Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps
A method is developed for optimally designing vacuum-evaporative heat pumps that use water (R718) as a refrigerant. This method is based on the autonomous method of the thermoeconomic optimization of thermodynamic systems, and makes it possible, when optimizing the design and choosing economical mod...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Journal of Mechanical Engineering
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/170925 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-170925 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| topic |
thermoeconomic model vacuum-evaporative heat pump exergy losses resulting costs UDC 621.577 621.564 термоекономічна модель вакуумно-випарний тепловий насос втрати ексергії зведені витрати УДК 621.577 621.564 термоэкономическая модель вакуумно-испарительный тепловой насос потери эксергии приведенные затраты УДК 621.577 621.564 |
| spellingShingle |
thermoeconomic model vacuum-evaporative heat pump exergy losses resulting costs UDC 621.577 621.564 термоекономічна модель вакуумно-випарний тепловий насос втрати ексергії зведені витрати УДК 621.577 621.564 термоэкономическая модель вакуумно-испарительный тепловой насос потери эксергии приведенные затраты УДК 621.577 621.564 Kuznetsov, Mikhail A. Tarasova, Victoria A. Kharlampidi, Dionis Kh. Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| topic_facet |
thermoeconomic model vacuum-evaporative heat pump exergy losses resulting costs UDC 621.577 621.564 термоекономічна модель вакуумно-випарний тепловий насос втрати ексергії зведені витрати УДК 621.577 621.564 термоэкономическая модель вакуумно-испарительный тепловой насос потери эксергии приведенные затраты УДК 621.577 621.564 |
| format |
Article |
| author |
Kuznetsov, Mikhail A. Tarasova, Victoria A. Kharlampidi, Dionis Kh. |
| author_facet |
Kuznetsov, Mikhail A. Tarasova, Victoria A. Kharlampidi, Dionis Kh. |
| author_sort |
Kuznetsov, Mikhail A. |
| title |
Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| title_short |
Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| title_full |
Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| title_fullStr |
Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| title_full_unstemmed |
Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps |
| title_sort |
method for the optimal design of vacuum-evaporative heat pumps |
| title_alt |
Методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів |
| description |
A method is developed for optimally designing vacuum-evaporative heat pumps that use water (R718) as a refrigerant. This method is based on the autonomous method of the thermoeconomic optimization of thermodynamic systems, and makes it possible, when optimizing the design and choosing economical modes of system operation, to simultaneously take into account both thermodynamic and economic parameters. When solving the optimization problem, the resulting costs (RC) of creating and operating the system during the estimated service life are taken as the objective function. The mini-mum of RCs corresponds to the optimal characteristics of the system while maintaining its performance. The development of the thermo-economic model of the vacuum-evaporative heat pump made it possible to represent the objective function in the form of detailed analytical expressions that take into account the relationship between all the optimizing parameters of the system. The numerical solution to the problem of the thermoeconomic optimization of the operating and design parameters of the vacuum-evaporative heat pump embedded in the cooling system of the second circuit of thermal and nuclear power plants (TPP and NPP) allowed finding the optimal system parame-ters ensuring the conditions for achieving the minimum RCs. At the same time, for 25 years of operation, the estimated value of the RCs of this heat pump was reduced by 35% through a more rational distribution of energy flows therein. An analytical solu-tion to the optimization problem in the form of a system of partial derivatives of the objective function of RCs for all optimizing variables is suitable for any heat pump op-erating according to the considered scheme and with a similar type of equipment. The influence of the electricity tariff variability and yearly active time of the vacuum-evaporative heat pump on the economic effect of its thermoeconomic optimization is investigated. The application of the developed methodology in practice should help reduce the financial costs for creating and operating vacuum-evaporative heat pumps that use water as a refrigerant, increase their competitiveness compared to traditional freon systems and create the conditions for their large-scale implementation. |
| publisher |
Journal of Mechanical Engineering |
| publishDate |
2019 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/170925 |
| work_keys_str_mv |
AT kuznetsovmikhaila methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT tarasovavictoriaa methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT kharlampididioniskh methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT kuznetsovmikhaila metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov AT tarasovavictoriaa metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov AT kharlampididioniskh metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov AT kuznetsovmikhaila metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív AT tarasovavictoriaa metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív AT kharlampididioniskh metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív |
| first_indexed |
2024-06-01T14:44:07Z |
| last_indexed |
2024-06-01T14:44:07Z |
| _version_ |
1800670331730395136 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-1709252019-06-26T10:43:40Z Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps Методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів Kuznetsov, Mikhail A. Tarasova, Victoria A. Kharlampidi, Dionis Kh. thermoeconomic model vacuum-evaporative heat pump exergy losses resulting costs UDC 621.577 621.564 термоекономічна модель вакуумно-випарний тепловий насос втрати ексергії зведені витрати УДК 621.577 621.564 термоэкономическая модель вакуумно-испарительный тепловой насос потери эксергии приведенные затраты УДК 621.577 621.564 A method is developed for optimally designing vacuum-evaporative heat pumps that use water (R718) as a refrigerant. This method is based on the autonomous method of the thermoeconomic optimization of thermodynamic systems, and makes it possible, when optimizing the design and choosing economical modes of system operation, to simultaneously take into account both thermodynamic and economic parameters. When solving the optimization problem, the resulting costs (RC) of creating and operating the system during the estimated service life are taken as the objective function. The mini-mum of RCs corresponds to the optimal characteristics of the system while maintaining its performance. The development of the thermo-economic model of the vacuum-evaporative heat pump made it possible to represent the objective function in the form of detailed analytical expressions that take into account the relationship between all the optimizing parameters of the system. The numerical solution to the problem of the thermoeconomic optimization of the operating and design parameters of the vacuum-evaporative heat pump embedded in the cooling system of the second circuit of thermal and nuclear power plants (TPP and NPP) allowed finding the optimal system parame-ters ensuring the conditions for achieving the minimum RCs. At the same time, for 25 years of operation, the estimated value of the RCs of this heat pump was reduced by 35% through a more rational distribution of energy flows therein. An analytical solu-tion to the optimization problem in the form of a system of partial derivatives of the objective function of RCs for all optimizing variables is suitable for any heat pump op-erating according to the considered scheme and with a similar type of equipment. The influence of the electricity tariff variability and yearly active time of the vacuum-evaporative heat pump on the economic effect of its thermoeconomic optimization is investigated. The application of the developed methodology in practice should help reduce the financial costs for creating and operating vacuum-evaporative heat pumps that use water as a refrigerant, increase their competitiveness compared to traditional freon systems and create the conditions for their large-scale implementation. 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. 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. Journal of Mechanical Engineering Проблемы машиностроения Проблеми машинобудування 2019-06-20 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/170925 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 22 No. 2 (2019); 21-31 Проблемы машиностроения; Том 22 № 2 (2019); 21-31 Проблеми машинобудування; Том 22 № 2 (2019); 21-31 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/170925/170618 https://journals.uran.ua/jme/article/view/170925/170619 Copyright (c) 2019 Mikhail A. Kuznetsov, Victoria A. Tarasova, Dionis Kh. Kharlampidi https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |