Exergy-based energy efficiency analysis of the pneumatic drive with controlled braking and compressed air recuperation

Abstract

The main objectives of the study are to develop a methodology for calculating the energy efficiency of a pneumatic drive with controlled braking and compressed air recuperation based on a three-dimensional CFD model, as well as to optimize the control algorithm of the pneumatic system operating mode in order to maximize the utilization of the internal energy of the working medium. To achieve these objectives, the following tasks were accomplished: mathematical modeling of pneumatic drive dynamics was performed to determine the energetically justified switching point to the braking mode; the rational structure of switching connections between cylinder chambers was optimized to ensure implementation of compressed air recuperation into the supply line; three-dimensional modeling of unsteady gas-dynamic processes was carried out in ANSYS Fluent using a dynamic mesh; an exergy-based approach to assessing the system's energy balance was implemented. The most significant results include the development of a three-dimensional model that enables accurate determination of the pressure in the exhaust chamber; quantitative confirmation of the substantial influence of temperature fluctuations and internal energy redistribution on the efficiency of the pneumatic drive; refinement of the actual pressure level in the exhaust chamber and the mass flow rate of the recuperated air; and obtaining an exergy efficiency value of 48.37%, which is 1.5 times higher than the result calculated using a simplified isothermal model. The significance of the obtained results lies in the development of a scientifically substantiated methodology for calculating the energy efficiency of pneumatic drives based on three-dimensional modeling of transient processes.

Scopul acestui studiu este fundamentarea parametrilor de proiectare ai echipamentelor spiral-vortex care asigură desulfurarea eficientă din punct de vedere energetic a gazelor de eșapament ale centralelor electrice autonome cu piston pe gaz (GPPP) de capacitate medie. Actualitatea studiului este determinată de necesitatea reducerii rezistenței aerodinamice a sistemelor de epurare a gazelor pentru a minimiza sarcina parazitară asupra unităților de putere. Pentru a realiza acest lucru, au fost abordate următoarele sarcini: elaborarea unui model matematic al mișcării fazei gazoase într-un canal curbiliniu la scară macro; efectuarea modelării numerice a evoluției structurilor secundare macro-vortex; și determinarea influenței unghiului de înclinare spirală și a regimurilor de viteză asupra intensității transferului de masă. Metodologia de cercetare se bazează pe abordări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) pentru analiza fluxurilor turbulente sub forțe centrifuge care acționează asupra gazelor de eșapament. Cel mai semnificativ rezultat este stabilirea posibilității formării unei pelicule lichide stabile și a macro-vortexurilor intense la rezistență aerodinamică scăzută (până la 400 Pa). Se demonstrează că la o viteză optimă de curgere de 6,0 m/s și o secțiune transversală a scruberului de 0.9 m², se obține o eficiență maximă de absorbție a SO2 (peste 96%) fără ventilatoare auxiliare cu tiraj indus. Semnificație. Importanța științifică și practică constă în crearea unei metodologii de proiectare inginerească pentru echipamente compacte de purificare a gazelor pentru generarea distribuită de energie electrică. Soluțiile de proiectare propuse oferă economii anuale de energie electrică de65-95 mii kWh per unitate de putere de 2.6-3.0 MW, crescând semnificativ profitabilitatea generală și siguranța de mediu a centrelor energetice autonome.

Основные цели исследования заключаются в разработке методики расчёта энергоэффективности пневматического привода с управляемым торможением и рекуперацией сжатого воздуха на основе трёхмерной CFD-модели, а также в оптимизации алгоритма управления режимом работы пневмосистемы с целью максимального использования внутренней энергии рабочего тела. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: выполнено математическое моделирование динамики пневмопривода для определения энергетически обоснованной точки переключения в режим торможения; оптимизирована рациональная структура коммутационных связей камер цилиндра, обеспечивающая реализацию режима рекуперации сжатого воздуха в магистраль; проведено трёхмерное моделирование нестационарных газодинамических процессов в ANSYS Fluent с использованием динамической сетки, что позволило учитывать пространственно-временное распределение давления, температуры и скорости и точно определить массовый расход рекуперируемого воздуха; реализован эксергетический подход к оценке энергетического баланса системы. Наиболее важными результатами являются разработка трёхмерной модели, которая позволяет корректно определить давление в выпускной камере; количественное подтверждение существенного влияния температурных колебаний и внутреннего перераспределения энергии на величину КПД пневмопривода; уточнение фактического уровня давления в выпускной камере и величины массового расхода рекуперируемого воздуха, а также получение значения эксергетического КПД пневмопривода 48.37%, что в 1.5 раза превышает результат, рассчитанный по упрощённой изотермической модели. Значимость полученных результатов состоит в получении научно обоснованной методики расчета энергоэффективности пневмоприводов на основе применения трёхмерного моделирования переходных процессов. Методика принципиально повышает точность определения КПД пневмосистем с рекуперацией энергии позволяет обоснованно оптимизировать процессы управления пневмоприводам и на этапе проектирования, обеспечивая реальное повышение энергоэффективности промышленных процессов.