WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Гуреев Виктор Михайлович

Повышение эффективности  теплонасосных установок на основе численного и физического моделирования.

Специальность: 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретические Основы Теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева-КАИ

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Гортышов Юрий Федорович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор  Калнинь Игорь Мартынович

Доктор технических наук, профессор  Сабирзянов Айдар Назимович

Доктор технических наук, профессор Дрегалин Анатолий Федорович

Ведущее предприятие:

Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится  «__»  ___________ 2010 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева  по адресу 420111 г. Казань,

ул. К.Маркса, 10.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева – КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайте referat_vak@obrnadzor.gov.ru

Автореферат разослан  «___» __________________2010 г

Ученый секретарь

Диссертационного совета

к.т.н., доцент                                                        А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 

Использование теплонасосного оборудования в области теплоснабжения стало основным энергосберегающим мероприятием не только в мире, но и в России. Множество российских и зарубежных организаций занимаются созданием опытно-промышленных образцов теплонасосных установок отопительного и технологического назначения, так как Россия имеет огромный потенциал низкотемпературных тепловых ресурсов, которые можно использовать для теплоснабжения.

В большинстве европейских государств (за исключением Скандинавских стран) тепловые насосы применяют­ся в основном для горячего водо­снабжения, количество таких установок превышает 70% от их общего числа. Распространение тепловых насосов для ГВС  связано с ма­лыми отопительными периодами в странах Европы, США и странах азиатского региона, продолжительность которых составляет в среднем 3500-3800 часов в год.  Срок окупаемости при использовании тепловых насосов для ГВС составляет 2,5 года, а для целей отопления – 5-8 лет. Использование тепловых насосов для горячего водоснабжения –  наиболее выгодный вари­ант как с термодинамической, так и с экономической точек зрения.

В реальных теплонасосных установках чаще всего часть жидкого фреона вскипает, и в испаритель теплового насоса поступает парожидкостная смесь. Доля жидкого фреона, вски­певшая при дросселировании, составляет приблизительно  30%. При работе ТН на ГВС гарантировано отсутствие такого отрицательного эффекта и, соот­ветственно, возможно получение максимального значения коэффициента трансформации . При работе в отопительном режиме теплового насоса потребителем бу­дет получено меньшее на 25-30% количество тепловой энергии.

В российских условиях наиболее востребованы теплонасосные установки для целей отопления, а, следовательно, рассчитанные на более высокие температуры. Поэтому для российских климатических условий должны разрабатываться тепловые насосы, отли­чающиеся от зарубежных. При повышении температуры горячей воды снижение коэффициента трансформации будет только возрастать.

Значительное количество работ последних лет посвящено вопросам обеспечения конкурентоспособности ТНУ по сравнению с другими способами теплоснабжения. В работах  Бродянского В.М., Янтовского Е.Н., Калниня Е.М., Хейндриха Г. и т.д. в качестве границы конкурентоспособности принимается минимальный коэффициент преобразования φ=2,5-4. При существующих тарифах на энергетические ресурсы в России, даже при коэффициенте преобразования φ4, парокомпрессионные теплонасосные установки часто оказываются экономически нерентабельными. Используемая методика расчетов и циклового анализа параметров ТНУ дает их завышенные значения, что в дальнейшем приводит к тому, что внедрение тепловых насосов экономически не оправдывается. Возникла необходимость в выявлении причин, приводящих к получению завышенных значений, а так же разработке новых способов повышения эффективности ТНУ в целом и эффективности отдельных ее элементов.

Наиболее полно изучены данные вопросы применительно к холодильной технике, а для тепловых насосов остаётся масса нерешённых вопросов в области: разработок методик расчётов ТНУ с учётом реальности параметров элементов установок и рабочих тел; перевода свойств рабочих тел ТНУ в электронную форму; оптимизации схемных решений ТНУ; повышения эффективности теплообменного оборудования, компрессоров и т.д. Решение данных вопросов делает данную работу актуальной.

Цель исследований: повышение эффективности теплонасосных установок и их элементов на основе численного и физического моделирования процессов теплообмена и гидродинамики, разработка на основе исследований рекомендаций и методик уточнённых расчётов параметров ТНУ.

Основные задачи:

  1. Провести анализ опыта внедрения теплонасосных установок в эксплуатацию для энергетических и технологических целей; выявить основные проблемы технического и экономического характера, сдерживающие внедрение ТНУ; определить наиболее перспективные способы повышения эффективности ТНУ и разработать рекомендации по их использованию;
  2. Разработать методики расчета теплотехнических параметров теплонасосных установок с использованием программного комплекса для термогазодинамических расчетов энергетических установок «ПОТОК», провести модернизацию программного комплекса и адаптацию его для расчетов теплонасосных установок;
  3. На базе численных исследований процессов, проходящих в теплонасосных установках, разработать методы повышения эффективности теплонасосных установок и их элементов, а так же соответствующие им опытные стенды и экспериментальные установки. Выявить и математически описать влияние основных внешних и внутренних параметров ТНУ на их эффективность;
  4. Разработать опытные образцы теплонасосных установок и их элементов с улучшенной эффективностью и провести натурные исследования ТНУ и их основных элементов. Разработать конкретные рекомендации по повышению эффективности парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок.

На основе фундаментальных и прикладных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:

  1. Разработаны численные  модели основных элементов парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок в программном комплексе термогазодинамических расчетов энергетических установок, проведена модификация программного комплекса;
  2. Разработана методика представления свойств рабочих тел теплонасосных установок в виде, удобном для использования в расчетном комплексе для термогазодинамических расчетов парокомпрессионных ТНУ;
  3. Разработана методика использования программного комплекса для расчета теплотехнических характеристик теплонасосных установок в нерасчетных режимах работы;
  4. Установлены и математически описаны зависимости основных показателей эффективности теплонасосных установок от их внешних и внутренних параметров, разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров тепловых насосов;
  5. Разработан способ повышения эффективности приводного газопоршневого двигателя парокомпрессионной ТНУ за счет использования добавок водородного топлива, проведено экспериментальное исследование влияния добавок водорода в газовый двигатель, обеспечивающих максимальный рост эффективности двигателя;
  6. Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности приводного газопоршневого ДВС ТНУ за счет использования поршневого уплотнения нового типа, проведена опытная апробация работоспособности поршневого уплотнения;
  7. Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности теплообменных аппаратов  для парокомпрессионных ТНУ за счет использования конусообразных труб и корпусных деталей.

Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждается сравнением результатов численных исследований с результатами физического эксперимента по определению характеристик элементов теплонасосных установок и удовлетворительной их сходимостью, применением современных методов численного анализа и эффективных методик измерения экспериментальных параметров, оценкой погрешностей измерений.

Научная новизна результатов исследования состоит в:

  1. Разработке методики оценки эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок с использованием специализированного программного комплекса для термогазодинамических расчетов и модернизации программного комплекса для проведения термодинамического анализа теплонасосных установок на двухфазных рабочих телах;
  2. Разработке базы данных термодинамических и теплофизических параметров рабочих тел для теплонасосных установок в электронном виде (7 рабочих тел);
  3. Выявлении функциональных зависимостей между параметрами источника низкопотенциальной теплоты и потребителя тепловой энергии  и внутренними параметрами ТНУ и оптимизации схемных решений парокомпрессионных ПТНУ на базе численного анализа параметров теплонасосных установок;
  4. Разработке метода повышения эффективности теплообменных аппаратов в составе теплонасосных установок за счет применения конусообразной формы корпуса и трубок теплообменника, с использованием результатов численных исследований при изготовлении прототипа интенсифицированного теплообменного аппарата;
  5. Разработке метода повышения эффективности теплонасосных установок  за счет использования в качестве привода газопоршневых двигателей с новым типом поршневого уплотнения;
  6. Разработке метода повышения эффективности газотурбинного привода теплонасосных установок за счет добавки пара в газовый тракт ГТУ и в выявлении по результатам численного исследования влияния добавок пара на эффективность ГТУ;
  7. Разработке метода повышения эффективности газовых тепловых насосов за счет использования впрыска воды в газовый тракт теплонасосной установки и в выявлении по результатам численных и экспериментальных исследований влияния впрыска воды на характеристики ТНУ;
  8. Разработке метода повышения эффективности газопоршневого привода ТНУ за счет использования добавок водорода в газовое топливо.

Практическое значение результатов работы состоит в:

  • Использование нового метода проектирования ТНУ с применением ПК «ПОТОК» и рекомендаций, полученных по результатам численных и экспериментальных исследований, проектными организациями для разработки теплонасосных установок с более высокими технико-экономическими характеристиками.

Реализация результатов работы:

С использованием результатов численных и экспериментальных исследований, выполненных в работе, созданы образцы парокомпрессионных теплонасосных установок мощностью 4,5 и 14 кВт, опытно-промышленная установка ПТНУ мощностью 0,7 МВт, опытно-экспериментальная  установка газового теплового насоса мощностью 100 кВт, с более высокими технико-эконимическими параметрами.

Результаты работы использованы:  НТЦ ОАО «КАМАЗ» (г. Н.Челны), КазаНЦ РАН (г.Казань), ОАО КМПО (г.Казань), СКТБ «Радиооборудование» (г.Калуга), ООО «Камэнергоремонт-Холдинг» (г. Нижнекамск), ОАО «Татэнерго» (г.Казань), НИИ «Химической промышленности» (г.Казань), Московской государственной академией промышленной экологии и т.д.

Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам:

№ РНП 2.2.1.1.9,  № 02.516.11.6001 от «07» марта 2007 г., № 4480/17/07100-05 от 29.09.2005 г., №1234/17/07100-06 от 30.03.06 г., №1884/17/07100-07 от 01.02.2007 г., №1985/17/07100-08 от 30.04.08 г. №1984/17/07100-08 от 30.04.08 г.

В учебном процессе: основные результаты диссертационной работы изложены в учебных пособиях, изданных с грифом УМО: «Энергетический комплекс промышленных предприятий», «Энергетический аудит и энергосбережение на предприятиях», «Теплопередача в промышленных аппаратах» для специальности «Энергетика теплотехнологий» и еще в 8 учебно-методических работах.

Апробация работы.

Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на International Heat and Mass Transfer Conference (Surathkal, India, 1995 г.), Всероссийской научной конференции  «Тепловые двигатели в XXI веке» (Казань, 1999 г.), Региональном симпозиуме «Проблемы  реализации целевых программ энергосбережения» (Казань 2001г.), IV международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (Казань, 2003 г.), Четвертой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем (Вологда, 2004), Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». (Казань, 2004-2008 гг.), Научно-практической конференции «Эффективная энергетика» (Казань, 2004 г.), 12-th Enropean symposium on Jmproved Oil Recovery (Казань,  2003 г.), Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2004-2009 гг.), II Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2005 г.), XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках", (Санкт-Петербург, 2007 г.), 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта  и энергетики «АНТЭ» (Казань, 2007,2009г.), VIII международном симпозиуме «Энергоэффективность и энергосбережение», (Казань, 2007 г.), Международной научно-технической конференции "Водородная энергетика" (Москва, 2007г.), Международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007г., 2008 г.), Конференции холодильной промышленности «ХолодЭкспо Россия - 2009» (Москва, 2009), Научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева (1994-2009 г.).

Личный вклад автора состоит:

в постановке целей и задач диссертационной работы; разработке методики оценки эффективности теплонасосных установок с использованием программного комплекса термогазодинамических расчетов; разработке методов повышения эффективности элементов теплонасосных установок (теплообменных аппаратов, двигателей внутреннего сгорания); разработке методов повышения эффективности газовых тепловых насосов и газотурбинных установок за счет добавок воды и пара в газовый тракт; создании вычислительных и математических моделей ТНУ; разработке экспериментальных стендов и опытно-промышленных образцов элементов ТНУ и теплонасосных установок. Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании Академика АН  РТ, доктора технических наук, профессора Ю.Ф.Гортышова.1

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 96 печатных работ, включая 11 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикаций материалов диссертационных работ, 9 статей в центральных российских изданиях, получено 20 патентов и авторских свидетельства РФ на изобретение и полезные модели, опубликовано 2 монографии, 8 учебно-методических изданий, из них 4 с грифом УМО, 15 тезисов и 31 материал докладов  в Российских и зарубежных сборниках, включая 5 зарубежных.

Диссертация выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) в НИИ «ЭнергоЭффективных Технологий КГТУ им. А.Н.Туполева» в период с 1994 по 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении

В краткой форме изложены: обоснование актуальности выбранной темы, цель  и основные задачи исследования, отмечается научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту задач и положений, связанных с повышением эффективности теплонасосных установок и их элементов.

В первой главе

Изложена методика циклового анализа теплонасосных установок парокомпрессионного типа, широко используемая в работах ведущих специалистов в области ТНУ: В.А. Михельсона, Г.Ф. Ундрица, В.А. Зисина, Е.И. Янтовского, Ю.В. Пустовалова, В.С. Мартыновского, А.В. Быкова, В.М. Бродянского, Н.И. Гальперина, И.М. Калниня, Е.Я. Соколова, R. Plank, H.L. Cube, K. Langeheinecke, H. Wagner, R. Turovski. J. Brander, H. Bruckner.  Показаны основные параметры, характеризующие эффективность теплонасосных установок, как термодинамическую, так и эксергетическую. Показаны основные трудности применения данной методики, состоящие в использовании данных по рабочим телам ПТНУ, представленных либо в табличной, либо в графической  форме.

Рассмотрены перспективы и экологическая целесообразность применения альтернативных рабочих тел в тепловых  насосах. Традиционные хладагенты, широко используемые в холодильных установках, оказались под запретом, что привело к активному поиску озонобезопасных и эффективных рабочих тел, а также методов представления теплофизических свойств рабочих тел. Данному направлению исследований посвящено огромное количество работ следующих авторов: В.Е. Алемасова, А.Ф. Дрегалина, С.Н. Богданова, А.В. Быкова, В.С. Бабакина, В.И. Стефанчука, Р.М. Якобса,  Л. Дворака, Д. Гордона, Ф. Гамильтона, Т. Макиты, Д. Джонсона, О. Витцеля. Выявлен по итогам анализа перспективности рабочих тел их перечень, рекомендуемый к использованию в ПТНУ. Наибольший интерес проявлен к R134a, R32, R410а, R125. Из природных хладагентов по степени внимания лидируют диоксид углерода, аммиак, метан, этан и пропан. Благодаря дешевизне, экологической чистоте и простоте обслуживания разработчики тепловых насосов проявляют интерес к диоксиду углерода.

Проведен анализ применения парокомпрессионных тепловых насосов с электрическим приводом в России и зарубежом. Рассмотрены работы, посвященные внедрению ТНУ с электрическим приводом в различных сферах производства и коммунального хозяйства следующих авторов: Е.Я Соколова, В.М. Бродянского, В.С. Мартыновского, А.В. Быкова, И.М. Калниня, Е.И. Янтовского, Л.А. Левина, О.Ш. Везиришвили, В.В. Афанасьева, А. Бриганти, И. Стромена, А. Бретсена,  Д. Петерсона, Б. Петерсона, Х. Лотца, Д. Бранднера, Г. Хайндриха и т.д. 

Отмечено, что решением проблемы нерентабельности ТНУ с электроприводом, может быть применение в тепловых насосах в качестве привода двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе.

Проведен подробный анализ применения парокомпрессионных тепловых насосов с приводом от ДВС по работам: В.М. Селиверстова, Е.И. Янтовского, Л.А. Левина,  Ю.В. Пустовалова, Д. Рея, Д. Макмайкла, Б.Р. Максвелла, Д. Дидиона, Р.А. Кеви, Д. Париза, Юнг-Лин Ли, С.З. Ли, В.С. Лин и т.д. Широкое распространение ПТНУ с приводом от ДВС получили в Германии. Здесь, несмотря на повышенную популярность электрических ПТНУ, использование тепловых насосов с приводом от тепловых двигателей становится выгодным в зданиях, в которых отопительная нагрузка составляет более 3000 кВт при количестве часов использования, превышающем 3000 ч/год. По результатам анализа подтверждена перспективность использования газопоршневого привода в ТНУ для российских условий.

Отдельный раздел посвящен газовым теплонасосным установкам и опыту их использования в мировой практике, представленному в работах: В.И. Ляпина, П.А. Ольшевского, Е.Н. Серова, М.П. Верещагина, В.М. Кулакова, А.В Бороненко, Н.Н. Бухарина, М.Г. Дубинского, Н.Н. Кошкина, Д. Брайтона, Т. Кельвина и т.д. К концу 90–х годов сложилась ситуация, когда стало возможным рассматривать газовые (воздушные) холодильные машины как альтернативные по отношению к парокомпрессионным. Последние технические и технологические достижения позволили существенно улучшить показатели воздушных турбохолодильных машин (ВТХМ). В числе таких достижений – создание детандеров и турбодетандеров с высоким  КПД, разработка высокоэффективных теплообменных аппаратов, улучшение характеристик рабочего тела и т.д.

Анализ показал, что в случае применения специальных решений эффективность газовых тепловых насосов может быть приближена к парокомпрессионным, особенно в случае больших мощностей.

Для решения проблемы уменьшения трудоемкости расчетов параметров тепловых насосов и нахождения перспективных методик компьютерных расчетов проведен анализ программных комплексов для термогазодинамических расчетов энергетических установок,  таких как ОГРА, ГРАД, DVIG, GASTURB, Альбея, Ice Gream Calc по работам  следующих авторов: А.П. Тунакова, С.А. Морозова, Э.Б. Маца, М.Р. Мавлютова,  А.Б. Голонда, Б.М. Осипова, В.Б. Явкина, Д. Куртске, П. Марквича и т.д. Выявлены достоинства и недостатки существующих программных комплексов, определены направления модернизации программного комплекса «ПОТОК» с целью применения для расчетов ТНУ.

Проведен анализ причин сниженной эффективности теплонасосных установок, определены направления модернизации ТНУ. Выявлены узлы и устройства ТНУ, требующие дальнейшего совершенствования. Определен перечень мероприятий по совершенствованию ТНУ: выбор наиболее эффективного рабочего тела; определение оптимального схемного решения установки; подбор оптимального сочетания элементов теплонасосных установок; повышение эффективности привода компрессорных агрегатов ПТНУ; повышение эффективности отдельных элементов ТНУ.

Во второй главе

Приведено описание программного комплекса «ПОТОК», предназначенного для численного моделирования термогазодинамических процессов для широкого спектра энергетических установок. ПК «ПОТОК» обеспечивает возможности расчета параметров энергетических  установок  на установившихся и неустановившихся режимах работы и решения других задач, возникающих в процессе их проектирования, доводки и эксплуатации. В рамках данной работы проведена модификация расчетного комплекса «ПОТОК» и адаптация его к расчету энергетических установок.

Общая структура комплекса  представлена  с помощью приведенной  ниже укрупнённой  блок-схемы (рис.1). Описана методика применения программного комплекса «ПОТОК» для термогазодинамических расчетов теплонасосных установок.

Приведены основные уравнения, используемые в математических моделях отдельных, входящих в состав ТНУ устройств. Для решения задач, связанных с расчетом характеристик и оптимизацией параметров теплонасосных энергетических установок, расчетный комплекс «ПОТОК» модернизирован, разработан целый ряд новых узлов. Приведены основные элементы модернизации расчетного комплекса «ПОТОК».

Введена в систему возможность учёта реальных термодинамических свойств различных веществ (низкокипящих рабочих тел) и расчёта процессов с двухфазными рабочими телами, разработана система аппроксимации термодинамических свойств индивидуальных веществ в газообразном и жидком состоянии;

Рис.1. Укрупненная блок-схема расчетного комплекса «ПОТОК».

Современные методы расчета процессов, происходящих в различных энергетических установках (газотурбинных двигателях, тепловых насосах, установках газоожижения, вакуумных установках и т.п.), базируются на использовании термодинамических и теплофизических функций (ТТФ), таких, как удельный объем, энтальпия, энтропия, удельная теплоемкость, теплота парообразования  и др. Значения этих функций зависят от типа вещества, используемого установкой в качестве рабочего тела, его фазового состава и от температуры и давления, при которых осуществляются процессы. Рабочее тело установки может состоять из индивидуального вещества или смеси веществ. Вещество может быть однофазным или двухфазным (жидкость и газ).

Изложен метод представления термодинамических и теплофизических функций, позволяющий использовать единый подход по описанию свойств различных индивидуальных веществ и учитывать их реальные свойства. В данной работе в качестве верхней границы давления для такого газа задается МПа. Удельный объем определяется из уравнения состояния , где – удельный объем; – газовая постоянная; – температура газа. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и удельная энтальпия зависят только от температуры газа   и обычно аппроксимируются с помощью полиномов. Для аппроксимации теплоёмкости используется полином седьмой  степени:

,

(1)

где – коэффициенты полинома.

Значение удельной энтальпии, согласно определению, может быть вычислено из уравнения .

Значение энтропии вычисляется по уравнению  , где функция зависит только от температуры и .  После их интегрирования могут быть записаны аналогичные выражения.

Значения таких ТТФ функций, как , , , , для реальных веществ  отличаются от их значений для идеального газа. Значения этих функций для реальных веществ могут быть найдены из соотношений:

  (2)

где  ,  , – значение функций для идеального газа; – давление, при котором газ считается идеальным.

Решения могут быть получены, если известна зависимость для реальных веществ. Предложено при моделировании энергетических установок расчеты функций производить с использованием аппрок­симационных значений поправок к величине ТТФ функций (, , , ) для идеальных га­зов данные алгоритмы становятся более эффективными.

Изложена методика, с помощью которой производится аппроксимация поправок, позволяющая отобразить зависимость функции от двух и более пере­менных. В основу ее положен каркасный метод, заимствованный из вычис­лительной геометрии,  который используется для  описания поверхностей. Каркасные ли­нии в приложении к рассматриваемому  методу описываются с помощью функ­ций Безье третьего–седьмого порядка, в зависимости от сложности, либо сплайнами.

Расчеты значений функций , , собраны в одну подпро­грамму FUNKZI. Расчет  прямых функций , ,    производится с учетом аппроксимированных добавок к ТТФ , , .

При расчёте энергетических установок,  работающих с двухфазными рабочими телами, часто необходимы данные о значении  удельного объёма,  энтальпии,  энтропии рабочего тела в жидком состоянии.

Рис. 2. Характер зависимости энтальпии реального газа от температуры.

Величины этих параметров, в общем случае,  зависят от давления  и температуры. Однако эти зависимости очень слабые и по характеру  близки  к  линейным, что даёт возможность, используя табулированные данные, произвести с высокой точностью аппроксимацию указанных функций в виде зависимостей  ,  , .

Разработан ряд процедур, позволяющих считать функции (аналогичные газодинамическим) прямые и обратные для двухфазных потоков. Если известен состав смеси, температура и давление, то функция позволяет найти массовые доли жидкой и газообразной фазы и состав жидкой и газообразной фаз.

Известно, что для рабочего тела, состоящего из нескольких веществ, фазовый состав и состав каждой из фаз полностью определяются двумя параметрами:  температурой Т и давлением р  рабочего тела. Методика расчёта этих составов базируется на следующих уравнениях:

- Уравнения материального баланса: F  = G + L  (3); (3)

где:  F =m/  - общее количество молей смеси,  G =mG/G –количество молей газовой фазы,  L= mL/L –количество молей жидкой фазы,  , G, L –молекулярные веса смеси, газа, жидкости, = zi/F - относительное число молей i-ого компонента  смеси, = xi/G - относительное число молей i-ого компонента  газа, = yi/L - относительное число молей  i-ого компонента жидкости,  zi, xi, yi – количество молей i-ого компонента в смеси, в газе, жидкости.

-  Уравнение фазового равновесия [4]: = PS i/P,                         (4)

где PS i–давление насыщенных паров i-ого  компонента при температуре Т.

-  Балансовые уравнения сохранения массы или количества вещества:

,

(5)

где  n – количество компонентов в смеси.

Система уравнений (3-6) позволяет определить состав и количество газовой и жидкой фаз при заданных значениях давления  р и температуры Т. После подстановки (3) и (5) в (4) получается: .                                         (6)

Если обе части уравнения (6) разделить на , ввести обозначение и решить уравнение (6) относительно , то выражение запишется:

.

(7)

Используя уравнения (4) и (7) можно записать: ,         (8)

а из уравнения (5) следует и соответственно:

.

(9)

Если вместо мольных долей с использованием формулы ,

где , а - молекулярный вес газа, ввести массовые доли, то получится следующее уравнение: ,                                 (10)

в  котором  содержится одна неизвестная величина Е,  которая может изменяться в диапазоне 0 ≤ Е ≤1.

Уравнение  (11)  решается относительно  Е  численно. Если  Е ≥ 1, то G = F – смесь состоит только из газа . Если Е ≤ 0 , то G =0 – смесь состоит только из жидкости. По известной величине  Е находится  G=EF и L= F-G.  Далее по уравнению (8)  определяются мольные доли всех составляющих газовой фазы, а по (7)  мольные доли всех составляющих жидкой фазы.  Массовое количество каждой составляющей в жидкой  и газовой фазе равно: mLi = μi L ;  mGi = μi G.                                         (11)

Суммарный весовой расход жидкой  и газовой фаз равны:

                                                                (12)

Если принять, что суммарный расход рабочего тела равен единице, то mL  равно степени влажности рабочего тела, а mG – степени его сухости.

Весовые  доли  всех составляющих в жидкой и газовых фазах соответственно равны: .                                                 (13)

Разработана методика расчета термодинамических свойств смесей одно- и двух- фазных рабочих тел с использованием термодинамических и теплофизических функций:

Расчёт энтальпии по температуре и давлению (подпрограмма T_H); расчёт температуры по заданной энтальпии и давлению (подпрограмма H_T); расчёт энтропии по температуре и давлению (подпрограмма T_S); расчёт температуры по заданной энтропии и давлению (подпрограмма S_T); расчёт давления по заданной энтропии и температуре (подпрограмма P_S_T); расчёт давления по заданной энтропии и энтальпии (подпрограмма P_S_H); расчёт удельного объёма моновещества по температуре и давлению (подпрограмма RASV); расчёт плотности рабочего тела по температуре и давлению (подпрограмма PLOT); расчёт давления по заданной плотности и температуре (подпрограмма P_RO_T); расчёт давления по заданной плотности и энтальпии (подпрограмма P_RO_H), которые позволяют значительно упростить термогазодинамические расчеты для узлов энергетических установок.

Представлены алгоритмы описания узлов энергоустановок с использованием оригинальных методик расчета, их блок схемы и программная реализация: впрыск жидкости (подпрограмма WPRISK); камера сгорания (подпрограмма KAMSG); конденсатор контактный (подпрограмма KONDK); отбор (подпрограмма OTBOR); подвод (подпрограмма PODWOD); теплообменник (подпрограмма TEPLO); дроссель (подпрограмма DROSSEL); расширение потока жидкости (подпрограмма RPG); двигатель (подпрограмма DWIG). Изложены системы уравнений: расчёт статических параметров газового потока (подпрограмма BSP); расчёт равновесного расширения конденсируемого газа (подпрограмма RRAS); расчёт скачка конденсации (подпрограмма SKKON); расчёт расширения потока в конденсационной турбине (подпрограмма RASKT).

Отдельными блоками в программном комплексе ПОТОК оформлены блоки подготовки входных данных и блок описания результатов расчета. Расчетный комплекс позволяет определить основные характеристики отдельных элементов тепловых насосов и системы в целом, рассчитать параметры ТНУ в нерасчетных режимах работы, провести оптимизацию параметров по заданным критериям.

В третьей главе

Показано, что использование диаграмм состояния рабочих тел (фреонов) достаточно трудоемко и приводит к значительным погрешностям при расчете параметров ПТНУ. Рекомендации для проектирования тепловых насосов, разработанные на основе экспериментальных исследований, могут быть использованы со значительными ограничениями, т.к. они получены для вполне определенной комплектации узлов и агрегатов ПТНУ и для конкретных рабочих тел.  Для ускорения расчетов характеристик ПТНУ и повышения их точности предложен метод проектирования ПТНУ с использованием программного комплекса «ПОТОК». Определены исходные данные для проектирования ПТНУ, заданы  варьируемые параметры установки. Предложен способ ориентировочного выбора рабочего тела для ПТНУ с учетом только его термодинамической эффективности. Выбор рабочего тела оказывает существенное влияние на величину коэффициента трансформации ПТНУ. В общем случае величина коэффициента определяется уравнением:

(14)

где QИСП – тепловая мощность, передаваемая от источника к рабочему телу в испарителе; LК  -  работа, потребляемая компрессором при сжатии 1кг газа.

Т.к. перепад температур в испарителе между источником тепла и рабочим телом  незначительный, то может быть сделано допущение, что передаваемая тепловая мощность, отнесённая к одному кг рабочего тела равна теплоте испарения рабочего тела r  при его температуре на входе в испаритель. Чаще всего в теплообменных аппаратах разность температур между температурой входа рабочего тела и температурой выхода приёмника тепла (нагреваемой среды) составляет 5-10 К. С учетом выше сказанного уравнение (14) переписывается в следующем виде:

(15).

Для нахождения величины комплекса   удобно использовать график, связывающий теплоту испарения рабочего тела с его температурой. Такие зависимости  для ряда наиболее широко используемых рабочих тел (R12, R22, R32, R125, R134a, R410a, иСО2) в тепловых насосах получены автором с использованием эмпирических табличных данных.

Рис. 3. Принципиальная схема ПТНУ

Метод проектирования ПТНУ с использованием ПК «ПОТОК» представлен на примере одноступенчатой испарительной установки, принципиальная схема которой приведена на рис.3.

Тестовый расчет в программном комплексе «Поток» при заданных параметрах для реальной установки показал, что расчетный коэффициент трансформации ПТНУ составляет =2,1, обеспечивая высокую степень сходимости с опытными данными.

Входная информация к расчетному комплексу «ПОТОК» при проектировании ПТНУ описывается  тремя массивами данных:

СХ – массив  описания схемы установки; ВА – массив  описания параметров для отдельных узлов и установки в целом; ВМН – массив описания закона управления, который фактически формирует  систему уравнений, описывающих физические процессы в  установке.

Рис.4.  Расчётная схема ТНУ в программном комплексе ПОТОК.

Расчётная схема теплонасосной установки в программном комплексе «ПОТОК» приведена на рис.4. Стрелки на схеме показывают направление передачи информации от узла к узлу по контурам. В качестве конденсатора и  испарителя при расчёте используется узел «Теплообменник», соответственно ТА1  и ТА2.

В массиве ВА (описания параметров для отдельных узлов и установки в целом) задаются следующие данные по узлам  ПТНУ.

Для входных устройств:  массовый расход, температура, давление, степень влажности рабочего тела, поступающего в соответствующий контур.

Для компрессора: адиабатный  к.п.д. и степень повышения давления. Адиабатный  к.п.д.  принят равным  0,8. Степень повышения давления в первом приближении – 4,8. 

Для теплообменников задаются: эффективность - , коэффициенты восстановления давления в тракте горячего - Г и холодного - Х теплоносителей. Для обоих теплообменников  принято =0,8,  Г = Х=0,97.

В дросселе задается давление на выходе в первом приближении.

Описание системы уравнений (массив ВМН) в комплексе  «ПОТОК»  представляется в виде набора  варьируемых параметров и набора невязок. Варьируемые параметры играют  роль  независимых переменных системы  уравнений, а невязки соответствуют правой части этих уравнений. В рассматриваемом примере в качестве варьируемых  приняты 6 параметров, величина которых задаётся в  первом приближении. Соответственно для 6-ти варьируемых параметров  записываются 6 невязок.

В  массиве также указывается, что расчёты  производятся при разных значениях давления  рабочего тела на входе в компрессор (0,7- 1,1 МПа), различных значениях эффективности конденсатора и испарителя (0,7-0,9).

Целью численного исследования являлось определение оптимальных параметров теплонасосной установки для достижения требуемой тепловой мощности, при заданных температуре источника теплоты и приемника теплоты для различных рабочих тел. В качестве переменных оптимизации использовались: степень сжатия компрессора, давление рабочего тела за дросселем, при заданной эффективности конденсатора. Эффективность испарителя подбиралась такой, чтобы на выходе из испарителя в рабочем теле отсутствовала жидкая фаза.

На рис. 5-8 представлены зависимости для коэффициента преобразования ПТНУ  , комплекса kF,  степени повышения давления в компрессоре , давления всасывания на входе в компрессор  Рвс от разности температур между источником низкопотенциальной теплоты и температурой рабочего тела на входе в компрессор DT при заданной температуре потребителя Tп, температуре источника Ти и коэффициенте эффективности конденсатора КОН.

Т.к. в расчетах не указывались конкретные типы компрессоров и теплообменных аппаратов, то результаты расчетов могут быть использованы для проектирования ПТНУ с компрессорами и теплообменными аппаратами различных конструкций.

Численное исследование проведено для температур потребителя Тп=323, 353 К при температурах источника низкопотенциальной теплоты 278 и 288 К при КОН=0,8.

Представленный метод проектирования ПТНУ позволяет по зависимостям рис.5 выбрать наиболее эффективное рабочее тело для достижения заданных параметров теплонасосной установки и определить коэффициент преобразования установки в зависимости от  DT. По зависимостям на рис.6 уточнить эффективность работы теплообменных аппаратов. Выбрать такую разность температур DT по значению параметра kF, когда его величина начинает резко возрастать, что соответствует ориентировочно DT=3-5К в зависимости от типа рабочего тела. По зависимостям рис.7 определить оптимальную степень сжатия рабочего тела в компрессоре, соответствующую наибольшей эффективности теплового насоса. По зависимостям на рис.8 проверить уровень рабочего давления на входе в компрессор, т.к. высокое давление в установке предъявляет  более жесткие требования к конструкции элементов ПТНУ и, как следствие –  к стоимости установки.

Рис.5. Зависимость коэффициента преобразования ПТНУ от температурного напора в испарителе DT

Рис.6. Зависимость комплекса kF ПТНУ  от температурного напора в испарителе DT

Рис.7. Зависимость коэффициента сжатия в компрессоре от температурного напора в испарителе DT.

Рис.8.  Зависимость давления всасывания компрессора от температурного напора в испарителе DT

По результатам проведенного численного анализа можно сделать следующие рекомендации при проектировании одноступенчатых ПТНУ. При малой разности температур DT от 2 до 10 К наиболее высокое значение коэффициента преобразования =6,1 достигается на фреоне R32. С уменьшением величины разности температур DT коэффициент преобразования ПТНУ возрастает для всех типов рабочих тел за счет увеличения теплоты испарения. Анализ комплекса kF на рис.6 показывает, что при уменьшении перепада температур в испарителе до 2-5 К выявлен непропорциональный рост размеров теплообменных аппаратов при незначительном увеличении коэффициента преобразования. С ростом разности температур DT степень сжатия в компрессоре растет для всех рабочих тел. С ростом разности температур DT давление всасывания на входе в компрессор незначительно уменьшается для всех рабочих тел.

После выбора основных параметров ПТНУ по рис.5-8 еще раз производится уточняющий расчет характеристик установки с использованием ПК «ПОТОК», которые выдаются конструктору для подбора узлов с требуемыми параметрами. Дополнительно проведен анализ различных схемных решений одноступенчатых ПТНУ в ПК «ПОТОК», показано, что использование пароперегревателя приводит к существенному росту коэффициента преобразования при снижении степени сжатия в компрессоре.

Полученные результаты численного моделирования могут быть использованы при проектировании новых конструкций тепловых насосов, либо при нахождении параметров ПТНУ в нерасчетных режимах работы.

С целью дополнительной верификации вычислительной модели ПТНУ в программном комплексе «ПОТОК» по результатам экспериментальных исследований, а также выбору оптимальных параметров для элементов установки и разработке методов повышения ее эффективности, выполнен комплекс работ по численному и физическому исследованию характеристик модельной ПТНУ с электрическим приводом. Представлена вычислительная модель ПТНУ с электрическим приводом в программном комплексе «ПОТОК» на рис. 9.

Рис. 9. Вычислительная модель ПТНУ с электроприводом в программном комплексе «ПОТОК».

Приведено описание экспериментального стенда, принципиальная схема которого представлена на рис. 10.

Стенд разработан на основе парокомпрессионной теплонасосной установки на базе поршневого компрессора  1АК6-1-2 ПБ10В (1) мощностью 3,5 кВт с электрическим приводом. Источником низкопотенциальной теплоты для установки служит воздух, а тепловая энергия затрачивается на нагрев горячей воды, рабочим телом в установке являлся фреон R12. Тепловая мощность ПТНУ составляет 9 кВт, коэффициент преобразования – 2,57.

Рис. 10. Принципиальная схема экспериментального стенда ПТНУ с электрическим приводом.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований характеристик теплонасосной установки. Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния внешних параметров на характеристики ПТНУ.

Представлены результаты исследований численного и экспериментального характера. Анализ результатов проведенных численных и экспериментальных исследований позволил получить целый ряд зависимостей для оценки эффективности ПТНУ от внешних и внутренних параметров, а также сравнить полученные результаты с данными других авторов.

Графическая зависимость коэффициента преобразования ПТНУ от температуры конденсации и испарения рабочего тела была получена ранее Мартыновским В.С.  в виде полуэмпирической формулы (16), которая могла быть использована для ограниченного набора рабочих тел только поршневых компрессоров и давала несколько заниженные значения коэффициента преобразования:

.

(16)

Подробный анализ результатов исследований показал, что для повышения точности расчетов, для каждого рабочего тела уравнение (16) должно иметь свою форму записи. По результатам экспериментальных исследований получена форма уравнения для фреона R12, которая записана в следующем виде:

.

(17)

Для других рабочих тел полуэмпирические уравнения для коэффициента преобразования имеют следующий вид:                R22        (18),

R134        (19),                R290                (20),

R407        (21),                R600a                (22),

R410        (23),        R404                (24).

По вычислительной модели ПТНУ, разработанной в ПК «ПОТОК», выполнено расчетное исследование зависимости коэффициента преобразования ПТНУ от перепада температур в испарителе и конденсаторе установки tк-tи, результаты которого представлены в графической форме на рис.11.

Кроме того, на данном графике приведены результаты экспериментальных исследований других авторов,  результаты расчетов по методике циклового анализа и по модифицированной формуле Мартыновского В.С (17).

Характер всех зависимостей практически совпадает. С уменьшением разности  tк-tи от 60оС до 30оС коэффициент преобразования ПТНУ возрастает от 3,2 до 6,2 для экспериментальных и расчетных данных, обеспечивая хорошее совпадение значений в пределах 5%. На рис.12 представлен сводный график расчетных и экспериментальных зависимостей коэффициента преобразования ПТНУ с электроприводом от температуры испарителя tи, для температуры конденсации tк=50 оС. Расчетный и экспериментальный анализ также проведен для tк = 40, 30, 20, 10, 0, -10, -20 оС.

Рис. 11.  Зависимость коэффициента преобразования от разности температур испарения и конденсации.

Рис. 12. Зависимость коэффициента преобразования от температуры испарения при температуре конденсации рабочего тела 50оС.

В диапазоне температур tи от -40оС до +25оС характер изменения всех зависимостей логарифмический. Поле экспериментальных значений укладывается между расчетными данными, полученными по диаграммной методике и полуэмпирической формуле Мартыновского В.С., и находится в диапазоне от 1,7 до 2,2 при температуре испарения -30оС  и от 4 до 5,2 при температуре испарения -10оС. Расчеты по модифицированной формуле Мартыновского В.С. и ПК «ПОТОК» хорошо совпадают с экспериментальными данными и между собой. Отклонения в результатах расчетов не превышают  2%.

Рис.13.  Зависимость коэффициента преобразования ПТНУ от разности температур Ти-Тк различных рабочих тел.

На рис.13 представлена зависимость коэффициента преобразования ПТНУ от разности температур Ти-Тк для следующих рабочих тел: R717, R12, R600a, R22, R134, R290, R407, R410, R404. С ростом Ти-Тк значение коэффициента преобразования ТНУ для всех рабочих тел падает. При больших значениях Ти-Тк, равной 100  оС, отличие величины коэффициента преобразования для разных рабочих тел возрастает, и его становится невозможным не учитывать при расчете циклов ПТНУ. Выбор оптимального рабочего тела для ПТНУ позволяет повысить эффективность установки на стадии проектирования при большой разности температур испарителя и конденсатора до 2-х раз.

В четвертой главе

Одним из наиболее перспективных способов повышения эффективности ПТНУ, как отмечалось в работах Е.И. Янтовского, В.А. Зисина, Д. Рея и др., является  использование в качестве привода ДВС. С целью подтверждения эффективности данного способа и разработки рекомендаций по проектированию тепловых насосов для конструкторских организаций, представлены результаты численных и экспериментальных исследований характеристик ПТНУ с приводом от ДВС. Расчетная схема ПТНУ с приводом от ДВС и вычислительная модель, разработанная в программном комплексе «ПОТОК», представлены на рис.14 и 15.

Рис. 14. Расчетная схема ПТНУ с приводом от ДВС.

Рис. 15. Вычислительная модель ПТНУ с приводом от ДВС в программном комплексе «ПОТОК».

Рис.16. Принципиальная схема экспериментальной установки.

Рис.17. Общий вид экспериментальной установки.

Для проверки адекватности математической модели ПТНУ с приводом от ДВС разработан экспериментальный стенд, принципиальная схема и внешний вид которого представлены на рис.16 и 17.

Опытная ПТНУ состоит из следующих элементов: теплового насоса, газопоршневого привода, системы утилизации теплоты выхлопных газов (экономайзер), системы моделирования отопительной системы, источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ). Тепловой насос разработан на базе серийной холодильной машины МВВ4-1-2-000.000 РЭ.  Мощность привода составляет 4,2 кВт. Коэффициент преобразования установки 4,5.

Представлен анализ результатов численных и экспериментальных исследований теплотехнических характеристик ПТНУ с приводом от ДВС. Предложено использовать для оценки эффективности теплового насоса с приводом от ДВС коэффициент использования топлива, дополнительно к коэффициенту преобразования теплового насоса. Выражение  для коэффициента использования топлива записано в следующем виде: ,         (25)

где - эффективный КПД двигателя, - коэффициент использования сбросной теплоты двигателя, – коэффициент преобразования ПТНУ, Ne – эффективная мощность двигателя, QТНУ - тепловая мощность ТНУ, QТ – теплота, выделяемая при сгорании топлива, QДВС – теплота, утилизируемая от двигателя.

По результатам экспериментальных исследований получены аппроксимационные зависимости для основных параметров опытной установки, представленные в таблице 1.

В графической форме эмпирические зависимости представлены на рис.18- 21.

Целью экспериментальных исследований являлся поиск оптимального схемного решения для ПТНУ. Рассматривались 4 схемных решения, представленные на рис. 30(а,б,в,г.) (а - обычная схема ПТНУ, б - схема с пароперегревателем, в - схема с охладителем конденсата и г - схема с охладителем конденсата и пароперегревателем).

Из анализа экспериментальных данных видно, что при обычной схеме ТН при увеличении температуры конденсации с 24,6 до 46,3 оС величина теплового потока теплового насоса возрастает на 2,6%, а величина теплового потока экономайзера возрастает на 43%.

Таблица 1. Аппроксимационные эмпирические зависимости  для параметров ТНУ, полученные по результатам испытаний установки.

Наименование параметра

Зависимости

Эффективная мощность двигателя :

– для обычной схемы

– для схемы с ОК

– для схемы с ПП

– для схемы с ОК и ПП

Эффективный КПД

Тепловая мощность теплового насоса :

– для обычной схемы

Коэффициент преобразования :

– для обычной схемы

Коэффициент использования топлива :

– для обычной схемы

Включение в схему охладителя конденсата (схема с ОК) приводит к увеличению тепловой мощности ТН в среднем на 24,5% и уменьшению тепловой мощности экономайзера в среднем на 1,8%.

Применение пароперегревателя ПП (схема с ПП) приводит к увеличению тепловой мощности ТНУ (на 9,9% при равном 24,6°С) и увеличению тепловой мощности экономайзера (на  2,4% при равном 24,6°С). Включение в схему ОК и ПП (схема с ОК и ПП) приводит к увеличению тепловой мощности ТН в среднем на 27% и увеличению (на  10,8%  при равном 24,6°С,).

Рис. 18. Зависимость эффективной мощности от степени повышения давления

в компрессоре .

Рис.19. Зависимость тепловой мощности теплового насоса () от температуры конденсации хладагента .

Рис.20. Зависимость тепловой мощности экономайзера  от температуры конденсации хладагента .

Рис.21. Зависимость коэффициента преобразования теплового насоса  от разности температур конденсации и испарения рабочего тела (обычная схема).

Приведено сопоставление экспериментальных и расчетных значений коэффициента преобразования в зависимости от разности температур конденсации и кипения рабочего тела с эмпирическими данными Эль-Мениви, Везиришвили, Меладзе и формулой Мартыновского (26-29):

Эмпирические формулы для расчета коэффициента преобразования ПТНУ

Эль-Мениви

(26)

Везиришвили и Меладзе

(27)

Мартыновский

(28)

Янтовский и Левин

(29)

Экспериментальные результаты, полученные на реальном тепловом насосе, хорошо согласуются с результатами расчетов в ПК «ПОТОК». Отклонение составляет не более 5%. Тем не менее, эти результаты являются заниженными по сравнению с результатами Эль-Мениви и результатами, полученным по формуле, предложенной Везиришвили и Меладзе. В целом  значения коэффициента преобразования, полученные Эль-Мениви, по сравнению с результатами автора выше на 6%, а вычисленные значения больше на 11%.

Представлен анализ четырех схемных решений ПТНУ. Расчеты проводились в следующем диапазоне изменения режимных параметров:  температура конденсации , С – от 50 до 70; температура кипения , С – от 0 до 10; температура воды на входе в ТНУ , С – от 10 до 30.

Рис.22. Схемные решения ПТНУ.

Рис.23 Децентрализованная система теплоснабжения и ГВС с использованием ПТНУ


Также были приняты следующие исходные данные: адиабатный КПД компрессора , эффективность теплообменного аппарата, расход рабочего тела кг/с. Результаты численного анализа показали, что для повышения эффективности ГТНУ  необходимо использовать схемное решение с установкой после конденсатора охладителя конденсата, которое позволяет увеличить коэффициент преобразования в среднем на 20%.

Предложена принципиальная схема системы децентрализованного теплоснабжения и ГВС на основе ТНУ с газопоршневым приводом КамАЗ 820.52-260, представленная на рис.23. В качестве компрессора в теплонасосной установке принят поршневой компрессор П220, рабочее тело фреон R134а, в схему ТНУ включен охладитель конденсата. Расчетные параметры системы  обеспечивают  ее конкурентоспособность с другими способами отопления. Проведенные расчеты для реального объекта позволили разработать конкретное предложение для шестнадцатиэтажного жилого дома  и представить его виде годового графика тепловой нагрузки.

На рис. 23  и 24 представлены зависимости коэффициента преобразования ТНУ - и коэффициента использования топлива всей системы - КГТНУ для различной температуры конденсации рабочего тела при заданных температурах испарителя.

Из графиков на рис. 24 и 25 видно, что с ростом температуры конденсации Тк и уменьшением температуры испарителя Ти коэффициент преобразования и коэффициент использования топлива уменьшаются и для Тк = 60 оС = 4, а КГТНУ =1,8.

Рис.24.  Зависимость коэффициента трансформации   от температуры конденсации при различных значениях температуры испарения .

Рис.25. Зависимость коэффициента использования топлива   от температуры конденсации при различных значениях температуры испарения .

Рис. 26. Общий вид тригенерационной опытно-промышленной установки.

Из графика видно, что при изменении наружной температуры воздуха в пределах от -4 до -20 оС значение КИТ ПТНУ с приводом от ДВС выше значения ПТНУ с электроприводом в среднем на 27% в диапазоне изменений tИ от 2 до 8 оС. При температуре окружающего воздуха ниже 20 оС необходимо использовать газовый котел-подогреватель, чтобы «срезать» верхушку графика, либо применять более мощный приводной двигатель. В этом случае отходящая теплота двигателя может покрыть пиковую нагрузку системы отопления и ГВС, в обычном режиме работы обеспечить более эффективное функционирование ТНУ. «Излишки» мощности двигателя можно дополнительно использовать для производства механической или электрической энергии.

Представлено описание опытно-промышленной тригенерационной установки на базе газопоршневого двигателя КамАЗ 820.20-200 и электросилового агрегата АД100С-Т400-2Р, теплового насоса ТНУ-100 и блока утилизации теплоты выхлопных газов и теплоты отходящего тосола двигателя. На рис.26 представлен общий вид системы. Тригенерационная установка обеспечивает тепловую мощность 0,5 МВт при номинальной мощности газопоршневого двигателя мощностью 100 кВт, обеспечивая коэффициент преобразовании 5. Топливо приводного двигателя – природный газ.

Рациональная схема компоновки одноступенчатой ПТНУ с использованием охладителя конденсата позволяет в среднем увеличить эффективность теплонасосной установки на 20%. Применение двигателя внутреннего сгорания с утилизацией теплоты в качестве привода теплонасосной установки повышает эффективность системы до 20-30%.

В пятой главе

Представлен анализ особенностей работы газовых теплонасосных установок, их достоинств и недостатков. Выявлены направления совершенствования газовых ТНУ для обеспечения конкурентоспособности с ПТНУ.

Представлено описание математической модели системы утилизации теплоты отходящих газов энергетических агрегатов на базе газовой теплонасосной установки с впрыском воды в газовый тракт с целью повышения работоспособности рабочего тела (газопаровая смесь). Принципиальная схема газовой ТНУ с впрыском воды изображена на рис.27.

Газовая ТНУ включает в себя камеру смешения 3, компрессор 4, контактный теплообменный аппарат 5 и турбину 6. Принцип работы установки заключается в следующем. Отходящие дымовые газы от энергетических агрегатов 1 и 2 с температурой 200-8000С подаются на вход камеры смешения, которая представляет собой контактный водо-воздушный теплообменный аппарат.

Рис. 27. Схема установки, реализующей открытый цикл Брайтона с впрыском воды в газовый тракт.

При взаимодействии с водой газ увлажняется и охлаждается до температуры, близкой к теоретическому пределу нагрева воды - температуре мокрого термометра. Затем газ поступает в компрессор, где сжимается с повышением давления и температуры таким образом, чтобы на выходе из компрессора паровоздушная смесь находилась в состоянии насыщения. Именно данное условие является основной отличительной особенностью предлагаемых установок и способом повышения эффективности газовых ТНУ. Разработаны алгоритм расчета и оптимизации параметров системы утилизации с впрыском воды и программа расчета на языке FORTRAN. Представлены результаты расчетных исследований энергетических и эксергетических параметров системы утилизации теплоты на базе газовой ТНУ.

На рис.28,29 представлены результаты оценки энергетической эффективности газовой ТНУ. Энергетический анализ газовой ТНУ позволил определить основные параметры системы утилизации при различных степенях впрыска и различных температурах отходящих газов энергетических агрегатов и выявить максимальные возможности таких систем утилизации.

Система утилизации позволяет получить при TГ=423К коэффициент преобразования без учета работы турбины П=3,01, с учетом работы турбины П=12,43. При TГ=523К П=3,27; ’П=24,09. При TГ=623К П=3,52; ’П=29,91. Из анализа результатов эксергетического расчета системы ути­лизации видно, что с увеличением впрыска воды в газовый тракт эксергетические КПД  камеры смешения и компрессора КС и К уменьшаются.

Рис.28. Зависимость коэффициента преобразования системы утилизации от влагосодержания потока без учета работы турбины.

Рис.29. Зависимость коэффициента преобразования системы утилизации от влагосодержания потока с учетом работы турбины.

На рис. 30 и 31 представлены результаты оценки эксергетической эффективности газовой ТНУ с впрыском воды в газовый тракт.

В камере смешения значительные потери эксергии происходят за счет уменьшения температуры газового потока, необратимости процессов теплообмена. Эти потери возрастают с увеличением впрыска воды в газоход. Эксергетический КПД  камеры смешения без впрыска равен 1, а при впрыске d=0,1 кг/кг с.в. КС=0,057 для TГ= 423К. Для подтверждения перспективности предложенных способов повышения эффективности газовых ТНУ и проверки адекватности математической модели проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленной установке, внешний вид которой представлен на рис.32. Опытно-промышленная установка была создана на базе воздушно-холодильной машины МТХМ2-50.

Рис.30.  Зависимость эксергетического КПД  элементов системы утилизации тепла от энергетических агрегатов от влагосодержания потока при TГ=423К.

Рис.31.  Зависимость эксергетического КПД  элементов системы утилизации от влагосодержания потока при TГ=523К.

Рабочим телом установки является смесь наружного воздуха и отходящих газов энергетических агрегатов и используется осевой 7-ступенчатый компрессор с расходом 5900-7200 м3/ч и степенью сжатия 2,03-2,32 при оборотах 18500 об/мин.

Рис. 32. Внешний вид турбодетандера и теплообменного аппарата системы утилизации.

Экспериментальные исследования на опытно-промышленной установке подтвердили работоспособность предложенной системы утилизации и ее основные заявленные характеристики. Коэффициент преобразования системы составил 2,38. Выполнено численное исследование параметров газового теплового насоса с использованием программного комплекса «ПОТОК».

Расчеты проводились для различных температур продуктов сгорания Т1=423; 623; 823 К; фиксированной степени повышения давления в компрессоре 5,15; температуре воды на входе и выходе из теплообменного аппарата 281 и 363 К; количестве впрыскиваемой воды в газовый тракт d=0, 0,05, 0.1, 0,15, 0,2 кг/кг сух. возд.

Оценивалось влияние на эффективность газовой ТНУ степени повышения давления в компрессоре, которая менялась от 1 до 10  с шагом 1. Целью численного исследования являлось определение зависимости между коэффициентом преобразования газового теплового насоса и величиной впрыска воды в газовый тракт, а также температурой отходящих газов энергетических и технологических установок.

Результаты численных исследований параметров ГТНУ представлены в виде  графической зависимости на рис.33. Впрыск воды в газовый тракт газового теплового насоса до d= 0,2 кг/кг сух. возд. приводит к увеличению его коэффициента трансформации от 3,6 до 7,5 при заданной ранее степени повышения давления в компрессоре 5,15, практически в два раза, что делает газовые ТНУ конкурентноспособными с другими видами теплонасосных установок.

Рис. 33. Зависимость коэффициента трансформации от количества впрыскиваемой воды, температура воды на выходе из КТА 95 0С, коэффициент трансформации представлен без учета охлаждения, степень повышения давления =5,15.

Рост степени увеличения давления в компрессоре от 1,1 до 10,1 приводит к снижению эффективности газового теплового насоса, однако в зоне малых значений величины впрыска до d=0,1 кг/кг сух. возд. наблюдается возрастание коэффициента преобразования. В дальнейшем значение коэффициента преобразования стабилизируется.

Принцип повышения эффективности турбодетандерных машин за счет использования впрыска воды (пара) в газовый тракт установки предложено использовать для повышения эффективности ГТУ, которые могут применяться в качестве приводов крупных ТНУ. Ранее автором был получен целый ряд авторских свидетельств на способ повышения эффективности газотурбинных двигателей за счет впрыска воды в различные части газового тракта. Схема газотурбинной установки с добавками пара в газовый тракт представлена на рис.34. Особенностью данной установки является то, что водяной пар получается за счет использования теплоты выхлопных газов ГТУ, и он подается в газовый тракт за камерой сгорания перед силовой турбиной.

Расчетные исследования в программном комплексе «ПОТОК» показали, что в теплообменнике 6 можно получить 60% от расхода продуктов сгорания через установку. При этом мощность на валу силовой турбины повышается до 127,8 МВт, КПД установки увеличивается до 56%. За счет впрыска пара температура перед турбиной понижается до 1146 К, что позволяет принципиально повысить температуру в камере сгорания и соответственно увеличить КПД установки свыше 60%. Расчеты выполнялись для установки ГТЭ-65 завода ЛМЗ. Исходный КПД установки составлял 40%.

Как отмечалось ранее, эффективность теплонасосной установки в целом оценивается коэффициентом преобразования, а для ПТНУ с приводом от ДВС –  коэффициентом использования топлива. Проведено исследование влияния повышения эффективности привода ПТНУ и коэффициента преобразования ПТНУ на коэффициент использования топлива системы в целом. Результаты расчетного исследования представлены на рис.35 в графическом виде.

Рис.34. Принципиальная схема энергетической установки с добавкой пара в газовый тракт после камеры сгорания.

Рис. 35 Зависимость коэффициента использования топлива от эффективного кпд привода, коэффициента преобразования ПТНУ и коэффициента использования сбросной теплоты двигателя.

С ростом коэффициента использования сбросной теплоты двигателя от 0,1 до 0,6 значения КИТ возрастают на 0,5. Увеличение эффективного КПД привода приводит к росту коэффициента использования топлива, но большее влияние на КИТ  оказывает коэффициент использования .

Одним из способов повышения эффективности теплонасосных установок является повышение эффективности привода ПТНУ. Предложено использовать для повышения эффективности приводных газовых ДВС добавки водорода. Разработаны методики исследований, созданы опытные стенды, проведены  экспериментальные исследования влияния добавок водорода в газовое топливо (метан) на техникоэкономические характеристики ДВС. Выявлены зоны влияния минимальных добавок водорода на эффективность ДВС. Достигнуто повышение эффективного КПД газопоршневого двигателя до 10% при подаче водорода от 3 до 5% к расходу газового топлива.

Рассмотрены вопросы повышения эффективности приводных ДВС для ПТНУ за счет использования нового типа поршневого уплотнения. Предложена формула для расчета оптимального соотношения высоты и толщины компрессионного кольца, обеспечивающего работу упругих свойств поршневого кольца на низкооборотных двигателях: h = S1 / 2r2, где S1  - площадь верхнего торца компрессионного кольца, на который действует сила Fо, находится по формуле S1 = (r12 –r22), где r1 – радиус кольца по наружному диаметру;  r2 – радиус кольца по внутреннему диаметру.

Разработаны новые конструктивные решения для поршневых уплотнений ДВС. Проведены испытания поршневых уплотнений на испытательных стендах ОАО «КамАЗ», подтверждена их работоспособность. Достигнута экономия топлива до 5% в режимах малых оборотов. На поршневые уплотнения нового типа получено более 10 патентов.

Разработан новый способ повышения эффективности теплообменных аппаратов за счет использования корпуса и теплообменных труб конусного типа, позволяющий поддерживать тепловой поток в теплообменном аппарате постоянным по его длине за счет увеличения коэффициента теплоотдачи. Разработана методика численных исследований интенсивности теплообмена в теплообменном аппарате, созданы объемные модели элементов ТА, проведено численное исследование процессов гидрогазодинамики и тепломассообмена в ТА с использованием программного комплекса ANSYS CFX. Эффективность теплообменного аппарата возросла до 8% при снижении его массы до 15%. Получены патенты на способ и устройство, реализующее данный способ повышения эффективности ТА.

Для технико-экономической оценки различных способов производства теплоты  предложено ввести понятие коэффициента топливной эффективности Кт, представляющего из себя отношение цены полученной тепловой энергии к стоимости топлива, затраченного на ее производство. Проведен анализ различных способов производства теплоты для потребителя, результаты которого представлены в таблице 2  и в виде графических зависимостей на рис 36, 49.

Таблица 2. Результаты сравнительного анализа экономической

эффективности различных отопительных установок.

Тип установки

Себестоимость полученной энергии, руб./Гкал

Отношение

себестоимости полученной энергии к затратам на её производство

Отношение цены полученной энергии к  стоимости топлива, затраченного на ее производство

Мини-ТЭЦ с газопоршневым приводом

859,12

1,53

4,65

Котельная установка

408,41

1,50

0,67

ТНУ с приводом от газопоршневого двигателя

473,76

1,50

4,25

ТНУ с приводом от электродвигателя

1 229,49

0,58

0,87

Мини-ТЭЦ с дизельным приводом

2 177,29

0,43

1,68

ТНУ с приводом от топливных элементов

1 253,85

1,20

10,62

Из анализа графических зависимостей на рис. 48 и 49 следует, что минимальная себестоимость тепловой энергии достигается в газовой котельной и составляет около 600 руб./МВт.

Рис.48 Зависимость топливного коэффициента отопительных установок  от коэффициента преобразования ТНУ.

Рис.49. Зависимость себестоимости тепловой энергии отопительных установок от коэффициента преобразования ТНУ.

Тепловой насос с электроприводом при существующих тарифах на тепловую и электрическую энергию становится конкурентоспособным с газовой котельной при коэффициенте преобразования = 7,3. ПТНУ с газопоршневым приводом выходит на уровень конкурентоспособности при =3,8. Коэффициент топливной эффективности для ПТНУ с газопоршневым приводом при 3,8 превышает значение Кт = 1,8 для газовой котельной  и достигает значения Кт = 2,5 при = 5. Тепловые насосы являются видом отопительных установок, которые при повышении их эффективности превосходят газовые котельные.

Из анализа полученных данных следует, что применение в России в условиях централизованного теплоснабжения при существующих тарифах на электрическую и тепловую энергию ПТНУ с газопоршневым приводом более целесообразно, чем с электрическим, т.к.  они становятся экономически эффективными при коэффициенте преобразования около 4.

В заключении сформулированы следующие основные выводы по работе:

  1. Разработаны математические модели основных элементов парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок для программного комплекса термогазодинамических расчетов энергетических установок, проведена модификация программного комплекса и адаптация его для термогазодинамических расчетов энергоустановок. Разработана методика расчетов параметров теплонасосных установок с использованием программного комплекса «ПОТОК». Проведена верификация численных моделей в программном комплексе «ПОТОК» по результатам экспериментальных исследований.
  2. Разработана методика представления свойств рабочих тел теплонасосных установок в виде, удобном для использования в расчетном комплексе, в том числе жидких и двухфазных. Создан банк данных теплофизических свойств рабочих тел ТНУ в электронной форме (R12, R22, R32, R125, R134A, R410).
  3. Разработана методика использования программного комплекса для термогазодинамических расчетов энергетических установок в нерасчетных режимах их работы.
  4. Впервые установлены и математически описаны зависимости основных показателей эффективности теплонасосных установок от их внешних и внутренних параметров: коэффициенты преобразования =f(TИ), =f(TК), =f(T).  Разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров теплонасосных установок.
  5. Проведены численные и экспериментальные исследования различных схемных решений ПТНУ, выявлены оптимальные схемные решения, обеспечивающие повышение эффективности теплонасосных установок до 20%.
  6. Разработан способ повышения эффективности приводного газопоршневого двигателя парокомпрессионной ТНУ за счет использования добавок водородного топлива, проведено экспериментальное исследование влияния добавок водорода на эффективность работы двигателя, обеспечивающих  ее максимальный рост. Выявлены режимы, обеспечивающие экономию топлива от 3 до 10 % и повышение эффективного КПД  от 5 до 13%.
  7. Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности приводного газопоршневого ДВС ТНУ за счет использования поршневого уплотнения нового типа, проведена опытная апробация работоспособности поршневого уплотнения, выявлены режимы работы двигателя, обеспечивающие повышение экономичности до 5%.
  8. Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности теплообменных аппаратов  для парокомпрессионных ТНУ за счет использования конусообразных труб и корпусных деталей, установлено, что данное решение уменьшает массу теплообменных аппаратов до 15% и повышает эффективность теплообмена до 23%.

Список трудов автора, отражающих содержание

диссертационной работы

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций:

  1. Гуреев В.М., «Автономный энергокомплекс на базе двигателя внутреннего сгорания и теплового насоса: программа расчета / Гуреев В.М. // Холодильная техника, Москва, №6, 2010, стр. 42-44.
  2. Гуреев В.М., О некоторых особенностях вывода уравнений для расчета расхода топлива в основной и форсажной камерах сгорания приводных ВРД теплонасосных установок / Гуреев В.М. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – Казань, № 1, 2010, стр. 35-39.
  3. Гуреев В.М., Перспективы применения альтернативных хладагентов в тепловых насосах / Гуреев В.М. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – Казань, № 1, 2010, стр. 30-34 .
  4. Гуреев В.М., «Интенсификация теплообмена в вертикальных алюминиевых радиаторах» / Гуреев В.М., Гортышов П.Ю., Калимуллин Р.Р. // «Энергетика Татарстана» Казань, №2, 2010, стр. 36-42 .
  5. Гуреев В.М., Нагарообразование и ресурс ДВС / Дружинин А.М.,  Гельманов Р.Р., В.М.Гуреев//Вестник  машиностроения. Москва, №1, 2009, стр. 29-31 .
  6. Гуреев В.М., Экспериментальное исследование влияния добавок водорода в топливо  на характеристики газопоршневого двигателя при изменении угла опережения зажигания./ Ю. Ф. Гортышов, Р.Ш. Мисбахов, И.Ф. Гумеров, А. П. Шайкин, В.М. Гуреев// Изв. вузов. Авиационная техника. Казань, №4, 2009, стр. 73-74. 
  7. Гуреев В.М., Влияние газодинамических процессов на КПД и ресурс двигателя/ Гортышов Ю.Ф., Дружинин А.М., В.М.Гуреев//Научно–технический и производственный журнал «Вестник машиностроения», №6, 2008г., стр. 14-16.
  8. Гуреев В.М., Метод представления термодинамических и теплофизических функций при моделировании процессов в энергетических установках/ Мац Э.Б., Гортышов Ю.Ф., Гельманов Р.Р., В.М. Гуреев//Изв. вузов. Авиационная техника. Казань, №4, 2008, стр. 66-68.
  9. Гуреев В.М., Улучшение экологических и энергетических характеристик газопоршневых двигателей ОАО «КАМАЗ» за счет использования добавок водорода/ Гортышов Ю.Ф., Мисбахов Р.Ш., В.М.Гуреев//Известия Самарского научного центра РАН Elpit–2007 Том 2 Серии «Машиностроение», 2007 г., стр. 38-45 .
  10. Гуреев В.М., Схемные решения различных схем теплонасосных установок./ Гортышов Ю.Ф., Ермаков А.М., В.М.Гуреев//Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – Казань, № 1,  2007, стр.10-11.
  11. Гуреев В.М., Расчёт теплообменных аппаратов, работающих с фазовыми изменениями рабочих сред. / Гортышов Ю.Ф., Ермаков А.М., Мац Э.Б., Ныров А.Н., Гуреев В.М.//Авиационная техника – Казань,  №4, 2006, стр. 44-46.

Патенты и авторские свидетельства:

  1. Гуреев В.М., Вращающийся регенеративный теплообменник./И.И.Мосин В.Н.Воронин, В.М.Гуреев//Авторское свидетельство № 1022530, 1981 г.
  2. Гуреев В.М., Регенеративный теплообменник / И.И. Мосин, В.Н.Воронин, В.М. Гуреев //  Авторское  свидетельство  № 1250022, 1983 г.        
  3. Гуреев В.М., Газотурбинная установка/И.И.Мосин, В.Н.Воронин, В.М. Гуреев // Авторское  свидетельство № 1166555, 1983 г.,
  4. Гуреев В.М.  Способ  работы  газотурбинной установки,/И.И.Мосин, Л.А. Носов, В.М.Гуреев// Авторское  свидетельство  № 1210533, 1984 г.
  5. Гуреев В.М., Способ  работы  газотурбинной установки / И.И.Мосин, Л.А.Носов,  В.М.Гуреев// Авторское  свидетельство  № 1213798, 1984 г.
  6. Гуреев В.М., Конвектор для системы водяного отопления и секция конвектора/ Ю.Ф. Гортышов, С.Д. Губин , В.М. Гуреев // Патент на полезную модель  №53759, 2006 г.
  7. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания / Дружинин А.М., В.М. Гуреев // Патент на изобретение №2341671, 2006 г.
  8. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания/ Дружинин А.М., Гортышов Ю.Ф., Законов М.А., В.М. Гуреев // Патент на полезную модель №2361105, 2009 г.
  9. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания/ Дружинин А.М., Гортышов Ю.Ф., Законов М.А., В.М. Гуреев // Патент на полезную модель №76081, 2008 г.
  10. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания/ Дружинин А.М., Гортышов Ю.Ф., Законов М.А., В.М.Гуреев//Патент на полезную модель №76082 , 2008 г..
  11. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания/ Гортышов Ю.Ф., Дружинин А.М., В.М.Гуреев//Патент на полезную модель №80201, 2008 г.        
  12. Гуреев В.М., Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания/ Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М // Патент на полезную модель №77648, 2008 г.
  13. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М., Законов М.А. // Патент на изобретение №2341671, 2008 г.
  14. Гуреев В.М., Теплообменный аппарат (варианты)/ Низамиев Л.Б., Низамиев И.Л., Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М // Патент на Полезная модель №85221, 2009 г.
  15. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания /  Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М // Патент на изобретение №2372506, 2009 г.
  16. Гуреев В.М., Теплообменный аппарат (варианты)/ Низамиев Л.Б., Низамиев И.Л., Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М // Патент на изобретение 2372572, 2009 г.
  17. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания (варианты) / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М // Патент на изобретение 2372507, 2009 г.
  18. Гуреев В.М., Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М // Патент на изобретение №237250, 2009 г.
  19. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М., Законов М.А. // Патент на изобретение №2381375, 2010 г.
  20. Гуреев В.М., Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Дружинин А.М. // Патент на изобретение №2386840, 2010 г.

Монографии:        

  1. Гуреев В.М, Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена: монография / И.А.Попов, Х.М.Махянов, В.М.Гуреев//под общ. ред. Ю.Ф.Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 560 с.
  2. Гуреев В.М, Справочник ремонтника котельного оборудования тепловых электростанций/В.М.Гуреев, Х.М.Махянов, И.А.Попов, В.П.Шафоростов; под общей редакциец Ю.Ф.Гортышова.  – Казань; Центр инновационных технологий, 2009  – 520 с.

Статьи в научно-технических журналах и сборниках:

  1. Гуреев В.М., Система  утилизации теплоты отходящих газов от энергетических установок/ И.И.Мосин, Ю.Ф.Гортышов., В.М.Гуреев// Межвузовский сборник "Теплообмен  и  трение  в  двигателях  и  энергетических установках тепловых аппаратов" – Казань, КАИ, 1991 г. стр. 23-27.
  2. Гуреев В.М., Радиаторы «Расстал» – новое слово на российском рынке. / Рачков С.Г., Медведев И.П., Губин С.Д., В.М. Гуреев //Акватерм эксперт. Москва, №3, 2005, стр. 11-13.
  3. Гуреев В.М., Алюминиевые радиаторы – удачный пример реализации инновационных проектов в РТ/ Ю.Ф. Гортышов, С.Д. Губин, С.Г. Рачков, И.П. Медведев, В.М.Гуреев//Научно–технический и общественно–информационный журнал «Энергосбережение в Республике Татарстан», Казань, №1–2, 2005г., стр. 86-89.
  4. Гуреев В.М., Перспективы  использования попутного нефтяного газа в качестве топлива для газопоршневых теплоэлектростанций на отдаленных месторождениях нефти и газа/ Зайнутдинов Э. А., Исламов М. А., В.М.Гуреев//Журнал «Энергетика Татарстана», Казань №2, 2007г, стр. 67-69.
  5. Гуреев В.М., «Влияние добавок водорода на топливную экономичность и экологические  показатели газового двигателя  ОАО «КАМАЗ» »/ Ю.Ф. Гортышов, Р.Ш. Мисбахов, И. Ф. Гумеров, Р.Х Хафизов, А.П. Шайкин, Д.А. Павлов , В.М. Гуреев// Журнал "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение", Казань, ВИКО, 2007, стр. 180-185.
  6. Гуреев В.М., A Method for Representing the Thermodynamic and Thermophical Functions in Simulation of Power Process/ E.B. Matz, Yu.F. Gortyshov, R.R. Gelmanov , В.М.Гуреев//Russian Aeronautics, (Iz.vuz) 2008, Vol.51, No. 4 447–451.
  7. Гуреев В.М., Тригенерационная установка на базе парокомпрессионного теплового насоса с газопоршневым приводом/ Ермаков А.М., Гельманов Р.Р., В.М.Гуреев//Энергетика и промышленность России. – 2008. – №19. стр. 39-40.
  8. Гуреев В.М., Улучшение экологических и экономических характеристик газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20.200 в составе электросиловой установки АП100С–Т400–Р/Мисбахов Р.Ш., И.Ф. Гумеров, В.М.Гуреев//Энергетика Татарстана, Казань, №2, 2009 г. стр. 26–31.
  9. Гуреев В.М., Development of new industrial shell-and-tube heat exchangers / V.M. Gureev, R.R. Yunusov, L.B.Nizamiev, G.M. Galiakberov, S.E. Tanryverdi // Actual Problems of aviation and aerospace systems. Processes, models, experiment. Kazan. №1, 2010, стр. 35-39.

Материалы конференций:

  1. Гуреев В.М., Направление совершенствования газовых теплонасосных установок./ Гортышов Ю.Ф., Ермаков А.М., В.М.Гуреев//        Труды IV международного симпозиума «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» - Казань, 18–19 декабря 2003г., стр. 383-387.
  2. Гуреев В.М., Разработка математической модели парокомпрессионной теплонасосной установки с газомоторным приводом/Ермаков А.М., В.М.Гуреев// Четвертая международная научно–техническая конференция. Вологда, октябрь, 2004 – г.  стр. 172, 40. стр. 172-176.
  3. Гуреев В.М., Разработка стенда теплонасосной установки на низкокипящих рабочих  телах для исследования зависимостей её теплофизических характеристик от внешних условий./ Гортышов Ю.Ф., Ермаков А.М., В.М.Гуреев//Труды IV Школы–семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова. - г. Казань, 28–29 сентября 2004  г. стр. 345-351.
  4. Гуреев В.М., Концепция создания системы энергоснабжения на базе эффективных малых тепло–электроэнергетических систем/Ермаков А.М., В.М.Гуреев//Труды IV Школы–семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова. Казань, 28–29 сентября 2004 – г. стр. 33-43.
  5. Гуреев В.М., Концепция развития эффективных газовых мини–ТЭЦ в Республике Татарстан./ Ермаков А.М., В.М.Гуреев // Научно–практическая конференция «Эффективная энергетика», – г. Казань, 12–14 октября 2004 – г. стр. 30-46.        
  6. Гуреев В.М., ГТЭУ–18–ОАО «КМПО» – перспективное решение для модернизации энергетики РТ./Ю.Ф. Гортышов,  В.К. Жуков , В.М.Гуреев//II Международная научно–техническая конференция «Авиадвигатели XXI века, Москва, 6–9 декабря 2005 – г. – М. ЦИАМ, 2005  г., стр. 396-402.
  7. Гуреев В.М., Технико–экономический анализ высокоэффективной теплогенерирующей ПТНУ с приводом от газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20–200/ Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Ермаков А.М., Гельманов Р.Р., В.М.Гуреев//Энерго– и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Юбилейная международная научная–техническая конференция, посвященная  80–летию Ф.З. Тинчурина, 12–14 декабря 2006 – г. – Казань.: 2006г., стр. 30-33.
  8. Гуреев В.М., « Исследование процессов тепломассообмена вблизи поверхностей отопительных приборов в условиях свободной и вынужденной конвекции»/Губин С.Д., Калимуллин Р.Р., Гельманов Р.Р., В.М.Гуреев//XVI Школа–семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, Санкт–Петербург, 2007 г., I том, стр. 125-127.
  9. Гуреев В.М., «Расчет теплообменных аппаратов, работающих с фазовыми изменениями рабочих сред»/Гортышов Ю.Ф., Мац Э.Б., Ермаков А.М., В.М.Гуреев//XVI Школа–семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, 21–25 мая 2007 года, – г. Санкт–Петербург, 2007г., II том,  стр. 119-120 .
  10. Гуреев В.М., Исследование экономической эффективности парокомпрессионной теплонасосной установки/Ермаков А.М., Гельманов Р.Р., В.М.Гуреев//3–я Международная научно–практическая конференция «Актуальные проблемы энергетики», – г. Екатеринбург, 21–23 ноября 2007 года, стр. 377-379.
  11. Гуреев В.М., Результаты технико–экономической оценки применения различных способов энергоснабжения/ Ермаков А.М., Гельманов Р.Р. , В.М.Гуреев//Актуальные проблемы энергетики: материалы III международной научно–практической конференции, 21–23 ноября, 2007г. – Екатеринбург, 2007г., стр. 373-376.
  12. Гуреев В.М., Расчет характеристик теплового насоса в программном комплексе «ПОТОК»/Гельманов Р.Р.,  Мац Э.Б., Ермаков А.М., В.М. Гуреев // Международная научно–техническая. Конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ–07», Казань, 11 – 12 декабря 2007 года, стр. 19-24.
  13. Гуреев В.М., Анализ эффективности схемных решений парокомпрессионных теплонасосных установок./Ю.Ф. Гортышов, Р. Р. Гельманов, Э.Б. Мац, А.М. Ермаков, В.М.Гуреев//VIII международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение», – г. Казань, 4–6 декабря 2007 г., стр. 174-179.        
  14. Гуреев В.М., Влияние добавок водорода на экономические и экологические показатели газового двигателя КАМАЗ – 820.53–260/ Н.А. Гатауллин, Ю.Ф. Гортышов, И.В. Нефёдов, Д.А. Павлов,  Р.Х Хафизов, А.П. Шайкин , В.М.Гуреев//Конференция "Водородная энергетика", Москва, 2007, стр. 136-138 
  15. Гуреев В.М., «Исследование влияния интенсифицированных поверхностей на интенсификацию теплоотдачи вблизи теплообменных поверхностей горизонтальных радиаторов»/Калимуллин Р.Р., Байгалиев Б.Е., В.М. Гуреев//VII Международный симпозиум "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение", 4–6 декабря 2007г. – г. Казань, стр. 202-205.
  16. Гуреев В.М., «Исследование влияния микрозигованных поверхностей на интенсификацию теплоотдачи вблизи теплообменных поверхностей горизонтальных конвекторов» / В.М.Гуреев, Калимуллин Р.Р., Байгалиев Б.Е., Газизянов Р.З. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ–07», Казань, 11 – 12 декабря 2007 года, стр. 63-66.
  17. Гуреев В.М., «Разработка стенда для балансовых энергетических испытаний вихревого теплогенератора» / В.М.Гуреев, Шестаков А.А., Гортышов Ю.Ф.// Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ–07», Казань, 11 – 12 декабря 2007 года, стр. 110-113.
  18. Гуреев В.М., «Разработка профиля отопительного прибора, рационального по тепловой мощности и организации его производства» / Гортышов. П.Ю., В.М.Гуреев, Губин С.Д., Штгапов З.Г. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ–07», Казань, 11 – 12 декабря 2007 года, стр. 63-66.
  19. Гуреев В.М., Структурная оптимизация схем воздушных турбохолодильных машин/ Э.Б.Мац, М.В.Гуреев , В.М.Гуреев// VII Международный симпозиум Энерго-ресурсоэффективность и энергосбережение", Казань, 4–6 декабря 2007г., Казань, стр. 190-196.
  20. Гуреев В.М., Варианты оптимизации локальных систем энергоснабжения/ Ермаков А.М., Гельманов Р.Р., В.М. Гуреев//IX международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение», – г. Казань, 2–4 декабря 2008 г., стр. 23-25.
  21. Гуреев В.М., Альтернативные источники энергоснабжения в системе обеспечения экономической безопасности / Ермаков А.М., Гельманов Р.Р., Гельманова А.А., Разина И.Г., В.М.Гуреев//I Всероссийская научно–практическая конференция «Формирование системы экономической безопасности в России и её регионах» – г. Казань, 26–27 июня 2008 г., стр. 120-125.
  22. Гуреев В.М., Исследования процессов тепломассообмена вблизи поверхностей отопительных приборов в условиях свободной и вынужденной конвекции / Губин С.Д., Калимуллин Р.Р., Гельманов Р.Р., В.М. Гуреев // Труды IX международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 2–4 декабря 2008г., стр. 150-158.
  23. Гуреев В.М., Разработка новых промышленных кожухотрубных теплообменных аппаратов/ Юнусов Р.Р., Низамеев Л.Б., Галиакберов Г.М., Танрыверди С.Э., В.М.Гуреев// Труды IX международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 2–4 декабря 2008 г., стр. 349-358.
  24. Гуреев В.М., Численно–экспериментальное исследование процесса тепло– и  массообмена вблизи сложных поверхностей отопительных приборов в условиях естественной конвекции/Калимуллин Р.Р., Гортышов Ю.Ф., Гетман В.В., В.М.Гуреев//V Всероссийская научно–техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань, 12–13 октября 2009 г.,  стр. 613-616.
  25. Гуреев В.М., Повышение КПД энергетических газотурбинных установок/ Мац Э.Б., Малышкин Д.А., В.М.Гуреев//V Всероссийская научно–техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань,12–13 октября, 2009 г., стр. 649-653.
  26. Гуреев В.М., Моделирование и расчет гидродинамики утилизатора продуктов сгорания/ В.М.Гуреев, Ермаков А.М, Гельманов Р.Р. Юнусов Р.Р.//V Всероссийская научно–техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань, 12–13 октября 2009  г., стр. 666-669.
  27. Гуреев В.М., Анализ современных программно-технических средств моделирования и расчета литейных процессов/ Гуреев В.М., Губин С.Д., Ефремова Е.В., Микрюков И.В.//V Всероссийская научно–техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань,12–13 октября, 2009 г. стр.645-648

и 27 материалов докладов и  тезисов международных российских и зарубежных научно-технических конференций.


1 Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Мацу Э.Б. и кт.н. Дружинину А.М. за совместную работу по созданию программного комплекса и разработке методов повышения эффективности ДВС.

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.