Методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов
Ключевые слова:
термоэкономическая модель, вакуумно-испарительный тепловой насос, потери эксергии, приведенные затратыАннотация
На базе автономного метода термоэкономической оптимизации термодинамических систем разработана методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов, использующих в качестве хладагента воду (R718). Эта методика позволяет при оптимизации конструкции и выборе экономичных режимов работы системы одновременно учитывать как термодинамические, так и экономические параметры. При решении задачи оптимизации в качестве целевой функции приняты приведенные затраты на создание и эксплуатацию системы в течение расчетного срока службы. Минимум приведенных затрат соответствует оптимальным характеристикам системы при сохранении её производительности. Разработка термоэкономической модели вакуумно-испарительного теплового насоса позволила представить целевую функцию в виде развернутых аналитических выражений, учитывающих взаимосвязь между всеми оптимизирующими параметрами системы. Численное решение задачи термоэкономической оптимизации режимно-конструктивных параметров вакуумно-испарительного теплового насоса, встроенного в систему охлаждения второго контура тепловых и атомных электростанций (ТЭС) и (АЭС), позволило найти оптимальные параметры системы, обеспечивающие условия достижения минимального уровня приведенных затрат. При этом расчетное значение приведенных затрат за 25 лет эксплуатации данного теплового насоса удалось снизить на 35 % за счет более рационального распределения энергетических потоков в нем. Аналитическое решение задачи оптимизации в виде системы уравнений частных производных от целевой функции приведенных затрат по всем оптимизирующим переменным пригодно для любого теплового насоса, работающего по рассматриваемой схеме и с подобным типом оборудования. Исследовано влияние вариативности тарифа на электроэнергию и продолжительности работы вакуумно-испарительного теплового насоса в году на экономический эффект от его термоэкономической оптимизации. Применение разработанной методики на практике должно способствовать снижению финансовых затрат на создание и эксплуатацию вакуумно-испарительных тепловых насосов, использующих в качестве хладагента воду, повышению их конкурентоспособности в сравнении с традиционными фреоновыми системами и способствовать созданию условий для их широкомасштабного внедрения.Библиографические ссылки
Li, Q., Piechna, J., & Müller, N. (2011). Numerical simulation of novel axial impeller patterns to compress water vapor as refrigerant. Energy, vol. 36, iss. 5, pp. 2773–2781. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.02.017
Šarevski, M. N. & Šarevski, V. N. (2016). Water (R718) turbo compressor and ejector refrigeration. Heat pump technology. Elsevier Ltd, 304 p. https://doi.org/10.1016/C2015-0-01782-8
Šarevski, M. N. & Šarevski, V. N. (2014). Preliminary study of a novel R718 refrigeration cycle with single stage centrifugal compressor and two-phase ejector. International Journal of Refrigeration, vol. 40, pp. 435–449. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.12.005
Patil, M. & Muller, N. (2013). Structural analysis of continuous fiber wound composite impellers of a multistage high-speed counter rotating axial compressor for compressing water vapor (R-718) as refrigerant using Finite Element Analysis. Materials and Design, vol. 50, pp. 683–693. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.03.004
Chamoun, M., Rulliere, R., Haberschill, P. & Berail, J. F. (2012). Dynamic model of an industrial heat pump using water as refrigerant. International Journal of Refrigeration, vol. 35, iss. 4, pp. 1080–1091. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.12.007
Chamoun, M., Rulliere, R., Haberschill, P., & Peureux, J-L. (2014). Experimental and numerical investigations of a new high temperature heat pump for industrial heat recovery using water as refrigerant. International Journal of Refrigeration, vol. 44, pp. 177–188. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.04.019
Dolinskiy, A. A. & Brodyanskiy, V. M. (Eds.) (1991). Eksergeticheskiye raschety tehnicheskikh sistem: sprav. posobiye [Exergy calculations of technical systems: Reference manual]. Kiyev: Naukova dumka, 361 p. (in Russian).
Protsenko, V. P. & Kovyilkin, N. A. (1985). Vybor optimalnykh temperaturnykh naporov v teploobmennikakh teplonasosnoy ustanovki [Selection of optimal temperature pressures in heat exchangers of a heat pump installation]. Kholodilnaya tekhnika – Refrigeration technique, no. 6, pp. 11–14 (in Russian).
Tribus, M. & Evans, R. B. (1962). The thermoeconomics of sea water conversion. UCLA Report, no 62-63, Aug., 241 p.
El-Sayed, Y. M., & Evans, R. B. (1970). Thermoeconomics and the design of heat systems. Journal of Engineering for Power, vol. 92, iss. 1, pp. 27–35. https://doi.org/10.1115/1.3445296
Onosovskiy, V. V. (1990). Modelirovaniye i optimizatsiya kholodilnykh ustanovok [Refrigeration plants modeling and optimization ]. Leningrad: LTIRI, 205 p. (in Russian).
Matsevityiy, Yu. M., Kharlampidi, D. Kh., Tarasova, V. A., & Kuznetsov, M. A. (2016). Termoekonomicheskaya diagnostika i optimizatsiya parokompressornyih termotransformatorov [Thermoeconomic diagnostics and optimization of vapor compression thermotransformers].Kharkov: ChP «Tekhnologicheskiy Tsentr», 160 p. (in Russian).
Kharlampidi, D. Kh., Tarasova, V. A., Kuznetsov, M. A., & Omelichkin, S. N. (2017). Analiz i sintez skhemno-tsiklovykh resheniy vakuumno-isparitelnykh teplonasosnykh ustanovok [Analysis and synthesis of scheme-cycle solutions of vacuum-evaporative heat pumps]. Tehnicheskie gazyi – Industrial Gases, vol. 17, no. 5, pp. 16–26 (in Russian). https://doi.org/10.18198/j.ind.gases.2017.0883
Matsevityiy, Yu. M., Kharlampidi, D. Kh., Tarasova, V. A., & Kuznetsov, M. A. (2018). Innovatsionnyie sistemy i termotransformatsii. Analiz. Sintez. Optimizatsiya [Innovative thermal transformation systems. Analysis. Synthesis. Optimization].Kharkov: ChP «Tekhnologicheskiy Tsentr», 192 p. (in Russian).
Matsevityiy, Yu. M., Chirkin, N. B., & Kuznetsov, M. A. (2010). Termoekonomicheskiy analiz teplonasosnoy sistemy teplosnabzheniya [Thermoeconomic analysis of heat pump heating system]. Problemy Mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 13, no. 1, pp. 42–51 (in Russian).
Kuznetsov, M. A. (2012). Termoekonomicheskiy analiz teplonasosnoy sushilnoy ustanovki [Thermoeconomic analysis of a heat pump dryer]. Problemy Mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 36–42 (in Russian).
Kuznetsov, M., Kharlampidi, D., Tarasova, V. & Voytenko, E. (2016). Thermoeconomic optimization of supercritical refrigeration system with the refrigerant R744 (CO2). Eastern-European Journal Enterprise Technologies, vol. 6, no. 8 (84), pp. 24–32. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85397
Morandin, M., Mercangöz, M., Hemrle, J., Marechal, F., & Favrat, D. (2013) Thermoeconomic design optimization of a thermo-electric energy storage system based on transcritical CO2 cycles. Energy, vol. 58, pp. 571–587. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.05.038
Lachner Jr., B. F., Nellis, G. F., & Reindl, D. T. (2007). The commercial feasibility of the use of water vapor as a refrigerant. International Journal of Refrigeration, vol. 30, iss. 4. pp. 699–708. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.09.009
Gokhshteyn, D. P. (1969). Sovremennyye metody termodinamicheskogo analiza energeticheskikh ustanovok [Modern methods of thermodynamic analysis of power plants].Moscow: Energiya, 368 p. (in Russian).
Klimenko, V. N., Landau, Yu. A., & Sigal, I. Ya. (Eds.) (2011). Energetika: Istoriya, nastoyashcheye i budushcheye v 5 t. T. 3. Razvitiye teploenergetiki i gidroenergetiki [Energy: history, present and future (Vol. 1-5). Vol. 3. Development of power system and hydropower]. Kiyev: Lira, 400 p. (in Russian).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2019 Mikhail A. Kuznetsov, Victoria A. Tarasova, Dionis Kh. Kharlampidi
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
Авторы, публикующиеся в этом журнале, соглашаются со следующими условиями:
- Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного договора (соглашения).
- Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
- Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).
