Suunnittelu- ja suorituskykyanalyysi16 kW:n dieselgeneraattoriJäähdytysjärjestelmä hukkalämpöä käyttäen

Aiemman tutkimustilanteen perusteella hajautetun yhteistuotantojärjestelmän suunnittelu ja simulointi on liian vaativaa.

1 järjestelmäintegraatiosuunnittelu

Valittu saarekkeen asuinalue saa virtansa 16 kW:n dieselgeneraattorista. Dieselmoottorin pakokaasut sisältävät paljon lämpöenergiaa, ja litiumbromidi-absorptiojäähdytin ottaa pakokaasun työlämmönlähteenä jäähdyttääkseen käyttäjille. Jäähdytyskuorman säädettävän alueen lisäämiseksi käytetään jälkipolttotyyppistä jääkaappia. Saaren 16 kW:n dieselgeneraattorijärjestelmän yleinen suunnittelu on esitetty kuvassa 1.

Sähköjäähdytyksen suunnitteluperiaatteen mukaisesti (sopiva jäähdytyskone 16 kW:n dieselgeneraattorin mukaan) suoritetaan tässä artikkelissa sopivan jäähdytyskoneen valinta. Asuinalueen bruttopinta-ala on noin 4 850 m2 ja 16 kW:n dieselgeneraattorin nimellisteho on 350 kW. 16 kW:n dieselgeneraattori tuottaa pakokaasua, jonka lämpötila on noin 450 °C.°C, ja jäähdyttimen käytettävissä oleva lämpöenergia on noin 420 kW. Valittiin kaksoisvaikutteinen rinnakkainen litiumbromidi-absorptiojäähdytin, jonka jäähdytyskerroin on 1,4 ja teho 582 kW. Saarekkeen käyttäjien keskimääräinen jäähdytyskuorma on 120 W/m2. Tutkimuksen mukaan 120 W/m2 täyttää saarekkeen käyttäjien jäähdytyskuorman tarpeen. Näin ollen, kun 16 kW:n dieselgeneraattoria käytetään nimellisissä käyttöolosuhteissa, pakokaasujen hukkalämpö voi vastata jäähdyttimen tarpeeseen. 16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmän suunnitteluparametrit on esitetty taulukossa 1.

2. Matemaattinen mallinnus

16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmä on erittäin monimutkainen ja sisältää monia aiheita, kuten dynamiikkaa, termodynamiikkaa ja lämmönsiirtoa, joten sopivan mallinnusmenetelmän valitseminen on erittäin tärkeää. Tässä artikkelissa 16 kW:n hukkalämpöä hyödyntävän jäähdytysjärjestelmän simulointimalli luodaan modulaarisen mallinnusmenetelmän avulla. 16 kW:n dieselgeneraattorin hukkalämpöä hyödyntävä jäähdytysjärjestelmä on tyypillinen termodynaaminen järjestelmä, jonka moduulit on jaettu työaineen ja energian kulun mukaan.

Kun koko mallinnusidea on määritetty, meidän tulisi valita kohtuullinen menetelmä järjestelmän toiminnan simuloimiseksi tarkasti.

Tässä artikkelissa tarkastellaan pääasiassa 16 kW:n dieselgeneraattorin lähtötehoa ja pakokaasujen lämpöenergiaa eri kuormilla ottamatta huomioon 16 kW:n dieselgeneraattorin sisäistä toimintaprosessia. Keskiarvomenetelmällä tehty mallinnus varmistaa 16 kW:n dieselgeneraattorin simulaation tarkkuuden järjestelmäintegraatiotasolla.

16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmässä on monentyyppisiä lämmönvaihtimia, ja lämmönvaihtimien välillä on paine-virtauskytkentä. Perinteinen mallinnusmenetelmä jakaa moduulin fyysisen mallin mukaan, laskee kunkin moduulin paineen ja virtauksen erikseen tasapainoyhtälön mukaisesti ja täyttää reunaehto, joka on yhtäläinen. Siksi iteratiivinen laskenta on väistämätöntä ja laskenta-aika kasvaa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi luodaan volumetrisen inertian menetelmällä 16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmän simulointimalli, joka hyödyntää hukkalämpöä.

Tilavuusinertiamenetelmässä virtausnopeus kussakin komponentissa ei ole tasapainossa, ja kutakin komponenttia tarkastellaan tilavuusinertialinkin mukaan. Siinä kutakin komponenttia pidetään tilavuusmoduulina ja komponenttien välistä yhdysputkea vastusmoduulina. Tilavuusmoduulissa sisäinen nestevastus jätetään huomiotta, joten paine tilavuusmoduulin sisällä on tasainen. Tilavuusmoduulin paine voidaan laskea tilavuusmoduulin päiden massavirtausnopeuksien erotuksen ja tilavuusmoduulin lämpötilan muutoksen perusteella. Tulo- ja lähtöaukkojen välinen paine-ero sekä putken seinämän kitkahäviö kuitenkin muuttavat virtausta, ja virtauksen dynaaminen arvo voidaan laskea liikemäärän säilymislain perusteella.

Esimerkkinä l-pituinen putki jaetaan tilavuusmoduuliin ja vastusmoduuliin ja sille luodaan tilavuuden inertiamalli.

1) äänenvoimakkuusmoduuli.

Virtausnopeus aikayksikköä kohden tilavuusmoduuliin on M1 ja virtausnopeus aikayksikköä kohden tilavuusmoduulista ulos on M2. Massan säilymislain mukaisesti: Virtaus tilavuusmoduuliin - virtaus tilavuusmoduulista ulos = tilavuusmoduulin massan lisäys, tilavuusmoduulin massan lisäys voidaan laskea:

Kaavassa: M on tilavuusmoduulissa olevan käyttönesteen massa, kg; v on tilavuusmoduulissa olevan käyttönesteen tilavuus, M3; kg/m3 on tilavuusmoduulissa olevan käyttönesteen tiheys; M1 ja M2 ovat tilavuusmoduuliin tulevan ja sieltä poistuvan nesteen massavirtaus, kg/s.

2) resistiivinen moduuli.

Resistiivisessä moduulissa virtausnopeus muuttuu paine-eron ja nesteen kitkavastuksen vuoksi. Lineaarisen liikemäärän säilymislain mukaan: Resistiiviseen moduuliin tuleva liikemäärä - resistiivisestä moduulista poistuva liikemäärä + ulkoisen voiman liikemäärä = resistiivisen moduulin liikemäärän lisäys, resistiivisen moduulin poikkileikkauksen läpi virtaavan nesteen massa voidaan laskea:

sivunumero_ebook=33,sivun_kirja=25

Kaavassa: M on työnesteen massavirtausnopeus putken läpi, kg/s; v on työnesteen nopeus, m/s; a on putken poikkileikkauspinta-ala, m 2; l on putken pituus, m; p 1 ja P 2 ovat paineet resistiivisen moduulin molemmilla puolilla, PA; UL on nesteen kitkavastus putken seinämää vasten, miinusmerkki edustaa kitkavastusta vastakkaiseen suuntaan kuin nesteen virtaus, U on putken märkäkehä, U on kitkavastus pinta-alayksikköä kohti, = 1/2 FV 2, F on lämmönvaihtimen kitkakerroin matkan varrella, joka voidaan saada empiirisen kaavan mukaisesti.

3 järjestelmän suorituskykyanalyysi

Tässä työssä nelitahtiturboahdettu 16 kW:n dieselgeneraattori on jaettu kompressoriin, turbiiniin, turbiinin roottoriin, välijäähdyttimeen, imu- ja pakoputkiin, nopeudensäätimeen, sylinteriin ja generaattoriin. 16 kW:n dieselgeneraattorin simulointimalli rakennettiin keskiarvomenetelmällä.

16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmässä on suuri määrä lämmönvaihtimia, ja kunkin komponentin simulointimallit rakennetaan volumetrista inertiamenetelmää käyttäen. Järjestelmän nestemäinen työväliaine koostuu pääasiassa jätekaasusta, litiumbromidiliuoksesta, vedestä, vesihöyrystä ja niin edelleen. Mallilaskennan tarkkuuden varmistamiseksi laadittiin malli työväliaineen lämpöominaisuuksien laskemiseksi sovituskaavan mukaisesti. 16 kW:n ja litiumbromidi-absorptiojäähdyttimien simulointimallit rakennetaan ja debugataan Matlab/Simulink-ohjelmistolla. Lopuksi 16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdyttimien simulointimalli yhdistetään kuvan 4 mukaisesti.

Vakiotilasimulaatiossa suunnitteluparametrien mukaisesti Matlab/Simulink-simulointiohjelmistossa asetetaan ensin reunaehdot ja mallin tilamuuttujille annetaan alkuarvot. Simulointiajaksi asetetaan 2000 sekuntia korkean simulointitarkkuuden omaavaa ODE45-algoritmia käyttäen. Taulukossa 2 on esitetty vertailu vakiotilasimulaatiotulosten ja suunnitteluparametrien välillä.

Taulukko 2 osoittaa, että 16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmän vakiotilan simulointiarvon ja suunnitteluparametrien välinen suhteellinen virhe on alle 3 %, mikä täyttää järjestelmän simulointitarkkuusvaatimuksen ja varmistaa simulointimallin oikeellisuuden ja tarkkuuden. Järjestelmän työväliaineen lämpöparametrit saadaan sovituskaavalla, mallinnuksessa tehdään tarvittavat oletukset, ja komponenttien virheet kasvavat kokoonpanon aikana, mikä on suhteellisten virheiden syy.

Vakiotilan simulointitulosten perusteella arvioitiin 16 kW:n dieselgeneraattorin hukkalämmön hyödyntämiseen tarkoitetun jäähdytysjärjestelmän kokonaisenergiankäyttökerroin. Järjestelmän kokonaisenergiankäyttökerroin lasketaan kaavan avulla.

X on 16 kW:n dieselgeneraattorijärjestelmän kokonaisenergiankäyttökerroin, PG on 16 kW:n dieselgeneraattori, kW, RC on absorptiojäähdytin, kW, EC on järjestelmän muu energiankulutus, kW; FC on dieselgeneraattorin polttoaineenkulutus, kW; PC on järjestelmän virrankulutus, kW.

Suunnitelluissa käyttöolosuhteissa 16 kW:n dieselgeneraattorin teho on 357,6 kW, litiumbromidi-absorptiojäähdyttimen teho on 579,79 kW, järjestelmän muu energiankulutus on 132 kW ja 16 kW:n dieselgeneraattorin polttoaineenkulutus on noin 1286 kW. Järjestelmän pumppujen ja muiden virtaa kuluttavien laitteiden tehonkulutus on noin 30 kW.

Kaavan (6) laskennan mukaan 16 kW:n dieselgeneraattorin jäähdytysjärjestelmän kokonaisenergiankäyttökerroin on noin 0,813, ja energiankäyttötehokkuus paranee huomattavasti, yli 0,8, mikä täyttää suunnitteluvaatimukset.

16 kW:n dieselgeneraattorin kuormitus määräytyy tehonkulutuksen mukaan. Kuormituksen muutos johtaa 16 kW:n dieselgeneraattorin pakokaasun lämpötilan ja virtausnopeuden muutokseen, mikä vaikuttaa järjestelmän alapuolella olevan litiumbromidi-absorptiojäähdyttimen jäähdytyskapasiteettiin.

Järjestelmän termodynaaminen prosessi on monimutkainen ja sisältää inertiaviiveitä. Asettamalla koko simulaatioaika 6000 sekuntiin alkaen 2000 sekunnista ja lisäämällä askelmuutoksen, 16 kW:n dieselgeneraattorin kuormitusta vähennetään 100 prosentista 80 prosenttiin ja suoritetaan dynaaminen simulointilaskenta.

2000-luvulta alkaen kuormitus on laskenut 352,3 kW:sta 287,48 kW:iin, pakokaasuvirtaus 1,3187 kg:sta 1,1192 kg:iin ja pakokaasun lämpötila 462 °C:sta.°C - 453 °C 16 kW:n dieselgeneraattorilla. Koko dynaaminen vasteprosessi on noin 100 sekuntia. Dieselkuormaa vähennetään 20 %, dieselmoottorin nopeutta nostetaan, nopeudensäädin reagoi nopeasti ja polttoaineen ruiskutusta vähennetään nopeuden pitämiseksi vakaana asetuspisteessä. Polttoaineen ruiskutuksen vähentäminen dieselmoottorissa johtaa pakokaasun lämpötilan ja virtausnopeuden laskuun.

Jäähdytysteho kasvoi hieman ja laski sitten nopeasti toiseen vakaaseen arvoon 579,79 kW:sta 507,15 kW:iin. Kuten kuvasta 9 voidaan nähdä, jäähdytyskerroin nousi hieman ja laski sitten 1,394:stä 1,402:een. 16 kW:n dieselgeneraattorin kuormituksen lasku johti koko 16 kW:n dieselgeneraattorijärjestelmään tulevan lämpöenergian vähenemiseen, mikä puolestaan ​​pienensi jäähdyttimen jäähdytystehoa, mutta jäähdytyskerroin nousi hieman, ja koko dynaaminen prosessi oli valmis noin 2000 sekunnissa.

4 JOHTOPÄÄTÖS

Esimerkkinä saaren asuinalueesta tutkitaan uutta energiansäästöllistä jäähdytystekniikkaa, joka hyödyntää dieselvoimantuotannon hukkalämpöä.

1) Suoritettiin 16 kW:n dieselgeneraattorin hukkalämmön hyödyntämiseen tarkoitetun jäähdytysjärjestelmän integroitu suunnittelu ja määritettiin suunnitteluparametrit. Järjestelmän suorituskykyä analysoitiin staattisen ja dynaamisen simulointilaskelman avulla, minkä jälkeen suunniteltiin ohjausjärjestelmä ja toteutettiin järjestelmän optimointi.

2) tasapainotilasimulointi suoritetaan suunnitteluolosuhteissa ja suhteellinen virhe on alle 3 %, mikä täyttää suunnitteluvaatimukset ja vahvistaa mallin tarkkuuden ja oikeellisuuden. Vakiotilasimuloinnin tulosten mukaan järjestelmän kokonaisenergiankäyttökerroin on noin 0,813, mikä täyttää suunnitteluvaatimukset.

3) Suoritetaan 16 kW:n kuormitushäiriön dynaaminen simulointi, joka johtaa 16 kW:n kuormituksen pienenemiseen, sähköntuotannon pienenemiseen, pakokaasujen lämpöenergian pienenemiseen, jäähdytystehon pienenemiseen ja jäähdytyskertoimen lievään kasvuun. Simulointitulokset osoittavat, että 16 kW:n voimalaitoksen jäähdytysteho on pienempi kuin 16 kW:n voimalaitoksen, 16 kW:n voimalaitoksen teho on pienempi kuin 16 kW:n voimalaitoksen, ja pakokaasujen lämpöenergia on pienempi kuin 16 kW:n dieselgeneraattorin.