Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Том 112, № 4 (2023)
Оригинальные исследования
Математическое моделирование пластинчато-ребристого теплообменного аппарата в авиационной системе кондиционирования воздуха
Аннотация
Обоснование. Теплообменные аппараты (ТО) являются неотъемлемой частью энергетических установок. Транспортные исполнения ТО предъявляют требования к качеству их переходных режимов.
Цель. Разработка математической модели компактного теплообменного аппарата как части системы кондиционирования воздуха (СКВ) летательного аппарата (ЛА).
Материалы и методы. Разработка математической модели теплообменного аппарата проведена методом конечных объёмов. Система уравнений получена в виде неявной дифференциальной формулировки. Решение строится с помощью стандартных методов, встроенных в математические пакеты. Данный подход оптимален с инженерной точки зрения и позволяет встраивать модель теплообменного аппарата в общую математическую модель системы кондиционирования воздуха летательного аппарата.
Результаты. Разработана математическая модель вторичного ТО ЛА, готовая к встраиванию в полную модель СКВ. Верификация модели выполнена статическим расчетом по двум методикам, принятым в авиационной отрасли.
Заключение. Представленная математическая модель компактного ТО ЛА сбалансирована по точности решения, трудоемкости разработки и требовательности к вычислительным ресурсам.
175-184
Системы предварительного охлаждения в современных ожижителях водорода
Аннотация
Обоснование. В настоящей работе представлены рекомендации по выбору схемы установки ожижения водорода малой производительности до 20 кг/ч (0,48 тонн/сутки). Основными рассматриваемыми критериями являются удельные энергозатраты цикла ожижения, капитальные затраты для его организации, а также общие характеристики систем ожижения. В ходе настоящего исследования были рассмотрены теоретический и реальный циклы ожижения водорода, было проведено математическое моделирование цикла с учетом реальных параметров оборудования. Были выявлены преимущества и недостатки некоторых технологических решений, а проанализированы тренды изменения эффективности установок сжижения водорода в целом. По результатам проведенного анализа были выбраны основные элементы цикла для установок ожижения водорода малой мощности.
Цель работы — рассмотреть теоретические и реальные циклы ожижения водорода, провести математическое моделирование цикла с учетом реальных параметров оборудования
Методы. В программной среде Aspen HYSYS было проведено моделирование цикла ожижения водорода. Дальнейшая оптимизация и подбор оптимальных значений рабочих параметров проведены с помощью модуля Global Optimization Toolbox программного комплекса MATLAB
Результаты. Выявлены преимущества и недостатки технологических решений, применяемых в установках ожижения водорода. Определена тенденция повышения эффективности установок сжижения водорода.
Заключение. В данной работе представлено сравнение энергозатрат на ожижение различных газов, которое показывает возможность снижения энергозатрат на ожижение водорода. Показано влияние непрерывной орто-пара-конверсии или увеличения ступеней конверсии на энергопотребление. Описаны основные особенности холодильных циклов и обоснован выбор цикла предварительного охлаждения на смешанном хладагенте (СХА). Экономические показатели, характеризующие холодильные машины, работающие на СХА, сравнивали с экономическими показателями систем, использующих предварительное охлаждение продукта жидким азотом. Описаны основные трудности выбора хладагента при моделировании. Представлены основные принципы моделирования и выбора параметров оптимизации цикла ожижения водорода малой мощности. Смоделирован низкотемпературный гелиевый цикл, затем с учетом полученных результатов смоделирован контур предварительного охлаждения на смесевом хладагенте. Выявлен оптимальный диапазон температур (80-100К) предварительного охлаждения на смесевом хладагенте, при котором наблюдается снижение общего удельного энергопотребления в установках ожижения водорода малой мощности.
185-194
Экспериментальное исследование усовершенствованных систем охлаждения на базе CO₂ при различных условиях эксплуатации
Аннотация
Эффективность системы охлаждения на базе CO₂ в основном зависит от условий эксплуатации и конструкции системы. Для повышения энергоэффективности современные системы включают в себя дополнительные компоненты и их сочетания, например, параллельное сжатие, эжекторы и детандеры. Для прямого сравнения различных конструкций систем были проведены измерения на передовой лабораторной холодильной системе на базе CO₂ при различных условиях эксплуатации. Поведение системы было исследовано при различных температурах на выходе из газоохладителя, различных нагрузках на охлаждение, различных температурах кипения и перегревах. Представлены результаты измерений, выполненных на базовой конфигурации системы и на её усовершенствованных конструкциях. Было замечено, что с точки зрения повышения эффективности влияние условий эксплуатации для одних мероприятий менее значимо, чем для других. Для каждой конструкции системы были определены условия эксплуатации, при которых поведение соответствующих мероприятий было особенно благоприятным. В будущем это позволит судить о повышении эффективности каждой из соответствующих функций для каждой отдельной области применения.
Настоящая статья представляет собой перевод статьи Doerffel C, Barta R, Thomas C, Hesse U. Experimental investigation of enhanced CO2 refrigeration systems at varying operating conditions. In: Proceedings of the 9th IIR Conference on the Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies. Ohrid: IIF/IIR, 2021.
DOI: 10.18462/iir.nh3-co2.2021.0023 Публикуется с разрешения правообладателя.
195-204
Применение метода полуэмпирического моделирования к двухступенчатому ротационному компрессору CO₂
Аннотация
Двухступенчатые ротационные компрессоры CO₂ в настоящее время используются в холодильных установках и тепловых насосах, в том числе иногда со впрыском пара (цикл с экономайзером). Для прогнозирования и оптимизации производительности цикла возникает необходимость в правильной оценке эффективности компрессора с помощью быстрой вычислительной модели. В этой связи для описания двухступенчатых ротационных компрессоров в данной работе был применен инновационный подход на основе существующего полуэмпирического моделирования. Модель была проверена на основе экспериментальных данных компрессора CO₂, доступных в открытой литературе, которые дают максимальную погрешность около ±3% для массового расхода и ±1,82% для прогнозирования потребляемой мощности.
Кроме того, проведена калибровка упрощенной одноступенчатой модели, необходимая для анализа, сложности модели, и выявления ключевых элементов моделирования и элементов, которыми можно пренебречь. Обнаружено, что это увеличивает погрешность прогнозирования производительности компрессора. Проведен анализ модели, чтобы определить неэффективность, которую вносит каждый из рассматриваемых физических эффектов.
Настоящая статья представляет собой перевод статьи Vega J, Cuevas C, Dickes R, Lemort V. Применение метода полуэмпирического моделирования к двухступенчатому ротационному компрессору CO2.
In: Proceedings of the 9th IIR Conference on the Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies. Ohrid: IIF/IIR, 2021.
DOI: 10.18462/iir.nh3-co2.2021.0027 Публикуется с разрешения правообладателя.
205-214
Энергетическая эффективность интегрированной системы CO₂ для охлаждения, отопления и кондиционирования воздуха, в реальных условиях применения
Аннотация
Система Conveni-pack, разработанная компанией Daikin, представляет собой интегрированную систему для охлаждения, отопления и кондиционирования воздуха, в которой тепло, выделяемое холодильной установкой, используется для обогрева помещения. Кроме того, она работает как тепловой насос, когда зимой требуется дополнительное отопление, а летом — охлаждение. В 2019 году компания Daikin запускает новую модель, использующую CO₂ в качестве хладагента, в дополнение к существующей модели на основе R410A. Версия, использующая CO₂, имеет COP, сопоставимый с моделью R410A, но значительно меньший общий коэффициент эквивалентного потепления (TEWI), а значит, это отличный продукт для снижения выбросов CO₂ и выполнения требований, установленных европейским регламентом по использованию фторированных парниковых газов. Компания Daikin Europe N.V. участвует в финансируемом ЕС проекте (LIFE), в рамках которого будет изучаться сокращение выбросов CO₂ с помощью интегрированной системы в реальных магазинах по всей Европе и влияние используемого сырья. В течение 2020–2022 гг. компания DENV наблюдала за работой 20 систем в реальных условиях и исследовала потенциал тепловых аккумуляторов для дальнейшего снижения выбросов.
Настоящая статья представляет собой перевод статьи Karve N, Van de Velde K, Vandaele S. Энергетическая эффективность интегрированной системы CO2 для охлаждения, отопления и кондиционирования воздуха, в реальных условиях применения. In: Proceedings of the 9th IIR Conference on the Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies. Ohrid: IIF/IIR, 2021.
DOI: 10.18462/iir-nh3-co2.2021.0029 Публикуется с разрешения правообладателя.
215-226
Исследование конструкции эжектора для применения теплового насоса на CO₂ с использованием Dymola
Аннотация
В данной работе для изучения влияния конструкции эжектора на весь цикл теплового насоса, работающего на углекислом газе, используется инструмент моделирования Dymola. Цикл построен с использованием компонентов библиотеки TIL Modelica. Выяснилось, что модели эжекторов в TIL весьма ограничены, в частности, они не могут правильно отразить выход на расчетный режим и быстрое снижение производительности при работе вне расчетного режима. Поэтому собственная современная модель эжектора, изначально разработанная на языке Python, реализована в виде объекта Dymola. Затем указанная модель калибруется на основе экспериментальных данных по CO₂. Исследована работа простой системы теплового насоса на базе CO₂ с акцентом на размеры эжектора при фиксированной геометрии. Выяснилось, что существует размер эжектора, который позволяет достичь максимального COP цикла. Кроме того, в этой точке оптимального COP не достигается критическое давление в эжекторе; эжектор работает в пределах расчетного режима.
227-236
Оценка безопасности и надежности системы охлаждения на базе CO₂ для подземного применения при температурах ниже -50 °C
Аннотация
Новая концепция охлаждения на базе CO₂ оценивается для охлаждения экспериментальных установок ATLAS и CMS, размещенных на глубине до 100 м под землей на Большом адронном коллайдере (БАК) в Центре ядерных исследований (CERN). Введен в эксплуатацию первый опытный образец установки, изготовленный для проверки концептуального проекта и оценки безопасности и надежности системы. В данной работе представлены полученные результаты, обсуждается безопасность и надежность системы, а также список рекомендаций для будущих конечных блоков, обеспечивающих холодопроизводительность 380 кВт для ATLAS и 750 кВт для CMS при температуре кипения -53 °C.
Настоящая статья представляет собой перевод статьи Barroca P, Verlaat B, HafnerA, Blust S, Hulek W, Zwalinski L, Teixeira D. Safety and reliability assessment of CO₂ refrigeration system for underground applications below -50 °C. In: Proceedings of the 9th IIR Conference on the Ammonia and CO₂ Refrigeration Technologies. Ohrid: IIF/IIR, 2021. DOI: 10.18462/iir.nh3-co2.2021.0024 Публикуется с разрешения правообладателя.
237-246
Два года мониторинга данных розничных магазинов, использующих исключительно CO₂ в рамках проекта MultiPACK
Аннотация
В данной статье представлены результаты 24-месячного полевого мониторинга транскритических установок CO₂, предназначенных для решения всех задач теплообмена магазинов розничной торговли продуктами питания, а именно хранения пробуктов, обогрева и охлаждения. Данные установки, в которых используются самые современные технологии, например, двухфазные эжекторы и параллельное сжатие, разработаны в рамках проекта H2020 MultiPACK. Исследуемые супермаркеты расположены в Италии, в двух разных климатических зонах, с разными потребностями в отоплении и охлаждении для поддержания комфорта в помещении, а также с разным типом зданий и набором витрин. Длительные измерения позволяют оценить ключевые показатели эффективности и энергопотребления, а также эксплуатационные показатели. Эти цифры важны для сравнения с традиционными решениями.
Настоящая статья представляет собой перевод статьи Artuso P, Minetto S, Rossetti A, Tosato G, Marinetti S. Two years of data monitoring of all-CO₂ retail stores within the MultiPACK project. In: Proceedings of the 9th IIR Conference on the Ammonia and CO₂ Refrigeration Technologies. Ohrid: IIF/IIR, 2021. DOI: 10.18462/iir.nh3-co2.2021.0025 Публикуется с разрешения правообладателя.
247-255