Optimalizace návrhu projektu chladicího systému v podniku

Obrázek 1: Schéma řízení procesu čerpacího systému. Všechny obrázky a ilustrace poskytla společnost Mentor Obrázek 1: Schéma řízení procesu čerpacího systému. Všechny obrázky a ilustrace poskytla společnost Mentor

Nadimenzujte velikost čerpadla napájecí vody, zvažte možnosti výměníku tepla, stanovte výkon a spotřebu energie chladicího systému.

Chcete-li optimalizovat podnikový systém chlazení, nejprve se podívejte na použití softwaru pro simulaci systému, abyste získali náležitou dimenzi čerpadla napájecí vody. Simulační software může přispět ke snížení nadměrné velikosti systému a ke zvýšení úrovně bezpečnosti a efektivity. Pro analýzu návrhu projektu chladicího systému podniku je potřebný simulační software, který je schopen modelovat dynamiku kapalin a tepla.

Poté budou použity simulační analýzy k integraci chlazené vody chladicího systému a zařadí se do návrhu, zváží se různé konstrukční možnosti výměníku tepla a určí se očekávaná spotřeba energie chladicího systému, vytvoří se základní model a lépe budou chápány i náklady životního cyklu.

Nakonec použijeme na vytvořený návrh základního modelu optimalizační software, návrh zdokonalíme a dosáhneme nejoptimálnějšího uspořádání chladicího systému podniku.

Připravte se, začínáme!

Čerpací systémy mají za úkol zajistit, že kapaliny dosáhnou svých cílů prostřednictvím často složitých distribučních sítí toku. V rámci většiny průmyslových odvětví však mají čerpací systémy obvykle nejvyšší spotřebu energie ve srovnání s jakýmkoli procesním systémem. Odhaduje se, že provoz a údržba často tvoří více než 80 % nákladů na čerpací systém po celou dobu životnosti.

Počáteční dimenzování velikosti čerpadla obvykle přichází hned na začátku procesu návrhu. Všechna data a konečné směrování nemusejí být k dispozici, ale je možné provést kvalifikovaný odhad na základě počátečního layoutu (viz obrázek 1). Model se skládá z několika zdrojů tepla: dieselového generátoru, pomocných zařízení, chladiče vyplachovacího oleje, chladiče mazacího oleje a pláště motoru. Součástí této chladicí smyčky je také čerpadlo napájecí vody. Celá smyčka spolupracuje s chladicí smyčkou, která čerpá mořskou vodu přes výměník tepla.

Systém má určitá omezení, mezi která patří:

  • teplotní limit 80 °C kdekoli v systému;
  • systém čerpání mořské vody byl dokončen, takže na čerpadlech ani potrubí na této straně nelze provádět žádné změny, pouze na tepelném výměníku, s nímž navzájem interaguje;
  • vzhledem k uspořádání a různým prostorovým omezením byla maximální dimenze potrubí stanovena na 200 mm v provedení Schedule 40 (jedná se o jmenovitou velikost potrubí dle ASME).

Jaké parametry jsme navzdory těmto omezením schopni změnit?

První byla dimenze potrubí. Pokud jsme chtěli zachovat jednoduchost návrhu, museli jsme zvážit použití potrubí z nerezové oceli dle Schedule 40 o průměru od 100 až do 200 mm s nominálními přírůstky po 25 mm, kromě 7palcového potrubí (175 mm) kvůli nedostatečné dostupnosti na trhu.

Zadruhé se dle počátečního odhadu očekával průtok 0,0631 m³/s, což je asi 1 000 gal/min. Aby se však zajistila správná činnost čerpadla při různých průtocích, mělo by se uvažovat o rozsahu od 0,0185 do 0,0788 m³/s, tj. přibližně 250 až 1 250 gal/min.

Nakonec jsme se zaměřili na výměník tepla. Jednalo se o konfiguraci válcové skořepiny a trubkovnice se dvěma nebo čtyřmi průchody. Jeho délka bude od 1 do 5 m.

Položení několika otázek nás dovede k nejlepšímu možnému řešení. Jaký je celkový pokles tlaku v systému? Které varianty čerpadla odpovídají systému? A konečně jaký je požadovaný výkon zvoleného čerpadla?

Výpočet poklesu tlaku v systému

V rámci této analýzy se zaměřujeme na část chladicího systému s uzavřenou smyčkou, vyjma strany mořské vody. Pro stanovení ztrát v systému v rozsahu průtoků může být čerpadlo zpočátku konfigurováno jako zdroj průtoku a tlakový jímač. To umožňuje vynucení průtoku v systému tak, aby byl simulační software schopen vypočítat požadovaný tlak ve směru proudění na základě výstupního tlaku a akumulačních ztrát komponent systému.

U některých fixních dat lze předpokládat, že jsou konstantní v rámci všech projektů. U trubek počítáme s vnitřní drsností 0,025 mm. Délka potrubí se pohybuje od 5 do 35 metrů. Pro tento typ provozu lze použít součinitel ztrát 0,2. Ostatní údaje se liší, včetně průměru potrubí, objemového průtoku, průměru clon a průtokových ploch.

Chceme-li přesně odhadnout výkon systému, podívejme se na čtyři různé vnitřní průměry potrubí, což odpovídá trubce 100, 125, 150 a 200 mm v rámci provedení Schedule 40. V úvahu přicházelo rovněž pět různých průtokových rychlostí od 0,0185 do 0,0788 m3/s (viz obrázek 2).

PLE2005 Mentor Figure2Obrázek 2: Vstupní data pro dimenzování velikosti čerpadla a potrubí

Zpracovávání různých virtuálních experimentů

Zde jsou jasně patrné hlavní výhody softwaru. Zkoušení mnoha různých scénářů je jednoduché a rychlé. Vytváříme proměnné parametry a přiřazujeme je ke komponentám namísto konkrétních čísel. Poté můžeme nakonfigurovat návrh experimentů tak, aby se tyto hodnoty měnily dle jednotlivých spuštění.

Jakmile jsou proměnné nakonfigurovány, software nastaví experiment. Zjišťujeme, jak se mají měnit data proměnných parametrů. Pro průměr potrubí se používají diskrétní hodnoty, které umožňují zadávání konkrétních čísel. To je užitečné, pokud u položek neexistuje výrazný matematický vzor, ​​například potrubní třídy provedení (Schedules). Pro průtokovou rychlost jsme nastavili počáteční a konečnou hodnotu a vybrali počet hodnot; v tomto případě pět.

Následně software určí hodnoty a vytvoří matici 20 prvků, která je spočítána za méně než 15 sekund.

Z experimentů jsou výsledky exportovány přímo do tabulky pro grafy čtyř možných systémových křivek. Varianta s dimenzí potrubí 100 mm vyústila v příliš vysoký odpor a tato možnost byla okamžitě vyloučena. Co se týče dimenzí 125, 150 a 200 mm, křivky systému vypadají rozumně, takže rozhodnutí bude pravděpodobně založeno na hmotnosti a provozních nákladech.

PLE2005 Mentor Figure3Obrázek 3: Křivky navržených systémů

Z počátečních výpočtů tepelné zátěže víme, že systém by měl být provozován při průtoku přibližně 0,63 m3/s. Pokud je na grafu nakreslena svislá čára, můžeme vidět, kde se protíná s křivkou našeho systému (viz obrázek 3). Načrtnutá čára vodorovná k ose y určuje, jaká bude požadovaná dopravní výška čerpadla. Například pro variantu dimenze 125 mm by to bylo asi 22,1 metru. Tato informace pomáhá zúžit možnosti čerpadla na ty, které mají jmenovitou dopravní výšku a jmenovitý průtok co nejblíže těmto hodnotám.

Jakmile je vyhledávání omezeno na dvě čerpadla od konkrétního výrobce, mohou být křivky dopravních výšek překryty do grafu. Od výrobce čerpadel jsme obdrželi informaci, že při rychlosti otáčení 2 500 ot./min je maximální účinnost 77 % při průtoku 0,63 m3/s pro obě čerpadla. Jediný rozdíl byl ve tvaru výkonu čerpadla od nejlepšího bodu účinnosti.

Posledním krokem bylo zjištění, ve kterém místě křivky čerpadla interagují s křivkami systému. V tomto místě ukončí čerpadlo svůj provoz (viz obrázek 4). Při pohledu na obě čerpadla oproti systému 125 mm se čerpadlo 100B protínalo nalevo od požadovaného průtoku. To znamenalo, že čerpadlo nebude dodávat požadovaný průtok, pokud nebude provozováno na vyšší otáčky, než je stanoveno, což by snížilo účinnost systému a přispělo ke zvýšení nákladů.

PLE2005 Mentor Figure4Obrázek 4: Křivky výkonů čerpadel a systémů

Ačkoli se čerpadlo 101A neprotínalo přesně při požadovaném průtoku, bylo těsně a mírně vpravo, takže bylo schopno poskytnout dostatečnou rychlost včetně lehkého vyrovnání.

Pokud zvolíme čerpadlo typu 101A, můžeme zadat data od výrobce čerpadla a provést analýzu, abychom zjistili, jak to celé funguje v našem modelu. Výsledky ukazují, že bod průniku nebo provozní bod je na mírně vyšším průtoku než průtok 0,063 m3/s, ale není to o moc, což znamená, že dopravní výška bude o něco nižší než hodnota průtoku, ale opět ne o moc. Z toho vyplývá, že účinnost se o něco málo sníží, a to na hodnotu 74,9 % oproti uvedeným 77 %. Nakonec by požadovaný výkon byl něco přes 8 kW.

Tímto jsme demonstrovali první krok vedoucí k optimalizaci návrhu nového průmyslového chladicího systému z hlediska nákladů i výkonu. Tradiční proces návrhu pro sestavení simulačního modelu termokapaliny je zcela platný pro splnění technických omezení. Tato řešení však mohou být nákladově dost neefektivní. Další analýzy upřesní naše možnosti.

Možnosti tepelného výměníku

Podívejme se nyní na to, jak lze použít simulační analýzu ke zvážení různých variant výměníku tepla, k určení očekávané spotřeby energie v chladicím systému podniku a k práci na modelování a optimalizaci nákladů životního cyklu.

Poté, co začleníme dimenzi čerpadla a celý okruh mořské vody do modelu, budeme se soustředit na data výměníku tepla. Simulační software používá k definování výměníku tepla empirická data. To zahrnuje tepelnou spotřebu používanou ve veřejných službách, teplotní rozdíl horkého nebo studeného proudu nebo číslo účinnosti, jež jsou specifikovány jako jednotlivé hodnoty nebo se mění podle průtoků. Jedná se obvykle o dobré možnosti, pokud máte k dispozici údaje od výrobce nebo z provedených zkoušek.

Pokud však tato data nemáte nebo chcete mít větší jistotu při definování tepelného výměníku, lze si danou konfiguraci přímo stanovit. V takovémto případě může být výběr výměníků tepla proveden pomocí katalogu termodynamických dějů (známý jako VDI heat atlas), který je používán v energetickém a zpracovatelském průmyslu, jakož i prostřednictvím dalších pokročilých možností, jež se více zaměřují na navrhování výměníků tepla v rámci průmyslu automotive. V níže uvedeném příkladu jsme čerpali z katalogu termodynamických dějů.

Nejdříve je zapotřebí zvolit typ tepelného výměníku. Je možné si navolit různé varianty a sledovat rozdíly mezi dvoucestným, čtyřcestným, plášťovým, protiproudým výměníkem s tím, že si pevně stanovíte vnitřní průměr a tloušťku trubky, avšak délku trubek, počet trubek a vnější průměr pláště, jenž je funkcí počtu trubek, lze měnit. Následně můžete porovnat pět různých délek trubek a pět různých hodnot pro počet trubek

Z toho vám vyjde 25 experimentů, které – stejně jako při dimenzování čerpadla – software propočte přibližně za 30 sekund. Takže máte k dispozici 25 různých variant pro každou alternativu výměníku tepla nebo celkem 50.

PLE2005 Mentor Figure5Obrázek 5: Vliv různých délek trubek

Po dokončení jsou výsledky exportovány do grafu, jak je znázorněno na obrázku 5. Není překvapivé, jak se délka trubek pro daný počet trubek zvyšuje, vypočtená výstupní teplota se snižuje, což funguje i v případě, kdy se počet trubek zvyšuje, zatímco délka zůstává stejná. Prodloužení délky trubky má na výstupní teplotu mnohem větší vliv než zvýšení počtu trubek. Tentokrát začneme například s 50 trubkami o délce jednoho metru, zvýšíme počet trubek na 100 a poté přejdeme z výstupní teploty 105 na 82,5 °C.

Pokud bychom však předpokládali použití 50 trubek, což by ale vyžadovalo, že jejich délka bude 2 m, výstupní teplota klesne na 64 °C, což je zlepšení o 19 °C. Účinek se snižuje se zvyšujícím se počtem a prodlužováním trubek.

Ve srovnání s kritérii výběru jsou přijatelné pouze čtyři možnosti: 250 trubek o délce 4 metry a 150, 200 a 250 trubek o délce pět metrů. Nyní se podívejme na čtyřcestné konstrukční řešení výměníku.

Graf ukazuje, že teploty byly nižší než u dvoucestného provedení (viz obrázek 6), a to skoro až o 40 °C pro metr dlouhé trubky. Stejný trend výstupní teploty jako u dvoucestného tepelného výměníku nastává, pokud jde o počet trubek a jejich délky, a vrcholí čtyřmi přijatelnými konstrukčními provedeními. Čtyřcestná varianta tepelného výměníku poskytuje výrazně více možností (celkem 14), které splňují všechna zadaná kritéria. Nakonec volíme čtyřcestný výměník tepla s 200 trubkami o délce tři metry.

PLE2005 Mentor Figure6Obrázek 6: Teploty byly nižší než u dvoucestného konstrukčního řešení

Spotřeba energie

Jakmile jsme úspěšně zvolili dimenzi čerpadla a výměníku tepla, můžeme se pustit do optimalizace systému na základě nákladů a při současném splnění původních požadavků. K propočtům provozních nákladů spojených s přenosem tepla se používá tabulkový procesor Excel. To, co nejvíce ovlivňuje výši nákladů životního cyklu celého chladicího systému, jsou počáteční pořizovací náklady, tzn. náklady na potrubí, čerpadla a výměník tepla, dále náklady na údržbu po dobu více než 25 let a náklady na energii pro provoz podniku podle očekávání. Do toho nejsou zahrnuty předpokládané prostoje, ekologické výlohy a vyřazování z provozu, i když by zahrnuty být mohly.

S použitím těchto čísel se vytvoří základní rozpočet s použitím původního modelu (viz obrázek 7). Cena vychází něco přes 382 000 dolarů, k ní jsou dodány další důležité poznámky ohledně teploty, tlaku a výkonu. Jak již bylo zmíněno, většina těchto nákladů je za elektrickou energii a nutnou údržbu. Jak lze tyto náklady snížit?

PLE2005 Mentor Figure7Obrázek 7: Výsledný rozpočet nákladů s použitím základního modelu

Vzhledem k použité studii parametrického propočtu představovalo spojení čtyř vstupních proměnných 980 jedinečných simulací, a to bez přímého napojení na kalkulaci nákladovosti. Ručním zpracováním výsledků by šlo určit nejlepší možnou volbu, ale musí přece existovat lepší způsob.

Zjednodušení procesu

Dále může nástroj pro optimalizaci návrhu přispět k vylepšení počátečního simulačního modelu a analýzy návrhu na základě cílů návrhu a kalkulačních funkcí, což má za následek menší rozsah studie, čímž lze ušetřit čas a optimalizovat samotný návrh.

K tomu je třeba zefektivnit proces vývoje virtuálních produktů. Většina společností dnes začíná vytvářet vlastní simulace virtuálních prototypů propojením nástrojů CAD, CAE s nástroji na kalkulaci doprovodných nákladů. Poté znovu vytvoří provozní testy produktů pro zvolené virtuální prototypy. Jakmile se můžete spolehnout na předpovědi výkonu virtuálního prototypu, jste schopni návrh následně vylepšit manuální úpravou. Ještě před samotným uvolněním produktu do výrobního procesu bývá výsledný návrh finálně posuzován ohledně schopnosti obstát proti všem možným situacím.

Mnoho výrobců přiděluje většinu svých modelačních a simulačních zdrojů na vytváření a testování virtuálních prototypů. Největší hodnota těchto nástrojů však plyne z porozumění a zlepšování návrhů. Jak to lze ještě dále zlepšit či zdokonalit?

Validované CAD a CAE modely lze následně jednoduše předělávat pomocí změn v proměnných návrhu. Simulace úplného prototypu pomocí různých nástrojů CAD nebo CAE může být automatizována, a to včetně souvisejících provozních nákladů. To může být buď úplně jednoduché, nebo docela komplikované, a to podle toho, jak se podaří nasimulovat chování konkrétního konstrukčního řešení nebo virtuálního prototypu.

Jakmile je proces automatizován, po definování každé úlohy je simulován ve vysoce výkonném výpočetním prostředí, takže lze rychle prozkoumat mnoho variací. Některé úkoly mohou být přiřazeny k počítačům se systémem Windows, jiné k linuxovým klastrům a další k externím cloudovým zdrojům.

Moderní techniky přímého vyhledávání mohou efektivně prozkoumat celý nelineární konstrukční prostor a rychle objevit lepší návrhy bez nutnosti tvorby náhradních modelů.

Nakonec zkoumáme citlivost, robustnost a variabilní interakce nejlepších návrhů, abychom získali přehled a pochopili, jak bude výkon ovlivněn běžnými výrobními tolerancemi. Takto v současné době probíhá nejmodernější designový průzkum. I když softwarová řešení nabízejí hybridní strategie, stále obsahují spíše předdefinované algoritmy, než aby se přizpůsobila danému problému. Potřebujeme nástroj, který zná všechny strategie, má k dispozici veškeré potřebné součásti a může být přizpůsoben podle konstrukčního přístupu a kritérií. Softwarový rámec pro průzkum designu používaný pro tuto analýzu je hybridní a adaptivní a eliminuje dříve popsané problémy s tradičním přístupem.

Ve zmiňovaném případě byl zadaný simulační model vytvořen v tabulce Excel spolu se základními parametry. Software poté efektivně prohledal všechny varianty návrhu a nalezl optimální řešení s menším počtem simulací. Pojďme se podívat na některé vylepšené návrhy.

tab 1Tabulka 1

Pro počáteční návrh byly optimalizovány tři různé hodnoty (viz tabulka 1). Průměr potrubí se zvýšil ze 125 na 150 mm. Velikost čerpadla byla snížena na polovinu a délka tepelného výměníku se zkrátila ze tří metrů na jeden metr. Maximální teplota a tlak se udržely na stejných požadovaných hodnotách s tím, že spotřeba energie čerpadla se výrazně snížila. Poněvadž nebylo zapotřebí mít tak velký průtok a tlakový vzestup, bylo možno použít menší čerpadlo. Zmenšení velikosti čerpadla přispělo rovněž ke snížení spotřeby elektřiny a k redukci nutné údržby.

Software naznačil, že pořizovací náklady na instalaci potrubí a nákup ostatních položek se zvýší. I když však počáteční náklady narostou, v dlouhodobém horizontu se ušetří téměř 180 000 USD. To je docela dobrá optimalizace vzhledem k plánované životnosti návrhu.

Použití ještě většího počtu proměnných

Do jaké míry profesionální by byl návrh, kdybychom předpokládali, že veškeré použité potrubí musí být stejné dimenze? Nemohly by snad některé větve, které vyžadují menší zátěž, a tudíž menší průtok, mít jinou dimenzi? Jak by to ovlivnilo cenu a výběr čerpadel?

Co kdyby místo toho, aby byl celý potrubní systém proveden v dimenzi 150 mm, bylo někde použito potrubí o průměru 150, jinde o průměru 100 mm, přičemž čerpadlo a výměník tepla by zůstaly stejné velikosti? Výkon čerpadla a maximální teplota zůstanou stále stejné. Tlak se trochu zvýší, ale zanedbatelně. Úspory však dosáhly zhruba 17 000 USD, zejména kvůli nižší pořizovací ceně potrubí a jeho instalaci (viz obrázek 8).

PLE2005 Mentor Figure8Obrázek 8: Porovnání nákladů při aplikaci paralelně provozovaných čerpadel

Software je rovněž schopen zvážit možnosti pořízení dvou čerpadel pro paralelní provoz. To sice znamená dvojnásobek pořizovacích nákladů, lze však předpokládat, že cena za instalaci a následnou údržbu zařízení bude jen 1,5krát vyšší. V případě této volby je rozdělíme na polovinu, protože naším zájmem je zajistit, aby průtok zůstal stejný a tlak přibližně stejný, čehož jsme schopni s paralelní konfigurací dosáhnout.

Nyní místo použití čerpadla, které vyžaduje téměř 3 kW, můžeme použít čerpadlo, které spotřebovává méně než 1 kW. Maximální teplota je o něco vyšší, ale tlak je o něco málo nižší. To znamená, že ačkoli jsou tato čerpadla rozdělena, výkon není stejný. To je odůvodnitelné, pokud je lze provozovat v technicky přípustném rozsahu, protože úspory by se pohybovaly kolem částky 30 000 USD. Většina těchto úspor pochází ze snížení spotřeby elektrické energie během životnosti systému a také z redukce údržby čerpadel.

Závěrem

Tento článek demonstruje optimalizaci nového návrhu průmyslového chladicího systému z hlediska nákladů a výkonu. K vytvoření termofluidního simulačního modelu byl aplikován tradiční konstrukční proces, který je nezbytný pro splnění technických omezení. Ačkoli takováto řešení mohou být dobrá, mohou být nákladnější, než je třeba. V rámci tohoto konkrétního příkladu bylo ušetřeno více než 225 000 USD. Kromě toho čas na provedení pomocí tohoto nástroje versus provedení v parametrické studii je mnohem kratší.

Dnešní moderní designové nástroje lze kombinovat s novými a zajímavými způsoby, což umožní vyrábět lepší a efektivnější produkty pro dnešek a vlastně i zítřek.

Jako simulační software systému byl použit software Simcenter Flomaster od společnosti Siemens. K dalšímu zdokonalení návrhu byl použit software HEEDS od společnosti Siemens.

Doug Kolak zastává pozici manažera obchodního rozvoje v divizi mechanické analýzy. Společnost Mentor patří do obchodní skupiny Siemens.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz