Diseño y análisis del rendimiento de unGenerador diésel de 16 kWSistema de refrigeración que utiliza calor residual

A partir de la situación de investigación pasada, el diseño y simulación del sistema de cogeneración distribuida es también una moda.

1 diseño de integración de sistemas

La zona residencial de la isla seleccionada se abastece con un generador diésel de 16 kW. Los gases de escape del motor diésel contienen una gran cantidad de energía térmica, y el enfriador de absorción de bromuro de litio utiliza estos gases como fuente de calor para refrigerar a los usuarios. Para aumentar el rango ajustable de la carga de refrigeración, se utiliza un refrigerador de postcombustión. El diseño general del sistema del generador diésel de 16 kW de la isla se ilustra en la figura 1.

Basándose en el principio de diseño de refrigeración eléctrica (enfriador compatible con generador diésel de 16 kW), en este documento se realiza la selección del enfriador adecuado. La zona residencial tiene una superficie construida de aproximadamente 4850 m² y un generador diésel de 16 kW con una potencia nominal de 350 kW. El generador diésel de 16 kW produce gases de escape a una temperatura de aproximadamente 450°C, y la energía térmica disponible para el enfriador es de aproximadamente 420 kW. Se seleccionó el enfriador de absorción de bromuro de litio en paralelo de doble efecto con un coeficiente de refrigeración de 1,4 y una potencia de 582 kW. La carga de refrigeración promedio de los usuarios de la isla es de 120 W/m². Según la investigación, 120 W/m² satisface la demanda de carga de refrigeración de los usuarios de la isla. Por lo tanto, cuando el generador diésel de 16 kW funciona en condiciones de trabajo nominales, el calor residual de los gases de escape puede satisfacer la demanda del refrigerador. Los parámetros de diseño del sistema de refrigeración del generador diésel de 16 kW se muestran en la Tabla 1.

2. Modelado matemático

El sistema de refrigeración de un generador diésel de 16 kW es muy complejo e involucra diversos aspectos como la dinámica, la termodinámica y la transferencia de calor. Por ello, es fundamental elegir un método de modelado adecuado. En este artículo, se establece un modelo de simulación de un sistema de refrigeración de 16 kW para el aprovechamiento del calor residual mediante el método de modelado modular. Este sistema es un sistema termodinámico típico, cuyos módulos se dividen según el paso de la sustancia de trabajo y la energía.

Después de determinar toda la idea del modelado, debemos elegir un método razonable para simular el funcionamiento del sistema con precisión.

Este artículo estudia principalmente la potencia de salida y la energía térmica de escape de un generador diésel de 16 kW bajo diferentes cargas, sin considerar su funcionamiento interno. El modelado mediante el método de promediado garantiza la precisión de la simulación del generador diésel de 16 kW a nivel de integración del sistema.

Existen diversos tipos de intercambiadores de calor en el sistema de refrigeración de un generador diésel de 16 kW, y existe un acoplamiento presión-flujo entre ellos. El método de modelado tradicional divide el módulo según el modelo físico, calcula la presión y el flujo de cada módulo por separado según la ecuación de balance y debe cumplir la condición de restricción de igualdad de contorno. Por lo tanto, el cálculo iterativo es inevitable y el tiempo de cálculo aumenta. Para resolver este problema, se establece un modelo de simulación de un sistema de refrigeración de un generador diésel de 16 kW que utiliza calor residual mediante el método de inercia volumétrica.

Según el método de inercia volumétrica, el caudal en cada componente no está equilibrado, y cada componente se considera según el vínculo de inercia volumétrica. Se considera cada componente como un módulo de volumen, y la tubería de conexión entre cada componente como un módulo de resistencia. Para el módulo de volumen, ignorando la resistencia interna del fluido, la presión dentro del módulo de volumen es uniforme. La presión en el módulo de volumen se puede calcular según la diferencia del caudal másico en ambos extremos del módulo de volumen y el cambio de temperatura en el módulo de volumen. Sin embargo, la diferencia de presión entre la entrada y la salida y la pérdida de fricción de la pared de la tubería hacen que el flujo varíe, y el valor dinámico del flujo se puede calcular según la conservación del momento.

Tomando como ejemplo una longitud de tubería l, se divide en módulo de volumen y módulo de resistencia, y se establece su modelo de inercia de volumen.

1) módulo de volumen.

El caudal por unidad de tiempo que entra en el módulo de volumen es M1, y el caudal por unidad de tiempo que sale del módulo de volumen es M2. Según la conservación de la masa: Caudal de entrada al módulo de volumen - Caudal de salida del módulo de volumen = incremento de masa del módulo de volumen, el incremento de masa del módulo de volumen se puede calcular:

En la fórmula: M es la masa del fluido de trabajo en el módulo de volumen, kg; v es el volumen del fluido de trabajo en el módulo de volumen, M3; kg/m3 es la densidad del fluido de trabajo en el módulo de volumen; M1 y M2 son el flujo másico del fluido que entra y sale del módulo de volumen, kg/s.

2) módulo resistivo.

En el módulo resistivo, el caudal varía debido a la diferencia de presión y la resistencia friccional del fluido. Según la ley de conservación del momento lineal: momento que entra en el módulo resistivo - momento que sale + momento de la fuerza externa = incremento del momento del módulo resistivo, la masa del fluido que fluye a través de la sección transversal del módulo resistivo se puede calcular:

número de página_libro electrónico=33,número de página_libro=25

En la fórmula: M es el caudal másico del fluido de trabajo a través de la tubería, kg/s; v es la velocidad del fluido de trabajo, m/s; a es el área de la sección transversal de la tubería, m2; l es la longitud de la tubería, m; p1 y P2 son las presiones en ambos lados del módulo resistivo, PA; UL es la resistencia a la fricción del fluido en la pared de la tubería, el signo menos representa la resistencia a la fricción en la dirección opuesta al flujo del fluido, U es la circunferencia húmeda de la tubería, U es la resistencia a la fricción por unidad de área, = 1/2 FV2, F es el coeficiente de fricción del intercambiador de calor a lo largo del camino, que se puede obtener de acuerdo con la fórmula empírica.

3 análisis del rendimiento del sistema

En este artículo, un generador diésel turboalimentado de cuatro tiempos de 16 kW se divide en compresor, turbina, rotor de turbina, intercooler, tubo de admisión y escape, regulador, cilindro y generador; se construyó un modelo de simulación de generador diésel de 16 kW utilizando el método promedio.

El sistema de refrigeración del generador diésel de 16 kW cuenta con numerosos intercambiadores de calor, y se utiliza el método de inercia volumétrica para construir los modelos de simulación de cada componente. El fluido de trabajo líquido del sistema se compone principalmente de gas residual, solución de bromuro de litio, agua, vapor de agua, etc. Para garantizar la precisión del cálculo del modelo, se estableció un modelo para calcular las propiedades térmicas del fluido de trabajo según la fórmula de ajuste. Los modelos de simulación de los enfriadores de absorción de 16 kW y de bromuro de litio se construyeron y depuraron respectivamente en el software Matlab/Simulink. Finalmente, se combinó el modelo de simulación de los enfriadores de generador diésel de 16 kW que utilizan calor residual, como se muestra en la figura 4.

En la simulación en estado estacionario, según los parámetros de diseño, primero se establecen las condiciones de contorno en el software de simulación Matlab/Simulink y se asignan los valores iniciales de las variables de estado del modelo. Se utiliza el algoritmo ODE45, con alta precisión de simulación, para establecer el tiempo de simulación en 2000 s. La Tabla 2 muestra la comparación entre los resultados de la simulación en estado estacionario y los parámetros de diseño.

La Tabla 2 muestra que el error relativo entre el valor de simulación en estado estacionario y los parámetros de diseño del sistema de refrigeración del generador diésel de 16 kW es inferior al 3 %, lo que cumple con el requisito de precisión de simulación del sistema y verifica la exactitud y precisión del modelo de simulación. Los parámetros térmicos del fluido de trabajo en el sistema se obtienen mediante una fórmula de ajuste; las suposiciones necesarias se realizan durante el modelado. Los errores de los componentes se magnifican durante el ensamblaje, lo que explica estos errores relativos.

Con base en los resultados de la simulación en estado estacionario, se evaluó el coeficiente de utilización total de energía del sistema de refrigeración con aprovechamiento del calor residual del generador diésel de 16 kW. El método de cálculo del coeficiente de utilización total de energía del sistema es una fórmula.

X es el coeficiente de utilización de energía total del sistema generador diésel de 16 kW, PG es el generador diésel de 16 kW, kW, RC es el enfriador de absorción libr, kW, EC es el otro consumo de energía del sistema, kW; El FC es el consumo de combustible del generador diésel, kW; el PC es el consumo de energía del sistema, kW.

En las condiciones de funcionamiento diseñadas, el generador diésel de 16 kW tiene una capacidad de 357,6 kW, el enfriador de absorción de bromuro de litio tiene una capacidad de 579,79 kW, el otro consumo de energía del sistema es de 132 kW y el consumo de combustible del generador diésel de 16 kW es de aproximadamente 1286 kW, el consumo de energía de las bombas y otros equipos que consumen energía en el sistema es de aproximadamente 30 kW.

Según el cálculo de la Fórmula (6), el coeficiente de utilización de energía total del sistema de refrigeración del generador diésel de 16 kW es de aproximadamente 0,813, y la eficiencia de utilización de energía mejora enormemente, es más de 0,8 y cumple con los requisitos de diseño.

La carga del generador diésel de 16 kW está determinada por el consumo de energía. Un cambio en la carga provocará un cambio en la temperatura de escape y el caudal del generador diésel de 16 kW, lo que afectará la capacidad de refrigeración del enfriador de absorción de bromuro de litio aguas abajo del sistema.

El proceso termodinámico del sistema es complejo y presenta retrasos inerciales. Al establecer el tiempo total de simulación en 6000 s, comenzando desde 2000 s, y añadiendo el cambio de paso, la carga del generador diésel de 16 kW se reduce del 100 % al 80 %, y se realiza el cálculo de la simulación dinámica.

A partir de la década del 2000, la carga se reduce de 352,3 kW a 287,48 kW, el caudal de escape de 1,3187 kg a 1,1192 kg y la temperatura de escape de 462El generador diésel de 16 kW se sometió a una prueba de 453 °C. El proceso de respuesta dinámica total dura aproximadamente 100 s. La carga diésel se redujo en un 20 %, la velocidad del motor diésel aumentó, el regulador de velocidad respondió rápidamente y la inyección de combustible se redujo para mantener la velocidad estable en el punto de ajuste. La disminución de la inyección de combustible en el motor diésel se traduce en una disminución de la temperatura y el caudal de escape.

La capacidad de refrigeración aumentó ligeramente y luego descendió rápidamente hasta alcanzar un valor estable, de 579,79 kW a 507,15 kW. Como se puede observar en la figura 9, el coeficiente de refrigeración aumentó ligeramente y luego disminuyó de 1,394 a 1,402. La disminución de la carga del generador diésel de 16 kW provocó una disminución de la energía térmica que entraba en todo el sistema del generador diésel de 16 kW, lo que a su vez redujo la capacidad de refrigeración del enfriador. Sin embargo, el coeficiente de refrigeración aumentó ligeramente y el proceso dinámico se completó en aproximadamente 2000 s.

4 CONCLUSIÓN

Tomando como ejemplo una zona residencial de una isla, se estudia una nueva tecnología de refrigeración de ahorro energético que utiliza el calor residual de la generación de energía diésel.

1) Se realizó el diseño integrado de un sistema de refrigeración para el aprovechamiento del calor residual de un generador diésel de 16 kW y se determinaron los parámetros de diseño. Mediante simulación estática y dinámica del sistema, se analizó su rendimiento, se diseñó el sistema de control y se optimizó.

2) La simulación en estado estacionario se realiza en las condiciones de diseño, con un error relativo inferior al 3%, lo que cumple con los requisitos de diseño y valida la precisión y exactitud del modelo. Según los resultados de la simulación en estado estacionario, el coeficiente de utilización total de energía del sistema es de aproximadamente 0,813, lo que cumple con los requisitos de diseño.

3) Se realizó una simulación dinámica de la perturbación de carga de 16 kW, lo que resultó en una reducción de la carga de 16 kW, una reducción de la generación de energía, una reducción de la energía térmica de los gases de escape, una reducción de la capacidad de refrigeración y un ligero aumento del coeficiente de refrigeración. Los resultados de la simulación muestran que la capacidad de refrigeración de la central eléctrica de 16 kW es menor que la de la central eléctrica de 16 kW, y que la potencia de salida de la central eléctrica de 16 kW es menor que la de la central eléctrica de 16 kW, y que la energía térmica de los gases de escape es menor que la del generador diésel de 16 kW.