設計と性能分析16kWディーゼル発電機廃熱利用冷凍システム

これまでの研究状況から、分散型コージェネレーションシステムの設計とシミュレーションは不十分である。

1 システム統合設計

選定された島の居住区は16kWディーゼル発電機によって電力供給されています。ディーゼルエンジンの排気ガスには多くの熱エネルギーが含まれており、臭化リチウム吸収冷凍機は排気ガスを熱源として利用し、冷房によって利用者に冷房を提供します。冷房負荷の調整範囲を拡大するため、アフターバーニング式冷凍機を採用しています。島の16kWディーゼル発電機システムの全体設計を図1に示します。

本稿では、電気冷却（16kWディーゼル発電機に合わせたチラー選定）の設計原理に基づき、チラー選定の妥当性を検討した。居住区の延床面積は約4,850平方メートルで、16kWディーゼル発電機の定格出力は350kWである。16kWディーゼル発電機は約450℃の排気ガスを発生する。°Cで、冷凍機が利用できる熱エネルギーは約420kWです。冷凍係数1.4、出力582kWの二重効用並列型臭化リチウム吸収冷凍機を選定しました。島民の平均冷房負荷は120W/m2です。調査によると、120W/m2は島民の冷房負荷需要を満たすことができます。したがって、16kWディーゼル発電機を定格運転条件で運転する場合、排気ガスの廃熱で冷凍機の需要を満たすことができます。16kWディーゼル発電機冷凍システムの設計パラメータを表1に示します。

2. 数学モデリング

16kWディーゼル発電機冷凍システムは非常に複雑で、動力学、熱力学、伝熱など多くの要素が絡み合うため、適切なモデリング手法を選択することが非常に重要です。本稿では、モジュールモデリング手法を用いて16kW廃熱利用冷凍システムのシミュレーションモデルを構築しました。16kWディーゼル発電機廃熱利用冷凍システムは典型的な熱力学システムであり、作動物質とエネルギーの経路に応じてモジュールが分割されています。

全体的なモデリングのアイデアを決定した後、システムの動作を正確にシミュレートするための適切な方法を選択する必要があります。

本論文では、16kWディーゼル発電機の内部動作プロセスは考慮せず、主に異なる負荷における16kWディーゼル発電機の出力電力と排熱エネルギーについて検討する。平均化法を用いたモデリングにより、システム統合レベルでの16kWディーゼル発電機のシミュレーション精度を確保する。

16kWディーゼル発電機冷凍システムには多くの種類の熱交換器があり、熱交換器間には圧力と流量の連成があります。従来のモデリング手法では、物理モデルに基づいてモジュールを分割し、各モジュールの圧力と流量をバランス方程式に従って個別に計算し、境界条件を満たす必要があります。そのため、反復計算が避けられず、計算時間が長くなります。この問題を解決するために、体積慣性法を用いて、廃熱を利用した16kWディーゼル発電機冷凍システムのシミュレーションモデルを構築しました。

体積慣性法では、各コンポーネント内の流量は不均衡であり、各コンポーネントは体積慣性リンクに基づいて考えられます。各コンポーネントを体積モジュールと見なし、各コンポーネント間の接続パイプを抵抗モジュールと見なします。体積モジュールの場合、内部の流体抵抗を無視すると、体積モジュール内の圧力は均一になります。体積モジュール内の圧力は、体積モジュール両端の質量流量の差と体積モジュール内の温度変化に基づいて計算できます。ただし、入口と出口の圧力差とパイプ壁の摩擦損失によって流束は変化し、運動量保存則に従って流束の動的値を計算することが可能です。

長さlのパイプを例にとり、体積モジュールと抵抗モジュールに分割し、その体積慣性モデルを構築します。

1) ボリュームモジュール。

ボリュームモジュールへの単位時間当たりの流量はM1、ボリュームモジュールからの単位時間当たりの流量はM2です。質量保存則（ボリュームモジュールへの流入量 - ボリュームモジュールからの流出量 = ボリュームモジュールの質量増加）に従い、ボリュームモジュールの質量増加量は次のように計算できます。

式中、M は容積モジュール内の作動流体の質量 (kg)、v は容積モジュール内の作動流体の容積 (M3)、kg/m3 は容積モジュール内の作動流体の密度、M1 および M2 は容積モジュールに出入りする流体の質量流量 (kg/s) です。

2) 抵抗モジュール。

抵抗モジュールでは、圧力差と流体の摩擦抵抗によって流量が変化します。線形運動量保存則によれば、「抵抗モジュールに入る運動量 - 抵抗モジュールから出る運動量 + 外力の運動量 = 抵抗モジュールの運動量増加」となり、抵抗モジュールの断面積を流れる流体の質量は次のように計算できます。

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式中、M はパイプを通る作動流体の質量流量 (kg/s)、v は作動流体の速度 (m/s)、a はパイプの断面積 (m 2)、l はパイプの長さ (m)、p 1 および P 2 は抵抗モジュールの両側の圧力 (PA)、UL はパイプの壁に対する流体の摩擦抵抗 (マイナス記号は流体の流れと反対方向の摩擦抵抗を表します)、U はパイプの湿潤円周 (U は単位面積あたりの摩擦抵抗 (= 1/2 FV 2)、F は経路上の熱交換器の摩擦係数 (経験式に従って得ることができます) です。

3 システムパフォーマンス分析

本論文では、4 ストローク ターボチャージ 16kW ディーゼル発電機をコンプレッサー、タービン、タービン ローター、インタークーラー、吸排気管、調速機、シリンダー、発電機に分割し、平均法を使用して 16kW ディーゼル発電機のシミュレーション モデルを構築しました。

16kWディーゼル発電機冷凍システムには多数の熱交換器があり、各コンポーネントのシミュレーションモデルは体積慣性法を用いて構築されています。システム内の液体作動媒体は、主に廃ガス、臭化リチウム溶液、水、水蒸気などで構成されています。モデル計算の精度を保証するために、フィッティング式に従って作動媒体の熱特性を計算するモデルを構築しました。16kW吸収式冷凍機と臭化リチウム吸収式冷凍機のシミュレーションモデルは、それぞれMatlab/Simulinkソフトウェアで構築およびデバッグされています。最終的に、図4に示すように、廃熱を利用する16kWディーゼル発電機冷凍機のシミュレーションモデルが組み合わされています。

定常状態シミュレーションでは、設計パラメータに基づき、まずMatlab/Simulinkシミュレーションソフトウェアで境界条件を設定し、モデルの状態変数の初期値を割り当てます。シミュレーション精度の高いODE45アルゴリズムを用いて、シミュレーション時間を2000秒に設定します。表2は、定常状態シミュレーション結果と設計パラメータの比較を示しています。

表2は、16kWディーゼル発電機冷凍システムの定常シミュレーション値と設計パラメータとの相対誤差が3%未満であることを示しています。これはシステムシミュレーションの精度要件を満たし、シミュレーションモデルの正確性と精度を検証しています。システム内の作動媒体の熱パラメータはフィッティング式によって得られ、モデリングにおいては必要な仮定が置かれています。また、コンポーネントの誤差は組み立て時に拡大されるため、これらが相対誤差の原因となります。

定常状態シミュレーション結果に基づき、16kWディーゼル発電機廃熱利用冷凍システムの総エネルギー利用係数を評価した。システムの総エネルギー利用係数の計算方法は以下の通りである。

X は 16kW ディーゼル発電機システムの総エネルギー利用係数、PG は 16kW ディーゼル発電機 (kW)、RC は libr 吸収冷凍機 (kW)、EC はシステムのその他のエネルギー消費量 (kW)、FC はディーゼル発電機の燃料消費量 (kW)、PC はシステム消費電力 (kW) です。

設計された動作条件では、16kW ディーゼル発電機の容量は 357.6kW、臭化リチウム吸収冷凍機の容量は 579.79kW、システムのその他のエネルギー消費量は 132kW、16kW ディーゼル発電機の燃料消費量は約 1286kW、システム内のポンプなどの電力消費機器の消費電力は約 30kW です。

式（６）の計算によれば、１６ｋｗディーゼル発電機冷凍システムの総エネルギー利用係数は約０．８１３となり、エネルギー利用効率が大幅に向上し、０．８を超え、設計要求を満たしている。

16kWディーゼル発電機の負荷は消費電力によって決まります。負荷の変化は16kWディーゼル発電機の排気温度と流量の変化につながり、システム下流の臭化リチウム吸収冷凍機の冷却能力に影響を与えます。

システムの熱力学過程は複雑で、慣性遅延も伴います。全体のシミュレーション時間を6000秒に設定し、2000秒からステップ変化を加え、16kWディーゼル発電機の負荷を100%から80%に下げ、動的シミュレーション計算を実行します。

2000年代から、負荷は352.3kWから287.48kWに、排気流量は1.3187kgから1.1192kgに、排気温度は462℃から16kWディーゼル発電機の温度は453℃まで上昇しました。全体の動的応答プロセスは約100秒です。ディーゼル負荷が20%減少し、ディーゼルエンジンの回転速度が上昇すると、調速機が迅速に応答し、設定値での回転速度安定性を維持するために燃料噴射量が削減されました。ディーゼルエンジンへの燃料噴射量の減少は、排気温度と流量の低下をもたらします。

冷却能力はわずかに増加した後、急速に低下し、579.79kWから507.15kWへと安定した値に戻りました。図9に示すように、冷凍係数はわずかに増加した後、1.394から1.402へと低下しました。16kWディーゼル発電機の負荷の減少により、16kWディーゼル発電機システム全体に入る熱エネルギーが減少し、チラーの冷凍能力が低下しましたが、冷凍係数はわずかに増加し、全体の動的プロセスは約2000年代に完了しました。

4 結論

島内の住宅地を例に、ディーゼル発電の廃熱を利用した新たな省エネ冷凍技術を研究する。

1) 16kWディーゼル発電機廃熱利用冷凍システムの統合設計を実施し、設計パラメータを決定した。システムの静的および動的シミュレーション計算を通じてシステム性能を分析し、制御システムを設計してシステムの最適化を実現した。

2) 設計条件において定常シミュレーションを実施し、相対誤差は3%未満であり、設計要件を満たし、モデルの精度と正確性を検証しました。定常シミュレーションの結果、システムの総エネルギー利用係数は約0.813であり、設計要件を満たしています。

3) 16kW負荷変動の動的シミュレーションを実施した結果、16kW負荷の減少、発電量の減少、排ガス熱量の減少、冷却能力の低下、冷却係数のわずかな増加が見られました。シミュレーション結果によると、16kW発電所の冷却能力は16kW発電所よりも低く、16kW発電所の出力は16kW発電所よりも低く、排ガス熱量は16kWディーゼル発電機よりも低いことが示されました。