Design- und Leistungsanalyse eines16 kW DieselgeneratorKühlsystem mit Abwärmenutzung

Aus der bisherigen Forschungslage geht hervor, dass die Entwicklung und Simulation verteilter Kraft-Wärme-Kopplungssysteme zu modern ist.

1 Systemintegrationsdesign

Das ausgewählte Inselgebiet wird von einem 16-kW-Dieselgenerator mit Strom versorgt. Die Abgase des Dieselmotors enthalten viel Wärmeenergie, und die Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine nutzt die Abgase als Arbeitswärmequelle zur Kühlung der Nutzer. Um den einstellbaren Kühllastbereich zu erweitern, wird ein Nachverbrennungskühler eingesetzt. Der Gesamtaufbau des 16-kW-Dieselgeneratorsystems der Insel ist in Abbildung 1 dargestellt.

Basierend auf dem Konstruktionsprinzip der elektrischen Kühlung (passender Kühler entsprechend dem 16-kW-Dieselgenerator) wird in diesem Dokument die passende Kühlerauswahl durchgeführt. Das Wohngebiet hat eine Bruttogeschossfläche von ca. 4.850 m² und einen 16-kW-Dieselgenerator mit einer Nennleistung von 350 kW. Der 16-kW-Dieselgenerator erzeugt Abgase mit einer Temperatur von ca. 450°C, und die dem Kühler zur Verfügung stehende Wärmeenergie beträgt etwa 420 kW. Es wurde ein paralleler Lithiumbromid-Absorptionskühler mit doppeltem Effekt, einem Kältekoeffizienten von 1,4 und einer Leistung von 582 kW ausgewählt. Die durchschnittliche Kühllast von Inselnutzern beträgt 120 W/m2. Untersuchungen zufolge decken 120 W/m2 den Kühlbedarf von Inselnutzern. Wenn der 16-kW-Dieselgenerator unter Nennbedingungen betrieben wird, kann die Abwärme des Abgases den Bedarf des Kühlschranks decken. Die Konstruktionsparameter des Kühlsystems des 16-kW-Dieselgenerators sind in Tabelle 1 aufgeführt.

2. Mathematische Modellierung

Das Kältesystem eines 16-kW-Dieselgenerators ist sehr komplex und umfasst viele Themen wie Dynamik, Thermodynamik und Wärmeübertragung. Daher ist die Wahl einer geeigneten Modellierungsmethode sehr wichtig. In dieser Arbeit wird das Simulationsmodell des 16-kW-Abwärmenutzungskältesystems mithilfe der modularen Modellierungsmethode erstellt. Das 16-kW-Abwärmenutzungskältesystem des Dieselgenerators ist ein typisches thermodynamisches System. Die Module sind nach dem Durchgang von Arbeitsstoffen und Energie unterteilt.

Nachdem wir die gesamte Modellierungsidee festgelegt haben, sollten wir eine geeignete Methode wählen, um den Betrieb des Systems genau zu simulieren.

In diesem Artikel werden hauptsächlich die Ausgangsleistung und die Abwärmeenergie eines 16-kW-Dieselgenerators unter verschiedenen Lasten untersucht, ohne den internen Arbeitsprozess des 16-kW-Dieselgenerators zu berücksichtigen. Die Modellierung mithilfe der Mittelwertmethode gewährleistet die Genauigkeit der Simulation des 16-kW-Dieselgenerators auf Systemintegrationsebene.

Das Kühlsystem des 16-kW-Dieselgenerators verfügt über verschiedene Wärmetauschertypen, die über eine Druck-Fluid-Kopplung miteinander verbunden sind. Die herkömmliche Modellierungsmethode unterteilt die Module gemäß dem physikalischen Modell und berechnet Druck und Durchfluss jedes Moduls separat gemäß der Bilanzgleichung. Dabei muss die Randgleichheitsbedingung erfüllt sein. Daher ist eine iterative Berechnung unumgänglich und erhöht die Rechenzeit. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Simulationsmodell eines 16-kW-Dieselgenerator-Kühlsystems mit Abwärmenutzung mithilfe der volumetrischen Trägheitsmethode erstellt.

Bei der volumetrischen Trägheitsmethode ist der Durchfluss in den einzelnen Komponenten nicht ausgeglichen, sondern wird für jede Komponente anhand ihrer volumetrischen Trägheitsbeziehung betrachtet. Dabei wird jede Komponente als Volumenmodul und die Verbindungsleitung zwischen den Komponenten als Widerstandsmodul betrachtet. Im Volumenmodul herrscht, abgesehen vom inneren Flüssigkeitswiderstand, ein gleichmäßiger Druck. Der Druck im Volumenmodul lässt sich anhand der Differenz der Massendurchflussraten an beiden Enden des Volumenmoduls und der Temperaturänderung im Volumenmodul berechnen. Die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass sowie der Reibungsverlust der Rohrwand bewirken jedoch eine Änderung des Durchflusses, und der dynamische Wert des Durchflusses lässt sich anhand der Impulserhaltung berechnen.

Am Beispiel eines Rohrstücks vom Typ L wird dieses in Volumenmodul und Widerstandsmodul unterteilt und sein Volumenträgheitsmodell erstellt.

1) Volumenmodul.

Die Durchflussrate pro Zeiteinheit in das Volumenmodul beträgt M1 und die Durchflussrate pro Zeiteinheit aus dem Volumenmodul beträgt M2. Gemäß der Massenerhaltungsregel: Durchfluss in das Volumenmodul – Durchfluss aus dem Volumenmodul = Massenzunahme des Volumenmoduls, die Massenzunahme des Volumenmoduls kann wie folgt berechnet werden:

In der Formel: M ist die Masse des Arbeitsfluids im Volumenmodul, kg; v ist das Volumen des Arbeitsfluids im Volumenmodul, M3; kg/m3 ist die Dichte des Arbeitsfluids im Volumenmodul; M1 und M2 sind der Massenstrom des Fluids in das und aus dem Volumenmodul, kg/s.

2) Widerstandsmodul.

Im Widerstandsmodul ändert sich die Durchflussrate aufgrund der Druckdifferenz und des Reibungswiderstands der Flüssigkeit. Gemäß dem Gesetz zur Erhaltung des linearen Impulses: Der in das Widerstandsmodul eintretende Impuls - der aus dem Widerstandsmodul austretende Impuls + der Impuls der externen Kraft = Impulszunahme des Widerstandsmoduls. Die Masse der durch den Querschnitt des Widerstandsmoduls fließenden Flüssigkeit lässt sich wie folgt berechnen:

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In der Formel: M ist der Massendurchfluss des Arbeitsfluids durch das Rohr, kg/s; v ist die Geschwindigkeit des Arbeitsfluids, m/s; a ist die Querschnittsfläche des Rohrs, m 2; l ist die Länge des Rohrs, m; p 1 und P 2 sind die Drücke auf beiden Seiten des Widerstandsmoduls, PA; UL ist der Reibungswiderstand des Fluids an der Rohrwand, das Minuszeichen stellt den Reibungswiderstand entgegen der Strömungsrichtung des Fluids dar, U ist der nasse Umfang des Rohrs, U ist der Reibungswiderstand pro Flächeneinheit, = 1/2 FV 2, F ist der Reibungskoeffizient des Wärmetauschers entlang der Strecke, der gemäß der empirischen Formel ermittelt werden kann.

3 Systemleistungsanalyse

In diesem Dokument wird ein Viertakt-Dieselgenerator mit Turbolader und 16 kW in Kompressor, Turbine, Turbinenrotor, Ladeluftkühler, Ansaug- und Auspuffrohr, Regler, Zylinder und Generator unterteilt. Ein Simulationsmodell für den 16-kW-Dieselgenerator wurde mit der Durchschnittsmethode erstellt.

Das Kühlsystem des 16-kW-Dieselgenerators verfügt über eine große Anzahl von Wärmetauschern. Zur Erstellung der Simulationsmodelle für jede Komponente wird die Methode der volumetrischen Trägheit verwendet. Das flüssige Arbeitsmedium im System besteht hauptsächlich aus Abgas, Lithiumbromidlösung, Wasser, Wasserdampf usw. Um die Genauigkeit der Modellberechnung zu gewährleisten, wurde ein Modell zur Berechnung der thermischen Eigenschaften des Arbeitsmediums gemäß der Anpassungsformel erstellt. Die Simulationsmodelle der 16-kW- und Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen werden jeweils in der Software Matlab/Simulink erstellt und debuggt. Schließlich wird das Simulationsmodell der Abwärme nutzenden Kältemaschinen des 16-kW-Dieselgenerators wie in Abbildung 4 dargestellt kombiniert.

In der stationären Simulation werden zunächst die Randbedingungen in der Matlab/Simulink-Simulationssoftware entsprechend den Konstruktionsparametern festgelegt und die Anfangswerte der Zustandsvariablen des Modells zugewiesen. Der ODE45-Algorithmus mit hoher Simulationsgenauigkeit wird verwendet, um die Simulationszeit auf 2000 s festzulegen. Tabelle 2 zeigt den Vergleich zwischen den Ergebnissen der stationären Simulation und den Konstruktionsparametern.

Tabelle 2 zeigt, dass der relative Fehler zwischen dem stationären Simulationswert und den Konstruktionsparametern des 16-kW-Dieselgenerator-Kühlsystems weniger als 3 % beträgt. Dies erfüllt die Anforderungen an die Präzision der Systemsimulation und bestätigt die Richtigkeit und Genauigkeit des Simulationsmodells. Die thermischen Parameter des Arbeitsmediums im System werden durch Anpassungsformeln ermittelt, die notwendigen Annahmen werden bei der Modellierung getroffen, und die Fehler der Komponenten werden beim Zusammenbau vergrößert. Dies sind die Gründe für die relativen Fehler.

Basierend auf den Ergebnissen der stationären Simulation wurde der Gesamtenergienutzungskoeffizient des Abwärmenutzungs-Kältesystems des 16-kW-Dieselgenerators ermittelt. Die Berechnungsmethode für den Gesamtenergienutzungskoeffizienten des Systems erfolgt als Formel.

X ist der Gesamtenergienutzungskoeffizient des 16-kW-Dieselgeneratorsystems, PG ist der 16-kW-Dieselgenerator, kW, RC ist der Libr-Absorptionskühler, kW, EC ist der sonstige Energieverbrauch des Systems, kW; FC ist der Kraftstoffverbrauch des Dieselgenerators, kW; PC ist die Leistungsaufnahme des Systems, kW.

Unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen hat der 16-kW-Dieselgenerator eine Leistung von 357,6 kW, der Lithiumbromid-Absorptionskühler hat eine Leistung von 579,79 kW, der sonstige Energieverbrauch des Systems beträgt 132 kW, der Kraftstoffverbrauch des 16-kW-Dieselgenerators beträgt etwa 1286 kW, der Stromverbrauch der Pumpen und anderer stromverbrauchender Geräte im System beträgt etwa 30 kW.

Gemäß der Berechnung der Formel (6) beträgt der Gesamtenergienutzungskoeffizient des 16-kW-Dieselgenerator-Kühlsystems etwa 0,813, und die Energienutzungseffizienz ist erheblich verbessert und liegt über 0,8 und erfüllt die Konstruktionsanforderungen.

Die Last des 16-kW-Dieselgenerators wird durch den Stromverbrauch bestimmt. Eine Laständerung führt zu einer Änderung der Abgastemperatur und des Durchflusses des 16-kW-Dieselgenerators, was sich auf die Kühlleistung des dem System nachgeschalteten Lithiumbromid-Absorptionskühlers auswirkt.

Der thermodynamische Prozess des Systems ist komplex und weist Trägheitsverzögerungen auf. Durch Einstellen der gesamten Simulationszeit auf 6000 s, beginnend bei 2000 s und Hinzufügen der sprunghaften Änderung wird die Last des 16-kW-Dieselgenerators von 100 % auf 80 % reduziert und die dynamische Simulationsberechnung durchgeführt.

Ab den 2000er Jahren wird die Last von 352,3 kW auf 287,48 kW, der Abgasstrom von 1,3187 kg auf 1,1192 kg und die Abgastemperatur von 462°C bis 453 °C für den 16-kW-Dieselgenerator. Der gesamte dynamische Reaktionsprozess dauert etwa 100 Sekunden. Die Diesellast wird um 20 % reduziert, die Dieselmotordrehzahl erhöht, der Regler reagiert schnell und reduziert die Kraftstoffeinspritzung, um die Drehzahlstabilität auf dem Sollwert zu halten. Die Verringerung der Kraftstoffeinspritzung im Dieselmotor führt zu einer Verringerung der Abgastemperatur und des Durchflusses.

Die Kühlleistung stieg leicht an und fiel dann schnell auf einen stabilen Wert von 579,79 kW auf 507,15 kW. Wie aus Abbildung 9 ersichtlich, stieg der Kühlkoeffizient leicht an und fiel dann von 1,394 auf 1,402. Die Verringerung der 16-kW-Dieselgeneratorlast führte zu einer Verringerung der Wärmeenergie, die in das gesamte 16-kW-Dieselgeneratorsystem gelangte, was wiederum zu einer Verringerung der Kühlleistung des Kühlers führte. Der Kühlkoeffizient stieg jedoch leicht an, und der gesamte dynamische Prozess war nach etwa 2000 abgeschlossen.

4 SCHLUSSFOLGERUNG

Am Beispiel eines Wohngebiets auf einer Insel wird eine neue energiesparende Kühltechnologie untersucht, die Abwärme aus der Dieselstromerzeugung nutzt.

1) Es wurde ein integriertes Design eines Kühlsystems zur Abwärmenutzung eines 16-kW-Dieselgenerators durchgeführt und die Designparameter bestimmt. Durch die Berechnung der statischen und dynamischen Systemsimulation wird die Systemleistung analysiert, anschließend das Steuerungssystem entworfen und die Systemoptimierung durchgeführt.

2) Die stationäre Simulation wird unter den Entwurfsbedingungen durchgeführt. Der relative Fehler beträgt weniger als 3 %, was den Entwurfsanforderungen entspricht und die Genauigkeit und Richtigkeit des Modells bestätigt. Den Ergebnissen der stationären Simulation zufolge beträgt der Gesamtenergienutzungskoeffizient des Systems etwa 0,813 und erfüllt damit die Entwurfsanforderungen.

3) Es wird eine dynamische Simulation einer 16-kW-Laststörung durchgeführt, die zu einer Reduzierung der 16-kW-Last, einer Reduzierung der Stromerzeugung, einer Reduzierung der Abgaswärmeenergie, einer Reduzierung der Kühlleistung und einer leichten Erhöhung des Kühlkoeffizienten führt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Kühlleistung des 16-kW-Kraftwerks geringer ist als die des 16-kW-Kraftwerks, dass die Leistung des 16-kW-Kraftwerks geringer ist als die des 16-kW-Kraftwerks und dass die Abgaswärmeenergie geringer ist als die des 16-kW-Dieselgenerators.