Projektowanie i analiza wydajnościGenerator diesla 16 kWSystem chłodniczy wykorzystujący ciepło odpadowe

Na podstawie dotychczasowych badań można stwierdzić, że projektowanie i symulacja rozproszonych układów kogeneracyjnych jest zbyt nowoczesna.

1 projekt integracji systemu

Wybrany obszar mieszkalny na wyspie jest zasilany 16-kilowatowym generatorem diesla. Spaliny silnika diesla zawierają dużo energii cieplnej, a absorpcyjna chłodziarka z bromkiem litu wykorzystuje spaliny jako robocze źródło ciepła do chłodzenia użytkowników. Aby zwiększyć zakres regulacji obciążenia chłodniczego, zastosowano lodówkę z dopalaniem. Ogólny projekt wyspiarskiego systemu generatora diesla o mocy 16 kW przedstawiono na rysunku 1.

W niniejszym artykule, w oparciu o zasadę projektowania chłodzenia elektrycznego (dobór agregatu chłodniczego do generatora diesla o mocy 16 kW), dokonano doboru agregatu. Powierzchnia użytkowa budynku mieszkalnego wynosi około 4850 m², a moc znamionowa generatora diesla o mocy 16 kW wynosi 350 kW. Generator diesla o mocy 16 kW wytwarza spaliny o temperaturze około 450°C.°C, a energia cieplna dostępna dla agregatu wynosi około 420 kW. Wybrano dwufunkcyjny, równoległy agregat absorpcyjny z bromkiem litu o współczynniku chłodzenia 1,4 i mocy 582 kW. Średnie obciążenie chłodnicze użytkowników wyspy wynosi 120 W/m². Zgodnie z wynikami badań, 120 W/m² zaspokaja zapotrzebowanie użytkowników wyspy na chłodzenie. Dlatego też, gdy generator diesla o mocy 16 kW pracuje w znamionowych warunkach pracy, ciepło odpadowe ze spalin może pokryć zapotrzebowanie lodówki. Parametry projektowe układu chłodniczego z generatorem diesla o mocy 16 kW przedstawiono w tabeli 1.

2. Modelowanie matematyczne

Układ chłodniczy z generatorem diesla o mocy 16 kW jest bardzo złożony i obejmuje wiele zagadnień, takich jak dynamika, termodynamika i wymiana ciepła, dlatego wybór odpowiedniej metody modelowania jest niezwykle ważny. W niniejszym artykule przedstawiono model symulacyjny układu chłodniczego z wykorzystaniem ciepła odpadowego o mocy 16 kW, wykorzystując modułową metodę modelowania. Układ chłodniczy z wykorzystaniem ciepła odpadowego z generatorem diesla o mocy 16 kW jest typowym układem termodynamicznym, a moduły są podzielone ze względu na przepływ czynnika roboczego i energii.

Po ustaleniu całej koncepcji modelowania powinniśmy wybrać rozsądną metodę, aby dokładnie symulować działanie systemu.

W niniejszym artykule analizuje się głównie moc wyjściową i ciepło spalin generatora diesla o mocy 16 kW przy różnych obciążeniach, bez uwzględniania wewnętrznego procesu pracy tego generatora. Modelowanie z wykorzystaniem metody uśredniania zapewnia dokładność symulacji generatora diesla o mocy 16 kW na poziomie integracji systemu.

W układzie chłodniczym generatora diesla o mocy 16 kW występuje wiele typów wymienników ciepła, a między nimi występuje sprzężenie ciśnienia i przepływu. Tradycyjna metoda modelowania dzieli moduł zgodnie z modelem fizycznym, oblicza ciśnienie i przepływ dla każdego modułu oddzielnie zgodnie z równaniem bilansu i musi spełniać warunek równych ograniczeń brzegowych. W związku z tym obliczenia iteracyjne są nieuniknione, a czas obliczeń wydłuża się. Aby rozwiązać ten problem, stworzono model symulacyjny układu chłodniczego generatora diesla o mocy 16 kW wykorzystującego ciepło odpadowe metodą bezwładności objętościowej.

Zgodnie z metodą bezwładności objętościowej, natężenie przepływu w każdym elemencie nie jest zrównoważone, a każdy element jest rozpatrywany zgodnie z relacją bezwładności objętościowej. Każdy element jest traktowany jako moduł objętości, a rura łącząca każdy element jako moduł oporu. W przypadku modułu objętości, pomijając wewnętrzny opór cieczy, ciśnienie wewnątrz modułu objętości jest równomierne. Ciśnienie w module objętości można obliczyć na podstawie różnicy masowego natężenia przepływu na obu końcach modułu objętości oraz zmiany temperatury w module objętości. Jednakże różnica ciśnień między wlotem a wylotem oraz straty tarcia na ściance rury powodują zmianę strumienia, a wartość dynamiczną strumienia można obliczyć zgodnie z zasadą zachowania pędu.

Biorąc za przykład odcinek rury o długości l, dzielimy go na moduł objętości i moduł oporu, a następnie ustalamy model bezwładności objętości.

1) moduł głośności.

Przepływ w jednostce czasu do modułu objętości wynosi M1, a przepływ w jednostce czasu z modułu objętości wynosi M2. Zgodnie z zasadą zachowania masy: przepływ do modułu objętości – przepływ z modułu objętości = przyrost masy modułu objętości, przyrost masy modułu objętości można obliczyć:

We wzorze: M to masa czynnika roboczego w module objętości, kg; v to objętość czynnika roboczego w module objętości, M3; kg/m3 to gęstość czynnika roboczego w module objętości; M1 i M2 to masowy przepływ czynnika wchodzącego i wychodzącego z modułu objętości, kg/s.

2) moduł rezystancyjny.

W module oporowym natężenie przepływu zmienia się ze względu na różnicę ciśnień i opór tarcia cieczy. Zgodnie z zasadą zachowania PĘDU LINIOWEGO: pęd wchodzący do modułu oporowego – pęd wychodzący z modułu oporowego + pęd siły zewnętrznej = przyrost pędu modułu oporowego. Masę cieczy przepływającej przez przekrój modułu oporowego można obliczyć:

numer_strony_ebook=33,numer_strony_książki=25

We wzorze: M jest masowym natężeniem przepływu czynnika roboczego przez rurę, kg/s; v jest prędkością czynnika roboczego, m/s; a jest powierzchnią przekroju poprzecznego rury, m2; l jest długością rury, m; p1 i P2 są ciśnieniami po obu stronach modułu oporu, PA; UL jest oporem tarcia czynnika na ściance rury, znak minus oznacza opór tarcia w kierunku przeciwnym do przepływu czynnika, U jest mokrym obwodem rury, U jest oporem tarcia na jednostkę powierzchni, = 1/2 FV2, F jest współczynnikiem tarcia wymiennika ciepła wzdłuż drogi, który można uzyskać zgodnie ze wzorem empirycznym.

3 analiza wydajności systemu

W tym artykule czterosuwowy turbodoładowany generator diesla o mocy 16 kW podzielono na sprężarkę, turbinę, wirnik turbiny, chłodnicę międzystopniową, rurę dolotową i wydechową, regulator, cylinder i generator. Model symulacyjny generatora diesla o mocy 16 kW zbudowano przy użyciu metody uśredniania.

Układ chłodniczy z generatorem diesla o mocy 16 kW posiada dużą liczbę wymienników ciepła, a do zbudowania modeli symulacyjnych każdego z komponentów wykorzystano metodę bezwładności objętościowej. Ciekły czynnik roboczy w układzie składa się głównie z gazów odlotowych, roztworu bromku litu, wody, pary wodnej itd. Aby zagwarantować dokładność obliczeń modelu, opracowano model do obliczania właściwości termicznych czynnika roboczego zgodnie ze wzorem dopasowania. Modele symulacyjne agregatów chłodniczych o mocy 16 kW i absorpcyjnych agregatów chłodniczych z bromkiem litu zostały zbudowane i debugowane odpowiednio w oprogramowaniu Matlab/Simulink. Na koniec, model symulacyjny agregatów chłodniczych o mocy 16 kW z generatorem diesla wykorzystujących ciepło odpadowe został połączony, jak pokazano na rysunku 4.

W symulacji stanu ustalonego, zgodnie z parametrami projektowymi, najpierw ustala się warunki brzegowe w oprogramowaniu symulacyjnym Matlab/Simulink, a następnie przypisuje się wartości początkowe zmiennych stanu modelu. Algorytm ODE45 o wysokiej dokładności symulacji jest używany do ustawienia czasu symulacji na 2000 s. Tabela 2 przedstawia porównanie wyników symulacji stanu ustalonego z parametrami projektowymi.

Tabela 2 pokazuje, że błąd względny między wartością symulacji w stanie ustalonym a parametrami projektowymi układu chłodniczego z generatorem diesla o mocy 16 kW wynosi mniej niż 3%, co spełnia wymagania dotyczące precyzji symulacji układu i potwierdza poprawność i dokładność modelu symulacyjnego. Parametry termiczne czynnika roboczego w układzie uzyskano poprzez dopasowanie wzoru, przyjęto niezbędne założenia w modelowaniu, a błędy komponentów ulegną powiększeniu po ich złożeniu – oto przyczyny błędów względnych.

Na podstawie wyników symulacji stanu ustalonego, oszacowano całkowity współczynnik wykorzystania energii układu chłodniczego wykorzystującego ciepło odpadowe z generatora diesla o mocy 16 kW. Metodę obliczania całkowitego współczynnika wykorzystania energii układu przedstawiono za pomocą wzoru.

X to całkowity współczynnik wykorzystania energii układu generatora diesla o mocy 16 kW, PG to moc generatora diesla o mocy 16 kW, kW, RC to absorpcyjna chłodziarka libr, kW, EC to pozostałe zużycie energii układu, kW; FC to zużycie paliwa przez generator diesla, kW; PC to zużycie energii układu, kW.

W zaprojektowanych warunkach pracy generator diesla o mocy 16 kW ma moc 357,6 kW, absorpcyjna chłodziarka bromku litu ma moc 579,79 kW, pozostałe zużycie energii przez system wynosi 132 kW, a zużycie paliwa przez generator diesla o mocy 16 kW wynosi około 1286 kW, pobór mocy pomp i innych urządzeń pobierających energię w systemie wynosi około 30 kW.

Zgodnie z obliczeniami wzoru (6), całkowity współczynnik wykorzystania energii układu chłodniczego generatora diesla o mocy 16 kW wynosi około 0,813, a efektywność wykorzystania energii znacznie się poprawiła, przekraczając 0,8 i spełniając wymagania projektowe.

Obciążenie generatora diesla o mocy 16 kW jest określane na podstawie poboru mocy. Zmiana obciążenia spowoduje zmianę temperatury spalin i natężenia przepływu w generatorze diesla o mocy 16 kW, co wpłynie na wydajność chłodzenia absorpcyjnej chłodziarki bromku litu znajdującej się za systemem.

Proces termodynamiczny układu jest złożony i charakteryzuje się opóźnieniami bezwładnościowymi. Ustawienie całego czasu symulacji na 6000 s, począwszy od 2000 s, z uwzględnieniem skoku, zmniejsza obciążenie generatora diesla o mocy 16 kW ze 100% do 80% i przeprowadza obliczenia symulacji dynamicznej.

Począwszy od lat 2000 obciążenie zostało zmniejszone z 352,3 kW do 287,48 kW, przepływ spalin z 1,3187 kg do 1,1192 kg, a temperatura spalin z 462°C do 453 °C dla generatora diesla o mocy 16 kW. Cały proces dynamicznej reakcji trwa około 100 sekund. Obciążenie silnika diesla zmniejszone o 20%, zwiększona prędkość obrotowa silnika diesla, szybsza reakcja regulatora, zmniejszenie wtrysku paliwa w celu utrzymania stabilności prędkości obrotowej na poziomie zadanym. Zmniejszenie wtrysku paliwa w silniku diesla powoduje obniżenie temperatury spalin i natężenia przepływu.

Moc chłodnicza nieznacznie wzrosła, a następnie gwałtownie spadła do kolejnej stabilnej wartości, z 579,79 kW do 507,15 kW. Jak widać na rysunku 9, współczynnik chłodzenia nieznacznie wzrósł, a następnie spadł z 1,394 do 1,402. Zmniejszenie obciążenia generatora diesla o mocy 16 kW spowodowało spadek energii cieplnej dostarczanej do całego systemu generatora diesla o mocy 16 kW, co doprowadziło do zmniejszenia wydajności chłodniczej agregatu, ale współczynnik chłodzenia nieznacznie wzrósł, a cały proces dynamiczny zakończył się około roku 2000.

4 WNIOSKI

Biorąc za przykład obszar mieszkalny wyspy, badano nową, energooszczędną technologię chłodzenia, wykorzystującą ciepło odpadowe powstające w procesie wytwarzania prądu z silników Diesla.

1) Wykonano zintegrowany projekt układu chłodniczego wykorzystującego ciepło odpadowe z generatora diesla o mocy 16 kW oraz określono parametry projektowe. Poprzez obliczenia symulacji statycznej i dynamicznej systemu przeanalizowano jego wydajność, a następnie zaprojektowano układ sterowania i przeprowadzono jego optymalizację.

2) Symulacja w stanie ustalonym jest przeprowadzana w warunkach projektowych, a błąd względny jest mniejszy niż 3%, co spełnia wymagania projektowe i potwierdza dokładność i poprawność modelu. Zgodnie z wynikami symulacji w stanie ustalonym, całkowity współczynnik wykorzystania energii systemu wynosi około 0,813, co spełnia wymagania projektowe.

3) Przeprowadzono dynamiczną symulację zakłóceń obciążenia 16 kW, co spowodowało zmniejszenie obciążenia 16 kW, zmniejszenie wytwarzania energii, zmniejszenie energii cieplnej spalin, zmniejszenie wydajności chłodniczej oraz nieznaczny wzrost współczynnika chłodzenia. Wyniki symulacji pokazują, że wydajność chłodnicza elektrowni 16 kW jest niższa niż elektrowni 16 kW, a moc wyjściowa elektrowni 16 kW jest niższa niż elektrowni 16 kW, a energia cieplna spalin jest niższa niż generatora diesla 16 kW.