МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ВАКУУМНО-ВИПАРНИХ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ

Автори

М. О. Кузнецов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: childeric1975@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5180-8830

В. О. Тарасова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: vat523710@gmail.com, ORCID: 0000-0003-3252-7619

Д. Х. Харлампіді, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: kharlampidi@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-4337-6238

Анотація

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.

Ключові слова: : термоекономічна модель, вакуумно-випарний тепловий насос, втрати ексергії, зведені витрати.

Література

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., Peureux J-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.

Надійшла до редакції 29 березня 2019 р.