avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2023-7-2-27-35avroen-27Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGРегулирование температуры конденсации парокомпрессионного теплового насоса на базе поршневой длинноходовой компрессорной ступени при фиксированных температурах воспринимающего теплоносителяAdjustment of condensing temperature of the vapor-compression heat pump based on a reciprocating long-stroke compressor stage at fixed temperatures of receiving coolanthttps://orcid.org/0000-0001-9858-7687ЮшаВ. Л.YushaV. L.

Юша Владимир Леонидович - доктор технических наук, профессор (Россия). SPIN-код: 1503-9666. AuthorID (SCOPUS): 6505861937. ResearcherID: J-8079-2013.

644050, Омск, пр. Мира, 11

Yusha Vladimir Leonidovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, SPIN-code: 1503-9666. AuthorID (SCOPUS): 6505861937. ResearcherID: J-8079-2013.

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

1978yusha@mail.ruГромовА. Ю.GromovA. Yu.

Громов Антон Юрьевич - кандидат технических наук, заместитель генерального директора по гражданской продукции.

644105, Омск, ул. 22 Партсъезда, 97, корп. 1

Gromov Anton Yuryevich - Candidate of Technical Sciences, Deputy General Director for Civilian Products of Scientific and Technical Complex «Cryogenic Technique» JSC.

Omsk, 22 Parts’ezda str., bld. 97/1, 644105

azot111@bk.ruУшаковП. В.UshakovP. V.

Ушаков Петр Валерьевич - первый заместитель генерального директора.

644105, Омск, ул. 22 Партсъезда, 97, корп. 1

Ushakov Petr Valeryevich - First Deputy General Director        of          Scientific     and    Technical     Complex «Cryogenic Technique» JSC.

Omsk, 22 Parts’ezda str., bld. 97/1, 644105

Омский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationАО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника»РоссияJSC Scientific and Technical Complex «Cryogenic Technique»Russian Federation202330062023722735Copyright © Юша В.Л., Громов А.Ю., Ушаков П.В., 20232023Юша В.Л., Громов А.Ю., Ушаков П.В.Yusha V.L., Gromov A.Y., Ushakov P.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/27

Рассмотрен теоретический цикл теплового насоса, реализуемый в том числе на базе поршневой длинноходовой тихоходной компрессорной ступени при фиксированных температурах воспринимающего теплоносителя. Энергетическими составляющими являются индикаторная мощность компрессора, тепловая мощность потребителя, дополнительная тепловая мощность, подводимая к рабочему телу теплового насоса перед процессом сжатия, а также дополнительная тепловая мощность, подводимая к рабочему телу теплового насоса или отводимая от него в процессе сжатия. В качестве независимых параметров регулирования рассмотрены: соотношение массовых расходов рабочего тела теплового насоса и воспринимающего теплоносителя; перегрев рабочего тела теплового насоса на всасывании и показатель политропы сжатия.

Выполнен анализ возможных расчетных и нерасчетных режимов работы теплового насоса при фиксированных режимных параметрах потребителя. Разработана методика определения термодинамической эффективности идеального теплового насоса при различных способах регулирования температуры конденсации. Исследована взаимосвязь коэффициента преобразования теплового насоса с различными способами регулирования температуры конденсации при использовании в качестве его рабочего тела водяного пара. Представленные результаты теоретического анализа отражают характер зависимости тепловой мощности и коэффициента преобразования теплового насоса от соотношения массовых расходов воспринимающего теплоносителя и рабочего тела теплового насоса, показателя политропы процесса сжатия, перегрева пара на всасывании.

The theoretical cycle of a heat pump is considered, which is implemented, among other things, on the basis of a reciprocating long-stroke low-speed compressor stage at fixed temperatures of the receiving coolant. The energy components are the indicated power of the compressor, the heating capacity of the consumer, the additional heating capacity supplied to the working fluid of the heat pump before the compression process, as well as the additional heating capacity supplied to the working fluid of the heat pump or removed from it during the compression process. As independent control parameters, the following are considered: the ratio of the mass flow rates of the working fluid of the heat pump and the receiving coolant; overheating of the working fluid of the heat pump at suction and compression polytropic index.

The analysis of possible design and non-design modes of operation of the heat pump with fixed operating parameters of the consumer is carried out. A technique has been developed for determining the thermodynamic efficiency of an ideal heat pump with various methods of adjustment of the condensing temperature. The relationship between the conversion factor of a heat pump and various methods of adjustment of the condensation temperature when using water vapor as its working fluid has been studied. The presented results of the theoretical analysis reflect the nature of the dependence of the heating capacity and the conversion factor of the heat pump on the ratio of the mass flow rates of the receiving coolant and the working fluid of the heat pump, the polytropic index of the compression process, and superheating of the suction steam.

тепловой насосрегулируемая температура конденсациикоэффициент преобразованиятеоретический циклпоршневой компрессорводяной парheat pumpadjustable condensing temperatureconversion efficiencytheoretical cyclereciprocating compressorwater vaporReferencesАнтипов Ю. А. Утилизация вторичных энергоресурсов газовых двигателей и газотурбинных установок с использованием тепловых насосов: автореф. … дис. канд. техн. наук. Москва, 2005. 16 с.Antipov Yu. A. Utilizatsiya vtorichnykh energoresursov gazovykh dvigateley i gazoturbinnykh ustanovok s ispol’zovaniyem teplovykh nasosov [Recovery of secondary energy resources from gas engines and gas turbines using heat pumps]. Moscow, 2005. 16 p. (In Russ.).Захаров М. К. Сравнение эффективности применения различных вариантов теплового насоса // Химическая промышленность. 2002. № 8. С. 1–7.Zakharov M. K. Sravneniye effektivnosti primeneniya razlichnykh variantov teplovogo nasosa [Comparison of the efficiency of different heat pump options] // Khimicheskaya promyshlennost’. Chemical Industry. 2002. No. 8. P. 1–7. (In Russ.).Коновалов В. И., Романова Е. В., Гатапова Н. Ц. Сушка с тепловыми насосами в химической промышленности: возможности и экспериментальная техника // Вестник ТГТУ. 2011. Т. 17, № 1. С. 153–178.Konovalov V. I., Romanova E. V., Gatapova N. Ts. Sushka s teplovymi nasosami v khimicheskoy promyshlennosti: vozmozhnosti i eksperimental’naya tekhnika [Heat pump drying in the chemical industry: Opportunities and experimental technology] // Vestnik TGTU. Transactions of the TSTU. 2011. Vol. 17, no. 1. P. 153–178. (In Russ.).Амерханов Р. А. Тепловые насосы. Москва: Энергоатомиздат, 2005. 160 с.Amerkhanov R. A. Teplovyye nasosy [Heat pumps]. Moscow, 2005. 160 p. (In Russ.).Шомова Т. П. Повышение энергетической эффективности газоперерабатывающих предприятий на основе применения тепловых насосов: автореф. дис. … канд. техн. наук. Иваново, 2014. 20 с.Shomova T. P. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti gazopererabatyvayushchikh predpriyatiy na osnove primeneniya teplovykh nasosov [Improving the energy efficiency of gas processing plants through the use of heat pumps]. Ivanovo, 2014. 20 p. (In Russ.).Малафеев И. И., Ильин Г. А., Крысанов К. С. Рабочие тела высокотемпературных тепловых насосов. Современное состояние вопроса и направления развития // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. T. 3, № 3 (21). С. 53–58.Malafeyev I. I., Il’in G. A., Krysanov K. S. Rabochiye tela vysokotemperaturnykh teplovykh nasosov. Sovremennoye sostoyaniye voprosa i napravleniya razvitiya [Working substances of high heat pumps. current state of affair and development] // Izvestiya MGTU «MAMI». Izvestiya MGTU «MAMI». 2014. Vol. 3, no. 3 (21). P. 53–58. (In Russ.).Елистратов С. Е. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов: автореф. дис. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2011. 40 с.Elistratov S. E. Kompleksnoye issledovaniye effektivnosti teplovykh nasosov [Comprehensive study of heat pump efficiency]. Novosibirsk, 2011. 40 p. (In Russ.).Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы. Москва: Энергоиздат, 1982. 224 с.Rey D., Makmayl D. Teplovyye nasosy [Heat pumps]. Moscow, 1982. 224 p. (In Russ.).Trott A. R., Welch T. Refrigeration and Air-Conditioning. 3rd ed. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000. 377 p.Trott A. R., Welch T. Refrigeration and Air-Conditioning. 3rd ed. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000. 377 p. (In Engl.).Bellocchi S., Guizzi G. L., Manno M. [et al.]. Reversible heat pump HVAC system with regenerative heat exchanger for electric vehiles: Analysis of its impact on driving range // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. P. 290–305. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.10.020.Bellocchi S., Guizzi G. L., Manno M. [et al.]. Reversible heat pump HVAC system with regenerative heat exchanger for electric vehicles: analysis of its impact on driving range // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. P. 290–305. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.10.020. (In Engl.).13th IEA Heat Pump Conference 2021/ Conference Proceedings — Full Papers. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/13th-iea-heat-pumpconference-2021-conference-proceedings-full-papers/ (дата обращения: 18.10.2022).13th IEA Heat Pump Conference 2021 / Conference Proceedings — Full Papers. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/13th-iea-heat-pump-conference-2021conference-proceedings-full-papers/ (accessed: 18.10.2022). (In Engl.).Pedersen S. Annex 47: Heat Pumps in District Heating and Cooling Systems // Heat Pump Technologies Magazine. 2020. Vol. 38, № 1. P. 27–30.Pedersen S. Annex 47: Heat Pumps in District Heating and Cooling Systems // Heat Pump Technologies Magazine. 2020. Vol. 38, no. 1. P. 27–30. (In Engl.).Kitanovski A., Plaznik U., Tomc U. [et al.]. Present and future caloric refrigeration and heat-pump technologies // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 57. P. 288–298.Kitanovski A., Plaznik U., Tomc U. [et al.]. Present and future caloric refrigeration and heat-pump technologies // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 57. P. 288–298. (In Engl.).Song Y., Cui C., Yin X. [et al.]. Advanced development and application of transcritical CO2 refrigeration and heat pump technology–A review // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 7840–7869. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.05.233.Song Y., Cui C., Yin X. [et al.]. Advanced development and application of transcritical CO2 refrigeration and heat pump technology — A review // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 7840– 7869. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.05.233. (In Engl.).Saito K. Latest heat pump technologies in Japan / 12th IEA Heat Pump Conference (2017) K.4.7.1. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/archive/hpc2017/wp-content/uploads2017/06/k471.pdf (дата обращения: 12.10.2022).Saito K. Latest heat pump technologies in Japan / 12th IEA Heat Pump Conference (2017) K.4.7.1. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/archive/hpc2017/wp-content/uploads2017/06/k471.pdf (accessed: 12.10.2022). (In Engl.).Володин В. И., Седляр К. В. Выбор эксплуатационных параметров и хладагента для парокомпрессионных тепловых насосов // Труды БГТУ. 2016. № 3. С. 147–153.Volodin V. I., Sedlyar K. V. Vybor ekspluatatsionnykh parametrov i khladagenta dlya parokompressionnykh teplovykh nasosov [Selection of operational parameters and refrigerant for vapor compression air-source heat pumps] // Trudy BGTU. Proceedings of BSTU. 2016. No. 3. P. 147–153. (In Russ.).Bless F., Arpagaus C., Bertsch S. Theoretical investigation of high-temperature heat pump cycles for steam generation // 13th IEA Heat Pump Conference, April 26–29. Jeju, Korea, 2021. P. 357–369. DOI: http://dx.doi.org/10.18462/iir.gl.2018.1201.Bless F., Arpagaus C., Bertsch S. Theoretical investigation of high-temperature heat pump cycles for steam generation // 13th IEA Heat Pump Conference, April 26–29. Jeju, Korea, 2021. P. 357–369. DOI: http://dx.doi.org/10.18462/iir.gl.2018.1201. (In Engl.).Badran B. E., Ghanbarpourgeravi M., Khodabandeh R. The Future of Refrigerants for Heat Pump Applications // Heat Pump Technologies Magazine. 2022. Vol. 40, № 1. P. 22–25. DOI: 10.23697/z1mf-g484.Badran B. E., Ghanbarpourgeravi M., Khodabandeh R. The Future of Refrigerants for Heat Pump Applications // Heat Pump Technologies Magazine. 2022. Vol. 40, no. 1. P. 22–25. DOI: 10.23697/z1mf-g484. (In Engl.).Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. Москва: Высшая школа, 1968. 288 с.Andryushchenko A. I. Osnovy termodinamiki tsiklov teploenergeticheskikh ustanovok [Fundamentals of thermodynamics of thermal power plant cycles]. Moscow, 1968. 288 p. (In Russ.).Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. Teil I. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 s.Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. Teil I. [Technical Thermodynamics. Part I]. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 s. (In Germ.).Юша В. Л., Громов А. Ю., Ушаков П. В. Анализ влияния температурных режимов поршневой длинноходовой компрессорной ступени на термодинамическую эффективность теплового насоса // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2023. Т. 7, № 1. С. 18–25. DOI: 10.25206/2588-0373-2023-7-1-18-25.Yusha V. L., Gromov A. Yu., Ushakov P. V. Analiz vliyaniya temperaturnykh rezhimov porshnevoy dlinnokhodovoy kompressornoy stupeni na termodinamicheskuyu effektivnost’ teplovogo nasosa [The analysis of influence of temperature conditions of piston long-stroke compressor stage on thermodynamic efficiency of a heat pump] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series AviationRocket and Power Engineering. 2023. Vol. 7, no. 1. P. 18–25. DOI: 10.25206/2588-0373-2023-7-1-18-25. (In Russ.).Юша В. Л., Бусаров С. С. Определение показателей политропы схематизированных рабочих процессов воздушных поршневых тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 1. С. 15–22. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-1-15-22.Yusha V. L., Busarov S. S. Opredeleniye pokazateley politropy skhematizirovannykh rabochikh protsessov vozdushnykh porshnevykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh kompressornykh stupeney [Determination of polytropic indicators of schematized working processes of air piston slowmoving long-stroke compressor stages] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionnoraketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 1. P. 15–22. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-1-15-22. (In Russ.).Юша В. Л., Бусаров С. С. Методика расчёта действительной производительности одноступенчатых длинноходовых поршневых компрессоров // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 4. С. 9–15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-9-15.Yusha V. L., Busarov S. S. Metodika raschëta deystvitel’noy proizvoditel’nosti odnostupenchatykh dlinnokhodovykh porshnevykh kompressorov [Method for calculating actual capacity of single-stage long-stroke reciprocating compressors] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 4. P. 9–15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-9-15. (In Russ.).Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. Москва: Энергоиздат, 1981. 416 с.Isachenko V. P., Osipova V. A., Sukomel A. S. Teploperedacha [Heat transfer]. Moscow, 1981. 416 p. (In Russ.).Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Таблицы свойств холодильных агентов. Cанкт-Петербург: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. 52 с.Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A. Tablitsy svoystv kholodil’nykh agentov [Tables of the properties of refrigeration agents]. St. Petersburg, 2013. 52 р. (In Russ.).Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справ. Москва: Энергоатомиздат, 1984. 80 с.Rivkin S. L., Aleksandrov A. A. Termodinamicheskiye svoystva vody i vodyanogo para: sprav. [Thermodynamic properties of water and water vapour: handbook]. Moscow, 1984. 80 p. (In Russ.).Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Москва–Ленинград: Машгиз, 1960. 655 с.Frenkel’ M. I. Porshnevyye kompressory. Teoriya, konstruktsii i osnovy proyektirovaniya [Piston compressors. Theory, constructions and basics of design]. Moscow – Leningrad, 1960. 655 p. (In Russ.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В. 2 т. Т. 1. Теория и расчет. 3 изд. Москва: КолосС, 2006. 456 с. ISBN 5-9532-0428-0.Plastinin P. I. Porshnevyye kompressory. V 2 t. T. 1. Teoriya i raschet [Piston compressors. In 2 vols. Vol. 1. Theory and calculation]. 3rd ed. Moscow, 2006. 456 p. ISBN 5-9532-0428-0. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.