МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАКУУМНО-ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.021
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (Print), 2411-0779 (Online)
Выпуск Том 22, № 2, 2019 (Июнь)
Страницы 21–31

 

Авторы

М. А. Кузнецов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: childeric1975@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5180-8830

В. А. Тарасова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: vat523710@gmail.com, ORCID: 0000-0003-3252-7619

Д. Х. Харлампиди, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: kharlampidi@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-4337-6238

 

Аннотация

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.

 

Ключевые слова: термоэкономическая модель, вакуумно-испарительный тепловой насос, потери эксергии, приведенные затраты.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Li Q., Piechna J., Müller N. Numerical simulation of novel axial impeller patterns to compress water vapor as refrigerant. Energy. 2011. Vol. 36. P. 2773–2781. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.02.017
  2. Šarevski M. N., Šarevski V. N. Water (R718) Turbo Compressor and Ejector Refrigeration. Heat Pump Technology. Elsevier, 2016. 195 p. https://doi.org/10.1016/C2015-0-01782-8
  3. Šarevski M. N., Šarevski V. N. Preliminary study of a novel R718 refrigeration cycle with single stage centrifugal compressor and two-phase ejector. Int. J. Refrigeration. 2014. Vol. 40. P. 435–449. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.12.005
  4. Patil M., Muller N. 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. 2013. Vol. 50. P. 683–693. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.03.004.
  5. Chamoun M., Rulliere R., Haberschill P., Berail J. F. Dynamic model of an industrial heat pump using water as refrigerant. Int. J. Refrigeration. 2012. Vol. 35. P. 1080–1091. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.12.007
  6. Chamoun M., Rulliere R., Haberschill P., PeureuxJ-L. Experimental and numerical investigations of a new high temperature heat pump for industrial heat recovery using water as refrigerant. Int. J. Refrigeration. 2014. Vol. 44. P. 177–188. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.04.019
  7. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие (под ред. А. А. Долинского и В. М. Бродянского). Киев: Наук. думка, 1991. 361 с.
  8. Проценко В. П., Ковылкин Н. А. Выбор оптимальных температурных напоров в теплообменниках теплонасосной установки. Холодил. техника. 1985. № 6. С. 11–14.
  9. Tribus M., Evans R. B. The thermoeconomics of sea water conversion. UCLA Report no. 62-63, Aug. 1962. 241 p.
  10. El-Sayed Y. M., Evans R. B. Thermoeconomics and the design of heat systems. J. Eng. for Power.  1970. Vol. 92, no. 1. P. 27-35. https://doi.org/10.1115/1.3445296
  11. Оносовский В. В. Моделирование и оптимизация холодильных установок. Л.: Ленинград. технолог. ин-т холодил. пром-сти, 1990. 205 с.
  12. Мацевитый Ю. М., Харлампиди Д. Х., Тарасова В. А., Кузнецов М. А. Термоэкономическая диагностика и оптимизация парокомпрессорных термотрансформаторов. Харьков: ЧП «Технологический Центр», 2016. 160 с.
  13. Харлампиди Д. Х., Тарасова В. А., Кузнецов М. А., Омеличкин С. Н. Анализ и синтез схемно-цикловых решений вакуумно-испарительных теплонасосных установок. Техн. газы. 2017. Т. 17. № 5. С. 16–26. https://doi.org/18198/j.ind.gases.2017.0883
  14. Мацевитый Ю. М., Харлампиди Д. Х., Тарасова В. А., Кузнецов М. А. Инновационные системы термотрансформации. Анализ. Синтез. Оптимизация. Харьков: ЧП «Технологический Центр», 2018. 192 с.
  15. Мацевитый Ю. М., Чиркин Н. Б., Кузнецов М. А. Термоэкономический анализ теплонасосной системы теплоснабжения. Проблемы машиностроения. 2010. Т. 13. № 1. С. 42–51.
  16. Кузнецов М. А. Термоэкономический анализ теплонасосной сушильной установки. Проблемы машиностроения. 2012. Т. 15. № 1. С. 36–42.
  17. Kuznetsov M., Kharlampidi D., Tarasova V., Voytenko E. Thermoeconomic optimization of supercritical refrigeration system with the refrigerant R744 (CO2). Eastern-European J. Enterprise Technologies. 2016. Vol. 6. No. 8 (84). – P. 24–32. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85397
  18. Morandin M., Mercangöz M., Hemrle J., Marechal F., Favrat D. Thermoeconomic design optimization of a thermo-electric energy storage system based on transcritical CO2 cycles. Energy. 2013. Vol. 58. P. 571–587. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.05.038
  19. Lachner Jr. B. F., Nellis G. F., Reindl D. T. The commercial feasibility of the use of water vapor as a refrigerant. Int. J. Refrigeration. 2007. Vol. 30. No. 4. P. 699–708. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.09.009
  20. Гохштейн Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. М.: Энергия, 1969. 368 с.
  21. Энергетика: история, настоящее и будущее: в 5-ти т. Т. 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики (под ред. В. Н. Клименко, Ю. А. Ландау, И. Я. Сигала). К.: Лира, 2011. 400 с.

 

Поступила в редакцию 29 марта 2019 г.

Принята в печать