Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів
Ключові слова:
термоекономічна модель, вакуумно-випарний тепловий насос, втрати ексергії, зведені витратиАнотація
На базі автономного методу термоекономічної оптимізації термодинамічних систем розроблена методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів, що використовують воду (R718) як холодоагент. Ця методика дозволяє під час оптимізації конструкції і вибору економічних режимів роботи системи одночасно враховувати як термодинамічні, так і економічні параметри. Розв’язуючи задачі оптимізації, як цільова функція прийняті зведені витрати на створення та експлуатацію системи протягом розрахункового терміну служби. Мінімум зведених витрат відповідає оптимальним характеристикам системи під час збереження її продуктивності. Розробка термоекономічної моделі вакуумно-випарного теплового насоса дозволила подати цільову функцію у вигляді розгорнутих аналітичних виразів, що враховують взаємозв'язок між усіма оптимізуючими параметрами системи. Числовий розв’язок задачі термоекономічної оптимізації режимно-конструктивних параметрів вакуумно-випарного теплового насоса, що вбудований в систему охолодження другого контуру теплових і атомних електростанцій (ТЕС) і (АЕС), дозволив знайти оптимальні параметри системи, що забезпечують умови досягнення мінімального рівня зведених витрат. За таких обставин розрахункове значення зведених витрат за 25 років експлуатації даного теплового насоса вдалося знизити на 35 % за рахунок більш раціонального розподілу енергетичних потоків в ньому. Аналітичний розв’язок задачі оптимізації у вигляді системи рівнянь частинних похідних від цільової функції зведених витрат за всіма оптимізуючими змінними є придатним для будь-якого теплового насоса, що працює за розглянутою схемою і з подібним типом обладнання. Досліджено вплив варіативності тарифу на електроенергію і тривалості роботи вакуумно-випарного теплового насоса протягом року на економічний ефект від його термоекономічної оптимізації. Застосування розробленої методики на практиці має сприяти зниженню фінансових витрат на створення і експлуатацію вакуумно-випарних теплових насосів, що використовують воду як холодоагент, підвищенню їхньої конкурентоспроможності порівняно з традиційними фреоновими системами і сприяти створенню умов для їх широкомасштабного впровадження.Посилання
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).
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Mikhail A. Kuznetsov, Victoria A. Tarasova, Dionis Kh. Kharlampidi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
- Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
