Análise de projeto e desempenho de umGerador a diesel de 16 kWSistema de refrigeração utilizando calor residual

A partir da situação de pesquisa anterior, o projeto e a simulação do sistema de cogeração distribuída são muito modernos.

1 projeto de integração de sistemas

A área residencial da ilha selecionada é alimentada por um gerador a diesel de 16 kW. Os gases de escape do motor a diesel contêm muita energia térmica, e o chiller de absorção de brometo de lítio utiliza os gases de escape como fonte de calor para refrigerar os usuários. Para aumentar a faixa ajustável da carga de resfriamento, foi adotado um refrigerador do tipo pós-combustão. O projeto geral do sistema gerador a diesel de 16 kW da ilha é ilustrado na Figura 1.

Com base no princípio de projeto de resfriamento elétrico (compatibilidade do chiller com o gerador a diesel de 16 kW), a seleção do chiller correspondente é realizada neste artigo. A área residencial possui uma área bruta construída de aproximadamente 4.850 m² e um gerador a diesel de 16 kW com potência nominal de 350 kW. O gerador a diesel de 16 kW produz gases de escape a uma temperatura de aproximadamente 450 °C.°C, e a energia térmica disponível para o chiller é de cerca de 420 kW. Foi selecionado um chiller de absorção de brometo de lítio paralelo de duplo efeito com coeficiente de refrigeração de 1,4 e potência de 582 kW. A carga média de resfriamento dos usuários da ilha é de 120 W/m². De acordo com a investigação, 120 W/m² atendem à demanda dos usuários da ilha para carga de resfriamento. Portanto, quando o gerador a diesel de 16 kW é operado sob a condição de trabalho nominal, o calor residual dos gases de escape pode atender à demanda do refrigerador. Os parâmetros de projeto do sistema de refrigeração do gerador a diesel de 16 kW são mostrados na Tabela 1.

2. Modelagem matemática

O sistema de refrigeração com gerador a diesel de 16 kW é muito complexo, envolvendo diversos aspectos, como dinâmica, termodinâmica e transferência de calor, sendo fundamental a escolha de um método de modelagem adequado. Neste artigo, o modelo de simulação do sistema de refrigeração com aproveitamento de calor residual de 16 kW é estabelecido utilizando o método de modelagem modular. O sistema de refrigeração com aproveitamento de calor residual de um gerador a diesel de 16 kW é um sistema termodinâmico típico, com módulos divididos de acordo com a passagem de substância de trabalho e energia.

Depois de determinar toda a ideia de modelagem, devemos escolher um método razoável para simular a operação do sistema com precisão.

Este artigo estuda principalmente a potência de saída e a energia térmica de exaustão de um gerador a diesel de 16 kW sob diferentes cargas, sem considerar o processo de funcionamento interno do gerador. A modelagem utilizando o método de média garante a precisão da simulação do gerador a diesel de 16 kW no nível de integração do sistema.

Existem diversos tipos de trocadores de calor no sistema de refrigeração de um gerador a diesel de 16 kW, e há um acoplamento pressão-fluxo entre os trocadores de calor. O método de modelagem tradicional divide o módulo de acordo com o modelo físico, calcula a pressão e o fluxo de cada módulo separadamente de acordo com a equação de equilíbrio e deve satisfazer a condição de restrição de igualdade de contorno. Portanto, o cálculo iterativo é inevitável e o tempo de cálculo é aumentado. Para solucionar esse problema, um modelo de simulação de um sistema de refrigeração de um gerador a diesel de 16 kW utilizando calor residual é estabelecido pelo método da inércia volumétrica.

De acordo com o método da inércia volumétrica, a vazão em cada componente não é balanceada, e cada componente é considerado de acordo com a ligação da inércia volumétrica. Ele considera cada componente como um módulo de volume e o tubo de conexão entre cada componente como um módulo de resistência. Para o módulo de volume, ignorando a resistência interna do fluido, a pressão dentro do módulo de volume é uniforme. A pressão no módulo de volume pode ser calculada de acordo com a diferença da vazão mássica em ambas as extremidades do módulo de volume e a variação de temperatura no módulo de volume. No entanto, a diferença de pressão entre a entrada e a saída e a perda por atrito da parede do tubo causam a variação do fluxo, e o valor dinâmico do fluxo pode ser calculado de acordo com a conservação do momento.

Tomando como exemplo um pedaço de tubo l, ele é dividido em módulo de volume e módulo de resistência, e seu modelo de inércia de volume é estabelecido.

1) módulo de volume.

A vazão por unidade de tempo para dentro do módulo de volume é M1, e a vazão por unidade de tempo para fora do módulo de volume é M2. De acordo com a conservação da massa: vazão para dentro do módulo de volume - vazão para fora do módulo de volume = incremento de massa do módulo de volume, o incremento de massa do módulo de volume pode ser calculado:

Na fórmula: M é a massa do fluido de trabalho no módulo de volume, kg; v é o volume do fluido de trabalho no módulo de volume, M3; kg/m3 é a densidade do fluido de trabalho no módulo de volume; M1 e M2 são o fluxo de massa do fluido para dentro e para fora do módulo de volume, kg/s.

2) módulo resistivo.

No módulo resistivo, a vazão varia devido à diferença de pressão e à resistência ao atrito do fluido. De acordo com a lei de conservação do MOMENTO LINEAR: momento que entra no módulo resistivo - momento que sai do módulo resistivo + momento da força externa = incremento de momento do módulo resistivo, a massa do fluido que flui através da seção transversal do módulo resistivo pode ser calculada:

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Na fórmula: M é a vazão mássica do fluido de trabalho através do tubo, kg/s; v é a velocidade do fluido de trabalho, m/s; a é a área da seção transversal do tubo, m 2; l é o comprimento do tubo, m; p 1 e P 2 são as pressões em ambos os lados do módulo resistivo, PA; UL é a resistência ao atrito do fluido na parede do tubo, o sinal de menos representa a resistência ao atrito na direção oposta ao fluxo do fluido, U é a circunferência úmida do tubo, U é a resistência ao atrito por unidade de área, = 1/2 FV 2, F é o coeficiente de atrito do trocador de calor ao longo do caminho, que pode ser obtido de acordo com a fórmula empírica.

3 análise de desempenho do sistema

Neste artigo, um gerador diesel de 16 kW turboalimentado de quatro tempos é dividido em compressor, turbina, rotor da turbina, intercooler, tubo de admissão e escape, regulador, cilindro e gerador. Um modelo de simulação de gerador diesel de 16 kW foi construído usando o método médio.

O sistema de refrigeração do gerador a diesel de 16 kW possui um grande número de trocadores de calor, e o método de inércia volumétrica é usado para construir os modelos de simulação de cada componente. O meio de trabalho líquido no sistema consiste principalmente de gás residual, solução de brometo de lítio, água, vapor d'água e assim por diante. A fim de garantir a precisão do cálculo do modelo, um modelo para calcular as propriedades térmicas do meio de trabalho foi estabelecido de acordo com a fórmula de ajuste. Os modelos de simulação de chillers de absorção de 16 kW e brometo de lítio são construídos e depurados respectivamente no software Matlab/Simulink. Finalmente, o modelo de simulação de chillers de gerador a diesel de 16 kW usando calor residual é combinado como mostrado na Figura 4.

Na simulação em estado estacionário, de acordo com os parâmetros de projeto, primeiramente, as condições de contorno são definidas no software de simulação Matlab/Simulink, e os valores iniciais das variáveis ​​de estado do modelo são atribuídos. O algoritmo ODE45, com alta precisão de simulação, é utilizado para definir o tempo de simulação em 2000 s. A Tabela 2 mostra a comparação entre os resultados da simulação em estado estacionário e os parâmetros de projeto.

A Tabela 2 mostra que o erro relativo entre o valor da simulação em estado estacionário e os parâmetros de projeto do sistema de refrigeração do gerador a diesel de 16 kW é inferior a 3%, o que atende aos requisitos de precisão da simulação do sistema e verifica a exatidão e a exatidão do modelo de simulação. Os parâmetros térmicos do meio de trabalho no sistema são obtidos por meio de fórmulas de ajuste, as suposições necessárias são feitas na modelagem e os erros dos componentes serão ampliados durante a montagem, sendo essas as razões para os erros relativos.

Com base nos resultados da simulação em estado estacionário, foi avaliado o Coeficiente de Utilização Total de Energia do sistema de refrigeração com utilização de calor residual de um gerador a diesel de 16 kW. O método de cálculo do Coeficiente de Utilização Total de Energia do sistema é uma fórmula.

X é o Coeficiente de Utilização de Energia total do sistema gerador a diesel de 16 kW, PG é o gerador a diesel de 16 kW, kW, RC é o chiller de absorção de energia, kW, EC é o outro consumo de energia do sistema, kW; O FC é o consumo de combustível do gerador a diesel, kW; o PC é o consumo de energia do sistema, kW.

Nas condições operacionais projetadas, o gerador a diesel de 16 kW tem uma capacidade de 357,6 kW, o resfriador de absorção de brometo de lítio tem uma capacidade de 579,79 kW, o outro consumo de energia do sistema é de 132 kW, e o consumo de combustível do gerador a diesel de 16 kW é de cerca de 1286 kW, o consumo de energia das bombas e outros equipamentos que consomem energia no sistema é de cerca de 30 kW.

De acordo com o cálculo da Fórmula (6), o Coeficiente de Utilização Total de Energia do sistema de refrigeração do gerador a diesel de 16 kW é de cerca de 0,813, e a eficiência de utilização de energia é bastante melhorada, que é superior a 0,8, e atende aos requisitos de projeto.

A carga do gerador a diesel de 16 kW é determinada pelo consumo de energia. A alteração da carga resultará na alteração da temperatura de exaustão e da vazão do gerador a diesel de 16 kW, o que afetará a capacidade de resfriamento do chiller de absorção de brometo de lítio a jusante do sistema.

O processo termodinâmico do sistema é complexo, com atrasos inerciais. Definindo todo o tempo de simulação para 6000s, a partir dos 2000s, adicionando a mudança de passo, a carga do gerador a diesel de 16 kW é reduzida de 100% para 80%, e o cálculo da simulação dinâmica é realizado.

A partir da década de 2000, a carga é reduzida de 352,3 kW para 287,48 kW, o fluxo de exaustão de 1,3187 kg para 1,1192 kg e a temperatura de exaustão de 462°C a 453 °C para o gerador a diesel de 16 kW. Todo o processo de resposta dinâmica é de cerca de 100 s. A carga de diesel é reduzida em 20%, a velocidade do motor a diesel é aumentada, o regulador responde rapidamente e reduz a injeção de combustível para manter a estabilidade da velocidade no ponto de ajuste. A redução da injeção de combustível no motor a diesel resulta na redução da temperatura de exaustão e da vazão.

A capacidade de refrigeração aumentou ligeiramente e depois caiu rapidamente para outro valor estável, de 579,79 kW para 507,15 kW. Como pode ser visto na Figura 9, o coeficiente de refrigeração aumentou ligeiramente e depois diminuiu de 1,394 para 1,402. A redução da carga do gerador a diesel de 16 kW resultou na redução da energia térmica que entra em todo o sistema do gerador a diesel de 16 kW, o que levou à redução da capacidade de refrigeração do chiller. No entanto, o coeficiente de refrigeração aumentou ligeiramente e todo o processo dinâmico foi concluído em cerca de 2000 segundos.

4 CONCLUSÃO

Tomando como exemplo uma área residencial de uma ilha, é estudada uma nova tecnologia de refrigeração com economia de energia, utilizando calor residual da geração de energia a diesel.

1) Foi realizado o projeto integrado de um sistema de refrigeração com aproveitamento de calor residual de um gerador a diesel de 16 kW, e determinados os parâmetros de projeto. Por meio de cálculos de simulação estática e dinâmica do sistema, o desempenho do sistema é analisado, o sistema de controle é projetado e a otimização do sistema é realizada.

2) A simulação em estado estacionário é realizada na condição de projeto, com erro relativo inferior a 3%, o que atende aos requisitos de projeto e valida a precisão e a correção do modelo. De acordo com os resultados da simulação em estado estacionário, o coeficiente de utilização total de energia do sistema é de aproximadamente 0,813, atendendo aos requisitos de projeto.

3) A simulação dinâmica da perturbação da carga de 16 kW é realizada, resultando na redução da carga de 16 kW, na redução da geração de energia, na redução da energia térmica dos gases de escape, na redução da capacidade de resfriamento e no ligeiro aumento do coeficiente de resfriamento. Os resultados da simulação mostram que a capacidade de resfriamento da usina de 16 kW é menor do que a da usina de 16 kW, e a potência da usina de 16 kW é menor do que a da usina de 16 kW, e a energia térmica dos gases de escape é menor do que a do gerador a diesel de 16 kW.