Phân tích thiết kế và hiệu suất của AMáy phát điện Diesel 16kwHệ thống làm lạnh sử dụng nhiệt thải

Từ tình hình nghiên cứu trước đây, việc thiết kế và mô phỏng hệ thống đồng phát phân tán còn quá mới mẻ.

1 thiết kế tích hợp hệ thống

Khu dân cư trên đảo được lựa chọn sử dụng máy phát điện diesel 16kw, khí thải của động cơ diesel chứa nhiều năng lượng nhiệt, và máy làm lạnh hấp thụ Lithium Bromide lấy khí thải làm nguồn nhiệt làm việc để làm lạnh cho người sử dụng. Để tăng phạm vi điều chỉnh tải làm mát, tủ lạnh kiểu đốt sau được áp dụng. Thiết kế tổng thể của hệ thống máy phát điện diesel 16kw trên đảo được minh họa trong hình 1.

Dựa trên nguyên lý thiết kế hệ thống làm mát bằng điện (máy làm lạnh phù hợp với máy phát điện diesel 16kw), bài báo này đã tiến hành lựa chọn máy làm lạnh phù hợp. Khu dân cư có tổng diện tích sàn khoảng 4.850 m² và máy phát điện diesel 16kw công suất định mức 350kw. Máy phát điện diesel 16kw tạo ra khí thải ở nhiệt độ khoảng 450°C.°C, và năng lượng nhiệt cung cấp cho máy làm lạnh khoảng 420 kW. Máy làm lạnh hấp thụ lithium bromide song song hiệu ứng kép với hệ số làm lạnh 1,4 và công suất 582 kW đã được lựa chọn. Tải làm lạnh trung bình của người dùng đảo là 120 W/m². Theo nghiên cứu, 120 W/m² đáp ứng nhu cầu tải làm lạnh của người dùng đảo. Do đó, khi máy phát điện diesel 16 kW hoạt động ở điều kiện làm việc định mức, nhiệt thải từ khí thải có thể đáp ứng nhu cầu của tủ lạnh. Các thông số thiết kế của hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16 kW được thể hiện trong Bảng 1.

2. Mô hình toán học

Hệ thống làm lạnh của máy phát điện diesel 16kw rất phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố như động lực học, nhiệt động lực học và truyền nhiệt, vì vậy việc lựa chọn phương pháp mô hình hóa phù hợp là rất quan trọng. Trong bài báo này, mô hình mô phỏng của hệ thống làm lạnh tận dụng nhiệt thải 16kw được thiết lập bằng phương pháp mô hình hóa mô-đun. Hệ thống làm lạnh tận dụng nhiệt thải của máy phát điện diesel 16kw là một hệ thống nhiệt động lực học điển hình, các mô-đun được phân chia theo dòng chảy của chất làm việc và năng lượng.

Sau khi xác định được toàn bộ ý tưởng mô hình, chúng ta nên chọn phương pháp hợp lý để mô phỏng hoạt động của hệ thống một cách chính xác.

Bài báo này chủ yếu nghiên cứu công suất đầu ra và năng lượng nhiệt thải của máy phát điện diesel 16kw dưới các mức tải khác nhau, mà không xem xét quy trình vận hành bên trong của máy phát điện diesel 16kw. Mô hình hóa bằng phương pháp trung bình đảm bảo độ chính xác của mô phỏng máy phát điện diesel 16kw ở cấp độ tích hợp hệ thống.

Hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16kw có nhiều loại bộ trao đổi nhiệt, và giữa các bộ trao đổi nhiệt có sự kết hợp áp suất-lưu lượng. Phương pháp mô hình hóa truyền thống phân chia mô-đun theo mô hình vật lý, tính toán áp suất và lưu lượng của từng mô-đun riêng biệt theo phương trình cân bằng, và phải thỏa mãn điều kiện giới hạn biên bằng nhau. Do đó, việc tính toán lặp lại là không thể tránh khỏi và thời gian tính toán bị kéo dài. Để giải quyết vấn đề này, một mô hình mô phỏng hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16kw sử dụng nhiệt thải đã được thiết lập bằng phương pháp quán tính thể tích.

Theo phương pháp quán tính thể tích, lưu lượng dòng chảy trong mỗi thành phần không cân bằng, và mỗi thành phần được xem xét theo liên kết quán tính thể tích. Phương pháp này coi mỗi thành phần là một mô-đun thể tích, và đường ống nối giữa mỗi thành phần là một mô-đun điện trở. Đối với mô-đun thể tích, bỏ qua sức cản của chất lỏng bên trong, áp suất bên trong mô-đun thể tích là đồng đều. Áp suất trong mô-đun thể tích có thể được tính toán theo chênh lệch lưu lượng khối lượng ở hai đầu mô-đun thể tích và sự thay đổi nhiệt độ trong mô-đun thể tích. Tuy nhiên, chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra và tổn thất ma sát của thành ống làm thay đổi từ thông, và giá trị động của từ thông có thể được tính toán theo định luật bảo toàn động lượng.

Lấy một đoạn ống chữ L làm ví dụ, nó được chia thành môđun thể tích và môđun sức cản, và mô hình quán tính thể tích của nó được thiết lập.

1) mô-đun âm lượng.

Lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị thời gian vào mô-đun thể tích là M1, và lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị thời gian ra khỏi mô-đun thể tích là M2. Theo định luật bảo toàn khối lượng: Lưu lượng dòng chảy vào mô-đun thể tích - Lưu lượng dòng chảy ra khỏi mô-đun thể tích = khối lượng tăng thêm của mô-đun thể tích, khối lượng tăng thêm của mô-đun thể tích có thể được tính như sau:

Trong công thức: M là khối lượng của chất lỏng làm việc trong mô-đun thể tích, kg; v là thể tích của chất lỏng làm việc trong mô-đun thể tích, M3; kg/m3 là khối lượng riêng của chất lỏng làm việc trong mô-đun thể tích; M1 và M2 là lưu lượng khối lượng của chất lỏng vào và ra khỏi mô-đun thể tích, kg/giây.

2) Mô-đun điện trở.

Trong mô-đun điện trở, lưu lượng thay đổi do chênh lệch áp suất và lực cản ma sát của chất lỏng. Theo định luật bảo toàn ĐỘNG LƯỢNG TUYẾN TÍNH: Động lượng đi vào mô-đun điện trở - động lượng rời khỏi mô-đun điện trở + động lượng của ngoại lực = gia số động lượng của mô-đun điện trở, khối lượng chất lỏng chảy qua tiết diện ngang của mô-đun điện trở có thể được tính như sau:

số trang_ebook=33,số trang_book=25

Trong công thức: M là lưu lượng khối lượng của chất lỏng làm việc qua ống, kg/s; v là vận tốc của chất lỏng làm việc, m/s; a là diện tích mặt cắt ngang của ống, m 2; l là chiều dài của ống, m; p 1 và P 2 là áp suất ở cả hai bên của mô-đun điện trở, PA; UL là lực cản ma sát của chất lỏng trên thành ống, dấu trừ biểu thị lực cản ma sát theo hướng ngược với dòng chảy của chất lỏng, U là chu vi ướt của ống, U là lực cản ma sát trên một đơn vị diện tích, = 1/2 FV 2, F là hệ số ma sát của bộ trao đổi nhiệt trên đường đi, có thể thu được theo công thức thực nghiệm.

3 phân tích hiệu suất hệ thống

Trong bài báo này, máy phát điện diesel 16kw tăng áp bốn thì được chia thành máy nén, tua bin, rôto tua bin, bộ làm mát trung gian, ống nạp và ống xả, bộ điều tốc, xi lanh và máy phát, mô hình mô phỏng máy phát điện diesel 16kw được xây dựng bằng phương pháp trung bình.

Hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16kw có số lượng lớn bộ trao đổi nhiệt, và phương pháp quán tính thể tích được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng cho từng thành phần. Môi trường làm việc lỏng trong hệ thống chủ yếu bao gồm khí thải, dung dịch lithium bromide, nước, hơi nước, v.v. Để đảm bảo tính chính xác của tính toán mô hình, một mô hình tính toán các đặc tính nhiệt của môi trường làm việc đã được thiết lập theo công thức phù hợp. Các mô hình mô phỏng của máy làm lạnh hấp thụ 16kw và lithium bromide được xây dựng và gỡ lỗi tương ứng trong phần mềm Matlab/Simulink. Cuối cùng, mô hình mô phỏng của máy làm lạnh máy phát điện diesel 16kw sử dụng nhiệt thải được kết hợp như thể hiện trong Hình 4.

Trong mô phỏng trạng thái ổn định, theo các thông số thiết kế, trước tiên, các điều kiện biên được thiết lập trong phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink và các giá trị ban đầu của các biến trạng thái của mô hình được gán. Thuật toán ODE45 với độ chính xác mô phỏng cao được sử dụng để đặt thời gian mô phỏng là 2000 giây. Bảng 2 thể hiện sự so sánh giữa kết quả mô phỏng trạng thái ổn định và các thông số thiết kế.

Bảng 2 cho thấy sai số tương đối giữa giá trị mô phỏng trạng thái ổn định và các thông số thiết kế của hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16kw nhỏ hơn 3%, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác của mô phỏng hệ thống và kiểm chứng tính đúng đắn và độ chính xác của mô hình mô phỏng. Các thông số nhiệt của môi trường làm việc trong hệ thống được xác định bằng công thức tính toán, các giả định cần thiết được đưa ra trong quá trình mô phỏng, và sai số của các thành phần sẽ được khuếch đại khi chúng được lắp ráp, đây là những nguyên nhân gây ra sai số tương đối.

Dựa trên kết quả mô phỏng trạng thái ổn định, hệ số sử dụng năng lượng tổng của hệ thống làm lạnh tận dụng nhiệt thải của máy phát điện diesel 16kw đã được đánh giá. Phương pháp tính toán hệ số sử dụng năng lượng tổng của hệ thống được trình bày dưới dạng công thức.

X là Hệ số sử dụng năng lượng tổng thể của hệ thống máy phát điện diesel 16kw, PG là máy phát điện diesel 16kw, kW, RC là máy làm lạnh hấp thụ libr, kW, EC là mức tiêu thụ năng lượng khác của hệ thống, kW; FC là mức tiêu thụ nhiên liệu của máy phát điện diesel, kW; PC là mức tiêu thụ điện năng của hệ thống, kW.

Trong điều kiện vận hành theo thiết kế, máy phát điện diesel 16kw có công suất 357,6 kW, máy làm lạnh hấp thụ Lithium Bromide có công suất 579,79 kW, mức tiêu thụ năng lượng khác của hệ thống là 132 kW, mức tiêu thụ nhiên liệu của máy phát điện diesel 16kw là khoảng 1286 kW, mức tiêu thụ điện của máy bơm và các thiết bị tiêu thụ điện khác trong hệ thống là khoảng 30kw.

Theo tính toán của Công thức (6), Hệ số sử dụng năng lượng tổng của hệ thống làm lạnh máy phát điện diesel 16kw là khoảng 0,813 và hiệu suất sử dụng năng lượng được cải thiện đáng kể, lớn hơn 0,8 và đáp ứng yêu cầu thiết kế.

Tải của máy phát điện diesel 16kw được xác định bởi mức tiêu thụ điện năng. Sự thay đổi tải sẽ dẫn đến thay đổi nhiệt độ khí thải và lưu lượng của máy phát điện diesel 16kw, điều này sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm mát của máy làm lạnh hấp thụ Lithium Bromide ở hạ lưu hệ thống.

Quá trình nhiệt động lực học của hệ thống rất phức tạp, với độ trễ quán tính. Thiết lập toàn bộ thời gian mô phỏng là 6000 giây, bắt đầu từ 2000 giây, cộng thêm bước thay đổi, tải của máy phát điện diesel 16kw giảm từ 100% xuống 80%, và tính toán mô phỏng động lực học được thực hiện.

Bắt đầu từ những năm 2000, tải trọng giảm từ 352,3 kW xuống 287,48 kW, lưu lượng khí thải từ 1,3187 kg xuống 1,1192 kg và nhiệt độ khí thải từ 462°C đến 453 °C cho máy phát điện diesel 16kw. Toàn bộ quá trình phản ứng động học mất khoảng 100 giây. Tải diesel giảm 20%, tốc độ động cơ diesel tăng, bộ điều tốc phản ứng nhanh, giảm lượng nhiên liệu phun để duy trì tốc độ ổn định tại điểm đặt. Việc giảm lượng nhiên liệu phun vào động cơ diesel dẫn đến giảm nhiệt độ khí thải và lưu lượng.

Công suất làm lạnh tăng nhẹ rồi giảm nhanh xuống một giá trị ổn định khác, từ 579,79 kW xuống 507,15 kW. Như có thể thấy từ hình 9, hệ số làm lạnh tăng nhẹ rồi giảm từ 1,394 xuống 1,402. Việc giảm tải máy phát điện diesel 16kw dẫn đến giảm nhiệt năng đi vào toàn bộ hệ thống máy phát điện diesel 16kw, dẫn đến giảm công suất làm lạnh của máy làm lạnh, nhưng hệ số làm lạnh lại tăng nhẹ, và toàn bộ quá trình động lực học đã hoàn tất vào khoảng những năm 2000.

4 KẾT LUẬN

Lấy khu dân cư trên một hòn đảo làm ví dụ, một công nghệ làm lạnh tiết kiệm năng lượng mới sử dụng nhiệt thải từ quá trình phát điện bằng dầu diesel đã được nghiên cứu.

1) Thiết kế tích hợp hệ thống làm lạnh tận dụng nhiệt thải của máy phát điện diesel 16KW đã được thực hiện, các thông số thiết kế đã được xác định. Thông qua tính toán mô phỏng tĩnh và động của hệ thống, hiệu suất hệ thống được phân tích, sau đó hệ thống điều khiển được thiết kế và tối ưu hóa hệ thống được thực hiện.

2) Mô phỏng trạng thái ổn định được thực hiện trong điều kiện thiết kế, sai số tương đối nhỏ hơn 3%, đáp ứng yêu cầu thiết kế và xác nhận tính chính xác của mô hình. Theo kết quả mô phỏng trạng thái ổn định, hệ số sử dụng năng lượng tổng của hệ thống là khoảng 0,813, đáp ứng yêu cầu thiết kế.

3) Thực hiện mô phỏng động nhiễu động tải 16kW, kết quả là tải 16kW giảm, công suất phát điện giảm, nhiệt năng khí thải giảm, khả năng làm mát giảm và hệ số làm mát tăng nhẹ. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất làm mát của nhà máy điện 16kW thấp hơn nhà máy điện 16kW, công suất đầu ra của nhà máy điện 16kW thấp hơn nhà máy điện 16kW, nhiệt năng khí thải thấp hơn máy phát điện diesel 16kW.