avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2023-7-2-36-44avroen-28Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGСравнительная оценка энергетической и экономической эффективности парокомпрессионных тепловых насосов при модернизации крупного химического и нефтеперерабатывающего производства. Часть 1Comparative evaluation of the energy and economic efficiency of vapor compression heat pumps in modernization of large chemical and oil refining industries. Part 1https://orcid.org/0000-0001-9858-7687ЮшаВ. Л.YushaV. I.

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.ruСутягинскийМ. А.SutyaginskiyM. A.

Сутягинский Михаил Александрович - председатель совета директоров.

644035, Омск, пр. Губкина, 22

Sutyaginskiy Mikhail Alexandrovich - Chairman of the Board of Directors.

Omsk, Gubkin Ave., 30, 644035

ПотаповЮ. А.PotapovYu. A.

Потапов Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, главный специалист департамента по развитию и новым технологиям.

644035, Омск, пр. Губкина, 22

Potapov Yuri Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, Chief Specialist of Development and New Technologies Department.

Omsk, Gubkin Ave., 30, 644035

Омский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationАО «Группа компаний «Титан»РоссияJSC «Group of companies «TitanRussian Federation202330062023723644Copyright © Юша В.Л., Сутягинский М.А., Потапов Ю.А., 20232023Юша В.Л., Сутягинский М.А., Потапов Ю.А.Yusha V.I., Sutyaginskiy M.A., Potapov Y.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/28

Рассмотрен вопрос целесообразности повышения энергоэффективности крупного химического и нефтеперерабатывающего производства путем замены печных нагревателей технологических теплоносителей и сырья на парокомпрессионные тепловые насосы. Выполнен анализ взаимосвязи технической конфигурации парокомпрессионных тепловых насосов, режимных параметров их эксплуатации (определяющих величину коэффициента преобразования энергии) и соотношения стоимости различных энергоносителей. Представленные результаты сравнительного анализа энергоэффективности различных вариантов замены печь–парокомпрессионный тепловой насос отражают определяющее влияние технического уровня и конструктивной конфигурации парокомпрессионного теплового насоса на выбор предпочтительного варианта модернизации. Однако существенное различие в коммерческих ценах на энергоносители значительно изменяет предпочтительное ранжирование этих вариантов.

The question of the feasibility of increasing the energy efficiency of large chemical and oil refining industries by replacing furnace heaters of process heat carriers and raw materials with vapor compression heat pumps is considered. An analysis of the relationship between the technical configuration of vaporcompression heat pumps, the operating parameters of their operation (determining the value of the energy conversion coefficient) and the ratio of the cost of various energy carriers is carried out.

The presented results of a comparative analysis of the energy efficiency of various options for replacing a furnace with a vapor compression heat pump reflect the decisive influence of the technical level and design configuration of a vapor compression heat pump on the choice of the preferred upgrade option. However, a significant difference in commercial energy prices significantly changes the preferred ranking of these options.

преобразователь энергиипарокомпрессионный тепловой насоспечькоэффициент преобразования энергииКПДгазовое топливопарэлектроэнергияудельная себестоимость тепловой энергииenergy convertervapor compression heat pumpheaterenergy conversion factorefficiency factorgas fuelsteamelectricityunit cost of thermal energyReferencesШесть ключевых задач в экономике России на 2023 год. Стенограмма выступления Владимира Путина на заседании Совета по стратегическому развитию и национальным проектам. URL: https://rg.ru/2022/12/15/stenogramma/ (дата обращения: 16.12.2022).Shest’ klyuchevykh zadach v ekonomike Rossii na 2023 god. Stenogramma vystupleniya Vladimira Putina na zasedanii Soveta po strategicheskomu razvitiyu i natsional’nym proyektam [Six key tasks in the Russian economy for 2023. Transcript of Vladimir Putin's speech at a meeting of the Council for Strategic Development and National Projects]. URL: https://rg.ru/2022/12/15/stenogramma/ (accessed: 16.12.2022). (In Russ.).Плотникова Л. В., Чиликова И. И., Валиев Р. Н. [и др.]. Организация системы преобразования вторичной тепловой энергии с использованием теплонасосного оборудования для нефтегазоперерабатывающего предприятия Восточной нефтяной компании // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 11. С. 86–90.Plotnikova L. V., Chilikova I. I., Valiyev R. N. [et al.]. Organizatsiya sistemy preobrazovaniya vtorichnoy teplovoy energii s ispol’zovaniyem teplonasosnogo oborudovaniya dlya neftegazopererabatyvayushchego predpriyatiya Vostochnoy neftyanoy kompanii [Organization of a system for converting secondary thermal energy using heat pump equipment for an oil and gas refinery of the eastern oil company] // Territoriya «NEFTEGAZ». Territoriya «NEFTEGAZ». 2018. No. 11. P. 86–90. (In Russ.).Янтовский Е. И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. Москва: Энергоатомиздат, 1989. 125 с.Yantovskiy E. I., Levin L. A. Promyshlennyye teplovyye nasosy [Industrial heat pumps]. Moscow, 1989. 125 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.).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.).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.).13th IEA Heat Pump Conference 2021 / Conference Proceedings — Full Papers. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/13th-iea-heat-pump-conference2021-conference-proceedings-full-papers/ (дата обращения: 18.10.2022).13th IEA Heat Pump Conference 2021 / Conference Proceedings – Full Papers. URL: https://heatpumpingtech-nologies.org/publications/13th-iea-heat-pump-conference-2021conference-proceedings-full-papers/ (accessed: 18.10.2022). (In Engl.).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.).Дуванов С. А. Исследование тепловых насосов на режимах, отличных от номинального, при сохранении выходных параметров: автореф. дис. … канд. техн. наук. Астрахань, 2006. 21 с.Duvanov S. A. Issledovaniye teplovykh nasosov na rezhimakh, otlichnykh ot nominal’nogo, pri sokhranenii vykhodnykh parametrov [Investigation of heat pumps at modes other than nominal while maintaining output parameters]. Astrakhan, 2006. 21 p. (In Russ.).Кошкин Н. Н.,Ткачёв А. Г., Бадылькес И. С. [и др.]. Холодильные машины. Ленинград: Машиностроение, 1973. 521 с.Koshkin N. N., Tkachev A. G., Badyl’kes I. S. [et al.]. Kholodil’nyye mashiny [Refrigeration machines]. Leningrad, 1985. 521 p. (In Russ.).Гашо Е. Г., Козлов С. А., Пузаков В. С. [и др.]. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно-методическое издание. Москва: Изд-во Перо, 2016. 204 с.Gasho E. G., Kozlov S. A., Puzakov V. S. [et al.]. Teplovyye nasosy v sovremennoy promyshlennosti i kommunal’noy infrastructure [Heat pumps in modern industry and public infrastructure]. Moscow, 2017. 204 p. (In Russ.).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.).Бучко Н. А., Гоголин А. А., Латышев В. П. [и др.]. Теплофизические основы получения искусственного холода. Справочник. Москва: Пищевая промышленность, 1980. 232 с.Buchko N. A., Gogolin A. A., Latyshev V. P. Teplofizicheskiye osnovy polucheniya iskusstvennogo kholoda. Spravochnik [Thermophysical bases for obtaining artificial cold. Handbook]. Moscow, 1980. 232 p. (In Russ.).Галимова Л. В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. 226 с.Galimova L. V. Absorbtsionnyye kholodil’nyye mashiny i teplovyye nasosy [Absorption chillers and heat pumps]. Astrakhan, 1997. 226 p. (In Russ.).Горшков В. Г., Паздников А. Г., Мухин Д. Г. [и др.]. Промышленный опыт и перспективы использования отечественных абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин и тепловых насосов нового поколения. URL: http://teplosibmash.ru/ (дата обращения: 20.01.2023).Gorshkov V. G., Pazdnikov A. G., Mukhin D. G. [et al.]. Sevast’yanov Promyshlennyy opyt i perspektivy ispol’zovaniya otechestvennykh absorbtsionnykh bromistolitiyevykh kholodil’nykh mashin i teplovykh nasosov novogo pokoleniya [Industrial experience and prospects for the use of domestic absorption lithium bromide refrigerating machines and heat pumps of a new generation]. URL: http://teplosibmash.ru/ (accessed: 20.01.2023). (In Russ.).Романюк В. Н., Бобич А. А., Муслина Д. Б. [и др.]. Абсорбционные тепловые насосы в теплоэнергетических системах промышленных предприятий для снижения энергетических и финансовых затрат // Энергия и менеджмент. 2013. № 2 (71). С. 32–37.Romanyuk V. N., Bobich A. A., Muslina D. B. [et al.]. Absorbtsionnyye teplovyye nasosy v teploenergeticheskikh sistemakh promyshlennykh predpriyatiy dlya snizheniya energeticheskikh i finansovykh zatrat [Absorption heat pumps in heat and power systems of industrial enterprises to reduce energy and financial costs] // Energiya i menedzhment. Energy and Management. 2013. No. 2 (71). P. 32–37. (In Russ.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. 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.).Юша В. Л., Чернов Г. И. Термодинамический анализ эффективности мобильных компрессорных установок с рекуперацией тепловых потерь. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 102 с.Yusha V. L., Chernov G. I. Termodinamicheskiy analiz effektivnosti mobil’nykh kompressornykh ustanovok s rekuperatsiyey teplovykh poter’ [Thermodynamic analysis of the efficiency of mobile compressor units with heat loss recovery]. Omsk, 2014. 102 p. (In Russ.).Луканин В. Н., Алексеев И. В., Шатров М. Г. [и др.]. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. 3-е изд., перераб. и испр. Москва: Высшая школа, 2007. 479 с.Lukanin V. N., Alekseyev I. V., Shatrov M. G. [et al.]. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. V 3 kn. Kn. 1. Teoriya rabochikh protsessov [Internal combustion engines. In 3 bk. Bk. 1. Theory of work processes]. 3th ed., 2007. 479 p. (In Russ.).Архаров А. М., Архаров И. А., Афанасьев В. Н. [и др.]. Теплотехника. Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 712 с.Arkharov A. M., Arkharov I. A., Afanasyev V. Н. [et al.]. Teplotekhnika [Heat Engineering]. Moscow, 2004. 712 p. (In Russ.).Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Москва: Изд-во МЭИ, 2009. 580 с.Tsanev S. V., Burov V. D., Remezov A. N. Gazoturbinnyye i parogazovyye ustanovki teplovykh elektrostantsiy [Gas turbine and steam-gas installations of thermal power plants]. Moscow, 2009. 580 p. (In Russ.).Селиверстов В. М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. Ленинград: Судостроение, 1973. 256 с.Seliverstov V. M. Utilizatsiya tepla v sudovykh dizel’nykh ustanovkakh [Heat recovery in marine diesel installations]. Leningrad, 1973. 256 p. (In Russ.).Бажан П. И., Каневец Г. Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. Москва: Машиностроение, 1989. 366 с.Bazhan P. I., Kanevets G. E., Seliverstov V. M. Spravochnik po teploobmennym apparatam [Handbook of heat exchangers]. Moscow, 1989. 366 p. (In Russ.).Справочник по теплообменникам. В 2 т. / Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко [и др.]. Москва: Энергоатомиздат, 1987. Т. 2. 352 с.Spravochnik po teploobmennikam. V 2 t. [Heat exchanger handbook. In 2 vols.] / Trans. from Engl. by ed. O. G. Martynenko [et al.]. Moscow, 1987. Vol. 2. 352 p. (In Russ.).Сазанов Б. В., Ситас В. И. Промышленные теплоэнергетические установки и системы. Москва: Издат. дом МЭИ, 2004. 275 с.Sazanov B. V., Sitas V. I. Promyshlennyye teploenergeticheskiye ustanovki i sistemy [Industrial thermal power plants and systems]. Moscow, 2004. 275 p.Нефтегазовое оборудование. URL: https://salus-ural.ru/wp-content/uploads/2016/10/catalog (дата обращения: 21.01.2023).Neftegazovoye oborudovaniye [Oil and gas equipment]. URL: https://salus-ural.ru/wp-content/uploads/2016/10/catalog (accessed: 21.01.2023). (In Russ.).Каталог технологических печей производства ООО НПП «НОУПром» URL: http://nouprom-npz.ru (дата обращения: 21.01.2023).Katalog tekhnologicheskikh pechey proizvodstva OOO NPP «NOUProm» [Catalog of technological furnaces produced by LLC NPP NOUprom]. URL: http://nouprom-npz.ru (accessed: 21.01.2023). (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.).Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. Teil I. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 s.Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik: Teil I. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 s. (In Germ.).

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