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...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблеми машинобудування
Дата:	2019
Автори:	Kuznetsov, M.A., Tarasova, V.A., Kharlampidi, D.Kh.
Формат:	Стаття
Мова:	English
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2019
Теми:	Aerohydrodynamics and heat-mass exchange
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158847
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps / M.A. Kuznetsov, V.A. Tarasova, D.Kh. Kharlampidi // Проблеми машинобудування. — 2019. — Т. 22, № 2. — С. 21-31. — Бібліогр.: 21 назв. — англ, рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158847
record_format	dspace
spelling	Kuznetsov, M.A. Tarasova, V.A. Kharlampidi, D.Kh. 2019-09-14T17:02:15Z 2019-09-14T17:02:15Z 2019 Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps / M.A. Kuznetsov, V.A. Tarasova, D.Kh. Kharlampidi // Проблеми машинобудування. — 2019. — Т. 22, № 2. — С. 21-31. — Бібліогр.: 21 назв. — англ, рос. DOI: https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.021 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158847 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. 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. 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. en Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблеми машинобудування Aerohydrodynamics and heat-mass exchange Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів Методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps
spellingShingle	Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps Kuznetsov, M.A. Tarasova, V.A. Kharlampidi, D.Kh. Aerohydrodynamics and heat-mass exchange
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
author	Kuznetsov, M.A. Tarasova, V.A. Kharlampidi, D.Kh.
author_facet	Kuznetsov, M.A. Tarasova, V.A. Kharlampidi, D.Kh.
topic	Aerohydrodynamics and heat-mass exchange
topic_facet	Aerohydrodynamics and heat-mass exchange
publishDate	2019
language	English
container_title	Проблеми машинобудування
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
format	Article
title_alt	Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів Методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насосов
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. 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. 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.
isbn	DOI: https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.021
issn	0131-2928
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158847
citation_txt	Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps / M.A. Kuznetsov, V.A. Tarasova, D.Kh. Kharlampidi // Проблеми машинобудування. — 2019. — Т. 22, № 2. — С. 21-31. — Бібліогр.: 21 назв. — англ, рос.
work_keys_str_mv	AT kuznetsovma methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT tarasovava methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT kharlampididkh methodfortheoptimaldesignofvacuumevaporativeheatpumps AT kuznetsovma metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív AT tarasovava metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív AT kharlampididkh metodikaoptimalʹnogoproektuvannâvakuumnoviparnihteplovihnasosív AT kuznetsovma metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov AT tarasovava metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov AT kharlampididkh metodikaoptimalʹnogoproektirovaniâvakuumnoisparitelʹnyhteplovyhnasosov
first_indexed	2025-11-25T22:47:32Z
last_indexed	2025-11-25T22:47:32Z
_version_	1850576429326008320
fulltext	AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS EXCHANGE ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 2 УДК 621.577:621.564 МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАКУУМНО- ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ М. А. Кузнецов, канд. техн. наук childeric1975@gmail.com ORCID: 0000-0002-5180-8830 В. А. Тарасова, канд. техн. наук vat523710@gmail.com ORCID: 0000-0003-3252-7619 Д. Х. Харлампиди, д-р техн. наук kharlampidi@ipmach.kharkov.ua ORCID: 0000-0003-4337-6238 Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, 61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10 На базе автономного метода термоэкономической оптимизации термодинами- ческих систем разработана методика оптимального проектирования вакуумно- испарительных тепловых насосов, использующих в качестве хладагента воду (R718). Эта методика позволяет при оптимизации конструкции и выборе эконо- мичных режимов работы системы одновременно учитывать как термодинами- ческие, так и экономические параметры. При решении задачи оптимизации в качестве целевой функции приняты приведенные затраты на создание и экс- плуатацию системы в течение расчетного срока службы. Минимум приведенных затрат соответствует оптимальным характеристикам системы при сохране- нии 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 ваку- умно-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 приве- денных затрат за 25 лет эксплуатации данного теплового насоса удалось сни- зить на 35 % за счет более рационального распределения энергетических пото- ков в нем. Аналитическое решение задачи оптимизации в виде системы уравне- ний частных производных от целевой функции приведенных затрат по всем оп- тимизирующим переменным пригодно для любого теплового насоса, работающе- го по рассматриваемой схеме и с подобным типом оборудования. Исследовано влияние вариативности тарифа на электроэнергию и продолжительности ра- боты вакуумно-испарительного теплового насоса в году на экономический эф- фект от его термоэкономической оптимизации. Применение разработанной методики на практике должно способствовать снижению финансовых затрат на создание и эксплуатацию вакуумно-испарительных тепловых насосов, исполь- зующих в качестве хладагента воду, повышению их конкурентоспособности в сравнении с традиционными фреоновыми системами и способствовать созда- нию условий для их широкомасштабного внедрения. Ключевые слова: термоэкономическая модель, вакуумно-испарительный тепло- вой насос, потери эксергии, приведенные затраты. Введение В последние десятилетия разработчиками холодильного и теплонасосного оборудования ве- дется активный поиск рабочих веществ, которые бы удовлетворяли высоким экологическим требова- ниям (нулевые или близкие к нулевым показатели GWP и ODP) и одновременно обладали хорошими термодинамическими показателями, сопоставимыми с заменяемыми хладагентами. Стимулом к этим исследованиям послужили положения Монреальского и Киотского протоколов, касающиеся запрета и ограничений использования в качестве рабочих веществ термотрансформаторов (холодильных ма- шин и тепловых насосов) хлора и фторсодержащих соединений. Ориентация при выборе рабочего вещества на такие показатели, как экологическая чистота, дешевизна, доступность, эксплуатационная безопасность и термодинамическая эффективность, возро- дила интерес к природным хладагентам. Из перечисленного многим критериям отвечает вода (R718). Её влияние на экологию известно и вполне предсказуемо, а термодинамические характеристики по ря- ду показателей даже превосходят известные синтетические соединения на основе углеводородов. Применение воды в качестве хладагента позволяет обеспечить высокие энергетические пока- затели цикла по сравнению с синтетическими хладагентами и создает предпосылки для существенно-  М. А. Кузнецов, В. А. Тарасова, Д. Х. Харлампиди, 2019 АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2019, Т. 22, № 2 го упрощения схемы термотрансформатора, когда вода является одновременно и низкопотенциаль- ным теплоносителем, и рабочим веществом. Сегодня исследовательские работы по созданию термотрансформаторов с хладагентом R718 находятся на стадии «пилотных» проектов, поэтому крайне ограниченными и не имеющими обобщения представляются сведения относительно их реальных режимных характеристик. В публикациях, посвя- щенных разработке установок данного типа, основное внимание уделено созданию высокоскоростных турбокомпрессоров, работающих на водяном паре, разработке инженерных методик их расчета [1–3]. В [4] представлена созданная на основе метода конечных элементов 3D-модель турбокомпрессора для исследования его прочностных и аэродинамических характеристик. Авторами работ [5, 6] предложена динамическая модель характеристик вакуумно-испарительного теплового насоса, необходимая для изучения проблемы запуска установки при работе под вакуумом. Модель позволяет определить пути дальнейшего усовершенствования системы за счет варьирования геометрических размеров элементов, а также изменения конфигурации схемы циркуляции хладагента и параметров работы. Однако при моделировании энергетических процессов в этих работах используется только метод энергетического анализа, не позволяющий учитывать потери энергии от внешней и внутренней необратимости в отдельных агрегатах установки, что недостаточно для достоверной оценки системы [7]. Для более полного анализа установки целесообразно использовать эксергетический анализ, осно- ванный на вычислении потерь эксергии в отдельных процессах и цикле термодинамической системы. Как известно, при проектировании термотрансформаторов для повышения энергетической эффективности их работы необходимо стремиться к уменьшению потерь от необратимости термоди- намических процессов. Однако на практике это часто приводит к удорожанию установки [8]. В то же время высокая стоимость турбокомпрессора вследствие необходимости изготовления его лопастей из высокопрочных материалов, таких, как титановые и волоконные композиты, является основным пре- пятствием к применению водяного пара в качестве рабочего вещества. Исходя из этого при выборе оптимальных условий эксплуатации вакуумно-испарительных термотрансформаторов особенно не- обходимо учитывать ряд экономических факторов. Базирующиеся на эксергетическом анализе термоэкономические методы единовременного уче- та термодинамических и экономических факторов при проведении оптимизационных расчетов позво- ляют оптимизировать внутренние энергетические процессы в установке и производить целесообразный выбор тех компромиссных решений, которые обеспечивали бы получение минимального уровня при- веденных затрат на её создание и эксплуатацию. Поэтому создание методики, позволяющей при проек- тировании или глубокой модернизации вакуумно-испарительных термотрансформаторов обеспечивать их оптимальные режимно-конструктивные характеристики при достижении минимального уровня при- веденных затрат, представляется актуальным и является целью данного исследования. Термоэкономическая оптимизация вакуумно-испарительного теплового насоса с хладагентом R718 На базе автономного метода термоэкономической оптимизации термодинамических систем [9–12] разработана методика оптимального проектирования вакуумно-испарительных тепловых насо- сов, использующих в качестве хладагента воду (R718). Эта методика позволяет при оптимизации конструкции и выборе экономичных режимов работы системы одновременно учитывать как термо- динамические, так и экономические параметры. В качестве объекта оптимизации взят вакуумно-испарительный тепловой насос, работающий по одноступенчатой схеме [13, 14] и оборудованный турбокомпрессором (КМ), испарителем кон- тактного типа (ИСП), горизонтальным кожухотрубным гладкотрубным конденсатором с межтруб- ным кипением хладагента (КД), дроссельным вентилем (ДР) и поршневыми насосами для прокачки теплоносителей через теплообменные аппараты теплового насоса. Для рассматриваемой схемы построена термоэкономическая модель [15–17], через условную контрольную границу которой входят и выходят эксергетические и тепловые потоки, необходимые для функционирования системы (рис. 1). На рис. 1 обозначены: НВТК – насос воды из системы охлаждения второго контура ТЭС или АЭС; НКД – насос нагреваемой в конденсаторе воды. AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS EXCHANGE ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 2 Рис. 1. Термоэкономическая модель вакуумно-испарительного теплового насоса Принимается, что тепловой насос использует в качестве источника низкопотенциальной теплоты оборотную воду из системы охлаждения второго контура ТЭС или АЭС, т.е. воду, поступающую от конденсатора турбины, с постоянным расчетным расходом втк водG и фиксированными температурами на входе втк вод1T и выходе втк вод2T испарителя теплового насоса. Значения этих величин задаются исходя из ус- ловий технологических процессов на ТЭС или АЭС. Поэтому холодопроизводительность испарителя Q0 данного теплового насоса при его оптимизации принимается неизменной. Напротив, расходом кд водG и температурой кд водT нагреваемой в конденсаторе воды можно варьировать, определяя значение полезной теплопроизводительности конденсатора теплового насоса Qкд исходя из требуемой холодопроизводи- тельности испарителя и компенсируя возможный недостаток для потребителя теплопроизводительности теплового насоса в часы пиковых нагрузок дополнительным подогревателем – доводчиком теплоты. Поэтому при решении задачи оптимизации в качестве оптимизирующих целевую функцию переменных выбраны средний логарифмический температурный напор δΤкд и нагрев воды (теплоно- сителя) кд вод∆T в конденсаторе теплового насоса. Целевой функцией являются приведенные затраты (RC), определяемые по выражению ( )[ ] дрнкдкднвткиспкм сезэксдрнкдкднвткиспкмнкднвтккмэ τ CCCCCC nzzzzzzеееcRC ++++++ +++++++++= , (1) где cэ – тариф на электроэнергию; eкм, eнвтк и eнкд – потоки эксергии соответственно для привода тур- бокомпрессора, НВТК и НКД; Скм, Сисп, Снвтк, Скд, Снкд и Сдр – стоимость соответственно турбоком- прессора, испарителя, НВТК, конденсатора, НКД и дроссельного вентиля, а zкм, zисп, zнвтк, zкд, zнкд и zдр – ежегодные суммарные отчисления от этой стоимости [11, 12, 17]; τэкс – продолжительность работы установки в году; nсез – анализируемый период работы, лет. Входящие в целевую функцию (1) стоимости элементов оборудования Ci, ежегодные суммар- ные отчисления от этих стоимостей zi, а также эксергия, подводимая к каждому элементу ei от внешнего источника, могут быть выражены в виде функциональных зависимостей от заданной холодопроизводи- тельности испарителя теплового насоса Q0=const и выбранных оптимизирующих переменных ( ).∆,δ,,,,,,,,,, кд 0нкднкднкдкдкдисписпкмкмкм водкд TTQfzCеzCzCzCе = (2) Вследствие принятого выше условия о неизменности холодопроизводительности испарителя (Q0=const) такие параметры, как eнвтк, Снвтк, zнвтк, Сдр и zдр, которые являются функциями от Q0, оста- ются постоянными. втк(2) вод1V втк(1) вод1V КМ ИСП ДР КД кд вод∆T кдδT эскмeэс нвткe эс нкдe кдQ 0Q НВТК НКД кT 0T кдС дрС нкдСиспС нвткСкмС кмz кдz испz дрz нвткz нкдz кмN втк водG втк вод2T втк вод1T кд вод1T кд вод2T кP втк вод2P0P др(1) хаV др(2) хаV втк вод1V др хаV втк вод2V км хаV кд ж(ха)V кд п(ха)V кд водG АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2019, Т. 22, № 2 Для решения задачи оптимизации присутствующие в целевой функции приведенных затрат (1) функциональные выражения (2) были представлены в виде развернутых аналитических зависимо- стей, описывающих энергетические процессы, происходящие в отдельных элементах рассматривае- мого теплового насоса. При этом параметры состояния (температура, давление), термомеханические и теплофизические свойства (удельный объем, плотность, энтальпия, энтропия, теплопроводность, кинематическая вязкость, динамическая вязкость, скрытая теплота парообразования, число Прандтля) воды, которая в рассматриваемом тепловом насосе является и хладагентом, были представлены в ви- де регрессионных зависимостей от оптимизирующих переменных в вероятном диапазоне изменения соответствующих параметров цикла. Например, регрессионная зависимость энтропии водяного пара в конце действительного про- цесса сжатия в компрессоре s2=f (i2(Tк), Pк(Tк)) в диапазоне изменения энтальпии i2(Tк) от 2590 до 2750 кДж/кг и давления конденсации Pк(Tк) от 0,04 до 0,08 бар для водяного пара следующая: ( ) ( ) ( )[ ] ( )[ ] ( ) ( ),0,0002841+107,6712786+68,9253235 0,001354416,97256477,4998612 к2кк 2 к2 7-2 кк к2кк2 TiTPTiTP TiTPs ⋅+ +−−= где i2(Tк) и Pк(Tк) – соответственно регрессионные зависимости энтальпии водяного пара в конце дейст- вительного процесса сжатия в компрессоре i2 и давления конденсации водяного пара (хладагента) Pк от температуры конденсации Tк, которая, в свою очередь, является функцией оптимизирующих перемен- ных 1 ∆ кд кд вод кд кд вод δ ∆ δ ∆ кд вод кд вод1к − += T T T T e e TTT , где кд вод1T – температура воды (теплоносителя) на входе в конденсатор. При расчете объема вакуумного испарителя контактного типа принимается, что каждую секун- ду в испаритель поступает вода из системы охлаждения второго контура ТЭС или АЭС объемом втк вод1V , часть которой, попадая в вакуум, в течение этой секунды обращается в пар объемом втк(1) вод1V (рис. 1), а оставшаяся часть воды объемом втк(2) вод1V , охлаждаясь до температуры кипения T0, выпадает на дно испа- рителя. Также в испаритель из дроссельного вентиля ежесекундно поступает влажный насыщенный пар хладагента (смесь воды и насыщенного пара) температурой T0 и объемом др хаV . Одна его часть, расши- ряясь до объема др(1) хаV , в течение секунды пополняет объем пара др(1) ха втк(1) вод1 км ха VVV += , а другая часть др(2) хаV пополняет объем жидкости на дне испарителя др(2) ха втк(2) вод1 втк вод2 VVV += . Объем пара км хаV ежесекунд- но откачивается из испарителя турбокомпрессором, а объем жидкости втк вод2V ежесекундно отводится НВТК к конденсатору турбины ТЭС или АЭС. Таким образом, принимая, что каждую секунду в испарителе присутствует пар объемом км хаV и жидкость объемом втк вод2V , численно равные соответственно секундному объемному расходу пара хладагента через компрессор (объемной производительности компрессора), м3/с, и секундному объ- емному расходу воды через НТВК, м 3/с, объем испарителя, м 3, вычисляется как ( )τвтк вод2 км хаисп VVV += , где время τ=1 c. Аналогично внутренний объем кожуха конденсатора рассчитывается как ( )( )τ+−= кд ж(ха) кд п(ха)кд φφ1 VVV , где φ – коэффициент заполнения, т.е. отношение заполненного жидко- стью объема к общему объему (в частности, для кожухотрубного конденсатора с межтрубной кон- денсацией φ =0,3–0,4); кд п(ха)V – секундный объемный расход сжатого пара хладагента, подводящегося AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS EXCHANGE ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 2 компрессором к конденсатору (рис. 1); кд ж(ха)V – секундный объемный расход жидкого хладагента на выходе конденсатора; время τ=1 c. Стоимости элементов оборудования Ci и ежегодные суммарные отчисления от этих стоимо- стей zi определялись по регрессионным зависимостям от оптимизирующих переменных, построен- ным на основе функций стоимости, представленных в [14, 18, 19]. Потери эксергии в основных эле- ментах теплового насоса рассчитывались с помощью энтропийного метода [20]. Подстановка полученных в развернутой форме выражений (2) в целевую функцию (1) и ре- шение системы уравнений 0 δ кд = ∂ ∂ T RC ; 0 ∆ кд вод = ∂ ∂ T RC позволяет определить оптимальные значения переменных δΤкд и кд вод∆T , подстановка которых в соот- ветствующие расчетные формулы дает возможность найти оптимальные (с позиции минимизации приведенных затрат) режимные и геометрические параметры вакуумно-испарительного теплового насоса с хладагентом R718. Результаты расчета оптимальных параметров вакуумно-испарительного теплового насоса В качестве исходных данных для решения задачи оптимизации приняты: холодопроизводи- тельность испарителя теплового насоса Q0=600 кВт; расход охлаждаемой воды из системы охлаждения второго контура ТЭС или АЭС через испаритель втк водG =12,7632 кг/с; температура этой воды на входе и выходе испарителя соответственно втк вод1T =40 ºС и втк вод2T =Т0=25 ºС; давление этой воды в отводящем тру- бопроводе (после НВТК) втк вод2P =4 бар; температура нагреваемого воды (теплоносителя) на входе в кон- денсатор кд вод1T =25 ºС; продолжительность работы системы в году τэкс=8000 ч в год; анализируемый срок работы установки nсез=25 лет; тариф на электроэнергию cэ=0,0727 $/(кВт·ч), нормативный коэффициент отчислений от стоимости оборудования kнi=0,15; температура окружающей среды Тос=32 ºС. Результаты оптимизации приведены в табл. 1. Из данных табл. 1 видно, что уменьшение значений оптимизирующих переменных – нагрева воды кд вод∆T и среднего логарифмического напора δTкд в конденсаторе – приводит к снижению темпера- туры конденсации хладагента Tк, что при фиксированной температуре кипения T0=const способствует повышению удельной массовой холодопроизводительности испарителя q0, снижению массового расхо- да хладагента Gха и уменьшению потерь эксергии при дросселировании EDдр. Следует отметить, что из- за крутого подъема левой пограничной кривой для R718 потери от необратимости при дросселирова- нии этого хладагента крайне малы по сравнению с потерями в конденсаторе и компрессоре. Сопутст- вующее понижению Tк снижение давления конденсации хладагента Pк при P0=const способствует уменьшению степени сжатия хладагента в компрессоре и снижению температуры сжатого пара на ли- нии нагнетания T2. Это в совокупности со снижением Gха приводит к уменьшению требуемой для обес- печения заданной Q0=const теплопроизводительности конденсатора Qкд, а также снижению потерь эк- сергии EDкд от необратимости в нем. Снижение температуры T2 и расхода Gха также приводит к уменьшению потерь эксергии в компрессоре EDкм и его индикаторной Niкм, а также потребляемой Nкм мощности. Потери эксергии в испарителе EDисп остаются неизменными вследствие того, что при постоянных Tос, энтропии пара во- ды (хладагента) на входе в турбокомпрессор s1, Q0, втк вод1T и втк вод2T снижение расхода Gха компенсирует- ся уменьшением энтропии влажного насыщенного пара воды (хладагента) в конце процесса дроссе- лирования s4, и таким образом произведение Gха(s1–s4) в выражении для расчета потерь эксергии в испарителе [20] остается постоянным. Несмотря на это суммарные потери эксергии в системе ΣEDтн значительно снижаются, как и Nкм, что приводит к существенному (в 2,5 раза) повышению холодиль- ного коэффициента установки ε. АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2019, Т. 22, № 2 Таблица 1. Результаты термоэкономической оптимизации вакуумно-испарительного теплового насоса Параметр Исход- ный вариант Оптималь- ный вариант Нагрев воды в конденсаторе кд вод∆T , К 10 5,516 Средний логарифмический напор в конденсаторе δTкд, К 10 2,968 Температура хладагента после турбокомпрессора T2, °С 120,95 63,98 Температура конденсации Tк=T3, °С 40,82 31,53 Теплопроизводительность конденсатора Qкд, кВт 860,95 824,31 Потребляемая мощность турбокомпрессора Nкм, кВт 73,929 29,480 Потребляемая мощность насоса воды в испарителе, кВт 6,825 6,825 Потребляемая мощность насоса воды в конденсаторе, кВт 2,175 10,409 Суммарная потребляемая мощность теплового насоса, кВт 82,928 46,714 Холодильный коэффициент ε 10,821 27,137 Коэффициент использования энергии с учетом потребляемой мощности вспомога- тельных механизмов (насосов) εэн 9,647 17,125 Потери эксергии в испарителе EDисп, кВт 20,089 20,089 Потери эксергии в конденсаторе EDкд, кВт 35,208 11,370 Потери эксергии в дроссельном вентиле EDдр, кВт 0,583 0,098 Потери эксергии в турбокомпрессоре EDкм, кВт 12,062 5,679 Суммарные потери эксергии в тепловом насосе ΣEDтн, кВт 67,943 37,235 Индикаторная мощность турбокомпрессора Niкм, кВт 60,954 24,306 Эксергетический КПД турбокомпрессора ηэк км 80,211 76,638 Стоимость насоса воды в испарителе Снвтк, $ 907 907 Стоимость насоса воды в конденсаторе Снкд, $ 1 378 2 242 Стоимость дроссельного вентиля Сдр, $ 320 320 Объем испарителя Vисп, м 3 14,607 14,373 Стоимость испарителя Сисп, $ 12 859 12 798 Площадь наружной теплообменной поверхности конденсатора Fкд, м 2 24,5 59,7 Стоимость конденсатора Скд, $ 19 020 25 292 Стоимость турбокомпрессора с электродвигателем Скм, $ 22 292 13 558 Стоимость теплового насоса всего, $ 56 774 55 116 Отчисления от капитальных вложений за 25 лет, $ 269 678 261 803 Капитальные затраты за 25 лет, $ 326 453 316 919 Эксплуатационные затраты за 25 лет, $ 1 205 398 679 015 Приведенные затраты RC за 25 лет, $ 1 531 851 995 934 Экономический эффект в результате термоэкономической оптимизации, % – 35,0 Значительное уменьшение оптимального напора δΤкд приводит к существенному увеличению площади теплообменной поверхности Fкд конденсатора и его стоимости Cкд, несмотря на некоторую компенсацию этого увеличения поверхности Fкд повышением коэффициента теплопередачи конден- сатора kкд из-за интенсификации теплообмена в нем за счет увеличения скорости движения теплоно- сителя кд водW . Увеличение кд водW связано с уменьшением нагрева воды в конденсаторе кд вод∆T , что при- водит к значительному увеличению массового расхода нагреваемой воды, потребляемой мощности НКД и его стоимости Cнкд. Стоимость испарителя Cисп понижается незначительно, поскольку при Q0=const его объем Vисп уменьшается только вследствие некоторого снижения Gха. Увеличение стои- мостей Cкд и Cнкд компенсируется еще большим по величине уменьшением стоимости компрессора Cкм вследствие значительного снижения его Nкм. В итоге суммарные капитальные затраты на уста- новку незначительно уменьшаются. В то же время эксплуатационные затраты установки существенно снижаются за счет значительного уменьшения потребляемой мощности компрессора, что с лихвой компенсирует увеличение потребления электроэнергии насосом нагреваемой в конденсаторе воды AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS EXCHANGE ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 2 НКД. Суммарная потребляемая мощность установки существенно снижается, а коэффициент исполь- зования энергии εэн значительно увеличивается (в 1,77 раз). Некоторое уменьшение капитальных затрат и существенное снижение эксплуатационных за- трат приводит к значительному снижению приведенных затрат RC за расчетный период работы уста- новки. При заданных исходных данных экономический эффект от термоэкономической оптимизации составляет 35 %. Поскольку рассматриваемая конструкция вакуумно-испарительного теплового насоса может быть использована для охлаждении воды при заданных параметрах в ряде технологических процессов пред- приятий различных отраслей промышленности и сельского хозяйства, принятый при расчете тариф на электроэнергию cэ=0,0727 $/(кВт·ч) является тарифом для промышленных потребителей электроэнергии (II класс напряжения до 27,5 кВ) по валютному курсу на середину октября 2017 г. в Украине. В случае использования теплового насоса в технологическом цикле ТЭС или АЭС затраты электроэнергии на при- вод компрессора и насосов будут относиться к затратам электростанции на собственные нужды и оцени- ваться по себестоимости производства. В зависимости от длительности работы в течение года по покры- тию графиков энергетических нагрузок, характеризующихся числом часов использования установленной мощности оборудования, электростанции принято классифицировать на: базовые (τэкс>6000 ч в год) (все АЭС), полупиковые (τэкс=2000–5000 ч в год) и пиковые (τэкс<2000 ч в год) [21]. Стоимость потребляемой тепловым насосом электроэнергии cэ и продолжительность его работы в году τэкс может оказать существенное влияние на экономический эффект от термоэкономической оптимизации. Поэтому оптимальные ре- жимные и геометрические параметры вакуумно-испарительного теплового насоса также были рассчитаны при вариативности тарифа на электро- энергию cэ от 0,02 $/(кВт·ч) (пример- ной себестоимости производства электроэнергии на АЭС) до 0,12 $/(кВт·ч) (самого дорого тарифа для восточно-европейских стран) [13, 14] и продолжительности его ра- боты τэкс от 2000 до 8000 ч в год. Не- которые результаты расчетов приве- дены на рис. 2 и 3. Из рис. 2 видно, что опти- мальные значения холодильного ко- эффициента εопт и коэффициента ис- пользования энергии εэн опт с ростом сэ и τэкс увеличиваются, а следовательно, повышается экономичность теплового насоса и снижается эксплуатационная составляющая приведенных затрат. Приведенные затраты опти- мального вакуумно-испарительного теплового насоса за 25 лет эксплуа- тации и эффект от его термоэконо- мической оптимизации в зависимо- сти от изменения значений сэ и τэкс приведены на рис. 3 и в табл. 2. Рис. 2. Зависимость оптимальных значений холодильного коэффициента εопт и коэффициента использования энергии εэн опт теплового насоса от сэ и τэкс Рис. 3. Зависимость приведенных затрат оптимального вакуумно-испарительного теплового насоса за 25 лет эксплуатации RCопт от сэ и τэкс ( )чкВт$,э ⋅c год в ч ,эксτ $,оптRC ( )чкВт$,э ⋅c ε энε оптэнопт , εε год в ч2000экс =τ год в ч5000экс =τ год в ч8000экс =τ АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2019, Т. 22, № 2 Таблица 2. Эффект от термоэкономической оптимизации вакуумно-испарительного теплового насоса, % Из данных табл. 2 видно, что стоимость электроэнергии cэ и продолжительность работы тепло- вого насоса в году τэкс оказывает существенное влияние на экономический эффект от его термоэконо- мической оптимизации, который может варьироваться от 13% (при cэ=0,02 $/(кВт·ч) и τэкс=2000 ч в год) до 38% (при cэ=0,12 $/(кВт·ч) и τэкс=8000 ч в год). Это связано с тем, что чем больше значения сэ и τэкс, тем больший экономический эффект может быть получен от повышения термодинамического совер- шенства установки, увеличения её холодильного коэффициента ε и снижения эксплуатационной со- ставляющей приведенных затрат, что оказывает намного большее влияние на уровень приведенных затрат, чем некоторое увеличение их капитальной составляющей. Обсуждение результатов термоэкономической оптимизации вакуумно-испарительного теплового насоса с хладагентом R718 Разработанная методика и программное обеспечение позволяют решать задачу оптимизации режимно-конструктивных параметров вакуумно-испарительных тепловых насосов, использующих в качестве хладагента воду (R718), с учетом взаимосвязей между параметрами всех основных подсис- тем при обеспечении минимального уровня приведенных затрат на их создание и эксплуатацию. Численное решение этой задачи позволило найти оптимальные параметры вакуумно- испарительного теплового насоса, встроенного в систему охлаждения второго контура ТЭС и АЭС, обеспечивающие условия достижения минимального уровня приведенных затрат при различных зна- чениях тарифа на электроэнергию и продолжительности работы системы в году. Одно из достоинств предложенной методики заключается в том, что полученное однозначное аналитическое решение в виде системы уравнений пригодно для термоэкономической оптимизации любого теплового насоса, работающего по рассматриваемой схеме и с подобным типом оборудования. Это достоинство одновременно накладывает ограничение на использование данной методики при оптимизации вакуумно-испарительных тепловых насосов, работающих по отличным от рассмат- риваемой схемам или укомплектованных иным типом оборудования (например, использование испа- рителя поверхностного типа вместо контактного). В этом случае расчетный алгоритм должен быть адаптирован к описанию энергетических процессов в каждой конкретной схеме с учетом специфики конструкции всех её основных элементов. Применение данной методики на практике должно способствовать снижению финансовых за- трат на создание и эксплуатацию вакуумно-испарительных тепловых насосов, использующих в каче- стве хладагента воду, повышению их конкурентоспособности в сравнении с традиционными фреоно- выми системами и способствовать созданию условий для их широкомасштабного внедрения. В дальнейшем данная методика может быть адаптирована для решения задач термоэкономи- ческой оптимизации режимно-конструктивных параметров работающих на воде термотрансформато- ров иного схемно-конструктивного решения или функционального назначения. Выводы Разработка термоэкономической модели вакуумно-испарительного теплового насоса, исполь- зующего в качестве хладагента воду (R718), позволила представить целевую функцию приведенных за- трат в виде развернутых аналитических выражений, учитывающих взаимосвязь между всеми оптимизи- рующими параметрами системы. Аналитическое решение задачи оптимизации в виде системы уравне- ний частных производных от целевой функции приведенных затрат по всем оптимизирующим перемен- ным пригодно для любого теплового насоса, работающего по рассматриваемой схеме и с подобным ти- пом оборудования. В результате термоэкономической оптимизации режимно-конструктивных парамет- ров вакуумно-испарительного теплового насоса, встроенного в систему охлаждения второго контура ТЭС и АЭС, удалось снизить расчетное значение приведенных затрат за 25 лет его эксплуатации на 35 % Тариф на электроэнергию сэ, $/(кВт·ч) Параметр 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 8000 23,9 30,3 33,6 35,6 37,0 38,0 5000 19,6 26,0 29,7 32,2 33,9 35,2 Продолжительность работы теплового насоса в году τэкс, ч в год 2000 13,0 17,7 21,2 23,9 26,0 27,7 AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS EXCHANGE ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 2 за счет более рационального распределения энергетических потоков в нем. При этом тариф на электро- энергию cэ и продолжительность работы теплового насоса в году τэкс оказывают существенное влияние на экономический эффект от термоэкономической оптимизации системы. Чем больше значения сэ и τэкс, тем больший экономический эффект может быть получен от повышения термодинамического совер- шенства установки, увеличения её холодильного коэффициента ε и снижения эксплуатационных затрат. Литература 1. Li Q., Piechna J., Müller N. Numerical simulation of novel axial impeller patterns to compress water vapor as refrig- erant. 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 re- frigerant. 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 теплона- сосной установки. Холодил. техника. 1985. № 6. С. 11–14. 9. Tribus M., Evans R. B. The thermoeconomics of sea water conversion. UCLA Report № 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, № 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 хо- лодил. пром-сти, 1990. 205 с. 12. Мацевитый Ю. М., Харлампиди Д. Х., Тарасова В. А., Кузнецов М. А. Термоэкономическая диагностика и оп- тимизация 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 ре- шений вакуумно-испарительных теплонасосных установок. Техн. газы. 2017. Т. 17. № 5. С. 16–26. https://doi.org/10.18198/j.ind.gases.2017.0883 14. Мацевитый Ю. М., Харлампиди Д. Х., Тарасова В. А., Кузнецов М. А. Инновационные системы термо- трансформации. Анализ. Синтез. Оптимизация. Харьков: ЧП «Технологический Центр», 2018. 192 с. 15. Мацевитый Ю. М., Чиркин Н. Б., Кузнецов М. А. Термоэкономический анализ теплонасосной системы теп- лоснабжения. Проблемы машиностроения. 2010. Т. 13. № 1. С. 42–51. 16. Кузнецов М. А. Термоэкономический анализ теплонасосной сушильной установки. Проблемы машино- строения. 2012. Т. 15. № 1. С. 36–42. 17. Kuznetsov M., Kharlampidi D., Tarasova V., Voytenko E. Thermoeconomic optimization of supercritical refrigera- tion 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., Marеchal 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 29.03.2019 АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2019, Т. 22, № 2 Методика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів Кузнецов М. О., Тарасова В. О., Харлампіді Д. Х. Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, 61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10 На базі автономного методу термоекономічної оптимізації термодинамічних систем розроблена мето- дика оптимального проектування вакуумно-випарних теплових насосів, що використовують воду (R718) як холо- доагент. 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 ці- льова функція прийняті зведені витрати на створення та експлуатацію системи протягом розрахункового тер- міну 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 оптимізую- чими параметрами системи. Числовий розв’язок задачі термоекономічної оптимізації режимно-конструктивних параметрів вакуумно-випарного теплового насоса, що вбудований в систему охолодження другого контуру теп- лових і атомних електростанцій (ТЕС) і (АЕС), дозволив знайти оптимальні параметри системи, що забезпечу- ють 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 раціонально- го 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 про- тягом року на економічний ефект від його термоекономічної оптимізації. Застосування розробленої методики на практиці має сприяти зниженню фінансових витрат на створення і експлуатацію вакуумно-випарних тепло- вих 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.

Method for the Optimal Design of Vacuum-Evaporative Heat Pumps

Репозитарії

Схожі ресурси