Пурдин Михаил Сергеевич – канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры Тепломассообменных процессов и установок
Michail S. Purdin
Юзюк Вадим Валерьевич – младший научный сотрудник кафедры Тепломассообменных процессов и установок
Vadim V. Yuzyuk
АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в разработке новых методов организации отвода низкопотенциальной теплоты ЦОД, силовой электроники, прочих природных и техногенных источников и получении новых зависимостей для оценки максимального увеличения эффективного коэффициента трансформации теплоты (КТТ) простых двухступенчатых циклов тепловых насосов с сепаратором. ЦЕЛЬ работы заключается в оптимизации режима работы простого двухступенчатого теплового насоса с сепаратором. В рамках цели стоят задачи: предложение способа организации отвода теплоты источников низкопотенциальной теплоты, поиск оптимальных режимов работы простого двухступенчатого теплового насоса, разработка методов оценки увеличения их эффективности на основе физических принципов и основ термодинамики. МЕТОДЫ. Для расчетов термодинамического цикла теплового насоса использована библиотека CoolProp, учтено наличие эффективности компрессоров, для проведения оптимизации введен закон, связывающий долю мощности первой ступени с температурой в сепараторе. Для оценки максимальной эффективности теплового насоса сделано допущение, что фреон в компрессор попадает в виде насыщенного не перегретого пара, а в терморегулирующий вентиль поступает чистый конденсат. РЕЗУЛЬТАТЫ. Представлена общая схема и рассмотрен принцип действия двухступенчатого теплового насоса. На основе термодинамического расчета получены термодинамические и теплотехнические характеристики циклов. Двухступенчатые тепловые насосы имеют более высокий коэффициент трансформации теплоты, чем одноступенчатые. Определен коэффициент относительного увеличения эффективного КТТ для фреонов R410a, R141b, R600a, R134a. Показано, что существование максимума эффективного КТТ объясняется наличием двух эффектов. Выведены функции, основанные на физических закономерностях, определяющие экстремум увеличения КТТ и его положение. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведен подробный анализ причин возрастания КТТ относительно одноступенчатого цикла. Полученные зависимости полезны для оценки эффекта от применения двухступенчатого теплового насоса на практике. Разработанная схема теплового насоса может быть применена для отбора низкопотенциальной теплоты в ЦОД, от силовой электроники, грунта и других источников с большей эффективностью, чем одноступенчатый цикл.
The RELEVANCE of the research lies in the development of new methods for organizing the removal of low-potential heat from data centers, power electronics and other natural and technological sources, as well as in obtaining new dependencies for assessing the maximum increase in the effective coefficient of performance (COP) of simple two-stage heat pump (HP) cycles with a separator. The GOAL of the work is to optimize the operation of a simple two-stage heat pump with a separator. METHODS. The CoolProp library was used for calculating the thermodynamic cycle of the heat pump and the efficiency of the compressors was taken into account. A law was introduced to optimize the operation of the heat pump, which relates the power fraction of the first stage to the temperature in the separator. To assess the maximum efficiency of the heat pump, it was assumed that the refrigerant enters the compressor as an unsuperheated vapor and pure condensate enters the thermostatic valve. RESULTS. A general scheme is presented and the principle of operation of a two-stage heat pump is discussed. Based on thermodynamic calculations, the thermal performance of the cycles is obtained. The coefficient of relative increase in the effective COP for R410a, R141b, R600a and R134a refrigerants is determined. It is shown that the existence of a maximum in the effective heat transformation coefficient is due to the presence of two effects. Functions based on physical laws are derived that determine the maximum increase in the heat transformation coefficient and its position. CONCLUSION. A detailed analysis of the reasons for the increase in COP relative to a single-stage cycle has been conducted. The obtained dependencies are useful for assessing the effect of using a two-stage heat pump in practice. The developed heat pump scheme can be used to extract low-potential heat from data centers, power electronics, the ground and other sources with greater efficiency than a single-stage cycle.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.