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Impact of the Regulation Strategy on the Transient Behavior of a Brayton Heat Pump

Pettinari, Matteo und Frate, Guido Francesco und Tran, A. Phong und Oehler, Johannes und Stathopoulos, Panagiotis und Kyprianidis, Konstantinos und Ferrari, Lorenzo (2024) Impact of the Regulation Strategy on the Transient Behavior of a Brayton Heat Pump. Energies, 17 (5), Seite 1020. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/en17051020. ISSN 1996-1073.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/17/5/1020

Kurzfassung

High-temperature heat pumps are a key technology for enabling the complete integration of renewables into the power grid. Although these systems may come with several variants, Brayton heat pumps are gaining more and more interest because of the higher heat sink temperatures and the potential to leverage already existing components in the industry. Because these systems utilize renewable electricity to supply high-temperature heat, they are particularly suited for industry or energy storage applications, thus prompting the development of various demonstration plants to evaluate their performance and flexibility. Adapting to varying load conditions and swiftly responding to load adjustments represent crucial aspects for advancing such systems. In this context, this study delves into assessing the transient capabilities of Brayton heat pumps during thermal load management. A transient model of an emerging prototype is presented, comprising thermal and volume dynamics of the components. Furthermore, two reference scenarios are examined to assess the transient performance of the system, namely a thermal load alteration due to an abrupt change in the desired heat sink temperature and, secondly, to a sudden variation in the sink mass flow rate. Finally, two control methodologies - motor/compressor speed variation and fluid inventory control - are analyzed in the latter scenario, and a comparative analysis of their effectiveness is discussed. Results indicate that varying the compressor speed allows for a response time in the 8-20 min range for heat sink temperature regulation (first scenario). However, the regulation time is conditioned by the maximum thermal stress sustained by the heat exchangers. In the latter scenario, regulating the compressor speed shows a faster response time than the inventory control (2-5 min vs. 15 min). However, the inventory approach provides higher COPs in part-load conditions and better stability during the transient phase.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204116/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Impact of the Regulation Strategy on the Transient Behavior of a Brayton Heat Pump
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Pettinari, Matteomatteo.pettinari (at) phd.unipi.itNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Frate, Guido Francescoguido.frate (at) unipi.itNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tran, A. PhongPhong.Tran (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3365-5500NICHT SPEZIFIZIERT
Oehler, JohannesJohannes.Oehler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-6226-5328NICHT SPEZIFIZIERT
Stathopoulos, PanagiotisPanagiotis.Stathopoulos (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kyprianidis, KonstantinosNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ferrari, Lorenzolorenzo.ferrari (at) unipi.itNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:21 Februar 2024
Erschienen in:Energies
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:17
DOI:10.3390/en17051020
Seitenbereich:Seite 1020
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Sarbu, IoanNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
ISSN:1996-1073
Status:veröffentlicht
Stichwörter:high-temperature heat pump; Brayton heat pump; dynamic modeling; transient simulation; control system
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Thermische Hochtemperaturtechnologien
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Dekarbonisierte Industrieprozesse
Standort: Cottbus
Institute & Einrichtungen:Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Hochtemperaturwärmepumpen
Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Simulation und Virtuelles Design
Hinterlegt von: Tran, A. Phong
Hinterlegt am:11 Jun 2024 12:42
Letzte Änderung:11 Jun 2024 12:42

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