Analyse de la conception et des performances d'unGénérateur diesel 16 kWSystème de réfrigération utilisant la chaleur perdue

D'après les recherches passées, la conception et la simulation du système de cogénération distribuée sont trop modernes.

1 conception d'intégration de système

La zone résidentielle de l'île sélectionnée est alimentée par un générateur diesel de 16 kW. Les gaz d'échappement du moteur diesel sont très calorifiques. Un refroidisseur à absorption au bromure de lithium utilise ces gaz comme source de chaleur pour la réfrigération des utilisateurs. Afin d'augmenter la plage de réglage de la charge de refroidissement, un réfrigérateur à postcombustion a été adopté. La conception générale du générateur diesel de 16 kW de l'île est illustrée à la figure 1.

Basée sur le principe de conception du refroidissement électrique (refroidisseur adapté à un générateur diesel de 16 kW), la sélection du refroidisseur est effectuée dans cet article. La zone résidentielle a une surface de plancher brute d'environ 4 850 m² et un générateur diesel de 16 kW d'une puissance nominale de 350 kW. Ce générateur produit des gaz d'échappement à une température d'environ 450 °C.°C, et l'énergie thermique disponible pour le refroidisseur est d'environ 420 kW. Un refroidisseur à absorption parallèle au bromure de lithium à double effet, avec un coefficient de réfrigération de 1,4 et une puissance de 582 kW, a été sélectionné. La charge de refroidissement moyenne des utilisateurs isolés est de 120 W/m². D'après l'étude, 120 W/m² répondent à la demande de refroidissement des utilisateurs isolés. Par conséquent, lorsque le générateur diesel de 16 kW fonctionne dans les conditions nominales, la chaleur résiduelle des gaz d'échappement peut répondre à la demande du réfrigérateur. Les paramètres de conception du système de réfrigération du générateur diesel de 16 kW sont présentés dans le tableau 1.

2. Modélisation mathématique

Le système de réfrigération d'un générateur diesel de 16 kW est très complexe et implique de nombreux aspects tels que la dynamique, la thermodynamique et le transfert de chaleur. Il est donc crucial de choisir une méthode de modélisation adaptée. Dans cet article, le modèle de simulation du système de réfrigération à récupération de chaleur résiduelle de 16 kW est établi à l'aide de la méthode de modélisation modulaire. Ce système est un système thermodynamique classique, dont les modules sont divisés en fonction du débit de matière et d'énergie.

Après avoir déterminé l’idée de modélisation dans son ensemble, nous devons choisir une méthode raisonnable pour simuler avec précision le fonctionnement du système.

Cet article étudie principalement la puissance de sortie et l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un générateur diesel de 16 kW sous différentes charges, sans tenir compte de son fonctionnement interne. La modélisation par moyenne garantit la précision de la simulation du générateur diesel de 16 kW au niveau de l'intégration du système.

Le système de réfrigération d'un générateur diesel de 16 kW comporte de nombreux types d'échangeurs de chaleur, et un couplage pression-débit est établi entre eux. La méthode de modélisation traditionnelle divise le module selon le modèle physique, calcule la pression et le débit de chaque module séparément selon l'équation d'équilibre et doit satisfaire à la condition d'égalité aux limites. Par conséquent, les calculs itératifs sont inévitables et augmentent le temps de calcul. Afin de résoudre ce problème, un modèle de simulation d'un système de réfrigération d'un générateur diesel de 16 kW utilisant la chaleur perdue est établi par la méthode de l'inertie volumétrique.

Selon la méthode d'inertie volumétrique, le débit de chaque composant n'est pas équilibré et chaque composant est considéré selon la liaison d'inertie volumétrique. Chaque composant est considéré comme un module de volume et la conduite de liaison entre chaque composant comme un module de résistance. Pour le module de volume, la résistance interne du fluide est ignorée, et la pression à l'intérieur du module est uniforme. La pression dans le module de volume peut être calculée à partir de la différence de débit massique aux deux extrémités du module de volume et de la variation de température dans ce dernier. Cependant, la différence de pression entre l'entrée et la sortie et les pertes par frottement de la paroi du tube modifient le flux, et la valeur dynamique du flux peut être calculée selon la conservation de la quantité de mouvement.

En prenant comme exemple une longueur de tuyau de 1 po, on la divise en module de volume et module de résistance, et son modèle d'inertie volumique est établi.

1) module de volume.

Le débit par unité de temps entrant dans le module de volume est M1, et le débit par unité de temps sortant est M2. Selon la conservation de la masse : débit entrant dans le module de volume – débit sortant = incrément de masse du module de volume, l’incrément de masse du module de volume peut être calculé :

Dans la formule : M est la masse du fluide de travail dans le module de volume, kg ; v est le volume du fluide de travail dans le module de volume, M3 ; kg/m3 est la densité du fluide de travail dans le module de volume ; M1 et M2 sont le débit massique du fluide entrant et sortant du module de volume, kg/s.

2) module résistif.

Dans le module résistif, le débit varie en fonction de la différence de pression et de la résistance de frottement du fluide. Selon la loi de conservation de la quantité de mouvement linéaire : quantité de mouvement entrant dans le module résistif – quantité de mouvement sortant du module résistif – quantité de mouvement de la force externe = augmentation de la quantité de mouvement du module résistif, la masse du fluide traversant la section transversale du module résistif peut être calculée :

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Dans la formule : M est le débit massique du fluide de travail à travers le tuyau, kg/s ; v est la vitesse du fluide de travail, m/s ; a est la section transversale du tuyau, m 2 ; l est la longueur du tuyau, m ; p 1 et P 2 sont les pressions des deux côtés du module résistif, PA ; UL est la résistance de frottement du fluide sur la paroi du tuyau, le signe moins représente la résistance de frottement dans la direction opposée à l'écoulement du fluide, U est la circonférence humide du tuyau, U est la résistance de frottement par unité de surface, = 1/2 FV 2, F est le coefficient de frottement de l'échangeur de chaleur le long du trajet, qui peut être obtenu selon la formule empirique.

3 analyses des performances du système

Dans cet article, un générateur diesel turbocompressé à quatre temps de 16 kW est divisé en compresseur, turbine, rotor de turbine, refroidisseur intermédiaire, tuyau d'admission et d'échappement, régulateur, cylindre et générateur, un modèle de simulation de générateur diesel de 16 kW a été construit en utilisant la méthode moyenne.

Le système de réfrigération du générateur diesel de 16 kW comporte un grand nombre d'échangeurs de chaleur, et la méthode d'inertie volumétrique est utilisée pour construire les modèles de simulation de chaque composant. Le fluide de travail liquide du système est principalement composé de gaz résiduaires, de solution de bromure de lithium, d'eau, de vapeur d'eau, etc. Afin de garantir la précision du calcul du modèle, un modèle de calcul des propriétés thermiques du fluide a été établi selon la formule d'ajustement. Les modèles de simulation des refroidisseurs à absorption de 16 kW et au bromure de lithium sont respectivement construits et mis au point dans les logiciels Matlab/Simulink. Enfin, le modèle de simulation des refroidisseurs de générateur diesel de 16 kW utilisant la chaleur résiduelle est combiné, comme illustré à la figure 4.

Lors de la simulation en régime permanent, conformément aux paramètres de conception, les conditions aux limites sont d'abord définies dans le logiciel de simulation Matlab/Simulink, puis les valeurs initiales des variables d'état du modèle sont attribuées. L'algorithme ODE45, à haute précision de simulation, est utilisé pour définir le temps de simulation à 2 000 s. Le tableau 2 compare les résultats de la simulation en régime permanent aux paramètres de conception.

Le tableau 2 montre que l'erreur relative entre la valeur de simulation en régime permanent et les paramètres de conception du système de réfrigération du générateur diesel de 16 kW est inférieure à 3 %, ce qui satisfait aux exigences de précision de la simulation et confirme l'exactitude du modèle. Les paramètres thermiques du fluide de travail du système sont obtenus par une formule d'ajustement, les hypothèses nécessaires sont prises en compte lors de la modélisation, et les erreurs d'assemblage des composants sont amplifiées, ce qui explique les erreurs relatives.

Sur la base des résultats de la simulation en régime permanent, le coefficient d'utilisation énergétique totale du système de réfrigération utilisant la chaleur résiduelle d'un générateur diesel de 16 kW a été évalué. La méthode de calcul du coefficient d'utilisation énergétique totale du système est présentée sous forme de formule.

X est le coefficient d'utilisation d'énergie total du système de générateur diesel de 16 kW, PG est le générateur diesel de 16 kW, kW, RC est le refroidisseur à absorption libr, kW, EC est l'autre consommation d'énergie du système, kW ; Le FC est la consommation de carburant du générateur diesel, kW ; le PC est la consommation électrique du système, kW.

Dans les conditions de fonctionnement prévues, le générateur diesel de 16 kW a une capacité de 357,6 kW, le refroidisseur à absorption au bromure de lithium a une capacité de 579,79 kW, l'autre consommation d'énergie du système est de 132 kW et la consommation de carburant du générateur diesel de 16 kW est d'environ 1286 kW, la consommation électrique des pompes et autres équipements consommateurs d'énergie du système est d'environ 30 kW.

Selon le calcul de la formule (6), le coefficient d'utilisation totale de l'énergie du système de réfrigération du générateur diesel de 16 kW est d'environ 0,813, et l'efficacité d'utilisation de l'énergie est considérablement améliorée, qui est supérieure à 0,8, et répond aux exigences de conception.

La charge du générateur diesel de 16 kW est déterminée par la consommation électrique. Toute variation de charge entraînera une modification de la température et du débit des gaz d'échappement du générateur, ce qui affectera la capacité de refroidissement du refroidisseur à absorption au bromure de lithium en aval du système.

Le processus thermodynamique du système est complexe et présente des retards inertiels. En fixant le temps de simulation total à 6 000 s, en commençant par 2 000 s et en ajoutant le changement d'échelon, la charge du générateur diesel de 16 kW est réduite de 100 % à 80 %, puis le calcul de simulation dynamique est effectué.

À partir des années 2000, la charge est réduite de 352,3 kW à 287,48 kW, le débit d'échappement de 1,3187 kg à 1,1192 kg et la température d'échappement de 462°C à 453 °C pour le générateur diesel de 16 kW. La réponse dynamique totale est d'environ 100 s. La charge diesel a été réduite de 20 %, le régime moteur a été augmenté, le régulateur a réagi rapidement et l'injection de carburant a été réduite pour maintenir la stabilité du régime à la valeur de consigne. Cette diminution de l'injection de carburant dans le moteur diesel entraîne une diminution de la température et du débit des gaz d'échappement.

La puissance frigorifique a légèrement augmenté, puis a chuté rapidement pour atteindre une valeur stable, passant de 579,79 kW à 507,15 kW. Comme le montre la figure 9, le coefficient de réfrigération a légèrement augmenté, puis diminué, passant de 1,394 à 1,402. La diminution de la charge du générateur diesel de 16 kW a entraîné une diminution de l'énergie thermique entrant dans l'ensemble du système, ce qui a entraîné une diminution de la puissance frigorifique du refroidisseur. Cependant, le coefficient de réfrigération a légèrement augmenté, et le processus dynamique s'est achevé vers les années 2000.

4 CONCLUSION

En prenant comme exemple une zone résidentielle d'une île, une nouvelle technologie de réfrigération économe en énergie utilisant la chaleur résiduelle de la production d'électricité au diesel est étudiée.

1) La conception intégrée d'un système de réfrigération exploitant la chaleur perdue d'un générateur diesel de 16 kW a été réalisée et les paramètres de conception ont été déterminés. Grâce à des calculs de simulation statique et dynamique, les performances du système ont été analysées, puis le système de contrôle a été conçu et optimisé.

2) La simulation en régime permanent est réalisée dans les conditions de conception, avec une erreur relative inférieure à 3 %, ce qui répond aux exigences de conception et valide la précision et l'exactitude du modèle. D'après les résultats de la simulation en régime permanent, le coefficient d'utilisation énergétique totale du système est d'environ 0,813, ce qui répond aux exigences de conception.

3) La simulation dynamique d'une perturbation de charge de 16 kW a été réalisée. Elle a entraîné une réduction de la charge de 16 kW, une diminution de la production d'électricité, une diminution de l'énergie thermique des gaz d'échappement, une diminution de la capacité de refroidissement et une légère augmentation du coefficient de refroidissement. Les résultats de la simulation montrent que la capacité de refroidissement de la centrale de 16 kW est inférieure à celle de la centrale de 16 kW, que sa production est inférieure à celle de la centrale de 16 kW et que l'énergie thermique des gaz d'échappement est inférieure à celle du générateur diesel de 16 kW.