche d'ozone atmosphérique, au réchauffement global de la planète (encore hypothétique), ou à la modification de l'albedo par accroissement des particules en suspension dans l'atmosphère, sont autant d'incitations à une approche à plus long terme visant à "avoir plus (d'énergie utile) pour nos rejets". Or les besoins de chauffage domestique et industriel représentent toujours la majeure partie de l'énergie primaire consommée dans la plupart des pays industrialisés et notamment en Europe. Dans ce cadre-là, il est bon de rappeler que les pompes à chaleur appliquées à des fins de chauffage (thermopompes) représentent la seule voie technologique qui nous permette d'obtenir plus d'énergie utile que nous n'en consommons sous forme primaire (fig. 1 et 2). Ces figures mettent particulièrement en évidence les avantages potentiels d'un mode de chauffage, dit thermodynamique, en vertu duquel une centrale chaleur-force fournit d'une part sa chaleur résiduelle à un réseau de chauffage à distance, et d'autre part alimente en électricité des pompes à chaleur décentralisées (réf.1). Le même objectif de base, à savoir de "pomper" de l'énergie chaleur d'un niveau de température inférieur à un niveau de température supérieur caractérise les domaines de la réfrigération, de la climatisation et de la cryogénie qui représentent néanmoins une part croissante de la consommation d'énergie. L'objectif de ce cours est essentiellement de familiariser l'étudiant avec les équipements et les méthodes de conception de systèmes appliquant des pompes à chaleur au sens large du terme (cycles générateurs) et de mettre en évidence les nombreuses possibilités d'expansion de ces techniques

Experimental investigation of a two-stage oil-free domestic Air/Water heat pump prototype powered by an oil-free high-speed twin-stage radial compressor rotating on gas bearings

Domestic heat pumps have been identified as a key-technology to decrease the energy consumption of the domestic sector, which represents 29% of the world final energy consumption. Space & water heating represent more than two third of the domestic sector energy consumption in many countries. Next generation domestic heat pumps powered by oil-free high-speed radial compressors are expected to (a) be more efficient at rating operating points and in partial loads, (b) to match better the energy demand characteristics, (c) to be more compact and lighter, (d) more silent, and (e) to need lower refrigerant charges. As a first step towards the development of such advanced heat pumps, an oil-free twin-stage Air/Water domestic heat pump prototype powered by an oil-free high-speed twin-stage radial compressor has been developed and tested. The heat pump layout corresponds to a two-stage heat pump cycle with an open economizer. The two main functions of the economizer are (a) to separate the liquid from the gas before the second stage compressor inlet and offer a proper mixing process, and (b) to store the liquid refrigerant not located in the heat exchangers at a given time. This key-component has been coupled with the compression unit and improved through incremental experimental steps. The heat pump driven by an oil-free twin-stage radial compressor has been successfully tested at the rating operating point A-7/W35. The performance reached with the prototype is considered very promising and constitutes a breakthrough in the domain. This article describes the experimental setup, the Operating Point (OP) A-7/W35, the methodology applied for data analysis, followed by the results. The issues limiting the performance of the prototype are also identified and briefly documented