avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2023-7-1-18-25avroen-51Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGАнализ влияния температурных режимов поршневой длинноходовой компрессорной ступени на термодинамическую эффективность теплового насосаThe analysis of influence of temperature conditions of piston long-stroke compressor stage on thermodynamic efficiency of a heat pumphttps://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 АО НТК «Криогенная техника».

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 АО НТК «Криогенная техника».

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 Federation202330032023711825Copyright © 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/51

Представлен краткий обзорный анализ применимости тепловых насосов в различных отраслях техники и производства как одной из наиболее энергосберегающих технологий. Рассмотрен теоретический цикл теплового насоса на базе поршневой длинноходовой тихоходной компрессорной ступени, позволяющей реализовать процесс сжатия в широком диапазоне величины показателя политропы. Выполнен анализ взаимосвязи интегральных характеристик и энергоэффективности теплового насоса с температурным режимом компрессорной ступени при использовании в качестве рабочего тела водяного пара. Представленные результаты теоретического анализа отражают характер зависимости тепловой мощности и коэффициента трансформации теплового насоса от показателя политропы процесса сжатия, температуры кипения, перегрева пара на всасывании, разности температур конденсации и кипения.

A brief overview analysis of the applicability of heat pumps in various branches of engineering and production as one of the most energy-saving technologies is presented. The theoretical cycle of a heat pump based on a piston long-stroke low-speed compressor stage is considered, which allows to realize the compression process in a wide range of the polytrope index.

The analysis of the relationship of the integral characteristics and energy efficiency of the heat pump with the temperature regime of the compressor stage when using water vapor as a working fluid is performed. The presented results of the theoretical analysis reflect the nature of the dependence of the thermal power and the transformation coefficient of the heat pump on the polytropy index of the compression process, boiling temperature, steam overheating at suction, the difference in condensation and boiling temperatures.

тепловой насостеоретический циклпоршневой компрессорводяной парпроцесс сжатияпоказатель политропытемпература кипенияперегрев на всасываниитемпература конденсацииheat pumptheoretical cyclereciprocating compressorwater vaporcompression processpolytrope indexboiling temperaturesuction overheatingcondensation temperatureReferencesЯнтовский 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.).Антипов 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.).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.).Васильев Г. П. Теплоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв Земли: автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 2011. 38 с.Vasil’yev G. P. Teplosnabzheniye zdaniy i sooruzheniy s ispol’zovaniyem nizkopotentsial’noy teplovoy energii poverkhnostnykh sloyлv Zemli [Heat Supply of Buildings and Structures Using Low Potential Thermal Energy of the Earth's Surface Layers]. Moscow, 2011. 38 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.).Holihan P. Analysis of Geothermal Heat Pump Manufacturers Survey Data / Energy Information Administration/ Renewable Energy 1998: Issues and Trends. URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1666084188&tld=ru&lang=en&name=geo_hp_art.pdf (дата обращения: 18.10.2022).Holihan P. Analysis of Geothermal Heat Pump Manufacturers Survey Data / Energy Information Administration/ Renewable Energy 1998: Issues and Trends. URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1666084188&tld=ru&lang=en&name=geo_hp_art.pdf (accessed: 18.10.2022). (In Engl.).13th IEA Heat Pump Conference 2021 / Conference Proceedings — Full Papers. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/13th-iea-heat-pump-conference-2021conference-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.).Abergel T. Efforts for heat pump deployment are bearing fruit, but more will be needed // Heat Pump Technologies Magazine. 2020. Vol. 38, № 2. P. 7–8.Abergel T. Efforts for heat pump deployment are bearing fruit, but more will be needed // Heat Pump Technologies Magazine. 2020. Vol. 38, no. 2. P. 7–8. (In Engl.).Kitanovski A., Plaznik U., Tomc U., Poredos A. Present and future caloric refrigeration and heat-pump technologies // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 39. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.06.008.Kitanovski A., Plaznik U., Tomc U., Poredos A. Present and future caloric refrigeration and heat-pump technologies // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 39. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.06.008. (In Engl.).Bobbo S., Fedele L., Curcio M. [et al.]. Energetic and Exergetic Analysis of Low Global Warming Potential Refrigerants as Substitutes for R410A in Ground Source Heat Pumps // Energies. 2019. Vol. 12. 3538. DOI: 10.3390/en12183538.Bobbo S., Fedele L., Curcio M. [et al.]. Energetic and Exergetic Analysis of Low Global Warming Potential Refrigerants as Substitutes for R410A in Ground Source Heat Pumps // Energies. 2019. Vol. 12. 3538. DOI: 10.3390/en12183538. (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.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. (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 [Choice of operating parameters and refrigerant for vapor compression heat pumps] // Trudy BGTU. Trudy BGTU. 2016. No. 3. P. 147–153. (In Russ.).Сычёв А. О. Разработка и исследование теплонасосной системы отопления сельского дома на основе использования потенциальной теплоты открытого водотока: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2021. 189 с.Sychev A. O. Razrabotka i issledovaniye teplonasosnoy sistemy otopleniya sel’skogo doma na osnove ispol’zovaniya potentsial’noy teploty otkrytogo vodotoka [Design and research of a heat pump heating system for a rural house based on the potential heat of an open watercourse]. Moscow, 2021. 189 p. (In Russ.).Colbourne D. History of Flammable Refrigerants. URL: https://www.researchgate.net/ (дата обращения 10.10.2022).Colbourne D. History of Flammable Refrigerants. URL: https://www.researchgate.net/ (accessed: 10.10.2022). (In Engl.).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.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. (In Engl.).Kaida T. Thermodynamic analysis of refrigerant selection for high temperature heat pump cycles / 13th IEA Heat Pump Conference April 26–29, Jeju, Korea. 2021. P. 1833–1842.Kaida T. Thermodynamic analysis of refrigerant selection for high temperature heat pump cycles / 13th IEA Heat Pump Conference April 26–29, Jeju, Korea. 2021. P. 1833–1842. (In Engl.).Badran B. E., Ghanbarpourgeravi M., Khodabandeh R. The Future of Refrigerants for Heat Pump Applications // Heat Pump Technologies Magazine. Vol. 40, № 1. 2022. 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. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 s. (In Germ.).Мазурова О. К., Чубанова Т. О. К оценке эффективности переохлаждения для ряда хладагентов в теплонасосном цикле // Науковедение. 2013. № 3. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/52trgsu313.pdf (дата обращения 12.10.2022).Mazurova O. K., Chubanova T. O. K otsenke effektivnosti pereokhlazhdeniya dlya ryada khladagentov v teplonasosnom tsikle [By evaluating the effectiveness of supercooling for a number of refrigerants in the heat pump cycle] // Naukovedeniye. Naukovedeniye. 2013. No. 3. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/52trgsu313.pdf (accessed: 12.10.2022). (In Russ.).Wenxing S., Shuangquan S., Baolong W. [et al.]. Thermodynamics analysis and thermoeconomics evaluation on heat recovery inverter air-cooling heat pump with domestic hot water // 7th IEA Heat Pump Conference, May 19–22, Beijing, China. 2002. P. 889–894. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/ (дата обращения 19.10.2022).Wenxing S., Shuangquan S., Baolong W. [et al.]. Thermodynamics analysis and thermoeconomics evaluation on heat recovery inverter air-cooling heat pump with domestic hot water // 7th IEA Heat Pump Conference, May 19–22, Beijing, China. 2002. P. 889–894. URL: https://heatpumpingtechnologies.org/publications/ (accessed: 19.10.2022). (In Engl.).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. Aviatsionno-raketnoye 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 rascheta 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.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. Москва: КолосС, 2006. 456 с.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.).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 vapor: a 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.).

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