การออกแบบและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ระบบทำความเย็นโดยใช้ความร้อนทิ้ง

จากสถานการณ์การวิจัยที่ผ่านมา การออกแบบและการจำลองระบบผลิตความร้อนร่วมแบบกระจายยังอยู่ในสภาวะที่มากเกินไป

1 การออกแบบการรวมระบบ

พื้นที่พักอาศัยบนเกาะที่เลือกใช้พลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ ก๊าซไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซลมีพลังงานความร้อนสูง และเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับลิเธียมโบรไมด์ใช้ก๊าซไอเสียเป็นแหล่งความร้อนทำงานเพื่อทำความเย็นให้กับผู้ใช้งาน เพื่อเพิ่มช่วงภาระความเย็นที่ปรับได้ จึงเลือกใช้ตู้เย็นแบบเผาไหม้หลัง (afterburning) การออกแบบโดยรวมของระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์บนเกาะแสดงไว้ในรูปที่ 1

บทความนี้ได้พิจารณาการเลือกใช้เครื่องทำความเย็นที่เหมาะสมตามหลักการออกแบบระบบทำความเย็นไฟฟ้า (เครื่องทำความเย็นที่จับคู่ตามเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์) พื้นที่พักอาศัยมีพื้นที่รวมประมาณ 4,850 ตารางเมตร และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์มีกำลังไฟฟ้า 350 กิโลวัตต์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ผลิตก๊าซไอเสียที่อุณหภูมิประมาณ 450 องศาเซลเซียส°C และพลังงานความร้อนที่เครื่องทำความเย็นสามารถใช้ได้อยู่ที่ประมาณ 420 กิโลวัตต์ เลือกใช้เครื่องทำความเย็นแบบดูดซับลิเธียมโบรไมด์แบบขนานคู่ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็น 1.4 และกำลังไฟฟ้า 582 กิโลวัตต์ ภาระความเย็นเฉลี่ยของผู้ใช้เครื่องทำความเย็นแบบเกาะอยู่ที่ 120 วัตต์ต่อตารางเมตร จากการศึกษาพบว่า 120 วัตต์ต่อตารางเมตรตรงกับความต้องการของผู้ใช้เครื่องทำความเย็นแบบเกาะ ดังนั้น เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ทำงานภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนด ความร้อนทิ้งจากก๊าซไอเสียสามารถตอบสนองความต้องการของตู้เย็นได้ พารามิเตอร์การออกแบบของระบบทำความเย็นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์แสดงไว้ในตารางที่ 1

2. การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

ระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์มีความซับซ้อนมาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับหลายหัวข้อ เช่น พลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ และการถ่ายเทความร้อน ดังนั้นการเลือกวิธีการสร้างแบบจำลองที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ในบทความนี้ แบบจำลองการจำลองระบบทำความเย็นแบบใช้ความร้อนเหลือทิ้งขนาด 16 กิโลวัตต์ ถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการสร้างแบบจำลองแบบโมดูลาร์ ระบบทำความเย็นแบบใช้ความร้อนเหลือทิ้งขนาด 16 กิโลวัตต์ เป็นระบบอุณหพลศาสตร์ทั่วไป โมดูลต่างๆ จะถูกแบ่งตามปริมาณสารทำงานและพลังงานที่ผ่านเข้าออก

หลังจากกำหนดแนวคิดการสร้างแบบจำลองทั้งหมดแล้ว เราควรเลือกวิธีการที่เหมาะสมเพื่อจำลองการทำงานของระบบอย่างแม่นยำ

บทความนี้ศึกษากำลังขับและพลังงานความร้อนไอเสียของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ภายใต้ภาระงานที่แตกต่างกันเป็นหลัก โดยไม่ได้พิจารณากระบวนการทำงานภายในของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ การสร้างแบบจำลองโดยใช้วิธีการหาค่าเฉลี่ยช่วยให้การจำลองเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ในระดับการรวมระบบมีความแม่นยำมากขึ้น

ระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์มีตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลายประเภท และมีการเชื่อมต่อระหว่างความดันและการไหล วิธีการสร้างแบบจำลองแบบดั้งเดิมจะแบ่งโมดูลตามแบบจำลองทางกายภาพ คำนวณความดันและการไหลของแต่ละโมดูลแยกกันตามสมการสมดุล และต้องเป็นไปตามเงื่อนไขข้อจำกัดที่เท่ากันของขอบเขต ดังนั้น การคำนวณแบบวนซ้ำจึงเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้และใช้เวลาในการคำนวณเพิ่มขึ้น เพื่อแก้ปัญหานี้ แบบจำลองการจำลองระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ที่ใช้ความร้อนทิ้งจึงถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีความเฉื่อยเชิงปริมาตร

ตามวิธีความเฉื่อยเชิงปริมาตร อัตราการไหลในแต่ละส่วนประกอบไม่สมดุลกัน และแต่ละส่วนประกอบจะถูกพิจารณาตามลิงก์ความเฉื่อยเชิงปริมาตร โดยถือว่าส่วนประกอบแต่ละส่วนเป็นโมดูลปริมาตร และท่อเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบแต่ละส่วนเป็นโมดูลความต้านทาน สำหรับโมดูลปริมาตร หากไม่คำนึงถึงความต้านทานของไหลภายใน ความดันภายในโมดูลปริมาตรจะสม่ำเสมอ ความดันในโมดูลปริมาตรสามารถคำนวณได้จากความแตกต่างของอัตราการไหลของมวลที่ปลายทั้งสองด้านของโมดูลปริมาตรและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในโมดูลปริมาตร อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของความดันระหว่างทางเข้าและทางออก รวมถึงการสูญเสียแรงเสียดทานของผนังท่อทำให้ฟลักซ์เปลี่ยนแปลง และค่าไดนามิกของฟลักซ์สามารถคำนวณได้จากการอนุรักษ์โมเมนตัม

โดยใช้ความยาวของท่อ 1 เป็นตัวอย่าง จะแบ่งออกเป็นโมดูลปริมาตรและโมดูลความต้านทาน จากนั้นจึงสร้างแบบจำลองความเฉื่อยของปริมาตรขึ้นมา

1) โมดูลปริมาตร

อัตราการไหลต่อหน่วยเวลาเข้าโมดูลปริมาตรคือ M1 และอัตราการไหลต่อหน่วยเวลาออกของโมดูลปริมาตรคือ M2 ตามหลักการอนุรักษ์มวล: การไหลเข้าโมดูลปริมาตร-การไหลออกของโมดูลปริมาตร = การเพิ่มขึ้นของมวลโมดูลปริมาตร สามารถคำนวณการเพิ่มขึ้นของมวลโมดูลปริมาตรได้ดังนี้:

ในสูตร: M คือมวลของของไหลทำงานในโมดูลปริมาตร กก. v คือปริมาตรของของไหลทำงานในโมดูลปริมาตร M3 kg/m3 คือความหนาแน่นของของไหลทำงานในโมดูลปริมาตร M1 และ M2 คืออัตราการไหลของมวลของของไหลที่เข้าและออกจากโมดูลปริมาตร กก./วินาที

2) โมดูลต้านทาน

ในโมดูลต้านทาน อัตราการไหลจะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความแตกต่างของความดันและความต้านทานแรงเสียดทานของของไหล ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น: โมเมนตัมที่เข้าสู่โมดูลต้านทาน - โมเมนตัมที่ออกจากโมดูลต้านทาน + โมเมนตัมของแรงภายนอก = การเพิ่มขึ้นของโมเมนตัมของโมดูลต้านทาน สามารถคำนวณมวลของของไหลที่ไหลผ่านหน้าตัดของโมดูลต้านทานได้ดังนี้

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

ในสูตร: M คืออัตราการไหลของมวลของไหลทำงานผ่านท่อ kg/s; v คือความเร็วของไหลทำงาน m/s; a คือพื้นที่หน้าตัดของท่อ m2; l คือความยาวของท่อ m; p1 และ P2 คือแรงดันทั้งสองด้านของโมดูลต้านทาน PA; UL คือความต้านทานแรงเสียดทานของไหลบนผนังท่อ เครื่องหมายลบแสดงถึงความต้านทานแรงเสียดทานในทิศทางตรงข้ามกับการไหลของไหล U คือเส้นรอบวงเปียกของท่อ U คือความต้านทานแรงเสียดทานต่อหน่วยพื้นที่ = 1/2 FV2, F คือค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนตลอดเส้นทาง ซึ่งสามารถหาได้ตามสูตรเชิงประจักษ์

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของระบบ 3 ระบบ

ในบทความนี้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 4 จังหวะเทอร์โบชาร์จ 16 กิโลวัตต์ แบ่งออกเป็น คอมเพรสเซอร์ กังหัน โรเตอร์กังหัน อินเตอร์คูลเลอร์ ท่อไอดีและไอเสีย ตัวควบคุม กระบอกสูบ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยได้สร้างแบบจำลองจำลองเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์โดยใช้วิธีค่าเฉลี่ย

ระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์มีตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจำนวนมาก และใช้วิธีความเฉื่อยเชิงปริมาตร (volumetric inertia) ในการสร้างแบบจำลองจำลองของแต่ละส่วนประกอบ ตัวกลางของเหลวในระบบประกอบด้วยก๊าซเสีย สารละลายลิเธียมโบรไมด์ น้ำ ไอน้ำ และอื่นๆ เป็นหลัก เพื่อรับประกันความแม่นยำของการคำนวณแบบจำลอง จึงได้สร้างแบบจำลองสำหรับการคำนวณสมบัติทางความร้อนของตัวกลางตามสูตรที่เหมาะสม แบบจำลองจำลองของเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับขนาด 16 กิโลวัตต์และลิเธียมโบรไมด์ถูกสร้างขึ้นและแก้ไขข้อบกพร่องตามลำดับในซอฟต์แวร์ Matlab/Simulink สุดท้าย แบบจำลองจำลองของเครื่องทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ที่ใช้ความร้อนทิ้งจะถูกรวมเข้าด้วยกันดังแสดงในรูปที่ 4

ในการจำลองสภาวะคงตัว ตามพารามิเตอร์การออกแบบ ขั้นแรกเงื่อนไขขอบเขตจะถูกกำหนดในซอฟต์แวร์จำลอง Matlab/Simulink และกำหนดค่าเริ่มต้นของตัวแปรสถานะของแบบจำลอง อัลกอริทึม ODE45 ที่มีความแม่นยำสูงในการจำลองจะถูกใช้เพื่อกำหนดเวลาจำลองเป็น 2000 วินาที ตารางที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างผลการจำลองสภาวะคงตัวและพารามิเตอร์การออกแบบ

ตารางที่ 2 แสดงให้เห็นว่าค่าความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ระหว่างค่าจำลองสภาวะคงตัวและค่าพารามิเตอร์การออกแบบของระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์มีค่าน้อยกว่า 3% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดความแม่นยำในการจำลองระบบและยืนยันความถูกต้องและความแม่นยำของแบบจำลอง พารามิเตอร์ทางความร้อนของตัวกลางทำงานในระบบได้มาจากสูตรการปรับค่า สมมติฐานที่จำเป็นถูกสร้างขึ้นในการสร้างแบบจำลอง และค่าความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบจะเพิ่มมากขึ้นเมื่อประกอบเข้าด้วยกัน นี่คือสาเหตุของความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์

จากผลการจำลองสภาวะคงตัว ได้มีการประเมินค่าสัมประสิทธิ์การใช้พลังงานรวมของระบบทำความเย็นที่ใช้ความร้อนทิ้งจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ วิธีการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การใช้พลังงานรวมของระบบใช้สูตรดังนี้

X คือค่าสัมประสิทธิ์การใช้พลังงานทั้งหมดของระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ PG คือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ กิโลวัตต์ RC คือเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับ libr กิโลวัตต์ EC คือการใช้พลังงานอื่นๆ ของระบบ กิโลวัตต์ FC คือการใช้เชื้อเพลิงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล กิโลวัตต์ PC คือการใช้พลังงานของระบบ กิโลวัตต์

ภายใต้สภาวะการทำงานที่ออกแบบไว้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์มีกำลังการผลิต 357.6 กิโลวัตต์ เครื่องทำความเย็นแบบดูดซับลิเธียมโบรไมด์มีกำลังการผลิต 579.79 กิโลวัตต์ ระบบมีการใช้พลังงานอื่นๆ อยู่ที่ 132 กิโลวัตต์ และการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์อยู่ที่ประมาณ 1,286 กิโลวัตต์ ส่วนการใช้พลังงานของปั๊มและอุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้พลังงานในระบบอยู่ที่ประมาณ 30 กิโลวัตต์

ตามการคำนวณของสูตร (6) ค่าสัมประสิทธิ์การใช้พลังงานรวมของระบบทำความเย็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์อยู่ที่ประมาณ 0.813 และประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้รับการปรับปรุงอย่างมากซึ่งอยู่ที่มากกว่า 0.8 และตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ

โหลดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ถูกกำหนดโดยการใช้พลังงาน การเปลี่ยนแปลงของโหลดจะส่งผลให้อุณหภูมิไอเสียและอัตราการไหลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะส่งผลต่อความสามารถในการทำความเย็นของเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับลิเธียมโบรไมด์ที่อยู่ปลายน้ำของระบบ

กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกของระบบมีความซับซ้อนและมีความล่าช้าเฉื่อย กำหนดเวลาจำลองทั้งหมดไว้ที่ 6,000 วินาที เริ่มจากช่วงปี 2000 บวกกับการเปลี่ยนแปลงแบบขั้นบันได ภาระของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ลดลงจาก 100% เหลือ 80% และดำเนินการคำนวณการจำลองแบบไดนามิก

ตั้งแต่ทศวรรษ 2000 เป็นต้นมา โหลดลดลงจาก 352.3 กิโลวัตต์เหลือ 287.48 กิโลวัตต์ อัตราการไหลของไอเสียลดลงจาก 1.3187 กิโลกรัมเหลือ 1.1192 กิโลกรัม และอุณหภูมิไอเสียลดลงจาก 462°C ถึง 453 °C สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์ กระบวนการตอบสนองแบบไดนามิกทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 100 วินาที โหลดดีเซลลดลง 20% ความเร็วเครื่องยนต์ดีเซลเพิ่มขึ้น ตัวควบคุมการตอบสนองอย่างรวดเร็ว ลดการฉีดเชื้อเพลิงเพื่อรักษาเสถียรภาพความเร็ว ณ จุดที่ตั้งไว้ การลดการฉีดเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลส่งผลให้อุณหภูมิไอเสียและอัตราการไหลลดลง

กำลังการทำความเย็นเพิ่มขึ้นเล็กน้อยและลดลงอย่างรวดเร็วสู่ค่าคงที่ จาก 579.79 กิโลวัตต์ เป็น 507.15 กิโลวัตต์ ดังแสดงในรูปที่ 9 ค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นเพิ่มขึ้นเล็กน้อยและลดลงจาก 1.394 เป็น 1.402 การลดลงของโหลดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ส่งผลให้พลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์ทั้งหมดลดลง ซึ่งส่งผลให้กำลังการทำความเย็นของเครื่องทำความเย็นลดลง แต่ค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย และกระบวนการไดนามิกทั้งหมดเสร็จสิ้นภายในเวลาประมาณ 2,000 วินาที

4 บทสรุป

โดยใช้พื้นที่อยู่อาศัยบนเกาะเป็นตัวอย่าง ศึกษาเทคโนโลยีการทำความเย็นประหยัดพลังงานใหม่โดยใช้ความร้อนเสียจากการผลิตพลังงานดีเซล

1) ได้ทำการออกแบบระบบทำความเย็นแบบใช้ความร้อนทิ้งของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาด 16 กิโลวัตต์แบบบูรณาการ และได้กำหนดพารามิเตอร์การออกแบบ จากนั้นทำการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของระบบด้วยการคำนวณแบบคงที่และแบบไดนามิก จากนั้นจึงออกแบบระบบควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

2) การจำลองสภาวะคงตัวจะดำเนินการภายใต้สภาวะการออกแบบ โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์น้อยกว่า 3% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการออกแบบและยืนยันความถูกต้องและความถูกต้องของแบบจำลอง จากผลการจำลองสภาวะคงตัว ค่าสัมประสิทธิ์การใช้พลังงานรวมของระบบอยู่ที่ประมาณ 0.813 ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ

3) การจำลองแบบไดนามิกของการรบกวนโหลด 16 กิโลวัตต์ ส่งผลให้โหลด 16 กิโลวัตต์ลดลง การผลิตไฟฟ้าลดลง พลังงานความร้อนของก๊าซไอเสียลดลง ความสามารถในการทำความเย็นลดลง และค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าความสามารถในการทำความเย็นของโรงไฟฟ้า 16 กิโลวัตต์ต่ำกว่าของโรงไฟฟ้า 16 กิโลวัตต์ และกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกของโรงไฟฟ้า 16 กิโลวัตต์ต่ำกว่าของโรงไฟฟ้า 16 กิโลวัตต์ และพลังงานความร้อนของก๊าซไอเสียต่ำกว่าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 16 กิโลวัตต์