RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3048010.22363/2312-8143-2021-22-4-339-347ArticlesСтатьиResearch ArticleFeatures of modeling a highly efficient multistage vapor compression heat pump unitОсобенности моделирования высокоэффективной многоступенчатой парокомпрессионной теплонасосной установкиhttps://orcid.org/0000-0002-5598-7522AntipovYuri A.АнтиповЮрий Александрович

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

кандидат технических наук, доцент департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

antipov-yua@rudn.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7302-4247ShatalovaIrina I.ШаталоваИрина Ивановна

Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Department of Innovative Management in Industries, Engineering Academy

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент департамента инновационного менеджмента в отраслях промышленности, Инженерная академия

shatalova-ii@rudn.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5680-517XShkarinKirill V.ШкаринКирилл Владимирович

postgraduate student, Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

аспирант департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

1042180018@rudn.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0100-6055LapinMikhail V.ЛапинМихаил Владимирович

postgraduate student, Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

аспирант департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

1042200019@rudn.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5175-2219SokolovDmitry A.СоколовДмитрий Андреевич

postgraduate student, Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

аспирант департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

1042190196@rudn.ruGrininArtem O.ГрининАртем Олегович

student, Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

студент департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

1032182301@rudn.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6054-2096ToptyginKirill P.ТоптыгинКирилл Павлович

student, Department of Mechanical Engineering and Instrumentation, Engineering Academy

студент департамента машиностроения и приборостроения, Инженерная академия

1032182294@rudn.ruPeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народов30122021224VOL 22, NO4 (2021)ТОМ 22, №4 (2021)33934715032022Copyright ©; 2021, Antipov Y.A., Shatalova I.I., Shkarin K.V., Lapin M.V., Sokolov D.A., Grinin A.O., Toptygin K.P.Copyright ©; 2021, Антипов Ю.А., Шаталова И.И., Шкарин К.В., Лапин М.В., Соколов Д.А., Гринин А.О., Топтыгин К.П.2021Antipov Y.A., Shatalova I.I., Shkarin K.V., Lapin M.V., Sokolov D.A., Grinin A.O., Toptygin K.P.Антипов Ю.А., Шаталова И.И., Шкарин К.В., Лапин М.В., Соколов Д.А., Гринин А.О., Топтыгин К.П.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/30480

The increase in the cost of fuel and energy resource and the deterioration of the environment from the combustion of traditional fossil fuel, have led to a great interest in energy-saving technology by using secondary energy resources in the thermal energy of industrial, housing and communal services using heat pump units in Russia and abroad. This paper analyzes the well-known two-stage heat pump units, and reveals their advantages in comparison with single-stage. The modeling of a highly efficient multistage vapor compression heat pump unit is proposed. Moreover, a method for calculating a multistage heat pump unit with a high coefficient of performance is presented. In addition, an example of calculating the thermodynamic cycle of a four-stage heat pump unit is presented. The influence of the number of stages on the increase in coefficient of performance in relation to a single-stage heat pump unit, the effect of the temperature difference between the temperature of the high-potential heat source and the temperature of the low-potential heat source on the coefficient of performance were analyzed. In addition, the influence of the initial value of the temperature of the high-potential heat source before heating during the course in the heat pump unit on the value of coefficient of performance for a different number of stages is analyzed under the condition of a constant difference between the heating temperature of the high-potential heat source at the outlet of the heat pump unit and the temperature of the low-potential heat source.

В последнее время вследствие повышения стоимости топливно-энергетических ресурсов и ухудшения экологии от сжигания традиционного органического топлива в России и за рубежом проявился большой интерес к энергосберегающей технологии путем использования вторичных энергоресурсов в тепловой энергии промышленного и жилищно-коммунального хозяйства при помощи теплонасосной установки. В работе анализируются известные двухступенчатые теплонасосные установки, раскрываются их преимущества по сравнению с одноступенчатыми. Предложено моделирование высокоэффективной многоступенчатой парокомпрессионной теплонасосной установки, представлена методика расчета многоступенчатой теплонасосной установки с высоким коэффициентом трансформации теплоты. Приведен пример расчета термодинамического цикла четырехступенчатой теплонасосной установки. Проанализировано влияние количества ступеней на прирост коэффициента преобразования по отношению к одноступенчатой теплонасосной установке, а также влияние разности температур между температурой источника высокопотенциальной теплоты и температурой источника низкопотенциальной теплоты на величину коэффициента трансформации теплоты. Изучено влияние начального значения температуры источника высокопотенциальной теплоты перед нагревом на входе теплонасосной установки на величину коэффициента трансформации теплоты для различного количества ступеней при условии постоянной разности температуры нагрева источника высокопотенциальной теплоты на выходе из теплонасосной установки и температурой источника низкопотенциальной теплоты.

heat pump unitsecondary energy resourcesheat recoverycoefficient of performancecomputer simulationтеплонаносная установкавторичные энергоресурсыутилизация теплакоэффициент трансформации теплотымоделированиеBell I, Groll E, Braun J, Horton T. Performance of vapor compression systems with compressor oil flooding and regeneration. Int. J. Refrigeration. 2011;34(1):234–242. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2010.09.004Bell I., Groll E., Braun J., Horton T. Performance of vapor compression systems with compressor oil flooding and regeneration // Int. J. Refrigeration. 2011. Vol. 34. Issue 1. Pp. 234-242. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2010.09.004Bertsch SS. Theoretical and experimental investigation of a two stage heat pump cycle for Nordic climates. Master’s thesis, Mechanical Engineering, Herrick Labs 2005-13P, Report No. 7031-1. West Lafayette: Purdue University; 2005.Bertsch S.S. Theoretical and experimental investigation of a two stage heat pump cycle for Nordic climates: master’s thesis, Mechanical Engineering, Herrick Labs 2005-13P, Report No. 7031-1. West Lafayette: Purdue University, 2005.Dabiri A, Keith Rice C. A compressor simulation model with corrections for the level of suction gas superheat. ASHRAE Transactions. 1981;87(2):771–782.Dabiri A., Keith Rice C. A compressor simulation model with corrections for the level of suction gas superheat // ASHRAE Transactions. 1981. Vol. 87. Issue 2. Pp. 771-782.Bertsch SS, Groll EA. Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S. climates. International Journal of Refrigeration. 2008; 31(7):1282–1292. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.01.006Bertsch S.S., Groll E.A. Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S. climates // International Journal of Refrigeration. 2008. Vol. 31. Issue 7. Pp. 1282-1292. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.01.006Bertsch SS, Groll E. Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S. climates. International Journal of Refrigeration. 2008;31(7): 1282–1292. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.01.006Bertsch S.S., Groll E. Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S. climates // International Journal of Refrigeration. 2008. Vol. 31. Issue 7. Pp. 1282-1292. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.01.006Heo J, Jeong MW, Jeon J, Kim Y. Effects of gas injection on the heating performance off two-stage heat pump using a twin rotary compressor with refrigerant charge amount. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration. 2008;16:77–82.Heo J., Jeong M.W., Jeon J., Kim Y. Effects of gas injection on the heating performance off two-stage heat pump using a twin rotary compressor with refrigerant charge amount // International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration. 2008. Vol. 16. Pp. 77-82.Gorshkov VG. Heat pumps. Analytical review. Handbook of industrial equipment VVT. 2004;2:47–80. (In Russ.)Горшков В.Г. Тепловые насосы: аналитический обзор // Справочник промышленного оборудования ВВТ. 2004. № 2. С. 47-80.Wang X, Hwang Y, Radermacher R. Two-stage heat pump with vapor-injected scroll compressor using R410A as a refrigerant. International Journal of Refrigeration. 2009; 32(6):1442–1451. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.03.004Wang X., Hwang Y., Radermacher R. Two-stage heat pump with vapor-injected scroll compressor using R410A as a refrigerant // International Journal of Refrigeration. 2009. Vol. 32. Issue 6. Pp. 1442-1451. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.03.004Ma G, Zhao H. Experimental study of a heat pump system with flash-tank coupled with scroll compressor. Energy and Buildings. 2008;40(5):697–701. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.05.003Ma G., Zhao H. Experimental study of a heat pump system with flash-tank coupled with scroll compressor // Energy and Buildings. 2008. Vol. 40. Issue 5. Pp. 697-701. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.05.003Nguyen M, Hewitt N, Huang M. Performance evaluation of an air source heat pump using economized vapor injection compressor and flash tank coupled with capillary tubes. Proceeding of International Congress of Refrigeration, Beijing, China. 2007;8(21):ICR07-E2-1110.Nguyen M., Hewitt N., Huang M. Performance evaluation of an air source heat pump using economized vapor injection compressor and flash tank coupled with capillary tubes // Proceeding of International Congress of Refrigeration, Beijing, China. 2007. No. 8 (21). ICR07-E2-1110.