포장 침대 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템을위한 평가 기술 개발

Ishikawa Atsushi, Hashiba Michitaro, Wada Daisuke, Liu Zhihong, Onizuka Hisakazu

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Ishikawa Atsushi: 박사 공학, 엔지니어링, 라이브 배팅 사이트 전환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Hashiba Michitaro: 라이브 배팅 사이트 변환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Wada Daisuke: 라이브 배팅 사이트 변환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Liu Zhihong: 공학 박사, 엔지니어링, 라이브 배팅 사이트 전환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Onizuka Hisakazu: 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합 관리자, 라이브 배팅 사이트 전환 그룹 관리자

탄소 중립성을 실현하려면, 재생 가능 라이브 배팅 사이트에서 파생 된 녹색 전력의 확산 외에도 현재 화석 연료에 의존하는 열 이용화 프로세스를 탈탄하는 것이 중요합니다. 열이 이용 프로세스를 탈탄화하기위한 단기 접근법은 라이브 배팅 사이트 절약 장비를 촉진하는 것이며, 중간에서 장기적인 접근 방식은 CO2를 방출하지 않는 연료를 전환하고 프로세스를 전기화하며 녹색 전력을 사용하는 것입니다. IHI는 라이브 배팅 사이트 절약을 촉진하기위한 노력으로 발전소에서 고온 배기 가스의 열을 회수하고 저장하는 시스템에 대한 평가 기술을 개발하고이를 활용했습니다. 분쇄 된 돌 및 강철 공과 같은 고온 열을 저장할 수있는 재료를 사용하여 기본 실험을 수행 한 후 IHI는 실제로 작동중인 발전 장비의 배기 가스를 사용하여 데모 테스트를 수행하고 시스템의 효과를 확인했습니다.

1. 소개

사회적 배경으로, 탄소 중립에 대한 노력이 전 세계적으로 이루어졌으며 화석 연료에서 재생 라이브 배팅 사이트로의 라이브 배팅 사이트 원이 가속화되고 있습니다. 일본에서 정부는 2050 년까지 탄소 중립성을 달성하는 것을 목표로 할 것이라고 선언했으며 2021 년 6 월에 녹색 성장 전략은 주로 천연 자원 및 라이브 배팅 사이트 기관에 의해 공식화되었다.

재생 라이브 배팅 사이트 전원 공급 장치 (태양 광 발전 및 풍력 발전)는 탄소 중립 사회에서 핵심 전력 공급 장치 역할을하며, 발전 비용은 대규모 생성으로 인해 급격히 감소하고 있습니다. 그러나 재생 라이브 배팅 사이트 전원 공급 장치는 지역 특성에 의존하는 재난과 출력 및 생성 시간이 매우 잘 변동합니다. 따라서, 재생 라이브 배팅 사이트 전원 공급 장치의 생산량은 활용되기 전에 안정화되어야한다. 라이브 배팅 사이트 저장 시스템은 재생 라이브 배팅 사이트 전원 공급 장치를 활용하는 데 유용합니다. 그러나 라이브 배팅 사이트 저장 시스템은 탄소 중립을 달성하는 데 필수적인 요소이지만 아직 여러 가지 이유로 일반적이지 않습니다.

동시에, 탄소 중립을 달성하려면 기존 시설에서 라이브 배팅 사이트를 절약하여 녹색 전력을 채택하고 CO2 배출량을 줄여야합니다. 특히, 화석 연료를 소비하는 산업 용광로, 보일러 및 기타 시설에서 CO2 배출량을 줄이는 것이 필수적입니다. 이 시설에서 방출되는 열 라이브 배팅 사이트를 활용하는 것은 CO2 배출량을 줄이는 한 가지 방법입니다. 그러나 이러한 열 라이브 배팅 사이트는 다양한 상황에서 효과적으로 사용될 수 있지만 낭비됩니다. 열 라이브 배팅 사이트의 효과적인 이용에 대한 주요 장벽은 폐 열원 쪽과 열 라이브 배팅 사이트 사용자 측 사이의 열, 온도 및 전송시기 및 수신의 양과 일치하는 것이 어렵다는 것입니다. 동시에 합리적인 투자 회복 기간으로 장비 비용을 저렴한 수준으로 줄이는 것은 어렵습니다.

열 라이브 배팅 사이트 저장 기술에 대한 기대는 이러한 장벽을 낮추는 기술로 증가하고 있습니다. 또한 일본 정부의 라이브 배팅 사이트 절약 및 녹색 전력을 촉진하는 일본 정부의 제도, 탄소 가격의 전 세계 스프레드 (기후 변화의 주요 원인 인 가격에 대한 제도, 방출 자의 행동을 바꾸는 기타 운동) 및 탄소 중립에 대한 다른 움직임이 폐기물 이용 시설 소개에 대한 재정적 장벽을 낮추는 데 효과적이라고 말할 수 있습니다.

실질적으로 사용되거나 연구 개발중인 기존의 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템은 온도 범위 및 적용에 따라 물 (냉수, 따뜻한 물 및 온수), 용융 소금, 상 변경 재료, 모래, 암석 및 콘크리트와 같은 다양한 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체, 예 : 물 (냉수, 따뜻한 물 및 온수), 열전달 오일, 단계 변화 물질 및 콘크리트를 사용합니다. 이 연구에서 단기적인 접근 방식 인 라이브 배팅 사이트 절약을 촉진하기위한 노력으로, 우리는 포장 된 침대 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템을 개발하여 산업 용광로, 보일러, 발전기 및 기타 시설에서 방출되는 고온 열을 복구하고 필요한시기와 어디에서 열을 활용할 수 있습니다. 이 시스템은 고온 열을 처리하기 때문에 고온에서도 안정적 인 고체는 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체로 선택되었습니다. 포장 베드, 유동층 및 이동 침대 시스템은 견고한 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템으로 사용됩니다. 이 연구에서는 장비 비용과 달리기 비용을 줄이기 위해 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 움직이는 부품없이 내구성과 유지 관리가 우수한 포장 베드 시스템을 채택했습니다. 포장 베드는 용기에 고체 입자를 포장하여 고체와 유체를 서로 접촉하게함으로써 형성된 정적 고체 입자 층이다.

이 논문은 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템의 개념으로 시작합니다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템은 시스템의 상류 측에서 열원, 열 교환기, 송풍기 및 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크와의 열 교환기 및 하류 측면의 열 라이브 배팅 사이트 사용자와의 인터페이스와의 인터페이스로 구성된다. 충전 모드와 방전 모드의 두 가지 작동 상태가 있습니다. 충전 모드에서, 열원으로부터의 배기 가스의 열은 열원 쪽의 열교환 기에 의해 회수되고, 회수 된 열은 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크에 저장된다. 배출 모드에서 공기는 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크에 공급되어 열 추출 열을 추출하고, 추출 된 열은 사용자 쪽의 열교환기를 통해 사용됩니다.

2. 실험적 접근

2.1 실험 시스템

우리는 포장 된 침대 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템의 성능을 평가하기위한 기술을 확립하기위한 기본 실험을 수행했습니다. 주요 평가 항목에는 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체와 공기 사이의 열 전달 특성과 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템의 열 손실이 포함됩니다.

그림 2실험 시스템의 개략도이며그림. 3실험 시스템의 그림입니다.표 1실험 시스템의 사양을 보여줍니다. 실험 시스템은 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 상류 측의 공기 송풍기, 유량계 및 전기 히터 (열원)와 다운 스트림 측면의 열교환 기 및 배기 덕트로 구성됩니다. 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크에는 유통 업체가 바닥에 배열되어있어 탱크를 채우는 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체 주위에 공기가 균등하게 흐릅니다. 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 외부 표면은 열 단열재로 덮여 있습니다. 충전 모드에서 공기는 전기 히터로 가열되어 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크로 전송되어 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체에 열을 저장합니다. 배출 모드에서는 전기 히터가 사용되지 않으며, 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체를 박탈하고 열 교환기와 함께 열을 이용하기 위해 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크에 주변 온도의 공기가 공급됩니다.

표 2기본 실험에 사용되는 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체를 보여줍니다.표 3실험 조건을 보여줍니다. 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체로서, 높은 열 용량과 균일 한 모양을 갖는 스틸 볼과 스틸 볼보다 열 용량이 적고 불균일 한 형태의 넓은 표면 영역을 갖는 분쇄 된 석재를 사용했습니다. 스틸 볼과 분쇄 된 돌은 저렴하고 쉽게 구할 수 있으므로 경제적 인 관점에서 적합합니다. 공기 온도는 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 입구 및 출구에서 측정되었다. 또한, 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 포장 된 층의 온도는 방사형 방향 (탱크 중심, 중간 점 및 탱크 벽 주위)에서 총 9 개의 열전대를 3 개의 단면 (상류, 미드 스트림 및 하류)의 주요 흐름 방향에 수직으로 삽입하여 측정되었습니다.

압력 손실에 관해서는, 시스템은 Nakajima의 방정식을 사용하여 설계되었습니다⁽¹⁾유통 업체 및 Ergun 's Dequation⁽²⁾포장 된 침대의 경우

2.2 다른 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체를 사용한 실험 결과

그림 4흡입구와 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 내부 (9 점)의 공기의 온도 이력을 보여줍니다. 모든 그래프에서 입구 공기 온도가 먼저 변합니다. 그 후, 온도는 3 개의 상류 지점, 3 개의 미드 스트림 지점에서, 그리고이 순서의 3 개의 다운 스트림 지점에서 변화합니다. 실험에서 얻은 결과는 다음과 같습니다.

• 충전 모드 및 방전 모드에서 시간에 따른 온도 변화는 충전 모드가 증가하고 방전 모드가 감소합니다.
• 스틸 볼은 분쇄 된 석재보다 열 응답이 느려서 열 용량이 더 높기 때문에
• No. 4 분쇄 된 석재와 비교하여 6 번 삭제 된 돌은 빠른 온도 상승과 하락 곡선을 갖습니다. 따라서, 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 고온 측과 저온 측 사이의 온도 구배 영역 (Thermocline)은 더 좁습니다.

분쇄 된 돌은 불규칙한 표면이있는 으깬 돌이 스틸 볼보다 표면적이 더 큽니다. 분쇄 된 돌의 불규칙한 표면은 주위의 공기의 난기류를 생성하여 열 전달이 향상됩니다. 따라서, 강철 볼은 동일한 양의 열을 유지하면서 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 크기를 줄이는 데 더 적합합니다. 반면에 빠른 열 응답이 필요할 때 분쇄 된 돌이 더 적합합니다.

Thermocline은 다음과 같은 두 가지 이유 때문에 아마도 좁아 질 것입니다. 이는 6 번 분쇄 석이 더 작은 입자 크기를 가지고 있다는 사실에 기인합니다.

• 대형 총 열전달 영역은 열선의 상류 쪽에서 열 전달을 향상시킵니다 (열이 충분히 교환 됨)
• 단위 길이 당 입자의 접촉 수는 증가하고 열 저항이 증가하여 전체 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체에서 겉보기 열전도율을 감소시킵니다. 이러한 이유로, 포장 된 침대에서 열 확산이 억제되어 주요 흐름 방향의 좁은 영역에서 빠른 온도 변화를 일으킨다.

열구선의 너비는 포장 된 침대 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 성능을 평가하는 데 중요합니다.그림 5- (a)열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 온도 분포를 보여줍니다.-(b)충전 모드의 온도 이력을 보여줍니다. 좁은 열 경계가 형성 될 때, 충전 모드의 최종 단계에서, 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 하류 측면의 열 라이브 배팅 사이트 저장 배지가 뜨거워 질 때까지 배출구 공기 온도가 증가하지 않습니다. 결과적으로 배기 공기에 의해 제거 된 열량은 감소하여 더 나은 열 라이브 배팅 사이트 저장 성능을 제공합니다. 그러나, 넓은 열 경계가 형성되면, 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 하류 하류 열 라이브 배팅 사이트 저장 배지가 뜨거워지고 배기 공기에 의해 열이 제거되어 열 라이브 배팅 사이트 저장 성능이 악화되기 전에 배출구 공기 온도가 증가합니다. 안에그림. 5- (b), Thermocline의 너비는 충전 모드 또는 배출 모드 전후 전환 시간으로 표시됩니다. 이것은 온도가 더 빠를수록 열선이 더 좁음을 의미합니다.

또한 효과 (2)로 인해 온도 분산은 상류, 중간 스트림 및 다운 스트림 각각에서 각 측정 단면에서 더 큰 경향이 있습니다. 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크를 설계 할 때, 유통 업체와 외부 열 방사선을 고려할 때 방사 방향 (원칙 흐름에 수직)에서 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크 내부의 온도 분포를 예측해야합니다.

3. 계산 접근법

3.1 열 모델

포장 된 침대 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템의 성능을 예측하고 평가하기 위해 기본 실험을 수행하는 것과 동시에 열 모델을 개발했습니다. 열 계산을 위해 열 네트워크 모델을 사용하여 일반 목적 공구를 사용했습니다. 그림 6과 7은 열 모델의 개략도입니다. 포장 베드에 사용 된 열 전달 계수에 대한 Rans-Marshall의 방정식 (3)은 본 실험의 결과를 반영하기 위해 수정되었고, 보정 된 값은 공기 및 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체의 열 전달 계수로 사용되었습니다. 열 전달 계수 및 표면적의 생성물을 곱할 수정 인자 또는 곱하는 요인은 각각 1.0 및 3.0이었으며, 이는 각각 스틸 볼 및 분쇄 석에 사용되었습니다. 분쇄 된 석재의 보정 계수는 분쇄 된 결석의 표면 불규칙성으로 인한 열 전달 영역의 증가와 공기 흐름에서 열 전달 된 원천화 난류의 증가를 고려합니다. 분쇄 된 돌의 평균 입자 크기는도 8에 도시 된 바와 같이 분쇄 된 돌의 투영 그림을 취함으로써 얻어졌다; 이미지 분석에 의해 투영에서 각 분쇄 된 석재의 면적을 얻는다; 정적으로 충분한 표본 크기가 400 이상인 평균 값을 계산합니다. 결과적으로 다음 측정 값이 얻어졌습니다.

• 4 번 분쇄 된 석재의 평균 입자 크기 : φ26.6 ~ 28.2 mm
• 6 번의 분쇄 된 석재의 평균 입자 크기 : φ9.48 ~ 10.6 mm

열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크를 반경 방향으로 채우는 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체의 겉보기 열 전도도는 Yagi와 Kunii의 방정식을 사용하여 얻어졌습니다 (4). 방사형 방향의 효과적인 열전도율은 포장 된 침대에서 유체 고정 값을 나타냅니다. 그러나 높이 방향의 효과적인 열전도율은 포장 된 침대에서 유체가 흐르는 값을 나타내며 방사형 방향의 효과적인 열전도율보다 큽니다.

3.2 실험 및 열 계산 결과의 비교 검증

그림 9실험 결과와 계산 결과 사이의 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 배출구 공기 온도 이력을 비교합니다. 배출구 공기 온도 이력은 충전 모드와 방전 모드에서 질적으로 일관됩니다. 그런 다음 전체 탱크의 온도 이력을 평가하는 데 사용될 수 있다는 점을 고려하여 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 출구 공기 온도를 정량적으로 평가했습니다. 충전 모드 전후에 온도가 99% 감소하는 기간을 설정하고그림. 10,이 기간 동안 온도 차이 (절대 값)의 평균값을 평가했습니다. 여기에 표시된대로 적용되는 실험 조건 하에서그림. 11, 안정적인 온도 차이는 약 150 ~ 220 ° C이지만 실험 결과와 계산 결과 사이의 평균 온도 차이는 대부분 5%이내 예측 정확도가 적절하다는 것을 보여줍니다.

4. 데모 테스트

우리는 운영의 발전 시설 (4-MW 가스 엔진, IHI Power Systems Co., Ltd.에서 제조 한 4-MW 가스 엔진)에서 배기 가스를 사용하여 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템의 데모 테스트를 수행했습니다.⁽⁵⁾).그림 12테스트 시설의 세부 사항을 표시하고표 4배기 가스 테스트의 사양을 보여줍니다. 2 장에 표시된 실험 시스템의 열원을 전기 히터에서 배기 가스로 변경하기 위해 폐 열 회수를 위해 열교환 기, 덕트 및 송풍기를 추가했습니다. 열 라이브 배팅 사이트 저장 매체로서, 높은 열 용량 및 작업성을 고려하여 스틸 볼이 채택되었습니다.

그림 13데모 테스트 결과를 보여줍니다.그림 13- (a)폐열 회복의 열교환 기에서 배기 가스 흡입구 및 출구 온도는 각각 약 300 ° C 및 180 ° C임을 보여줍니다. 동시에, 공기 온도는 주변 온도에서 180 ℃로 증가했다. 열 교환기에 의해 가열 된 공기는 열 저장 재료의 온도를 약 130 ° C로 상승시켰다.그림 13- (b)주변 온도에서 공기가 흐르면 온도가 상류 쪽에서 열 라이브 배팅 사이트 저장 탱크의 다운 스트림면으로 감소했음을 보여줍니다.

이 데모 테스트의 장비 설계에서 우리는 대략적인 기본 실험과 열 모델 개발을 통해 설정된 평가 기술을 사용했습니다. 이 데모 테스트를 통해, 우리는 고온 배기 가스에서 열을 복구, 저장 및 활용하기위한 일련의 공정이 설계된대로 수행 될 수 있음을 확인했습니다. 이 결과로부터, 우리는 포장 베드 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템에 대한 평가 기술의 효과를 확인했습니다.

5. 결론

기본 실험 및 열 모델 개발을 통해 우리는 포장 베드 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템에 대한 평가 기술을 설정했습니다. 그런 다음 기존 평가 기술을 사용하여 실제 발전 시설의 배기 가스를 사용하고 예상 성능을 달성 할 수있는 데모 테스트를 수행하는 데모 테스트 시스템을 설계했습니다. 이 결과로부터 우리는 포장 된 침대 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템에 대한 평가 기술의 효과를 확인했으며, 이제 다양한 상황에서 수요가 증가하고있는 폐열 회복으로 라이브 배팅 사이트 절약을위한 적절한 포장 베드 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템을 설계하는 데 기여할 준비가되었습니다. 현재 우리는 도구를 개발하고 있으며, 개념은그림. 14, 열원 측면 및 열 라이브 배팅 사이트 사용자 측에 필요한 사양을 만족시키는 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템을 제안합니다. 이 도구를 사용하여 스케일링 시스템에 대한 사양을 연구하고 비용을 추정합니다. 또한 우리는 고객이 라이브 배팅 사이트 절약을 촉진하기위한 옵션으로 열 라이브 배팅 사이트 저장 시스템을 도입 할 수있는 제안 활동을 위해이 도구를 사용하는 것을 고려하고 있습니다.

이번에 얻은 결과를 통해 IHI 그룹은 열 라이브 배팅 사이트 저장이 필요한 고객에게 기술 상담을 제공하여 라이브 배팅 사이트 절약을 촉진하고 탈탄 화 된 사회를 실현하는 데 기여할 것입니다.

　　　　　　　　 　　 　　 　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

Vol.56 No.2