Analýza návrhu a výkonu16kw dieselový generátorChladicí systém využívající odpadní teplo

Z dosavadního výzkumu vyplývá, že návrh a simulace distribuovaného kogeneračního systému je příliš složitá.

1 návrh systémové integrace

Vybraná obytná oblast ostrova je poháněna dieselovým generátorem o výkonu 16 kW. Výfukové plyny z dieselového motoru obsahují velké množství tepelné energie a absorpční chladič s bromidem lithným využívá výfukové plyny jako pracovní zdroj tepla pro chlazení uživatelů. Pro zvýšení nastavitelného rozsahu chladicího zatížení byl použit chladnič s přídavným spalováním. Celkový design systému dieselového generátoru ostrova o výkonu 16 kW je znázorněn na obrázku 1.

Na základě konstrukčního principu elektrického chlazení (přiřazení chladiče k dieselovému generátoru o výkonu 16 kW) je v tomto článku proveden výběr vhodného chladiče. Obytný prostor má hrubou podlahovou plochu přibližně 4 850 m2 a jmenovitý výkon dieselového generátoru o výkonu 16 kW je 350 kW. Dieselový generátor o výkonu 16 kW produkuje výfukové plyny o teplotě přibližně 450 °C.°C a tepelná energie dostupná pro chladič je přibližně 420 kW. Byl zvolen dvojitý paralelní absorpční chladič s bromidem lithným, chladicím koeficientem 1,4 a výkonem 582 kW. Průměrné chladicí zatížení ostrovních uživatelů je 120 W/m2. Podle průzkumu 120 W/m2 uspokojuje poptávku ostrovních uživatelů po chladicím zatížení. Proto při provozu 16kW dieselového generátoru za jmenovitých provozních podmínek může odpadní teplo z výfukových plynů uspokojit poptávku chladničky. Konstrukční parametry chladicího systému 16kW dieselového generátoru jsou uvedeny v tabulce 1.

2. Matematické modelování

Chladicí systém s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW je velmi složitý a zahrnuje mnoho aspektů, jako je dynamika, termodynamika a přenos tepla, proto je velmi důležité zvolit vhodnou modelovací metodu. V tomto článku je simulační model chladicího systému s využitím odpadního tepla o výkonu 16 kW vytvořen pomocí modulární modelovací metody. Chladicí systém s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW je typický termodynamický systém, jehož moduly jsou rozděleny podle průchodu pracovní látky a energie.

Po určení celé myšlenky modelování bychom měli zvolit rozumnou metodu pro přesnou simulaci fungování systému.

Tato práce se zabývá především výstupním výkonem a tepelnou energií výfukových plynů 16kW dieselového generátoru při různém zatížení, bez zohlednění vnitřního pracovního procesu 16kW dieselového generátoru. Modelování pomocí metody průměrování zajišťuje přesnost simulace 16kW dieselového generátoru na úrovni systémové integrace.

V chladicím systému dieselového generátoru o výkonu 16 kW existuje mnoho typů výměníků tepla a mezi výměníky tepla existuje vazba tlaku a průtoku. Tradiční modelovací metoda rozděluje modul podle fyzikálního modelu, vypočítává tlak a průtok každého modulu samostatně podle bilanční rovnice a musí splňovat podmínku omezení okrajových rovnic. Proto je iterační výpočet nevyhnutelný a doba výpočtu se prodlužuje. Pro vyřešení tohoto problému byl vytvořen simulační model chladicího systému dieselového generátoru o výkonu 16 kW využívajícího odpadní teplo metodou objemové setrvačnosti.

Podle metody objemové setrvačnosti není průtok v každé složce vyvážený a každá složka je posuzována podle objemového setrvačného spojení. Každá složka je považována za objemový modul a spojovací potrubí mezi jednotlivými složkami za modul odporu. Pro objemový modul je tlak uvnitř objemového modulu, pokud se zanedbá vnitřní odpor kapaliny, rovnoměrný. Tlak v objemovém modulu lze vypočítat podle rozdílu hmotnostního průtoku na obou koncích objemového modulu a změny teploty v objemovém modulu. Rozdíl tlaku mezi vstupem a výstupem a ztráta třením stěny potrubí však způsobují změnu toku a dynamickou hodnotu toku lze vypočítat podle zákona zachování hybnosti.

Na příkladu délky potrubí l je rozděleno na objemový modul a modul odporu a je stanoven jeho objemový setrvačný model.

1) modul objemu.

Průtok za jednotku času do objemového modulu je M1 a průtok za jednotku času z objemového modulu je M2. Podle zákona zachování hmotnosti: Průtok do objemového modulu - průtok z objemového modulu = hmotnostní přírůstek objemového modulu, lze hmotnostní přírůstek objemového modulu vypočítat:

Ve vzorci: M je hmotnost pracovní kapaliny v objemovém modulu, kg; v je objem pracovní kapaliny v objemovém modulu, M3; kg/m3 je hustota pracovní kapaliny v objemovém modulu; M1 a M2 jsou hmotnostní tok kapaliny do a z objemového modulu, kg/s.

2) odporový modul.

V odporovém modulu se průtok mění v důsledku tlakového rozdílu a třecího odporu kapaliny. Podle zákona zachování hybnosti: Hybnost vstupující do odporového modulu - hybnost opouštějící odporový modul + hybnost vnější síly = přírůstek hybnosti odporového modulu, lze vypočítat hmotnost kapaliny protékající průřezem odporového modulu:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

Ve vzorci: M je hmotnostní průtok pracovní kapaliny potrubím, kg/s; v je rychlost pracovní kapaliny, m/s; a je plocha průřezu potrubí, m 2; l je délka potrubí, m; p 1 a P 2 jsou tlaky na obou stranách odporového modulu, PA; UL je třecí odpor kapaliny na stěně potrubí, znaménko mínus představuje třecí odpor v opačném směru, než je směr proudění kapaliny, U je mokrý obvod potrubí, U je třecí odpor na jednotku plochy, = 1/2 FV 2, F je součinitel tření výměníku tepla podél dráhy, který lze získat podle empirického vzorce.

3 analýza výkonu systému

V tomto článku je čtyřtaktní přeplňovaný dieselový generátor o výkonu 16 kW rozdělen na kompresor, turbínu, rotor turbíny, mezichladič, sací a výfukové potrubí, regulátor, válec a generátor. Simulační model dieselového generátoru o výkonu 16 kW byl vytvořen s využitím metody průměrování.

Chladicí systém s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW má velký počet výměníků tepla a pro vytvoření simulačních modelů každé komponenty se používá metoda objemové setrvačnosti. Kapalné pracovní médium v ​​systému se skládá převážně z odpadního plynu, roztoku bromidu lithného, ​​vody, vodní páry atd. Aby byla zaručena přesnost výpočtu modelu, byl podle fitovacího vzorce vytvořen model pro výpočet tepelných vlastností pracovního média. Simulační modely absorpčních chladičů s výkonem 16 kW a bromidem lithným byly vytvořeny a odladěny v softwaru Matlab/Simulink. Nakonec je simulační model chladičů s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW využívajících odpadní teplo zkombinován, jak je znázorněno na obrázku 4.

V simulaci v ustáleném stavu se podle návrhových parametrů nejprve v simulačním softwaru Matlab/Simulink nastaví okrajové podmínky a přiřadí se počáteční hodnoty stavových proměnných modelu. Pro nastavení doby simulace na 2000 s se používá algoritmus ODE45 s vysokou přesností simulace. Tabulka 2 ukazuje srovnání výsledků simulace v ustáleném stavu s návrhovými parametry.

Tabulka 2 ukazuje, že relativní chyba mezi hodnotou simulace v ustáleném stavu a konstrukčními parametry chladicího systému s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW je menší než 3 %, což splňuje požadavek na přesnost simulace systému a ověřuje správnost a přesnost simulačního modelu. Tepelné parametry pracovního média v systému jsou získány fitováním vzorce, v modelování jsou učiněny potřebné předpoklady a chyby komponent se při jejich montáži zvětší, což jsou důvody relativních chyb.

Na základě výsledků simulace v ustáleném stavu byl vyhodnocen celkový koeficient využití energie chladicího systému s využitím odpadního tepla dieselového generátoru o výkonu 16 kW. Metoda výpočtu celkového koeficientu využití energie systému je pomocí vzorce.

X je celkový koeficient využití energie (EVA) systému dieselového generátoru o výkonu 16 kW, PG je dieselový generátor o výkonu 16 kW, kW, RC je absorpční chladič libr, kW, EC je ostatní spotřeba energie systému, kW; FC je spotřeba paliva dieselového generátoru, kW; PC je spotřeba energie systému, kW.

Za navržených provozních podmínek má 16kw dieselový generátor výkon 357,6 kW, lithiumbromidový absorpční chladič má výkon 579,79 kW, ostatní spotřeba energie systému je 132 kW a spotřeba paliva 16kw dieselového generátoru je přibližně 1286 kW a spotřeba energie čerpadel a dalších zařízení spotřebujících energii v systému je přibližně 30 kW.

Podle výpočtu vzorce (6) je celkový koeficient využití energie chladicího systému s dieselovým generátorem o výkonu 16 kW přibližně 0,813, což výrazně zlepšuje účinnost využití energie, která je o více než 0,8 vyšší a splňuje konstrukční požadavky.

Zatížení 16kW dieselového generátoru je určeno spotřebou energie. Změna zatížení bude mít za následek změnu teploty výfukových plynů a průtoku 16kW dieselového generátoru, což ovlivní chladicí kapacitu lithiumbromidového absorpčního chladiče zapojenýho za systémem.

Termodynamický proces systému je složitý s inerciálními zpožděními. Nastavením celého času simulace na 6000 s, počínaje od 2000 s, přidáním skokové změny se zatížení 16kW dieselového generátoru sníží ze 100 % na 80 % a provede se dynamický simulační výpočet.

Od roku 2000 se zatížení snižuje z 352,3 kW na 287,48 kW, průtok výfukových plynů z 1,3187 kg/s na 1,1192 kg/s a teplota výfukových plynů z 462 °F (462 °F).°C až 453 °C pro dieselový generátor o výkonu 16 kW. Celý proces dynamické odezvy trvá přibližně 100 s. Zatížení dieselového motoru je sníženo o 20 %, otáčky dieselového motoru jsou zvýšeny, regulátor reaguje rychle, vstřikování paliva se snižuje pro udržení stability otáček na nastavené hodnotě. Snížení vstřikování paliva u dieselového motoru má za následek snížení teploty výfukových plynů a průtoku.

Chladicí výkon se mírně zvýšil a poté prudce klesl na další stabilní hodnotu z 579,79 kW na 507,15 kW. Jak je vidět z obrázku 9, chladicí koeficient se mírně zvýšil a poté snížil z 1,394 na 1,402. Snížení zatížení dieselového generátoru o výkonu 16 kW vedlo ke snížení tepelné energie vstupující do celého systému dieselového generátoru o výkonu 16 kW, což vedlo ke snížení chladicího výkonu chladiče, ale chladicí koeficient se mírně zvýšil a celý dynamický proces byl dokončen přibližně po 2000 s.

4 ZÁVĚR

Na příkladu obytné oblasti ostrova je studována nová energeticky úsporná chladicí technologie využívající odpadní teplo z výroby energie z nafty.

1) Byl proveden integrovaný návrh chladicího systému pro využití odpadního tepla dieselového generátoru o výkonu 16 kW a byly stanoveny konstrukční parametry. Prostřednictvím statických a dynamických simulačních výpočtů systému byl analyzován výkon systému, poté byl navržen řídicí systém a provedena jeho optimalizace.

2) Simulace v ustáleném stavu je provedena v návrhovém stavu a relativní chyba je menší než 3 %, což splňuje návrhové požadavky a potvrzuje přesnost a správnost modelu. Podle výsledků simulace v ustáleném stavu je celkový koeficient využití energie systému přibližně 0,813, což splňuje návrhové požadavky.

3) Je provedena dynamická simulace poruchy zátěže 16 kW, která má za následek snížení zátěže 16 kW, snížení výroby energie, snížení tepelné energie výfukových plynů, snížení chladicího výkonu a mírné zvýšení chladicího koeficientu. Výsledky simulace ukazují, že chladicí výkon elektrárny 16 kW je nižší než u elektrárny 16 kW, výkon elektrárny 16 kW je nižší než u elektrárny 16 kW a tepelná energie výfukových plynů je nižší než u dieselového generátoru 16 kW.