Concept design and basic engineering of a reversible heat pump test rig

Abstract

[EN] As part of the Geothermal-Alliance Bavaria research association, the Chair of energy system at Technical University of Munich is going to construct a test rig to study the viability of a reversible heat pump for geothermal applications. The test rig will operate with external cooling and heating circuits simulating the heat source and the district heating network, and a reversible twin-screw compressor able to operate in expansion mode to generate electricity when there is no heat demand. This thesis presents the basic engineering design based on previous work developed at the Chair, including a detailed piping and instrumentation diagram. Considering Matlab simulation results, the test rig is designed to withstand pressures up to 20 bar and temperatures up to 140°C, the maximum heat load in heat pump mode is 135kW and the maximum electrical power generated in ORC mode is 18kW. The main components of the test rig are sized based on design conditions and technical specifications in order to select the most suitable equipment available in the market within dimension and cost constraints.

[ES] En esta tesis se perfeccionará un concepto preliminar para un banco de pruebas de bomba de calor reversible y se ampliará con todos los componentes necesarios para una operación segura y eficiente. Adicionalmente, la ingeniería básica de todos los componentes principales debe llevarse a cabo hasta un punto que permita obtener cotizaciones de proveedores. Para conseguir el objetivo es necesaria una investigación exhaustiva de la literatura sobre los procesos generales, aspectos operativos y peligros potenciales del ciclo orgánico de Rankine y la bomba de calor de compresión de vapor. Además, el concepto preliminar actual y los aspectos constructivos de los bancos de prueba construidos previamente (especialmente en la Cátedra de Sistemas de Energía de la TUM) deben ser estudiadas con detalle. El concepto actual debe evaluarse sistemáticamente según los resultados de la simulación creada en MATLAB para detectar peligros de seguridad y otras deficiencias que dificulten una operación segura y eficiente. En base a los resultados de la evaluación, se debe crear el P&ID del banco de pruebas, incluidos todos los componentes principales y mediciones. A continuación, se debe determinar el tamaño y la ingeniería básica de dichos componentes hasta el punto que permita la construcción del banco de pruebas.