Analisi della progettazione e delle prestazioni di unGeneratore diesel da 16 kWSistema di refrigerazione che utilizza il calore di scarto

Dalla situazione della ricerca passata, la progettazione e la simulazione del sistema di cogenerazione distribuita sono troppo moderne.

1 progettazione dell'integrazione del sistema

L'area residenziale dell'isola selezionata è alimentata da un generatore diesel da 16 kW; i gas di scarico del motore diesel contengono molta energia termica e il refrigeratore ad assorbimento al bromuro di litio utilizza i gas di scarico come fonte di calore per refrigerare gli utenti. Per aumentare l'intervallo regolabile del carico di raffreddamento, è stato adottato un refrigeratore con postcombustione. Il design complessivo del sistema di generazione diesel da 16 kW dell'isola è illustrato nella figura 1.

In questo articolo viene effettuata la selezione del refrigeratore più adatto, basandosi sul principio di progettazione del raffreddamento elettrico (chiller abbinato a un generatore diesel da 16 kW). L'area residenziale ha una superficie lorda di circa 4.850 m² e un generatore diesel da 16 kW con una potenza nominale di 350 kW. Il generatore diesel da 16 kW produce gas di scarico a una temperatura di circa 450 °C.°C e l'energia termica disponibile per il refrigeratore è di circa 420 kW. È stato selezionato un refrigeratore ad assorbimento parallelo a doppio effetto con bromuro di litio con coefficiente di refrigerazione di 1,4 e potenza di 582 kW. Il carico di raffreddamento medio delle utenze dell'isola è di 120 W/m². Secondo l'indagine, 120 W/m² soddisfano la domanda di carico di raffreddamento delle utenze dell'isola. Pertanto, quando il generatore diesel da 16 kW funziona alle condizioni di lavoro nominali, il calore di scarto dei gas di scarico può soddisfare la domanda del frigorifero. I parametri di progettazione del sistema di refrigerazione del generatore diesel da 16 kW sono riportati nella Tabella 1.

2. Modellazione matematica

Il sistema di refrigerazione con generatore diesel da 16 kW è molto complesso e coinvolge numerosi aspetti, tra cui dinamica, termodinamica e trasferimento di calore, pertanto è fondamentale scegliere un metodo di modellazione adeguato. In questo articolo, il modello di simulazione del sistema di refrigerazione con utilizzo del calore di scarto da 16 kW viene definito utilizzando il metodo di modellazione modulare. Il sistema di refrigerazione con utilizzo del calore di scarto del generatore diesel da 16 kW è un tipico sistema termodinamico, i cui moduli sono suddivisi in base al passaggio di sostanza di lavoro ed energia.

Dopo aver definito l'idea generale della modellazione, dovremmo scegliere un metodo ragionevole per simulare accuratamente il funzionamento del sistema.

Questo articolo studia principalmente la potenza in uscita e l'energia termica di scarico di un generatore diesel da 16 kW sotto diversi carichi, senza considerare il processo di funzionamento interno del generatore. La modellazione con il metodo della media garantisce l'accuratezza della simulazione del generatore diesel da 16 kW a livello di integrazione del sistema.

Esistono molti tipi di scambiatori di calore nel sistema di refrigerazione con generatore diesel da 16 kW, e tra di essi esiste un accoppiamento pressione-flusso. Il metodo di modellazione tradizionale suddivide il modulo in base al modello fisico, calcola separatamente la pressione e il flusso di ciascun modulo secondo l'equazione di bilancio e deve soddisfare la condizione di vincolo di uguaglianza al contorno. Pertanto, il calcolo iterativo è inevitabile e il tempo di calcolo aumenta. Per risolvere questo problema, viene definito un modello di simulazione di un sistema di refrigerazione con generatore diesel da 16 kW che utilizza il calore di scarto mediante il metodo dell'inerzia volumetrica.

Secondo il metodo dell'inerzia volumetrica, la portata in ciascun componente non è bilanciata e ogni componente viene considerato in base al collegamento di inerzia volumetrica. Considera ciascun componente come un modulo di volume e il tubo di collegamento tra ciascun componente come un modulo di resistenza. Per il modulo di volume, ignorando la resistenza interna del fluido, la pressione al suo interno è uniforme. La pressione nel modulo di volume può essere calcolata in base alla differenza di portata massica alle due estremità del modulo di volume e alla variazione di temperatura nel modulo di volume. Tuttavia, la differenza di pressione tra ingresso e uscita e la perdita di carico per attrito della parete del tubo determinano una variazione del flusso e il valore dinamico del flusso può essere calcolato in base alla conservazione della quantità di moto.

Prendendo come esempio un tratto di tubo l, lo si divide in modulo di volume e modulo di resistenza e si stabilisce il suo modello di inerzia del volume.

1) modulo volume.

La portata per unità di tempo in ingresso nel modulo di volume è M1, e la portata per unità di tempo in uscita dal modulo di volume è M2. Secondo la conservazione della massa: portata in ingresso nel modulo di volume - portata in uscita dal modulo di volume = incremento di massa del modulo di volume. L'incremento di massa del modulo di volume può essere calcolato come segue:

Nella formula: M è la massa del fluido di lavoro nel modulo di volume, kg; v è il volume del fluido di lavoro nel modulo di volume, M3; kg/m3 è la densità del fluido di lavoro nel modulo di volume; M1 e M2 sono la portata di massa del fluido in entrata e in uscita dal modulo di volume, kg/s.

2) modulo resistivo.

Nel modulo resistivo, la portata varia a causa della differenza di pressione e della resistenza d'attrito del fluido. Secondo la legge di conservazione della QUANTITÀ DI ...

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Nella formula: M è la portata massica del fluido di lavoro attraverso il tubo, kg/s; v è la velocità del fluido di lavoro, m/s; a è l'area della sezione trasversale del tubo, m 2; l è la lunghezza del tubo, m; p 1 e P 2 sono le pressioni su entrambi i lati del modulo resistivo, PA; UL è la resistenza all'attrito del fluido sulla parete del tubo, il segno meno rappresenta la resistenza all'attrito nella direzione opposta al flusso del fluido, U è la circonferenza bagnata del tubo, U è la resistenza all'attrito per unità di area, = 1/2 FV 2, F è il coefficiente di attrito dello scambiatore di calore lungo il percorso, che può essere ottenuto secondo la formula empirica.

3 analisi delle prestazioni del sistema

In questo articolo, un generatore diesel turbocompresso a quattro tempi da 16 kW è suddiviso in compressore, turbina, rotore della turbina, intercooler, tubo di aspirazione e scarico, regolatore, cilindro e generatore; è stato costruito un modello di simulazione del generatore diesel da 16 kW utilizzando il metodo medio.

Il sistema di refrigerazione con generatore diesel da 16 kW presenta un elevato numero di scambiatori di calore e il metodo dell'inerzia volumetrica viene utilizzato per costruire i modelli di simulazione di ciascun componente. Il fluido di lavoro liquido nel sistema è costituito principalmente da gas di scarico, soluzione di bromuro di litio, acqua, vapore acqueo e così via. Per garantire l'accuratezza del calcolo del modello, è stato definito un modello per il calcolo delle proprietà termiche del fluido di lavoro secondo la formula di fitting. I modelli di simulazione dei refrigeratori ad assorbimento da 16 kW e a bromuro di litio sono stati costruiti e sottoposti a debug rispettivamente nel software Matlab/Simulink. Infine, il modello di simulazione dei refrigeratori ad assorbimento da 16 kW che utilizzano il calore di scarto è stato combinato come mostrato in Figura 4.

Nella simulazione in stato stazionario, in base ai parametri di progetto, le condizioni al contorno vengono impostate nel software di simulazione Matlab/Simulink e vengono assegnati i valori iniziali delle variabili di stato del modello. L'algoritmo ODE45, con elevata accuratezza di simulazione, viene utilizzato per impostare il tempo di simulazione a 2000 s. La Tabella 2 mostra il confronto tra i risultati della simulazione in stato stazionario e i parametri di progetto.

La Tabella 2 mostra che l'errore relativo tra il valore di simulazione in regime stazionario e i parametri di progettazione del sistema di refrigerazione del generatore diesel da 16 kW è inferiore al 3%, il che soddisfa i requisiti di precisione della simulazione del sistema e verifica la correttezza e l'accuratezza del modello di simulazione. I parametri termici del mezzo di lavoro nel sistema vengono ottenuti mediante una formula di adattamento, le ipotesi necessarie vengono fatte nella modellazione e gli errori dei componenti saranno amplificati durante l'assemblaggio, queste sono le ragioni degli errori relativi.

Sulla base dei risultati della simulazione in regime stazionario, è stato valutato il coefficiente di utilizzo energetico totale del sistema di refrigerazione con recupero di calore di scarto del generatore diesel da 16 kW. Il metodo di calcolo del coefficiente di utilizzo energetico totale del sistema è una formula.

X è il coefficiente di utilizzo dell'energia totale del sistema del generatore diesel da 16 kW, PG è il generatore diesel da 16 kW, kW, RC è il refrigeratore ad assorbimento libr, kW, EC è l'altro consumo energetico del sistema, kW; FC è il consumo di carburante del generatore diesel, kW; PC è il consumo energetico del sistema, kW.

Nelle condizioni operative progettate, il generatore diesel da 16 kW ha una capacità di 357,6 kW, il refrigeratore ad assorbimento al bromuro di litio ha una capacità di 579,79 kW, l'altro consumo energetico del sistema è di 132 kW e il consumo di carburante del generatore diesel da 16 kW è di circa 1286 kW, il consumo di energia delle pompe e di altre apparecchiature che consumano energia nel sistema è di circa 30 kW.

Secondo il calcolo della formula (6), il coefficiente di utilizzo dell'energia totale del sistema di refrigerazione del generatore diesel da 16 kW è di circa 0,813 e l'efficienza di utilizzo dell'energia è notevolmente migliorata, ovvero superiore a 0,8, e soddisfa i requisiti di progettazione.

Il carico del generatore diesel da 16 kW è determinato dal consumo energetico. La variazione del carico comporterà una variazione della temperatura di scarico e della portata del generatore diesel da 16 kW, con conseguente impatto sulla capacità di raffreddamento del refrigeratore ad assorbimento a bromuro di litio a valle del sistema.

Il processo termodinamico del sistema è complesso, con ritardi inerziali. Impostando l'intero tempo di simulazione a 6000 secondi, a partire dai 2000 secondi, aggiungendo la variazione di fase, il carico del generatore diesel da 16 kW viene ridotto dal 100% all'80% e viene eseguito il calcolo della simulazione dinamica.

A partire dagli anni 2000, il carico si riduce da 352,3 kW a 287,48 kW, la portata allo scarico da 1,3187 kg a 1,1192 kg e la temperatura allo scarico da 462Da °C a 453 °C per il generatore diesel da 16 kW. L'intero processo di risposta dinamica dura circa 100 secondi. Carico diesel ridotto del 20%, velocità del motore diesel aumentata, risposta rapida del regolatore, riduzione dell'iniezione di carburante per mantenere la stabilità della velocità al punto di regolazione. La riduzione dell'iniezione di carburante nel motore diesel si traduce in una diminuzione della temperatura e della portata dei gas di scarico.

La capacità frigorifera è aumentata leggermente per poi scendere rapidamente fino a raggiungere un altro valore stabile, da 579,79 kW a 507,15 kW. Come si può osservare dalla figura 9, il coefficiente di refrigerazione è aumentato leggermente per poi diminuire da 1,394 a 1,402. La diminuzione del carico del generatore diesel da 16 kW ha comportato una diminuzione dell'energia termica immessa nell'intero sistema del generatore diesel da 16 kW, con conseguente riduzione della capacità frigorifera del refrigeratore; tuttavia, il coefficiente di refrigerazione è leggermente aumentato e l'intero processo dinamico si è completato intorno al 2000.

4 CONCLUSIONE

Prendendo come esempio un'area residenziale di un'isola, viene studiata una nuova tecnologia di refrigerazione a risparmio energetico che sfrutta il calore di scarto proveniente dalla produzione di energia diesel.

1) È stata eseguita la progettazione integrata di un sistema di refrigerazione con recupero di calore da un generatore diesel da 16 kW e ne sono stati determinati i parametri di progettazione. Attraverso la simulazione statica e dinamica del sistema, sono state analizzate le prestazioni del sistema, quindi è stato progettato il sistema di controllo e ne è stata realizzata l'ottimizzazione.

2) La simulazione in regime stazionario viene eseguita nelle condizioni di progetto e l'errore relativo è inferiore al 3%, il che soddisfa i requisiti di progetto e convalida l'accuratezza e la correttezza del modello. Secondo i risultati della simulazione in regime stazionario, il coefficiente di utilizzo energetico totale del sistema è pari a circa 0,813, il che soddisfa i requisiti di progetto.

3) Viene eseguita la simulazione dinamica di un disturbo del carico da 16 kW, che si traduce in una riduzione del carico da 16 kW, una riduzione della produzione di energia, una riduzione dell'energia termica dei gas di scarico, una riduzione della capacità di raffreddamento e un leggero aumento del coefficiente di raffreddamento. I risultati della simulazione mostrano che la capacità di raffreddamento della centrale elettrica da 16 kW è inferiore a quella della centrale elettrica da 16 kW, la potenza della centrale elettrica da 16 kW è inferiore a quella della centrale elettrica da 16 kW e l'energia termica dei gas di scarico è inferiore a quella del generatore diesel da 16 kW.