A의 설계 및 성능 분석16kw 디젤 발전기폐열을 이용한 냉동 시스템

과거의 연구 상황을 보면 분산형 열병합 발전 시스템의 설계와 시뮬레이션이 최신의 추세입니다.

1 시스템 통합 설계

선정된 섬 주거 지역은 16kW 디젤 발전기로 전력을 공급받고 있으며, 디젤 엔진의 배기가스는 많은 열에너지를 포함하고 있습니다. 리튬브로마이드 흡수식 냉동기는 배기가스를 작동 열원으로 사용하여 사용자를 위해 냉동합니다. 냉방 부하 조절 범위를 늘리기 위해 애프터버닝 방식의 냉동기를 채택했습니다. 섬의 16kW 디젤 발전기 시스템의 전체 설계는 그림 1에 나와 있습니다.

본 논문에서는 전기 냉각(16kW 디젤 발전기에 따른 냉각기 매칭) 설계 원리를 바탕으로 냉각기 매칭 선정을 수행했습니다. 주거 공간의 연면적은 약 4,850m²이고, 16kW 디젤 발전기의 정격 출력은 350kW입니다. 16kW 디젤 발전기는 약 450°C의 배기가스를 생성합니다.°C이고, 냉각기에 사용 가능한 열 에너지는 약 420kW입니다. 냉동 계수 1.4, 출력 582kW의 이중 효과 병렬 리튬 브로마이드 흡수식 냉각기가 선정되었습니다. 섬 사용자의 평균 냉방 부하는 120W/m²입니다. 조사에 따르면 120W/m²는 섬 사용자의 냉방 부하 요구를 충족합니다. 따라서 16kw 디젤 발전기를 정격 작동 조건에서 운전할 경우, 배기가스에서 발생하는 폐열은 냉각기의 요구량을 충족할 수 있습니다. 16kw 디젤 발전기 냉동 시스템의 설계 변수는 표 1에 제시되어 있습니다.

2. 수학적 모델링

16kw 디젤 발전기 냉동 시스템은 매우 복잡하며, 동역학, 열역학, 열전달 등 다양한 주제를 포함하고 있으므로 적절한 모델링 방법을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 본 논문에서는 모듈러 모델링 방법을 사용하여 16kw 폐열 활용 냉동 시스템의 시뮬레이션 모델을 구축합니다. 16kw 디젤 발전기 폐열 활용 냉동 시스템은 전형적인 열역학 시스템으로, 작동 물질과 에너지의 흐름에 따라 모듈이 구분됩니다.

전체 모델링 아이디어를 결정한 후에는 시스템 작동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는 합리적인 방법을 선택해야 합니다.

본 논문은 16kw 디젤 발전기의 내부 동작 과정을 고려하지 않고, 다양한 부하 조건에서 16kw 디젤 발전기의 출력 전력과 배기 열 에너지를 주로 연구합니다. 평균화 방법을 사용한 모델링은 시스템 통합 수준에서 16kw 디젤 발전기 시뮬레이션의 정확성을 보장합니다.

16kw 디젤 발전기 냉동 시스템에는 다양한 유형의 열교환기가 있으며, 각 열교환기 간에는 압력-유량 결합이 존재합니다. 기존의 모델링 방식은 물리적 모델에 따라 모듈을 분할하고, 평형 방정식에 따라 각 모듈의 압력과 유량을 개별적으로 계산하며, 경계 등가 제한 조건을 충족해야 합니다. 따라서 반복 계산이 불가피하고 계산 시간이 증가합니다. 이 문제를 해결하기 위해 체적 관성법을 이용하여 폐열을 활용한 16kw 디젤 발전기 냉동 시스템의 시뮬레이션 모델을 구축했습니다.

체적 관성법에 따르면, 각 구성 요소의 유량은 평형을 이루지 않으며, 각 구성 요소는 체적 관성 링크에 따라 고려됩니다. 각 구성 요소를 체적 모듈로 간주하고, 각 구성 요소를 연결하는 파이프를 저항 모듈로 간주합니다. 체적 모듈의 경우, 내부 유체 저항을 무시하면 체적 모듈 내부의 압력은 일정합니다. 체적 모듈의 압력은 체적 모듈 양단의 질량 유량 차이와 체적 모듈의 온도 변화에 따라 계산할 수 있습니다. 그러나 입구와 출구 사이의 압력 차이와 파이프 벽의 마찰 손실은 플럭스를 변화시키고, 플럭스의 동적 값은 운동량 보존 법칙에 따라 계산할 수 있습니다.

예를 들어 l 파이프의 길이를 부피 모듈과 저항 모듈로 나누고, 이에 대한 부피 관성 모델을 수립한다.

1) 볼륨 모듈.

단위 시간당 부피 모듈로 유입되는 유량은 M1이고, 단위 시간당 부피 모듈에서 유출되는 유량은 M2입니다. 질량 보존 법칙에 따라: 부피 모듈로 유입되는 유량 - 부피 모듈에서 유출되는 유량 = 부피 모듈 질량 증가분이므로, 부피 모듈 질량 증가분은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

공식에서: M은 부피 모듈의 작동 유체의 질량(kg)입니다. v는 부피 모듈의 작동 유체의 부피(M3)입니다. kg/m3은 부피 모듈의 작동 유체의 밀도입니다. M1과 M2는 부피 모듈 안팎으로 흐르는 유체의 질량 흐름(kg/s)입니다.

2) 저항 모듈.

저항 모듈에서는 유체의 압력 차이와 마찰 저항으로 인해 유량이 변합니다. 선형 운동량 보존 법칙에 따르면, 저항 모듈로 들어오는 운동량(저항 모듈에서 나가는 운동량) + 외력의 운동량 = ​​저항 모듈 운동량 증가분으로, 저항 모듈 단면을 통과하는 유체의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

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공식에서: M은 파이프를 통과하는 작동 유체의 질량 유량, kg/s; v는 작동 유체의 속도, m/s; a는 파이프의 단면적, m2; l은 파이프의 길이, m; p1과 P2는 저항 모듈의 양쪽 압력, PA; UL은 파이프 벽에 대한 유체의 마찰 저항, 마이너스 부호는 유체 흐름과 반대 방향의 마찰 저항을 나타냅니다. U는 파이프의 습윤 원주, U는 단위 면적당 마찰 저항, = 1/2 FV2, F는 경로를 따라 열교환기의 마찰 계수로, 경험식에 따라 구할 수 있습니다.

3 시스템 성능 분석

본 논문에서는 4행정 터보차저 16kw 디젤 발전기를 압축기, 터빈, 터빈 로터, 인터쿨러, 흡기 및 배기 파이프, 가버너, 실린더, 발전기로 구분하고, 평균법을 이용하여 16kw 디젤 발전기 시뮬레이션 모델을 구축하였다.

16kw 디젤 발전기 냉동 시스템은 다수의 열교환기를 사용하며, 체적 관성법을 사용하여 각 구성 요소의 시뮬레이션 모델을 구축했습니다. 시스템의 액체 작동 매체는 주로 폐가스, 리튬브로마이드 용액, 물, 수증기 등으로 구성됩니다. 모델 계산의 정확성을 보장하기 위해, 적합 공식에 따라 작동 매체의 열적 특성을 계산하는 모델을 구축했습니다. 16kw 및 리튬브로마이드 흡수식 냉동기의 시뮬레이션 모델은 Matlab/Simulink 소프트웨어를 사용하여 각각 구축하고 디버깅했습니다. 마지막으로, 폐열을 사용하는 16kw 디젤 발전기 냉동기의 시뮬레이션 모델을 그림 4와 같이 결합했습니다.

정상상태 시뮬레이션에서는 설계 매개변수에 따라 먼저 Matlab/Simulink 시뮬레이션 소프트웨어에서 경계 조건을 설정하고 모델의 상태 변수에 대한 초기값을 할당합니다. 시뮬레이션 정확도가 높은 ODE45 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션 시간을 2000초로 설정했습니다. 표 2는 정상상태 시뮬레이션 결과와 설계 매개변수를 비교한 결과입니다.

표 2는 16kW 디젤 발전기 냉동 시스템의 정상 상태 시뮬레이션 값과 설계 매개변수 간의 상대 오차가 3% 미만임을 보여줍니다. 이는 시스템 시뮬레이션 정밀도 요건을 충족하며 시뮬레이션 모델의 정확성과 정확성을 검증합니다. 시스템 작동 매체의 열 매개변수는 공식 적합을 통해 구하고, 모델링에 필요한 가정을 적용했으며, 구성 요소의 오차는 조립 시 증폭되므로 상대 오차가 발생하는 것입니다.

정상상태 시뮬레이션 결과를 바탕으로 16kw 디젤 발전기 폐열 이용 냉동 시스템의 총 에너지 이용 계수를 평가하였다. 시스템의 총 에너지 이용 계수 계산 방법은 다음과 같다.

X는 16kw 디젤 발전기 시스템의 총 에너지 이용 계수, PG는 16kw 디젤 발전기(kW), RC는 흡수식 냉각기(kW), EC는 시스템의 기타 에너지 소비량(kW)입니다. FC는 디젤 발전기 연료 소비량(kW), PC는 시스템 전력 소비량(kW)입니다.

설계된 운전 조건에서 16kw 디젤 발전기의 용량은 357.6kW이고, 리튬브로마이드 흡수식 냉각기의 용량은 579.79kW이며, 시스템의 기타 에너지 소비량은 132kW이고, 16kw 디젤 발전기의 연료 소비량은 약 1286kW이며, 시스템 내 펌프 및 기타 전력 소비 장비의 전력 소비량은 약 30kw입니다.

식(6)의 계산에 따르면 16kw 디젤발전기 냉동시스템의 총에너지 이용계수는 약 0.813으로 에너지 이용효율이 크게 향상되어 0.8 이상이 되어 설계요건을 충족시킨다.

16kw 디젤 발전기의 부하는 전력 소비량에 따라 결정됩니다. 부하 변화는 16kw 디젤 발전기의 배기 온도와 유량을 변화시키며, 이는 시스템 하류에 있는 리튬브로마이드 흡수식 냉동기의 냉각 용량에 영향을 미칩니다.

시스템의 열역학적 과정은 복잡하고 관성 지연이 발생합니다. 전체 시뮬레이션 시간을 6,000초로 설정하고, 2,000초부터 단계적 변화를 추가하여 16kw 디젤 발전기의 부하를 100%에서 80%로 줄인 후 동적 시뮬레이션 계산을 수행합니다.

2000년대부터 부하는 352.3kW에서 287.48kW로, 배기 유량은 1.3187kg에서 1.1192kg으로, 배기 온도는 462℃에서 462℃로 감소되었습니다.16kw 디젤 발전기의 경우 453°C까지 상승했습니다. 전체 동적 응답 과정은 약 100초입니다. 디젤 부하가 20% 감소하고, 디젤 엔진 속도가 증가하며, 조속기 응답이 빨라지고, 연료 분사량을 줄여 설정값에서 속도를 안정적으로 유지합니다. 디젤 엔진의 연료 분사량 감소는 배기 온도와 유량 감소로 이어집니다.

냉각 용량은 약간 증가한 후 579.79kW에서 507.15kW로 급격히 감소하여 안정적인 값을 보였습니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 냉동 계수는 약간 증가한 후 1.394에서 1.402로 감소했습니다. 16kw 디젤 발전기 부하 감소로 인해 전체 16kw 디젤 발전기 시스템에 유입되는 열에너지가 감소하여 칠러의 냉동 용량이 감소했지만, 냉동 계수는 약간 증가하여 전체 동적 과정이 약 2000년대에 완료되었습니다.

4 결론

섬의 주거 지역을 예로 들어, 디젤 발전에서 발생하는 폐열을 활용한 새로운 에너지 절약형 냉장 기술을 연구합니다.

1) 16kW 디젤 발전기 폐열 활용 냉동 시스템의 통합 설계를 수행하고 설계 매개변수를 결정하였습니다. 시스템 정적 및 동적 시뮬레이션 계산을 통해 시스템 성능을 분석하고, 제어 시스템을 설계하여 시스템 최적화를 실현하였습니다.

2) 정상상태 시뮬레이션은 설계 조건에서 수행되었으며, 상대 오차는 3% 미만으로 설계 요건을 충족하고 모델의 정확성과 타당성을 검증합니다. 정상상태 시뮬레이션 결과에 따르면 시스템의 총 에너지 이용 계수는 약 0.813으로 설계 요건을 충족합니다.

3) 16kw 부하 교란에 대한 동적 시뮬레이션을 수행한 결과, 16kw 부하 감소, 발전량 감소, 배기가스 열에너지 감소, 냉각 용량 감소, 냉각 계수 소폭 증가가 나타났습니다. 시뮬레이션 결과, 16kw 발전소의 냉각 용량은 16kw 발전소보다 낮고, 출력은 16kw 발전소보다 낮으며, 배기가스 열에너지는 16kw 디젤 발전기보다 낮았습니다.