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Thermal Load Control in High-Temperature Heat Pumps: A Comparative Study

Pettinari, Matteo und Frate, Guido Francesco und Ferrari, Lorenzo und Yücel, Fatma Cansu und Tran, A. Phong und Stathopoulos, Panagiotis und Kyprianidis, Konstantinos (2024) Thermal Load Control in High-Temperature Heat Pumps: A Comparative Study. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 147 (5). American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4066706. ISSN 0742-4795.

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Kurzfassung

High-temperature heat pumps (HTHPs) are becoming increasingly relevant in the industry as they represent a promising solution for decarbonizing industrial heat. These technologies can enable the electrification of industrial processes by exploiting electricity from renewables to provide process heat at temperatures above 250 °C, as in the case of emerging Brayton-based HTHPs. To succeed in this purpose, HTHPs must also ensure operational flexibility, which entails the ability to operate safely under varying loads and promptly respond to fluctuations in demand, while maintaining high efficiencies. Moreover, the ability to provide large flexible electric loads to transmission system operators has the potential to unlock innovative business cases and further promote the use of these systems. Common control strategies for achieving this include employing bypass mechanisms, fluid inventory control, and adjusting turbomachinery rotational speeds. Despite their variety, the simultaneous use of such control strategies is often limited as they may lead to significantly different system behaviors, both in terms of transient and steady performance. In this paper, rotational speed and fluid inventory control are examined from a transient perspective to maintain the desired sink temperature while regulating the thermal load of a novel Brayton-based HTHP. A comprehensive dynamic model of the system is proposed and leveraged to numerically test the two control approaches, aiming to provide insights for forthcoming experimental investigation. Results indicate that rotational speed control leads to negligible sink temperature residuals, while fluid inventory control better preserves the HTHP performances for varying temperature glides.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/209111/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Thermal Load Control in High-Temperature Heat Pumps: A Comparative Study
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
Ferrari, Lorenzolorenzo.ferrari (at) unipi.itNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yücel, Fatma Cansufatma.yuecel (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tran, A. PhongPhong.Tran (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3365-5500NICHT SPEZIFIZIERT
Stathopoulos, PanagiotisPanagiotis.Stathopoulos (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kyprianidis, KonstantinosMälardalen University, Swedenhttps://orcid.org/0000-0002-8466-356XNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:14 November 2024
Erschienen in:Journal of Engineering for Gas Turbines and Power
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:147
DOI:10.1115/1.4066706
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0742-4795
Status:veröffentlicht
Stichwörter:high-temperature heat pump, reverse Brayton cycle, dynamic modeling, control system, inventory control
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
Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Hochtemperaturwärmepumpen
Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Simulation und Virtuelles Design
Hinterlegt von: Tran, A. Phong
Hinterlegt am:25 Nov 2024 09:29
Letzte Änderung:25 Nov 2024 09:29

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