Ontwerp en prestatieanalyse van een16 kW dieselgeneratorKoelsysteem dat gebruikmaakt van restwarmte

Uit eerder onderzoek blijkt dat het ontwerp en de simulatie van een gedistribueerd warmtekrachtkoppelingssysteem te modern zijn.

1 systeemintegratieontwerp

Het geselecteerde woongebied op het eiland wordt van stroom voorzien door een 16 kW dieselgenerator. De uitlaatgassen van de dieselmotor bevatten veel warmte-energie, en de lithiumbromide-absorptiekoeler gebruikt de uitlaatgassen als warmtebron om de gebruikers te koelen. Om het instelbare koelvermogen te vergroten, wordt gebruikgemaakt van een naverbrandingskoeler. Het algehele ontwerp van het 16 kW dieselgeneratorsysteem op het eiland wordt geïllustreerd in figuur 1.

Op basis van het ontwerpprincipe van elektrische koeling (afstemming van de koeler op de 16 kW dieselgenerator) wordt in dit artikel de juiste koeler geselecteerd. Het woongebied heeft een bruto vloeroppervlak van circa 4.850 m² en een 16 kW dieselgenerator met een nominaal vermogen van 350 kW. De 16 kW dieselgenerator produceert uitlaatgassen met een temperatuur van circa 450 °C.°C en de beschikbare warmte-energie voor de koelmachine is ongeveer 420 kW. Er werd gekozen voor een dubbel-effect parallel lithiumbromide-absorptiekoelmachine met een koelcoëfficiënt van 1,4 en een vermogen van 582 kW. De gemiddelde koellast van eilandgebruikers is 120 W/m². Volgens het onderzoek voldoet 120 W/m² aan de koellast van eilandgebruikers. Wanneer de 16 kW dieselgenerator onder de nominale bedrijfscondities wordt gebruikt, kan de restwarmte van de uitlaatgassen dus voldoen aan de koelvraag van de koelkast. De ontwerpparameters van het koelsysteem met 16 kW dieselgenerator worden weergegeven in tabel 1.

2. Wiskundige modellering

Het koelsysteem van een 16 kW dieselgenerator is zeer complex en omvat veel onderwerpen, zoals dynamiek, thermodynamica en warmteoverdracht. Het is daarom erg belangrijk om een ​​geschikte modelleringsmethode te kiezen. In dit artikel wordt het simulatiemodel van het 16 kW afvalwarmtebenuttingskoelsysteem opgesteld met behulp van de modulaire modelleringsmethode. Het 16 kW dieselgenerator afvalwarmtebenuttingskoelsysteem is een typisch thermodynamisch systeem, waarbij de modules zijn verdeeld op basis van de doorgang van werkstof en energie.

Nadat we het hele modelleringsidee hebben bepaald, moeten we een redelijke methode kiezen om de werking van het systeem nauwkeurig te simuleren.

In dit artikel wordt voornamelijk het uitgangsvermogen en de uitlaatwarmte-energie van een 16 kW dieselgenerator onder verschillende belastingen bestudeerd, zonder rekening te houden met het interne werkproces van de 16 kW dieselgenerator. Modellering met behulp van de middelingsmethode garandeert de nauwkeurigheid van de simulatie van de 16 kW dieselgenerator op systeemintegratieniveau.

Er zijn vele soorten warmtewisselaars in het koelsysteem van een 16 kW dieselgenerator en er is een druk-stroomkoppeling tussen de warmtewisselaars. De traditionele modelleringsmethode verdeelt de module volgens het fysieke model, berekent de druk en het debiet van elke module afzonderlijk volgens de balansvergelijking en moet voldoen aan de randvoorwaarde van gelijke restrictie. Daarom is iteratieve berekening onvermijdelijk en neemt de rekentijd toe. Om dit probleem op te lossen, wordt een simulatiemodel van een koelsysteem van een 16 kW dieselgenerator met restwarmte opgesteld met behulp van de volumetrische inertiemethode.

Volgens de volumetrische traagheidsmethode is de stroomsnelheid in elk onderdeel niet in evenwicht en wordt elk onderdeel beschouwd volgens de volumetrische traagheidskoppeling. Hierbij wordt elk onderdeel beschouwd als een volumemodule en de verbindingsleiding tussen elk onderdeel als een weerstandsmodule. Voor de volumemodule is de druk in de volumemodule, afgezien van de interne vloeistofweerstand, uniform. De druk in de volumemodule kan worden berekend op basis van het verschil in massastroom aan beide uiteinden van de volumemodule en de temperatuurverandering in de volumemodule. Het drukverschil tussen de inlaat en uitlaat en het wrijvingsverlies van de pijpwand zorgen er echter voor dat de flux verandert, en de dynamische waarde van de flux kan worden berekend op basis van behoud van impuls.

Neem een ​​stuk pijp als voorbeeld, verdeel het in een volumemodule en een weerstandsmodule en stel het volumetraagheidsmodel vast.

1) volumemodule.

De stroomsnelheid per tijdseenheid in de volumemodule is M1, en de stroomsnelheid per tijdseenheid uit de volumemodule is M2. Volgens het principe van massabehoud: stroom in de volumemodule - stroom uit de volumemodule = massatoename van de volumemodule, kan de massatoename van de volumemodule als volgt worden berekend:

In de formule is: M de massa van de werkvloeistof in de volumemodule, kg; v is het volume van de werkvloeistof in de volumemodule, M3; kg/m3 is de dichtheid van de werkvloeistof in de volumemodule; M1 en M2 zijn de massastroom van de vloeistof in en uit de volumemodule, kg/s.

2) weerstandsmodule.

In de weerstandsmodule verandert de stroomsnelheid als gevolg van het drukverschil en de wrijvingsweerstand van de vloeistof. Volgens de wet van behoud van lineair momentum: het momentum dat de weerstandsmodule binnenkomt - het momentum dat de weerstandsmodule verlaat + het momentum van de externe kracht = de toename van het momentum van de weerstandsmodule, kan de massa van de vloeistof die door de dwarsdoorsnede van de weerstandsmodule stroomt, worden berekend:

paginanummer_eboek=33,paginanummer_boek=25

In de formule: M is de massastroom van de werkvloeistof door de buis, kg/s; v is de snelheid van de werkvloeistof, m/s; a is de dwarsdoorsnede van de buis, m2; l is de lengte van de buis, m; p1 en P2 zijn de drukken aan beide zijden van de weerstandsmodule, PA; UL is de wrijvingsweerstand van de vloeistof op de wand van de buis, het minteken geeft de wrijvingsweerstand in de tegenovergestelde richting van de stroming van de vloeistof weer, U is de natte omtrek van de buis, U is de wrijvingsweerstand per oppervlakte-eenheid, = 1/2 FV2, F is de wrijvingscoëfficiënt van de warmtewisselaar langs de weg, die kan worden verkregen volgens de empirische formule.

3 systeemprestatieanalyse

In dit artikel wordt een viertakt turbodieselgenerator van 16 kW onderverdeeld in compressor, turbine, turbinerotor, intercooler, inlaat- en uitlaatpijp, regulateur, cilinder en generator. Er is een simulatiemodel voor een 16 kW-dieselgenerator gebouwd met behulp van de gemiddelde methode.

Het koelsysteem van de 16 kW dieselgenerator heeft een groot aantal warmtewisselaars en de volumetrische inertiemethode wordt gebruikt om de simulatiemodellen van elk onderdeel te bouwen. Het vloeibare werkmedium in het systeem bestaat voornamelijk uit afgas, lithiumbromideoplossing, water, waterdamp, enzovoort. Om de nauwkeurigheid van de modelberekening te garanderen, is een model voor de berekening van de thermische eigenschappen van het werkmedium opgesteld volgens de bijbehorende formule. De simulatiemodellen van de 16 kW en lithiumbromide absorptiekoelers zijn respectievelijk gebouwd en gedebugd in Matlab/Simulink-software. Ten slotte is het simulatiemodel van de 16 kW dieselgeneratorkoelers met restwarmte gecombineerd, zoals weergegeven in figuur 4.

Bij steady-state simulatie worden, volgens de ontwerpparameters, eerst de randvoorwaarden ingesteld in Matlab/Simulink simulatiesoftware en worden de beginwaarden van de toestandsvariabelen van het model toegewezen. Het ODE45-algoritme met hoge simulatienauwkeurigheid wordt gebruikt om de simulatietijd in te stellen op 2000 seconden. Tabel 2 toont de vergelijking tussen steady-state simulatieresultaten en ontwerpparameters.

Tabel 2 laat zien dat de relatieve fout tussen de steady-state simulatiewaarde en de ontwerpparameters van het 16 kW dieselgeneratorkoelsysteem minder dan 3% bedraagt. Dit voldoet aan de nauwkeurigheidsvereisten voor de systeemsimulatie en bevestigt de juistheid en nauwkeurigheid van het simulatiemodel. De thermische parameters van het werkmedium in het systeem worden bepaald door middel van een passende formule. De nodige aannames worden gedaan tijdens het modelleren. De fouten van de componenten worden vergroot tijdens de montage. Dit zijn de redenen voor de relatieve fouten.

Op basis van de resultaten van de steady-state simulatie werd de totale energiebenuttingscoëfficiënt van het 16 kW dieselgenerator-afvalwarmtebenuttingskoelsysteem geëvalueerd. De berekeningsmethode voor de totale energiebenuttingscoëfficiënt van het systeem is een formule.

X is de totale energiebenuttingscoëfficiënt van het 16 kW dieselgeneratorsysteem, PG is de 16 kW dieselgenerator, kW, RC is de libr-absorptiekoeler, kW, EC is het overige energieverbruik van het systeem, kW; FC is het brandstofverbruik van de dieselgenerator, kW; PC is het stroomverbruik van het systeem, kW.

Onder de ontworpen bedrijfsomstandigheden heeft de 16 kW dieselgenerator een vermogen van 357,6 kW, de lithiumbromide-absorptiekoeler heeft een vermogen van 579,79 kW, het overige energieverbruik van het systeem is 132 kW en het brandstofverbruik van de 16 kW dieselgenerator is ongeveer 1286 kW, het stroomverbruik van pompen en andere energieverbruikende apparatuur in het systeem is ongeveer 30 kW.

Volgens de berekening van formule (6) bedraagt ​​de totale energiebenuttingscoëfficiënt van het 16 kW dieselgeneratorkoelsysteem ongeveer 0,813 en is de energiebenuttingsefficiëntie aanzienlijk verbeterd, namelijk meer dan 0,8, en voldoet aan de ontwerpvereisten.

De belasting van de 16 kW dieselgenerator wordt bepaald door het stroomverbruik. Een verandering in de belasting resulteert in een verandering van de uitlaattemperatuur en het debiet van de 16 kW dieselgenerator, wat van invloed is op de koelcapaciteit van de lithiumbromide-absorptiekoeler stroomafwaarts van het systeem.

Het thermodynamische proces van het systeem is complex en kent traagheidsvertragingen. Door de simulatietijd in te stellen op 6000 seconden, beginnend bij 2000 seconden en de stapsgewijze verandering toe te voegen, wordt de belasting van de 16 kW dieselgenerator verlaagd van 100% naar 80% en wordt de dynamische simulatieberekening uitgevoerd.

Vanaf de jaren 2000 wordt de belasting teruggebracht van 352,3 kW naar 287,48 kW, de uitlaatgasstroom van 1,3187 kg naar 1,1192 kg en de uitlaatgastemperatuur van 462°C tot 453 °C voor de 16 kW dieselgenerator. Het hele dynamische responsproces duurt ongeveer 100 seconden. De dieselbelasting is met 20% verminderd, het toerental van de dieselmotor is verhoogd, de regulateur reageert snel en de brandstofinjectie is verlaagd om de snelheid stabiel te houden op het ingestelde punt. De afname van de brandstofinjectie in de dieselmotor resulteert in een afname van de uitlaattemperatuur en het debiet.

Het koelvermogen nam licht toe en daalde vervolgens snel naar een stabiele waarde, van 579,79 kW naar 507,15 kW. Zoals te zien is in figuur 9, nam de koelcoëfficiënt licht toe en daalde vervolgens van 1,394 naar 1,402. De afname van de belasting van de 16 kW dieselgenerator resulteerde in een afname van de warmte-energie die het gehele 16 kW dieselgeneratorsysteem binnenkwam, wat leidde tot een afname van het koelvermogen van de koelmachine. De koelcoëfficiënt nam echter licht toe en het hele dynamische proces was rond 2000 voltooid.

4 CONCLUSIE

Er wordt een nieuwe energiebesparende koeltechnologie bestudeerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van restwarmte van de dieselenergieopwekking, en waarbij een woonwijk op een eiland als voorbeeld wordt genomen.

1) Er werd een geïntegreerd ontwerp gemaakt van een 16 kW dieselgenerator met afvalwarmtebenutting en koelsysteem, en de ontwerpparameters werden bepaald. Door middel van statische en dynamische simulatieberekeningen werden de systeemprestaties geanalyseerd, waarna het regelsysteem werd ontworpen en de optimalisatie van het systeem werd gerealiseerd.

2) De steady-state simulatie wordt uitgevoerd onder de ontwerpomstandigheden en de relatieve fout is minder dan 3%, wat voldoet aan de ontwerpvereisten en de nauwkeurigheid en correctheid van het model valideert. Volgens de resultaten van de steady-state simulatie bedraagt ​​de totale energiebenuttingscoëfficiënt van het systeem ongeveer 0,813, wat voldoet aan de ontwerpvereisten.

3) Er wordt een dynamische simulatie van de verstoring van de 16 kW-belasting uitgevoerd, wat resulteert in een verlaging van de 16 kW-belasting, een vermindering van de stroomopwekking, een vermindering van de warmte-energie van het uitlaatgas, een vermindering van het koelvermogen en een lichte toename van de koelcoëfficiënt. De simulatieresultaten tonen aan dat het koelvermogen van de 16 kW-centrale lager is dan dat van de 16 kW-centrale, dat het vermogen van de 16 kW-centrale lager is dan dat van de 16 kW-centrale en dat de warmte-energie van het uitlaatgas lager is dan die van de 16 kW-dieselgenerator.