Proiectarea și analiza performanței unuiGenerator diesel de 16 kWSistem de refrigerare care utilizează căldura reziduală

Din situația cercetărilor anterioare, proiectarea și simularea sistemului de cogenerare distribuită este prea modernă.

1 proiectare de integrare a sistemului

Zona rezidențială selectată pentru insulă este alimentată de un generator diesel de 16 kW, gazele de eșapament ale motorului diesel conțin multă energie termică, iar răcitorul cu absorbție pe bază de bromură de litiu folosește gazele de eșapament ca sursă de căldură de lucru pentru a le refrigera pentru utilizatori. Pentru a crește intervalul de reglare a sarcinii de răcire, este adoptat frigiderul de tip postcombustie. Designul general al sistemului de generator diesel de 16 kW al insulei este ilustrat în figura 1.

Pe baza principiului de proiectare al răcirii electrice (adaptarea chillerului la generatorul diesel de 16 kW), în această lucrare se efectuează selecția potrivită a chillerului. Zona rezidențială are o suprafață brută de aproximativ 4.850 m2 și un generator diesel de 16 kW cu o putere nominală de 350 kW. Generatorul diesel de 16 kW produce gaze de eșapament la o temperatură de aproximativ 450 °F (450 °F).°C, iar energia termică disponibilă răcitorului de lichid este de aproximativ 420 kW. A fost selectat răcitorul de lichid cu absorbție pe bază de bromură de litiu cu efect dublu, cu un coeficient de refrigerare de 1,4 și o putere de 582 kW. Sarcina medie de răcire a utilizatorilor insulei este de 120 W/m2. Conform investigației, 120 W/m2 satisface cererea utilizatorilor insulei pentru sarcina de răcire. Prin urmare, atunci când generatorul diesel de 16 kW funcționează în condițiile nominale de funcționare, căldura reziduală din gazele de eșapament poate satisface cererea frigiderului. Parametrii de proiectare ai sistemului de refrigerare al generatorului diesel de 16 kW sunt prezentați în Tabelul 1.

2. Modelare matematică

Sistemul de refrigerare cu generator diesel de 16 kW este foarte complex, implicând numeroase aspecte precum dinamica, termodinamica și transferul de căldură, așadar este foarte important să se aleagă o metodă de modelare adecvată. În această lucrare, modelul de simulare al sistemului de refrigerare cu utilizare a căldurii reziduale de 16 kW este stabilit utilizând metoda de modelare modulară. Sistemul de refrigerare cu utilizare a căldurii reziduale cu generator diesel de 16 kW este un sistem termodinamic tipic, modulele fiind împărțite în funcție de trecerea substanței de lucru și a energiei.

După determinarea întregii idei de modelare, ar trebui să alegem o metodă rezonabilă pentru a simula cu exactitate funcționarea sistemului.

Această lucrare studiază în principal puterea de ieșire și energia termică de evacuare a unui generator diesel de 16 kW sub diferite sarcini, fără a lua în considerare procesul intern de funcționare al generatorului diesel de 16 kW. Modelarea folosind metoda medierii asigură acuratețea simulării generatorului diesel de 16 kW la nivel de integrare a sistemului.

Există multe tipuri de schimbătoare de căldură în sistemul de refrigerare al generatorului diesel de 16 kW, iar între schimbătoarele de căldură există o cuplare presiune-debit. Metoda tradițională de modelare împarte modulul în funcție de modelul fizic, calculează presiunea și debitul fiecărui modul separat conform ecuației de echilibru și trebuie să îndeplinească condiția de restricție de egalitate la limită. Prin urmare, calculul iterativ este inevitabil, iar timpul de calcul este crescut. Pentru a rezolva această problemă, s-a stabilit un model de simulare al unui sistem de refrigerare al generatorului diesel de 16 kW care utilizează căldură reziduală prin metoda inerției volumetrice.

Conform metodei inerției volumetrice, debitul în fiecare componentă nu este echilibrat, fiecare componentă fiind considerată în funcție de legătura de inerție volumetrică. Fiecare componentă este considerată un modul de volum, iar conducta de legătură dintre fiecare componentă este un modul de rezistență. Pentru modulul de volum, ignorând rezistența internă a fluidului, presiunea din interiorul modulului de volum este uniformă. Presiunea din modulul de volum poate fi calculată în funcție de diferența dintre debitul masic la ambele capete ale modulului de volum și de variația de temperatură din modulul de volum. Cu toate acestea, diferența de presiune dintre intrare și ieșire și pierderea prin frecare a peretelui țevii determină modificarea fluxului, iar valoarea dinamică a fluxului poate fi calculată în funcție de conservarea impulsului.

Luând ca exemplu o țeavă de lungime l, aceasta este împărțită în modul de volum și modul de rezistență, și se stabilește modelul său de inerție volumică.

1) modul de volum.

Debitul pe unitatea de timp în modulul de volum este M1, iar debitul pe unitatea de timp din modulul de volum este M2. Conform conservării masei: Debit în modulul de volum - debit din modulul de volum = incrementul de masă al modulului de volum, incrementul de masă al modulului de volum poate fi calculat:

În formulă: M este masa fluidului de lucru în modulul de volum, în kg; v este volumul fluidului de lucru în modulul de volum, M3; kg/m3 este densitatea fluidului de lucru în modulul de volum; M1 și M2 sunt debitul masic al fluidului care intră și iese din modulul de volum, în kg/s.

2) modul rezistiv.

În modulul rezistiv, debitul se modifică datorită diferenței de presiune și rezistenței la frecare a fluidului. Conform legii conservării MOMENTULUI LINIAR: impulsul care intră în modulul rezistiv - impulsul care iese din modulul rezistiv + impulsul forței externe = incrementul impulsului modulului rezistiv, masa fluidului care curge prin secțiunea transversală a modulului rezistiv poate fi calculată:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

În formula: M este debitul masic al fluidului de lucru prin conductă, kg/s; v este viteza fluidului de lucru, m/s; a este aria secțiunii transversale a conductei, m²; l este lungimea conductei, m; p¹ și P² sunt presiunile de pe ambele părți ale modulului rezistiv, PA; UL este rezistența la frecare a fluidului pe peretele conductei, semnul minus reprezintă rezistența la frecare în direcția opusă curgerii fluidului, U este circumferința umedă a conductei, U este rezistența la frecare pe unitatea de suprafață, = 1/2 FV², F este coeficientul de frecare al schimbătorului de căldură pe parcurs, care poate fi obținut conform formulei empirice.

3 analize ale performanței sistemului

În această lucrare, un generator diesel turbo în patru timpi de 16 kW este împărțit în compresor, turbină, rotor de turbină, intercooler, țeavă de admisie și evacuare, regulator, cilindru și generator, un model de simulare a generatorului diesel de 16 kW fiind construit folosind metoda medie.

Sistemul de refrigerare pentru generator diesel de 16 kW are un număr mare de schimbătoare de căldură, iar metoda inerției volumetrice este utilizată pentru a construi modelele de simulare ale fiecărei componente. Mediul de lucru lichid din sistem constă în principal din gaze reziduale, soluție de bromură de litiu, apă, vapori de apă și așa mai departe. Pentru a garanta acuratețea calculului modelului, a fost stabilit un model pentru calcularea proprietăților termice ale mediului de lucru conform formulei de ajustare. Modelele de simulare ale chillerelor cu absorbție de 16 kW și bromură de litiu sunt construite și depanate, respectiv, în software-ul Matlab/Simulink. În final, modelul de simulare al chillerelor cu generator diesel de 16 kW care utilizează căldură reziduală este combinat așa cum se arată în figura 4.

În simularea în regim staționar, conform parametrilor de proiectare, mai întâi, se stabilesc condițiile limită în software-ul de simulare Matlab/Simulink, iar valorile inițiale ale variabilelor de stare ale modelului sunt atribuite. Algoritmul ODE45 cu precizie ridicată de simulare este utilizat pentru a seta timpul de simulare la 2000 de secunde. Tabelul 2 prezintă comparația dintre rezultatele simulării în regim staționar și parametrii de proiectare.

Tabelul 2 arată că eroarea relativă dintre valoarea simulării în stare staționară și parametrii de proiectare ai sistemului de refrigerare cu generator diesel de 16 kW este mai mică de 3%, ceea ce îndeplinește cerința de precizie a simulării sistemului și verifică corectitudinea și acuratețea modelului de simulare. Parametrii termici ai mediului de lucru din sistem sunt obținuți prin ajustarea formulei, se fac ipotezele necesare în modelare, iar erorile componentelor vor fi amplificate la asamblare, acestea fiind motivele erorilor relative.

Pe baza rezultatelor simulării în regim staționar, a fost evaluat coeficientul total de utilizare a energiei pentru sistemul de refrigerare cu utilizare a căldurii reziduale a unui generator diesel de 16 kW. Metoda de calcul a coeficientului total de utilizare a energiei pentru sistem este sub formă de formulă.

X este coeficientul total de utilizare a energiei al sistemului de generator diesel de 16 kW, PG este generatorul diesel de 16 kW, kW, RC este răcitorul cu absorbție libr, kW, EC este consumul de energie al sistemului, kW; FC este consumul de combustibil al generatorului diesel, kW; PC este consumul de energie al sistemului, kW.

În condițiile de funcționare proiectate, generatorul diesel de 16 kW are o capacitate de 357,6 kW, răcitorul cu absorbție pe bază de bromură de litiu are o capacitate de 579,79 kW, consumul de energie suplimentar al sistemului este de 132 kW, iar consumul de combustibil al generatorului diesel de 16 kW este de aproximativ 1286 kW, consumul de energie al pompelor și al altor echipamente consumatoare de energie din sistem este de aproximativ 30 kW.

Conform calculului formulei (6), coeficientul total de utilizare a energiei al sistemului de refrigerare al generatorului diesel de 16 kW este de aproximativ 0,813, iar eficiența utilizării energiei este mult îmbunătățită, fiind mai mare de 0,8 și îndeplinește cerințele de proiectare.

Sarcina generatorului diesel de 16 kW este determinată de consumul de energie. Modificarea sarcinii va duce la modificarea temperaturii gazelor de eșapament și a debitului generatorului diesel de 16 kW, ceea ce va afecta capacitatea de răcire a răcitorului de lichid cu absorbție pe bază de bromură de litiu din aval de sistem.

Procesul termodinamic al sistemului este complex, cu întârzieri inerțiale. Prin setarea întregului timp de simulare la 6000 de secunde, începând cu anii 2000, adăugând schimbarea treaptă, sarcina generatorului diesel de 16 kW este redusă de la 100% la 80%, iar calculul simulării dinamice este efectuat.

Începând cu anii 2000, sarcina este redusă de la 352,3 kW la 287,48 kW, debitul de gaze de eșapament de la 1,3187 kg la 1,1192 kg, iar temperatura gazelor de eșapament de la 462De la °C la 453 °C pentru generatorul diesel de 16 kW. Întregul proces de răspuns dinamic este de aproximativ 100 de secunde. Sarcina motorului diesel este redusă cu 20%, turația motorului diesel este crescută, regulatorul răspunde rapid și injecția de combustibil este redusă pentru a menține stabilitatea turației la punctul de setare. Scăderea injecției de combustibil în motorul diesel are ca rezultat scăderea temperaturii gazelor de evacuare și a debitului.

Capacitatea de răcire a crescut ușor și apoi a scăzut rapid la o altă valoare stabilă, de la 579,79 kW la 507,15 kW. După cum se poate observa din figura 9, coeficientul de refrigerare a crescut ușor și apoi a scăzut de la 1,394 la 1,402. Scăderea sarcinii generatorului diesel de 16 kW a dus la scăderea energiei termice care intră în întregul sistem al generatorului diesel de 16 kW, ceea ce a dus la scăderea capacității de refrigerare a chiller-ului, dar coeficientul de refrigerare a crescut ușor, iar întregul proces dinamic s-a finalizat în jurul anilor 2000.

4 CONCLUZIE

Luând ca exemplu o zonă rezidențială de pe o insulă, este studiată o nouă tehnologie de refrigerare de economisire a energiei care utilizează căldura reziduală provenită de la generarea de energie pe motorină.

1) A fost realizat proiectarea integrată a unui sistem de refrigerare cu utilizare a căldurii reziduale provenit de la un generator diesel de 16 kW, iar parametrii de proiectare au fost determinați. Prin calculul simulării statice și dinamice a sistemului, se analizează performanța sistemului, apoi se proiectează sistemul de control și se realizează optimizarea sistemului.

2) simularea în regim staționar este efectuată în condițiile de proiectare, iar eroarea relativă este mai mică de 3%, ceea ce îndeplinește cerințele de proiectare și validează acuratețea și corectitudinea modelului. Conform rezultatelor simulării în regim staționar, coeficientul total de utilizare a energiei sistemului este de aproximativ 0,813, ceea ce îndeplinește cerințele de proiectare.

3) se efectuează simularea dinamică a perturbației sarcinii de 16 kW, ceea ce duce la reducerea sarcinii de 16 kW, reducerea generării de energie, reducerea energiei termice a gazelor de eșapament, reducerea capacității de răcire și o ușoară creștere a coeficientului de răcire. Rezultatele simulării arată că capacitatea de răcire a centralei electrice de 16 kW este mai mică decât cea a centralei electrice de 16 kW, iar puterea centralei electrice de 16 kW este mai mică decât cea a centralei electrice de 16 kW, iar energia termică a gazelor de eșapament este mai mică decât cea a generatorului diesel de 16 kW.