Analiza dizajna i performansiDizelski generator od 16 kWRashladni sustav koji koristi otpadnu toplinu

Iz prošlih istraživanja, projektiranje i simulacija distribuiranih kogeneracijskih sustava su previše složeni.

1 dizajn integracije sustava

Odabrano otočno stambeno područje napaja se dizelskim generatorom od 16 kW. Ispušni plinovi dizelskog motora sadrže puno toplinske energije, a apsorpcijski hladnjak s litijevim bromidom koristi ispušne plinove kao radni izvor topline za hlađenje korisnika. Kako bi se povećao podesivi raspon rashladnog opterećenja, usvojen je hladnjak s naknadnim izgaranjem. Cjelokupni dizajn otočnog sustava dizelskog generatora od 16 kW prikazan je na slici 1.

Na temelju principa projektiranja električnog hlađenja (odgovarajući hladnjak prema dizel generatoru od 16 kW), u ovom radu proveden je odabir odgovarajućeg hladnjaka. Stambeni prostor ima bruto površinu od oko 4850 m2 i dizel generator od 16 kW nazivne snage 350 kW. Dizel generator od 16 kW proizvodi ispušne plinove temperature od oko 450°C, a toplinska energija dostupna hladnjaku je oko 420 kW. Odabran je dvostruki paralelni apsorpcijski hladnjak s litijevim bromidom s koeficijentom hlađenja od 1,4 i snagom od 582 kW. Prosječno rashladno opterećenje korisnika na otoku iznosi 120 W/m2. Prema istraživanju, 120 W/m2 zadovoljava potrebe korisnika na otoku za rashladnim opterećenjem. Stoga, kada dizelski generator od 16 kW radi pod nazivnim radnim uvjetima, otpadna toplina iz ispušnih plinova može zadovoljiti potrebe hladnjaka. Projektni parametri rashladnog sustava dizelskog generatora od 16 kW prikazani su u Tablici 1.

2. Matematičko modeliranje

Rashladni sustav dizelskog generatora od 16 kW vrlo je složen i uključuje mnoge teme poput dinamike, termodinamike i prijenosa topline, stoga je vrlo važno odabrati prikladnu metodu modeliranja. U ovom radu, simulacijski model rashladnog sustava s iskorištavanjem otpadne topline od 16 kW uspostavljen je korištenjem modularne metode modeliranja. Rashladni sustav s iskorištavanjem otpadne topline dizelskog generatora od 16 kW tipičan je termodinamički sustav, moduli su podijeljeni prema protoku radne tvari i energije.

Nakon što odredimo cijelu ideju modeliranja, trebali bismo odabrati razumnu metodu za točnu simulaciju rada sustava.

Ovaj rad uglavnom proučava izlaznu snagu i toplinsku energiju ispušnih plinova dizelskog generatora od 16 kW pod različitim opterećenjima, bez razmatranja unutarnjeg radnog procesa dizelskog generatora od 16 kW. Modeliranje korištenjem metode prosjeka osigurava točnost simulacije dizelskog generatora od 16 kW na razini integracije sustava.

U rashladnom sustavu dizelskog generatora od 16 kW postoji mnogo vrsta izmjenjivača topline, a između izmjenjivača topline postoji sprega tlaka i protoka. Tradicionalna metoda modeliranja dijeli modul prema fizičkom modelu, izračunava tlak i protok svakog modula zasebno prema jednadžbi ravnoteže i mora zadovoljiti uvjet ograničenja jednakih granica. Stoga je iterativno računanje neizbježno, a vrijeme računanja se povećava. Kako bi se riješio ovaj problem, metodom volumetrijske inercije uspostavljen je simulacijski model rashladnog sustava dizelskog generatora od 16 kW koji koristi otpadnu toplinu.

Prema metodi volumetrijske inercije, protok u svakoj komponenti nije uravnotežen, već se svaka komponenta promatra prema volumetrijskoj inercijskoj vezi. Svaka komponenta se promatra kao modul volumena, a spojna cijev između svake komponente kao modul otpora. Za modul volumena, zanemarujući unutarnji otpor fluida, tlak unutar modula volumena je ujednačen. Tlak u modulu volumena može se izračunati prema razlici masenog protoka na oba kraja modula volumena i promjeni temperature u modulu volumena. Međutim, razlika tlaka između ulaza i izlaza i gubitak trenja stijenke cijevi uzrokuju promjenu fluksa, a dinamička vrijednost fluksa može se izračunati prema očuvanju količine gibanja.

Uzimajući cijev duljine l kao primjer, ona je podijeljena na modul volumena i modul otpora, te je uspostavljen njezin model inercije volumena.

1) modul volumena.

Brzina protoka po jedinici vremena u volumski modul je M1, a brzina protoka po jedinici vremena iz volumskog modula je M2. Prema zakonu o očuvanju mase: Protok u volumski modul - protok iz volumskog modula = prirast mase volumskog modula, prirast mase volumskog modula može se izračunati:

U formuli: M je masa radnog fluida u volumskom modulu, kg; v je volumen radnog fluida u volumskom modulu, M3; kg/m3 je gustoća radnog fluida u volumskom modulu; M1 i M2 su maseni protok fluida u i iz volumskog modula, kg/s.

2) otporni modul.

U otpornom modulu, brzina protoka se mijenja zbog razlike tlaka i otpora trenja fluida. Prema zakonu o očuvanju LINEARNOG MOMENTA: Moment koji ulazi u otporni modul - moment koji izlazi iz otpornog modula + moment vanjske sile = prirast momenta otpornog modula, masa fluida koji teče kroz presjek otpornog modula može se izračunati:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

U formuli: M je maseni protok radnog fluida kroz cijev, kg/s; v je brzina radnog fluida, m/s; a je površina presjeka cijevi, m 2; l je duljina cijevi, m; p 1 i P 2 su tlakovi s obje strane otpornog modula, PA; UL je otpor trenja fluida na stijenci cijevi, znak minus predstavlja otpor trenja u smjeru suprotnom od strujanja fluida, U je mokri opseg cijevi, U je otpor trenja po jedinici površine, = 1/2 FV 2, F je koeficijent trenja izmjenjivača topline duž puta, koji se može dobiti prema empirijskoj formuli.

3 analiza performansi sustava

U ovom radu, četverotaktni turbopunjač dizelskog generatora od 16 kW podijeljen je na kompresor, turbinu, rotor turbine, međuhladnjak, usisnu i ispušnu cijev, regulator, cilindar i generator, a simulacijski model dizelskog generatora od 16 kW izgrađen je korištenjem metode prosjeka.

Rashladni sustav dizelskog generatora od 16 kW ima veliki broj izmjenjivača topline, a za izgradnju simulacijskih modela svake komponente koristi se metoda volumetrijske inercije. Tekući radni medij u sustavu uglavnom se sastoji od otpadnog plina, otopine litijevog bromida, vode, vodene pare i tako dalje. Kako bi se jamčila točnost izračuna modela, model za izračun toplinskih svojstava radnog medija uspostavljen je prema formuli za prilagođavanje. Simulacijski modeli apsorpcijskih hladnjaka od 16 kW i litijevog bromida izgrađeni su i ispravljeni u Matlab/Simulink softveru. Konačno, simulacijski model hladnjaka dizelskog generatora od 16 kW koji koriste otpadnu toplinu kombiniran je kao što je prikazano na slici 4.

U simulaciji stacionarnog stanja, prema parametrima dizajna, prvo se u simulacijskom softveru Matlab/Simulink postavljaju rubni uvjeti i dodjeljuju se početne vrijednosti varijabli stanja modela. ODE45 algoritam s visokom točnošću simulacije koristi se za postavljanje vremena simulacije na 2000 s. Tablica 2 prikazuje usporedbu rezultata simulacije stacionarnog stanja i parametara dizajna.

Tablica 2 pokazuje da je relativna pogreška između vrijednosti simulacije u stacionarnom stanju i projektnih parametara rashladnog sustava dizelskog generatora od 16 kW manja od 3%, što zadovoljava zahtjev preciznosti simulacije sustava i potvrđuje ispravnost i točnost simulacijskog modela. Toplinski parametri radnog medija u sustavu dobiveni su prilagođavanjem formule, potrebne pretpostavke su napravljene u modeliranju, a pogreške komponenti će se povećati kada se sastave, što su razlozi relativnih pogrešaka.

Na temelju rezultata simulacije stacionarnog stanja, procijenjen je ukupni koeficijent iskorištenja energije rashladnog sustava s iskorištenjem otpadne topline dizelskog generatora od 16 kW. Metoda izračuna ukupnog koeficijenta iskorištenja energije sustava je putem formule.

X je ukupni koeficijent iskorištenja energije sustava dizel generatora od 16 kW, PG je dizel generator od 16 kW, kW, RC je apsorpcijski hladnjak libr, kW, EC je ostala potrošnja energije sustava, kW; FC je potrošnja goriva dizel generatora, kW; PC je potrošnja snage sustava, kW.

U projektiranim radnim uvjetima, dizelski generator od 16 kW ima kapacitet od 357,6 kW, apsorpcijski hladnjak s litijevim bromidom ima kapacitet od 579,79 kW, ostala potrošnja energije sustava je 132 kW, a potrošnja goriva dizelskog generatora od 16 kW je oko 1286 kW, potrošnja energije pumpi i ostale opreme koja troši energiju u sustavu je oko 30 kW.

Prema izračunu Formule (6), ukupni koeficijent iskorištenja energije rashladnog sustava s dizelskim generatorom od 16 kW iznosi oko 0,813, a učinkovitost iskorištenja energije je znatno poboljšana, što je više od 0,8, te zadovoljava projektne zahtjeve.

Opterećenje dizelskog generatora od 16 kW određeno je potrošnjom energije. Promjena opterećenja rezultirat će promjenom temperature ispušnih plinova i protoka dizelskog generatora od 16 kW, što će utjecati na rashladni kapacitet apsorpcijskog hladnjaka litijevog bromida nizvodno od sustava.

Termodinamički proces sustava je složen, s inercijalnim kašnjenjima. Postavljanjem cijelog vremena simulacije na 6000 s, počevši od 2000 s, dodavanjem skokovite promjene, opterećenje dizelskog generatora od 16 kW smanjuje se sa 100% na 80% i provodi se izračun dinamičke simulacije.

Počevši od 2000-ih, opterećenje se smanjuje s 352,3 kW na 287,48 kW, protok ispušnih plinova s ​​1,3187 kg/s na 1,1192 kg/s, a temperatura ispušnih plinova s ​​462°C do 453 °C za dizelski generator od 16 kW. Cijeli proces dinamičkog odziva traje oko 100 sekundi. Opterećenje dizelskog motora smanjeno je za 20%, brzina dizelskog motora povećana, regulator brzo reagira, smanjeno ubrizgavanje goriva kako bi se održala stabilnost brzine na zadanoj vrijednosti. Smanjenje ubrizgavanja goriva u dizelskom motoru rezultira smanjenjem temperature ispušnih plinova i protoka.

Rashladni kapacitet se neznatno povećao, a zatim naglo pao na drugu stabilnu vrijednost, s 579,79 kW na 507,15 kW. Kao što se može vidjeti na slici 9, koeficijent hlađenja se neznatno povećao, a zatim smanjio s 1,394 na 1,402. Smanjenje opterećenja dizel generatora od 16 kW rezultiralo je smanjenjem toplinske energije koja ulazi u cijeli sustav dizel generatora od 16 kW, što je dovelo do smanjenja rashladnog kapaciteta hladnjaka, ali se koeficijent hlađenja neznatno povećao, a cijeli dinamički proces je završen oko 2000-ih godina.

4 ZAKLJUČAK

Na primjeru stambenog područja otoka proučava se nova energetski učinkovita tehnologija hlađenja koja koristi otpadnu toplinu iz proizvodnje električne energije dizelskim motorom.

1) Proveden je integrirani dizajn rashladnog sustava za iskorištavanje otpadne topline dizelskog generatora snage 16 kW i određeni su parametri dizajna. Statičkim i dinamičkim simulacijskim izračunom sustava analizirane su performanse sustava, zatim je dizajniran sustav upravljanja i provedena je optimizacija sustava.

2) simulacija u stacionarnom stanju provedena je u projektnim uvjetima, a relativna pogreška je manja od 3%, što zadovoljava projektne zahtjeve i potvrđuje točnost i ispravnost modela. Prema rezultatima simulacije u stacionarnom stanju, ukupni koeficijent iskorištenja energije sustava iznosi oko 0,813, što zadovoljava projektne zahtjeve.

3) provodi se dinamička simulacija poremećaja opterećenja od 16 kW, što rezultira smanjenjem opterećenja od 16 kW, smanjenjem proizvodnje energije, smanjenjem toplinske energije ispušnih plinova, smanjenjem rashladnog kapaciteta i blagim povećanjem koeficijenta hlađenja. Rezultati simulacije pokazuju da je rashladni kapacitet elektrane od 16 kW niži od elektrane od 16 kW, a izlaz elektrane od 16 kW je niži od elektrane od 16 kW, a toplinska energija ispušnih plinova je niža od one dizel generatora od 16 kW.