Энергонезависимая система отопления с улучшенной энергоэффективностью для сельскохозяйственных помещений

Алексей Павлович Левцев; Анатолий Иванович Лысяков

Алексей Павлович Левцев Национальный исследовательский Мордовский государственный университет https://orcid.org/0000-0003-2429-6777
Анатолий Иванович Лысяков Национальный исследовательский Мордовский государственный университет https://orcid.org/0000-0002-4436-4995

Ключевые слова: энергонезависимая система теплоснабжения, сельскохозяйственные объекты, теплоутилизатор, тепломеханический преобразователь энергии, пульсирующий режим

Аннотация

Введение. Статья посвящена повышению эффективности энергонезависимых систем теплоснабжения в сельском хозяйстве на основе использования теплоутилизатора с тепломеханическим преобразователем энергии. Наиболее перспективным является тепломеханический преобразователь энергии с термодинамическим циклом периодического действия для привода мембранного насоса.
Материалы и методы. С использованием термодинамического метода, а также возможности импульсных технологий разработаны замкнутый цикл и устройство периодического действия, в котором последовательно реализуются три термодинамических процесса: изохорное нагревание и испарение рабочего вещества; адиабатическое совершение работы; изобарная конденсация. Построены термодинамические циклы для пяти известных рабочих веществ (R11; R21; R113; R114; R123) на lgP-h диаграммах термодинамического состояния и рассчитаны их параметры в характерных точках.
Результаты исследования. Выполнено частотное согласование тепломеханического преобразователя с гидравлическими параметрами теплоисточника и теплопотребляющей установки. Такое согласование проводилось на частотных характеристиках. Для описания гидродинамики системы теплоснабжения применялась система дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, которая решалась с использованием преобразования Лапласа. Установлена рациональная частота колебаний потока теплоносителя в пределах 1,38–2,76 рад/с.
Обсуждение и заключение. Предложена схема системы теплоснабжения с независимым присоединением теплопотребляющих установок к теплоисточнику. На примере теплоисточника мощностью 100 кВт получены графические зависимости минимальных давлений на теплоисточнике от изменения расхода теплоносителя и активного гидравлического сопротивления тепловой сети. Разработан алгоритм определения приращения мощности от использования теплоутилизатора с тепломеханическим преобразователем. Установлено, что эффективность от такого теплоутилизатора будет выше на котлах малой мощности.

Биографии авторов

Алексей Павлович Левцев, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

заведующий кафедрой теплоэнергетических систем Института механики и энергетики Национального исследовательского Мордовского государственного университета (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), доктор технических наук, профессор, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2429-6777, Researcher ID: B-8620-2019, levtzevap@mail.ru

Анатолий Иванович Лысяков, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

старший преподаватель кафедры теплоэнергетических систем Института механики и энергетики Национального исследовательского Мордовского государственного университета (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4436-4995, lysyakov_lai@mail.ru

Литература

1. Технологии проектирования и строительства свиноводческих комплексов в различных климатических условиях / И. Ю. Игнаткин [и др.] // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4. С. 237–245. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25379996 (дата обращения: 10.01.2022).

2. Архипцев А. В., Игнаткин И. Ю., Курячий М. Г. Эффективная система вентиляции // Вестник НГИЭИ. 2013. № 8. С. 10–15.

3. Ильин И. В., Игнаткин И. Ю., Курячий М. Г. Опыт проектирования систем отопления и вентиляции на свиноводческих фермах и комплексах // Эффективное животноводство. 2011. № 6. С. 30–31. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26661381 (дата обращения: 10.01.2022).

4. Makeev A. N. Theory of Pulse Circulation of the Heater in the Heat Supply System with Independent Subscription of Subscribers // Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2018. Issue 4. P. 15–25. URL: http://vestnikvgasu.wmsite.ru/ftpgetfile.php?id=679 (дата обращения: 10.01.2022).

5. Embaye M., AL-Dadah R. K., Mahmoud S. Thermal Performance of Hydronic Radiator with Flow Pulsation – Numerical Investigation // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 80. P. 109–117. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.12.056

6. Путан А. А., Андреев О. П. Установка утилизации тепла с системой оттаивания // Международный технико-экономический журнал. 2020. № 2. С. 76–85. doi: https://doi.org/10.34286/1995-4646-2020-71-2-76-85

7. Levtsev A. P., Makeev A. N., Kudashev S. F. Pulsating Heat Transfer Enhancement in the Liquid Cooling System of Power Semiconductor Converter [Электронный ресурс] // Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9. Issue 11. doi: https://doi.org/10.17485/ijst/2016/v9i11/89420

8. Валуева Е. П., Пурдин М. С. Гидродинамика и теплообмен пульсирующего ламинарного потока в каналах // Теплоэнергетика. 2015. № 9. С. 24. doi: https://doi.org/10.1134/S0040363615090118

9. Валуева Е. П., Пурдин М. С. Пульсирующее ламинарное течение в прямоугольном канале // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22, № 6. С. 761–773. URL: https://www.sibran.ru/journals/issue.php?ID=166157&ARTICLE_ID=166166 (дата обращения: 10.01.2022).

10. Levsev A. P., Lapin E. S., Zhang Q. Increasing the Heat Transfer Efficiency of Sectional Radiators in Building Heating Systems // Magazine of Civil Engineering. 2019. Issue 8. P. 63–75. doi: https://doi.org/10.18720/MCE.92.5

11. Ерофеев В. Л., Жуков В. А., Пряхин А. С. Неточность термодинамических определений и терминов – путь к вечному двигателю второго рода // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2016. № 6. С. 140–149. doi: https://doi.org/10.21821/2309-5180-2016-8-6-140-149

12. Liquid Air Fueled Open-Closed Cycle Stirling Engine / W. Xu [et al.] // Energy Conversion and Management. 2015. Vol. 94. P. 210–220. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.01.075

13. Ranjan R. K., Verma S. K. Thermodynamic Analysis and Analytical Simulation of the Rallis Modified Stirling Cycle // Archives of Thermodynamics. 2019. Vol. 40, Issue 2. P. 35–67. doi: https://doi.org/10.24425/ather.2019.129541

14. Thermodynamic Parameters of a Magnetic Refrigerator with a Carnot Cycle / A. V. Mashirov [et al.] // Proceedings of 8th International Conference on Caloric Cooling (Thermag VIII) (16–20 September). Darmstadt, 2018. P. 90–95. doi: https://doi.org/10.18462/iir.thermag.2018.0014

15. Holubec V., Ryabov A. Work and Power Fluctuations in a Critical Heat Engine [Электронный ресурс] // Physical Review E. 2017. Vol. 96, Issue 3. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.030102

16. Steyert W. A. Stirling-Cycle Rotating Magnetic Refrigerators and Heat Engines for Use Near Room Temperature // Journal of Applied Physics. 1978. Vol. 49, Issue 3. P. 1216–1226. doi: https://doi.org/10.1063/1.325009

17. Thermodynamic Analysis and Optimization of a Stirling Cycle for Lunar Surface Nuclear Power System / S. Fan [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 111. P. 60–67. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.053

18. Yin Y., Chen L., Wu F. Performance Analysis and Optimization for Generalized Quantum Stirling Refrigeration Cycle with Working Substance of a Particle Confined in a General 1D Potential // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018. Vol. 97. P. 57–63. doi: https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.10.014

19. Гапоненко А. М., Каграманова А. А. Математическое моделирование работы двигателя Стирлинга // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2016. № 4. С. 29–35. doi: https://doi.org/10.17213/0321-2653-2016-4-29-35

20. Slavin V. S., Bakos G. C., Finnikov K. A. Conversion of Thermal Energy into Electricity Via a Water Pump Operating in Stirling Engine Cycle // Applied Energy. 2009. Vol. 86. Issues 7–8. P. 1162–1169. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.10.018

21. Ерофеев В. Л., Ганин Н. Б., Пряхин А. С. Пределы повышения энергетической эффективности топливоиспользования поршневого ДВС // Двигателестроение. 2015. № 2. С. 33–38. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23710747 (дата обращения: 10.01.2022).