AP26102323 – Оптимизация эффективности и конфигурации высокотемпературных тепловых насосов для интеграции возобновляемых источников энергии и утилизации сбросного тепла
Цель – Цель проекта является разработка и оптимизация эффективной системы получения высокотемпературного (60–100 ℃) полезного тепла с использованием парокомпрессионного теплового насоса. Проект нацелен на исследование и определение оптимальных конфигураций одноступенчатого и двухступенчатого каскадного теплового насоса, предназначенного для преобразования низкопотенциального возобновляемого тепла и/или утилизации сбросного тепла.
Актуальность: Актуальность проекта обусловлена необходимостью повышения энергетической эффективности промышленных и сервисных объектов за счет интеграции возобновляемых источников энергии и утилизации сбросного тепла. Существующие тепловые насосы ограничены низкими рабочими температурами, тогда как отрасли требуется тепло 60–100 ℃ и выше. Оптимизация высокотемпературных тепловых насосов позволит эффективно преобразовывать низкопотенциальное тепло, снижать углеродный след и улучшать экономические и экологические показатели предприятий.
Научный руководитель: Беляев Ержан Келесович, Доктор PhD, Ассоциированный профессор, Профессор-исследователь
Ожидаемые и достигнутые результаты:
Ожидаемые результаты проекта включают оптимизацию эффективности и конфигурации парокомпрессионных тепловых насосов для получения высокотемпературного (60–100 ℃) тепла, определение оптимальных конфигураций тепловых насосов для эффективного преобразования возобновляемых источников тепла и утилизации сбросного тепла, а также подбор экологически безопасных хладагентов и их смесей с нулевым озоноразрушающим потенциалом и низким потенциалом глобального потепления. Одним из ключевых результатов станет получение значительных объемов численных и экспериментальных данных, их статистическая обработка и анализ, что позволит улучшить существующие модели оптимизации.
Требования к ожидаемым результатам по прикладным исследованиям в области инжиниринга и технологий будут выполнены в соответствии с разделом 7 конкурсной документации. В разделе 9 заявки представлен план публикаций на весь период реализации проекта. Публикационная деятельность будет осуществляться согласно указанному плану и в соответствии с требованиями конкурсной документации.
В рамках проекта предусмотрена подготовка одного доктора PhD – Ердеша Елнара Бақытханұлы, который планирует защитить диссертацию в диссертационном совете по механике КазНУ имени аль-Фараби в установленные сроки. Ердеш Е.Б. выступает в роли ответственного исполнителя проекта.
На текущий момент уровень технологической готовности (УГТ) проекта составляет УГТ 3 (разработка и лабораторные испытания элементов). К завершению проекта планируется повышение до УГТ 4, включая создание лабораторного прототипа и проведение экспериментальной проверки.
Влияние ожидаемых результатов на развитие основного научного направления и смежных областей науки и технологий заключается в развитии междисциплинарных исследований в таких областях, как инженерная термодинамика, тепломассоперенос, физика высокотемпературных потоков, механика жидкости и газа, вычислительная гидродинамика, солнечные тепловые системы и экологически безопасные хладагенты. В проекте участвуют молодые ученые с опытом разработки экспериментальных прототипов тепловых насосов, солнечных тепловых систем, а также систем хранения тепла с использованием материалов с фазовым переходом. Полученные знания будут применены в проекте, а опыт передан студентам, магистрантам и докторантам Сатбаев Университета и КазНУ имени аль-Фараби. Результаты будут иметь практическую ценность для исследователей и предпринимателей в теплотехническом оборудовании и системах теплоснабжения, а также для промышленного сектора.
Социальный, экономический, экологический, научно-технический эффект проекта заключается в подготовке молодых специалистов в научном и инженерном направлениях. Студенты приобретут знания и навыки в разработке и оптимизации теплотехнического оборудования, моделировании тепловых процессов и анализе энергетических систем. Естественнонаучная часть будет реализована в КазНУ им. аль-Фараби, а прикладная – в Сатбаев Университете, с акцентом на экспериментальную работу.
1.1 Создана оптимизационная расчетная модель на основе эндореверсивной термодинамической модели для определения размеров и эффективности теплообменников, а также учета теплофизических свойств промежуточных теплоносителей для одноступенчатого и двухступенчатого каскадного теплового насоса. 1.2 Проведены расчеты различных одноступенчатых и двухступенчатых каскадных конфигураций парокомпрессионных тепловых насосов на основе созданной модели оптимизации и проведены тестирование различных критериев оптимизации. 1.3 Осуществлен расчет и подбор комплектующего оборудования для лабораторного прототипа теплового насоса «Вода-Вода». Новизна исследований за 2025 год заключается в разработке эндореверсивной термодинамической модели и оптимизационного алгоритма.