Control system design for production of pressurized gas with waste heat
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
61 + 4
Series
Abstract
Compressed air systems are used in different industrial applications due to their good qualities, such as low cost and simple structure. However, these systems are also fairly energy inefficient due to the energy losses that occur during both compressed air use and production. Meanwhile, a significant amount of energy from industrial processes is being dumped into the environment as waste heat. A possible solution to both of these problems could be to use a waste heat stream and an adsorption-based thermodynamic cycle to pressurize gas. Adsorption is a process where a solid surface attracts fluid molecules when they come into contact with each other. The amount of concentrated fluid molecules near the surface is temperature dependant, thus making a thermodynamic cycle possible. The goal of this master’s thesis is to design a control system for this type of adsorption-desorption system. In order to control the test system in the laboratory, two state machines were created in Simulink with its Stateflow toolbox. A PLC, or a programmable logic controller, as well as the TwinCAT 3 software were used to control the system based on the commands from the Simulink model. Additionally, a similar state machine based control was designed for two simulation models of more complex adsorption systems. The designed control system was able to control both the laboratory test setup as well as the simulation models reliably. Tests were performed to study the effect of two different control parameters on the system performance. These were the heating and cooling time and the pressure of the hydraulic oil that in a cylinder counteracts the force created by the expanding gas. During tests with different constant hydraulic pressures it was discovered that as long as the hydraulic pressure was in a range that enabled the full thermodynamic cycle, changing the value had little effect on the system performance. Meanwhile, extending the heating and cooling time of the system usually resulted in higher net work, back work ratio, peak power and thermal efficiency per cycle.Paineilmajärjestelmiä käytetään eri teollisuuden sovelluksissa niiden hyvien ominaisuuksien, kuten alhaisten kustannuksien ja yksinkertaisen rakenteen vuoksi. Näillä järjestelmillä on kuitenkin alhainen hyötysuhde johtuen paineilman käytössä ja tuotannossa syntyvistä energiahäviöistä. Samaan aikaan huomattava määrä teollisuusprosesseista syntyvää energiaa päästetään ympäristöön hukkalämpönä. Mahdollinen ratkaisu näihin ongelmiin voisi olla paineilman tuottaminen hukkalämmön ja adsorptioon perustuvan termodynaamisen syklin avulla. Adsorptio on prosessi, jossa kiinteän aineen pinta vetää puoleensa neste- tai kaasumolekyylejä näiden ollessa kosketuksissa toisiinsa. Näiden fluidimolekyylien konsentraatio kiinteän aineen pinnan lähellä riippuu lämpötilasta, mikä mahdollistaa termodynamaisen syklin luomisen. Tämän diplomityön tavoite on suunnitella ohjausjärjestelmä tällaiselle adsorptio-desorptio -järjestelmälle. Laboratoriossa sijaitsevaa testilaitetta ohjattiin kahdella tilakoneella, jotka toteutettiin Simulink-ohjelman Stateflow-työkalun avulla. PLC:tä eli ohjelmoitavaa logiikkaa sekä TwinCAT 3 -ohjelmaa käytettiin ohjaamaan järjestelmää Simulink-mallin komentojen perusteella. Lisäksi samankaltainen tilakoneeseen perustuva ohjausratkaisu suunniteltiin kahdelle laajemman järjestelmän simulaatiomallille. Suunnitellun ohjausjärjestelmän todettiin ohjaavan sekä laboratorion testijärjestelmää että simulaatiomalleja luotettavasti. Kahden eri ohjausparametrin vaikutusta järjestelmän toimintaan selvitettiin testien avulla. Nämä ohjausparametrit olivat järjestelmän lämmitys- ja jäähdytysaika sekä paine hydrauliöljyssä, joka vastustaa kaasun laajenemista sylinterissä. Kun testejä suoritettiin erilaisilla vakiohydraulipaineilla, todettiin, että paineen arvolla ei ollut suurta merkitystä järjestelmän suorituskykyyn niin kauan kun se sijaitsi alueella, joka mahdollisti kokonaisen termodynaamisen syklin. Toisaalta lämmitys- ja jäähdytysajan pidentäminen johti korkeampaan nettotyöhön, BWR:ään, huipputehoon ja lämpöhyötysuhteeseen sykliä kohden.Description
Supervisor
Vepsäläinen, JariThesis advisor
Kajaste, JyrkiKeywords
control, pneumatics, temperature swing adsorption, waste heat