KR100466433B1 - Method for analysis of efficiency in turbo refrigerator and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기를 포함하는 냉동 사이클과, 상기 응축기와 냉각탑 사이에 방열수를 유출 및 유입하도록 형성된 방열수 출구 및 입구와, 상기 증발기와 냉동목표부 사이에 흡열수를 유출 및 유입하도록 형성된 흡열수 출구 및 입구를 구비한 터보 냉동기의 성능을 분석하기 위한 방법으로서, 상기 흡열수 입구 및 출구의 온도를 측정하는 과정과; 상기 방열수 입구의 온도를 측정하는 과정과; 상기 흡열수의 유량을 측정하는 과정과; 상기 흡열수 입구 온도, 흡열수 출구 온도 및 흡열수 유량으로부터 증발기의 냉방부하를 구하는 과정과; 상기 흡열수 출구의 온도, 방열수 입구의 온도, 증발기의 냉방부하를 입력변수로 하고, 그 3개의 입력변수 별로 2개의 멤버쉽 함수를 설정하며, 상기 측정 과정을 수회 반복하여 얻어진 데이터를 상기 변수 값으로 입력하여, 뉴로퍼지 기법에 의해 상기 변수 간의 함수관계를 설정하는 과정과; 상기 설정된 함수의 변수에 임의의 조건 하에서 상기 측정 과정에 의해 측정된 데이터를 대입함으로써, 각 변수의 변동에 따른 성능계수의 변동을 분석하는 과정을; 포함하는 성능분석 시스템을 제시함으로써, 현장에 설치된 터보 냉동기에 대하여 주어진 임의의 조건에서 냉동기의 성능을 분석하고 예측할 수 있도록 한다.The present invention provides a refrigeration cycle including a compressor, a condenser, an expander, and an evaporator, a radiant water outlet and an inlet formed to discharge and introduce radiant water between the condenser and the cooling tower, and an endotherm between the evaporator and the freezing target part. And a method for analyzing the performance of a turbo chiller having an endothermic water outlet and an inlet formed to be introduced, the method comprising: measuring temperatures of the endothermic water inlet and outlet; Measuring a temperature of the heat radiation water inlet; Measuring a flow rate of the endothermic water; Obtaining a cooling load of an evaporator from the endothermic water inlet temperature, the endothermic water outlet temperature, and the endothermic water flow rate; The temperature of the endothermic water outlet, the temperature of the radiant water inlet, and the cooling load of the evaporator are set as input variables, two membership functions are set for each of the three input variables, and the data obtained by repeating the measurement process several times is the variable value. Establishing a functional relationship between the variables by a neurofuzzy technique; Analyzing the variation of the performance coefficient according to the variation of each variable by substituting the data measured by the measurement process under arbitrary conditions to the variable of the set function; By presenting a performance analysis system that includes, it is possible to analyze and predict the performance of the freezer under any given conditions for a turbo installed in the field.
Description
본 발명은 터보 냉동기에 관한 것으로서, 상세하게는, 현장에 설치된 터보 냉동기의 방열수 및 흡열수의 온도, 증발기의 부하에 관한 임의의 조건 하에서의 측정 값으로부터 냉동기의 성능을 분석하고 예측하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a turbo chiller, and more particularly, to a method and apparatus for analyzing and predicting a chiller's performance from measured values under any conditions relating to the temperature of the radiant and endothermic water of the turbo chiller installed in the field and the load of the evaporator. It is about.
오늘날 자원고갈과 환경오염 문제가 강하게 대두됨에 의해 에너지 절약에 대한 관심을 전세계적으로 오래 전부터 고조되어 왔으며, 이와 관련한 연구개발 또한 꾸준히 진행되어 왔다.Today, the issue of resource depletion and environmental pollution has risen, and interest in energy saving has been increasing all over the world for a long time.
특히, 최근에는 정부가 에너지 절약 사업을 효과적으로 추진하기 위하여, 에너지 절약 전문기업(ESCO : energy service company) 제도를 마련하고, 그 대상이 되는 기업에 대한 지원을 강화하는 등 에너지 절약 문제에 보다 활발한 투자와 노력을 집중하고 있다.In particular, in recent years, the government has actively invested in energy-saving matters such as establishing an energy service company (ESCO) system and strengthening support for the target companies in order to effectively promote energy-saving projects. And focusing efforts.
에너지 절약 사업을 보다 효율적으로 운용하기 위해서는 현재 사용중인 열원 및 공조 시스템의 에너지 사용 실태를 제대로 파악하는 과정이 선행되어야 하며, 이를 위해서는 가장 우선적으로 현장에서 운전중인 냉동 시스템에 대한 정확한 진단이 필요하다.In order to operate the energy saving business more efficiently, the process of properly understanding the energy use of the heat source and the air conditioning system currently used must be preceded, and for this purpose, an accurate diagnosis of the refrigeration system operating in the field is first of all necessary.
건물이나 공장의 냉방부하를 처리하기 위한 공조 시스템에 사용되는 냉동기는 전력소비량이 크며 개선 가능성도 매우 높다고 할 수 있다.Refrigerators used in air conditioning systems to handle cooling loads in buildings and factories can be said to have high power consumption and a high potential for improvement.
특히, 터보 냉동기는 적절한 설계, 선정, 설치 및 유지관리 등에 의해 많은 에너지를 절감할 수 있다. 이는 일체형의 형태로 판매, 설치되는 소형 냉동 시스템의 경우와 달리, 전체 공조 시스템 중 열원기기의 일부로 설치되기 때문에 방열수, 흡열수 펌프, 공조기, 배관 상태 등에 따라 방열수와 흡열수의 작동온도 뿐만 아니라 유량도 기준 조건과 다르게 흐를 수 있는 등 성능에 영향을 미치는 인자로서 변화가능한 변수가 많기 때문이다.In particular, the turbo chiller can save a lot of energy by proper design, selection, installation and maintenance. Unlike a small refrigeration system that is sold and installed in one-piece form, it is installed as part of a heat source device in the whole air conditioning system, so the operating temperature of the radiant water and the endothermic water as well as the radiant water, endothermic pump, air conditioner, and piping conditions This is because there are many variables that can affect the performance, such as the flow rate may flow differently from the reference conditions.
또한, 터보 냉동기의 설치 후에 있어서도 방열수나 흡열수의 유량을 변화시킴으로써 공조 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, even after installation of the turbo refrigerator, the performance of the air conditioning system can be improved by changing the flow rate of the radiant water or the endothermic water.
실제로 현장에 설치된 냉동기의 성능을 측정할 경우 임의로 방열수나 흡열수의 온도, 유량 등을 조절하여 규정에서 정한 표준조건 하의 성능실험자료를 얻을 수 없는 경우가 많고, 외기온도와 실내 부하의 변동, 냉동기의 제어 특성으로 냉동기는 비정상 운전을 하게 되므로, 준정상상태의 성능해석을 수행하여야 한다.In practice, when measuring the performance of a refrigerator installed on site, it is often impossible to obtain performance test data under standard conditions specified by regulation by arbitrarily adjusting the temperature and flow rate of radiant or absorbent water. Because of the control characteristics, the freezer operates abnormally, so the performance analysis in the quasi-steady state should be performed.
따라서, 현장에 설치되어 운전 중인 냉동기의 준정상상태의 성능자료를 이용하여 임의의 온도와 유량조건에 있어서의 냉동기의 성능을 예측할 수 있도록 하는 모델의 개발이 절실히 요청되는 실정이었다.Therefore, there is an urgent need to develop a model that can predict the performance of a refrigerator under arbitrary temperature and flow conditions by using performance data of a quasi-steady state of a refrigerator installed and operating in the field.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 현장에 설치된 터보 냉동기의 방열수 및 흡열수의 유량, 온도 등 주어진 임의의 조건에서 냉동기의 성능을 분석하고 예측할 수 있도록 하는 터보 냉동기의 성능분석방법 및 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention solves the above problems, the performance analysis method and apparatus of the turbo-cooler to analyze and predict the performance of the freezer under any given conditions, such as the radiant and endothermic flow rate, temperature of the turbo-cooler installed in the field To provide for that purpose.
도 1은 본 발명에 의한 성능분석장치의 구성을 도시한 구성도1 is a block diagram showing the configuration of the performance analysis apparatus according to the present invention
도 2는 냉동기 운전 중 측정된 10분간 평균 냉방부하와 성능계수와의 관계를 도시한 그래프2 is a graph showing the relationship between the average cooling load and the coefficient of performance measured during operation of the refrigerator;
도 3은 도 2의 데이터 중 준정상 상태를 만족하는 데이터만을 추출하여 도시한 그래프FIG. 3 is a graph showing only data that satisfies a quasi-normal state among data of FIG. 2;
도 4는 뉴로퍼지 모델의 구조를 도시한 구성도4 is a configuration diagram showing the structure of the neurofuge model
도 5는 6월초 4일간 취득한 데이터를 이용하여 뉴로퍼지 모델을 훈련한 결과를 도시한 그래프5 is a graph showing the results of training the neurofuge model using data acquired for four days in early June.
도 6은 도 5의 뉴로퍼지 모델을 이용하여 예측된 성능계수와 실제 6월에서 9월 중 측정된 데이터에 의한 성능계수를 비교한 그래프FIG. 6 is a graph comparing performance coefficients predicted using the neurofuge model of FIG. 5 and performance coefficients based on data measured in June to September.
도 7은 7월 중 10일간 취득한 데이터를 이용하여 뉴로퍼지 모델을 훈련한 결과를 도시한 그래프7 is a graph showing the results of training the neurofuge model using data acquired for 10 days in July.
도 8은 도 7의 뉴로퍼지 모델을 이용하여 예측된 성능계수와 실제 6월에서 9월 중 측정된 데이터에 의한 성능계수를 비교한 그래프FIG. 8 is a graph comparing performance coefficients predicted using the neurofuge model of FIG. 7 and performance coefficients based on data measured in June to September
도 9는 훈련된 뉴로퍼지 모델을 이용하여 표준조건에서 부하에 따라 냉동기의 성능을 예측한 결과를 도시한 그래프9 is a graph showing the results of predicting the performance of the refrigerator according to the load under standard conditions using a trained neurofuge model.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
10 : 냉동 사이클 11 : 압축기10 refrigeration cycle 11: compressor
12 : 응축기 13 : 팽창기12 condenser 13 expander
14 : 증발기 20 : 냉각탑14 evaporator 20 cooling tower
21 : 방열수 입구 온도측정수단 30 : 냉동목표부21: heat radiation water inlet temperature measuring means 30: refrigeration target portion
31 : 흡열수 입구 온도측정수단 32 : 흡열수 출구 온도측정수단31 endothermic water inlet temperature measuring means 32 endothermic water outlet temperature measuring means
33 : 흡열수 유량측정수단 40 : 분석수단33: endothermic water flow rate measuring means 40: analysis means
본 발명은 냉동기의 성능분석에 필요한 자료수집을 위해 현장에서 터보 냉동기의 최소 부위에 측정수단을 장착하고, 그 측정수단에서 얻어진 실험자료로부터 당해 터보 냉동기의 성능계수를 예측할 수 있는 모델을 제시하고자 하는 것이다.The present invention is to provide a model that can be equipped with a measuring means in the minimum portion of the turbo freezer in the field for collecting data necessary for performance analysis of the refrigerator, and predict the performance coefficient of the turbo freezer from the experimental data obtained from the measuring means. will be.
일반적으로, 현장에 설치된 터보 냉동기의 압축기나 증발기의 자세한 사양이나 성능자료 등은 존재하지 않으므로, 그 터보 냉동기의 개별적인 기기 특성이나 장기 운전에 따른 성능저하 등을 예측할 수 없는 것이 현실이다.In general, since there are no detailed specifications or performance data of a compressor or evaporator of a turbo refrigerator installed in the field, it is a reality that individual device characteristics of the turbo refrigerator are not predicted or performance degradation due to long-term operation.
또한, 성능계수의 예측에 필요한 실험자료는 실험실 규모의 실험장치에서 임의의 조건을 바꾸어가며 구할 수 있는 것이 아니라, 현장에 설치되어 작동 중인 상태에 있어서의 냉동부하 및 대기 상태 등을 전제로 하여 얻어져야 하는 것이므로, 다양한 조건의 변화에 따른 폭 넓은 실험자료의 획득은 대단히 곤란하다고 할 수 있다. 따라서, 현장에서 구해진 한정된 실험자료로부터 터보 냉동기의 성능을 예측할 수 있도록 하는 적절한 모델링이 필요한 것이다.In addition, the experimental data necessary for the prediction of the coefficient of performance is not obtained by changing the arbitrary conditions in the laboratory scale experimental apparatus, but is made on the premise of the refrigeration load and the atmospheric condition in the state of being installed and operated in the field. Since it is necessary to obtain, it is very difficult to obtain a wide range of experimental data due to changes in various conditions. Therefore, appropriate modeling is needed to predict the performance of turbo chillers from limited experimental data obtained in the field.
모델링에 있어서 각 터보 냉동기마다의 개별사양을 고려하는 것이 이상적이겠으나, 사양자료와 실험자료의 부족으로 모델의 튜닝에 필요한 계수들의 적절한 값을 구할 수 없어 만족할 만한 결과를 얻을 수 없는 것이 현실이다.In modeling, it would be ideal to consider individual specifications for each turbocooler. However, due to the lack of specification data and experimental data, it is impossible to obtain satisfactory results because appropriate values of coefficients required for tuning the model cannot be obtained.
따라서, 본 발명은 냉동 시스템의 성능에 가장 결정적인 영향을 미치는 인자인 방열수, 흡열수의 온도 및 증발기의 부하 등을 변수로서 지정하고, 뉴로퍼지 기법(ANFIS : adaptive neuro-fuzzy inference system)을 적용하여 상기 변수 간의 함수관계를 도출함으로써, 그 함수가 표상하는 상기 변수들의 관계로부터 냉동기의 성능계수를 분석 및 예측할 수 있도록 하는 모델을 제안하는 것이다.Accordingly, the present invention designates the radiant water, the temperature of the endothermic water, and the load of the evaporator, which are the factors that have the most decisive influence on the performance of the refrigeration system, as variables, and employs a neurofuge technique (ANFIS: adaptive neuro-fuzzy inference system). By deriving a functional relationship between the variables, it is proposed a model that can analyze and predict the performance coefficient of the refrigerator from the relationship of the variables represented by the function.
본 발명에 의한 터보 냉동기의 성능분석 시스템은 자료를 얻기 위한 측정수단과 그 수집된 자료를 처리하기 위한 분석수단을 포함하는 성능분석장치와, 상기 얻어진 자료를 분석수단에 의해 처리하는 성능분석방법의 2개 카테고리로 표현될 수 있는 것인바, 이하에서는, 성능분석장치의 구성에 관하여 설명한 후, 그 장치 내에서 행해지는 분석방법에 관하여 상세히 설명하고자 한다.The performance analysis system of a turbo-cooler according to the present invention includes a performance analysis apparatus including measurement means for obtaining data and analysis means for processing the collected data, and a performance analysis method for processing the obtained data by analysis means. Since it can be expressed in two categories, hereinafter, the configuration of the performance analysis device will be described, and then the analysis method performed in the device will be described in detail.
도 1은 본 발명에 의한 터보 냉동기의 성능분석장치의 구성을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a performance analysis device for a turbo-frigerator according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 터보 냉동기의 성능분석는 기본적으로, 압축기(11), 응축기(12), 팽창기(13) 및 증발기(14)를 포함하는 냉동 사이클(10)과, 응축기(12)와 냉각탑(20) 사이에 방열수를 유출 및 유입하도록 형성된 방열수 출구 및 입구와, 증발기(14)와 냉동목표부(30) 사이에 흡열수를 유출 및 유입하도록 형성된 흡열수 출구 및 입구를 구비한 터보 냉동기의 성능을 분석하기 위한 용도로 사용되는 것이다.As shown, performance analysis of a turbo chiller according to the present invention basically comprises a refrigeration cycle (10) comprising a compressor (11), a condenser (12), an expander (13) and an evaporator (14), and a condenser (12). And a radiant water outlet and an inlet formed to flow in and out of the radiant water between the cooling tower 20 and a endothermic water outlet and an inlet formed to flow and enter the endothermic water between the evaporator 14 and the freezing target unit 30. It is used to analyze the performance of a turbocooler.
본 발명에 의한 성능분석을 위하여 상기 방열수 입구에 온도측정수단(21)이 장착되고, 상기 흡열수 입구 및 출구에도 온도측정수단(31,32)이 장착되며, 상기 흡열수 입구 또는 출구에는 유량측정수단(33)이 장착된다.Temperature measuring means 21 is mounted at the inlet of the radiant water for performance analysis according to the present invention, and temperature measuring means 31 and 32 are also mounted at the inlet and outlet of the endothermic water. The measuring means 33 is mounted.
또한, 상기 온도측정수단(21,31,32) 및 유량측정수단(33)으로부터 얻어진 값을 처리하기 위한 분석수단(40)이 마련되어, 상기 각 측정수단과 전기적으로 연결되어 있다.In addition, an analyzing means 40 for processing the values obtained from the temperature measuring means 21, 31, 32 and the flow rate measuring means 33 is provided and is electrically connected to the respective measuring means.
여기서, 상기 온도측정수단(21,31)은 열전대, 백금저항 온도센서, 써모파일(thermopile), 백금저항 온도센서가 삽입된 써모웰(thermo well) 등에 의해 용이하게 구현될 수 있고, 상기 유량측정수단(23,33)은 초음파 유량계 등에 의해 구현될 수 있으며, 상기 분석수단(40)은 상기 측정수단으로부터 얻어진 데이터가 입력되고 후술하는 바와 같은 방법에 의해 처리될 수 있도록 하는 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다.Here, the temperature measuring means 21 and 31 may be easily implemented by a thermocouple, a platinum resistance temperature sensor, a thermopile, a thermowell into which a platinum resistance temperature sensor is inserted, and the flow rate measurement. The means 23 and 33 may be implemented by an ultrasonic flow meter or the like, and the analyzing means 40 may be implemented by a computer to allow data obtained from the measuring means to be input and processed by a method as described below. have.
각 측정값은 냉동기의 비정상 거동을 해석할 수 있도록, 1분 미만의 간격으로 분석수단(40)에 저장된다.Each measurement value is stored in the analysis means 40 at intervals of less than one minute so as to interpret abnormal behavior of the refrigerator.
이하, 상기 측정수단으로부터 얻어진 자료로부터 각 변수(온도, 유량 등)의 변동에 따른 냉동기의 성능계수의 변동을 분석하는 방법에 관하여 설명한다.Hereinafter, a method of analyzing the variation of the performance coefficient of the refrigerator according to the variation of each variable (temperature, flow rate, etc.) from the data obtained from the measuring means will be described.
측정의 대상이 되는 터보 냉동기의 임의의 조건에서의 성능을 예측하기 위해서는 먼저 현장에서의 성능측정을 수행하여야 한다.In order to predict the performance under any conditions of the turbo chiller to be measured, performance measurement in the field must be performed first.
다음, 실험 결과로부터 임의 조건에서의 성능 예측에 필요한 충분한 데이터가 축적되었는지 여부를 판별한 후, 상기 뉴로퍼지 기법을 적용하여 데이터 입출력 간의 비선형 함수관계를 추출하고, 충분한 학습이 이루어졌다고 판단되면, 임의 조건에서 측정된 데이터를 상기 함수에 대입함으로써 터보 냉동기의 성능을 예측, 분석한다.Next, after determining whether enough data for performance prediction under certain conditions has been accumulated or not, the neurofuzzy technique is applied to extract a nonlinear functional relationship between data inputs and outputs. The performance of the turbo chiller is predicted and analyzed by substituting the data measured under the conditions into the function.
현장 성능 측정은 가동 중인 냉동기의 운전에 지장을 주지 않는 범위에서 진행되어야 하므로, 온도측정수단 및 유량측정수단은 비접촉식으로 이루어져야 한다.On-site performance measurements should be carried out within a range that does not interfere with the operation of the refrigeration machine in operation, so that the temperature measurement means and the flow rate measurement means should be made non-contact.
입출력 데이터 간의 관계를 분석하여 함수관계를 도출하는 비선형 내삽법 기법인 뉴로퍼지 기법은 해석 대상의 물리적 특성에 대한 사전 정보없이 단지 입력과 출력 사이의 상관관계만을 추론하는 시스템인 관계로, 정의역 구간에 걸친 충분한 양의 데이터가 존재하지 않을 경우, 훈련된 추론체계의 신뢰성을 확신할 수 없다.The neurofuzzy technique, a nonlinear interpolation technique that derives a functional relationship by analyzing the relationship between input and output data, is a system that infers only the correlation between input and output without prior information on the physical characteristics of the object to be analyzed. If there is not enough data available over time, we cannot be sure of the reliability of the trained inference system.
이러한 문제점을 해소하기 위해서는, 해석대상에 대한 사전 정보를 이용하여 뉴로퍼지 기법 훈련에 사용될 데이터를 필터링할 필요가 있다.In order to solve this problem, it is necessary to filter the data to be used for training the neurofuge technique by using the prior information on the analysis target.
열역학 기반 성능예측 모델링에 관한 많은 연구결과에 따르면, 정상상태 운전 조건 하에서 성능계수(COP : coefficient of performance)의 역수 1/COP와 증발기의 냉동부하(Qe: cooling load)의 역수 1/Qe는 수학식 1과 같은 경험적 선형관계를 갖는다고 한다.Many studies on thermodynamic-based performance prediction modeling have shown that the reciprocal of the coefficient of performance (COP) 1 / COP and the reciprocal of the cooling load (Q e : cooling load) 1 / Q e under steady-state operating conditions. Is said to have an empirical linear relationship as in equation (1).
선형적 관계가 성립하는 원인은 정상상태 하에서 냉동기의 응축기와 증발기의 열교환 과정에서 발생하는 비가역성이 증발기측 부하 Qe에 비례하는 특성을 나타내기 때문이다.The reason why the linear relationship is established is that the irreversibility generated during the heat exchange process between the condenser and the evaporator of the refrigerator under the steady state is proportional to the load on the evaporator side Q e .
이러한 경험적 사실은 측정된 데이터로부터 성능 예측에 필요한 준정상 상태 데이터를 추출하는데 유용한 정보가 된다.This empirical fact is useful information for extracting quasi-steady state data necessary for performance prediction from the measured data.
뉴로퍼지의 훈련을 위해서는 수 일간의 데이터로부터 모든 증발기측 부하 영역에 대하여 최대한 많은 준정상 상태 데이터를 추출하여야 하며, 이는 1분 간격으로 측정된 데이터의 적분 평균시간을 최대한 작게 해야 함을 의미한다.Neuropurge training requires extracting as many quasi-steady-state data as possible for all evaporator-side load areas from several days of data, which means that the integral mean time of the data measured at one-minute intervals should be as small as possible.
중대형 터보 냉동기의 동특성 시상수는 대개 2분 정도이므로 비정상 상태의 영향을 최소화하기 위하여 10분 평균 데이터를 적용한다.Since the dynamic time constant of medium and large turbo refrigerators is usually about 2 minutes, the 10-minute average data is applied to minimize the effects of abnormal conditions.
기동, 정지 등과 같은 비정상 상태 구간 운전결과의 평균치는 정상상태의 값에서 벗어나게 되는데, 이러한 비정상 상태의 값들을 배제하기 위하여, 흡열수 출구 온도가 설계 정상상태 온도 ±0.5℃ 편차의 범위를 벗어나거나, 상기 수학식 1의 직선성을 벗어나는 경우에는, 이들 값을 적용대상에서 배제함으로써 측정 데이터를 필터링한다.The average value of the result of abnormal state operation such as start, stop, etc. is out of the steady state value. To exclude these abnormal state values, the endothermic water outlet temperature is outside the range of the design steady state temperature ± 0.5 ℃ deviation, In the case of deviation from the linearity of Equation 1, the measurement data is filtered by excluding these values from the application object.
도 2는 4일간 측정한 냉동기 데이터의 10분 평균치를 나타낸 것이며, 도 3은 계측된 10분 평균 데이터 중 위에서 언급한 준정상 조건에 드는 데이터만 필터링하여 나타낸 것이다.Figure 2 shows the 10-minute average value of the freezer data measured for 4 days, Figure 3 shows only the data that meets the above-mentioned quasi-normal conditions of the measured 10-minute average data.
수학식 1의 함수관계를 보다 정량적으로 규명하기 위한 연구 결과들에 따르면, 수학식 1은 방열수 입구 온도 Tcwi, 흡열수 출구 온도 Tewo와 밀접한 관계에 있음이 밝혀져 있다.According to the research results to quantify the functional relationship of Equation 1, it is found that Equation 1 is closely related to the radiant water inlet temperature T cwi and the endothermic water outlet temperature T ewo .
마찬가지로 연관될 수 있는 방열수 출구 온도 및 흡열수 입구 온도는 냉각 처리부하와 연동되어 열교환기의 성능에 반영되므로, 입력변수의 수를 간소화한다는 측면에서 생략하는 것이 바람직하다.Similarly, the radiant water outlet temperature and the endothermic water inlet temperature that may be associated are reflected in the performance of the heat exchanger in conjunction with the cooling treatment load, and thus may be omitted in view of simplifying the number of input variables.
따라서, 뉴로퍼지 모델은 수학식 2와 같은 함수관계를 갖는 것으로 가정할 수 있다.Therefore, the neurofuge model may be assumed to have a functional relationship as shown in Equation 2.
여기서, 방열수 입구 온도 Tcwi, 흡열수 출구 온도 Tewo는 상기 온도 측정수단(21,32)에 의해 측정할 수 있으며, 증발기의 냉방부하 Qe는 측정된 흡열수 유량과 흡열수의 입출구(증발기의 입출구) 온도차로부터 수학식 3에 의해 구할 수 있다.Here, the radiant water inlet temperature T cwi and the endothermic water outlet temperature T ewo can be measured by the temperature measuring means 21 and 32, and the cooling load Q e of the evaporator is measured for the endothermic flow rate and the inlet / outlet of the endothermic water ( It can be calculated | required by Formula (3) from the inlet / outlet temperature difference of an evaporator.
Qe: 냉방부하 mew: 흡열수 유량Q e : Cooling load m ew : Endothermic flow rate
Cpw: 물의 비열 Tewi: 증발기 입구 온도C pw : Specific heat of water T ewi : Evaporator inlet temperature
Tewo: 증발기 출구 온도T ewo : evaporator outlet temperature
시간에 따라 냉방부하와 외기온도가 변하게 되므로, 냉동기로 유입되는 방열수 및 흡열수의 온도도 변하게 되고, 이에 따라 냉동기의 부분부하 운전, 냉각탑의 제어 등이 이루어지게 되는 바, 냉동용량과 압축기 모터의 전력, 냉동기 압력 등도 주기적인 변동을 보이게 된다. 따라서, 10분 이상의 간격으로 적분하여 시간 평균한 값을 그 시각의 대표값으로 가정하여 자료를 처리한다.Since the cooling load and the outside air temperature change with time, the temperature of the radiant and endothermic water flowing into the refrigerator is also changed. Accordingly, the partial load operation of the refrigerator and the control of the cooling tower are performed. Power, freezer pressure, etc. will also show periodic fluctuations. Therefore, the data is processed assuming that the time-averaged value by integrating at intervals of 10 minutes or more is assumed as the representative value of the time.
주어진 대상을 모사하기 위해 필요한 뉴로퍼지 구조의 설정 조건에 대한 일정한 규칙은 없으나, 본 발명은 터보 냉동기의 특성을 감안한 효율적인 분석을 위해 멤버쉽 함수 형태로서 일반화된 종함수(generalized bell function)를 사용한다.There is no specific rule for setting conditions of neurofuge structures necessary to simulate a given object, but the present invention uses a generalized bell function as a form of membership function for efficient analysis in consideration of the characteristics of the turbo chiller.
입력변수는 수학식 2에서 나타낸 바와 같이 3개의 변수로 설정하였으며, 각 입력변수 별로 필요한 멤버쉽 함수의 수는 2개로 설정하였다.As shown in Equation 2, the input variables were set to three variables, and the number of membership functions required for each input variable was set to two.
3개의 멤버쉽 함수를 설정하는 경우에는 냉동기의 특성을 over-fitting하는 경향이 있는데, 이는 열역학 모델에 근거한 성능계수의 거동이 해당 입력변수들에 대하여 선형에 가까운 거동을 보이기 때문이다.In the case of setting three membership functions, the characteristics of the refrigerator tend to be over-fitting, because the behavior of the coefficient of performance based on the thermodynamic model shows a nearly linear behavior with respect to the corresponding input variables.
따라서, 2개의 멤버쉽 함수로 설정하는 것이 모델과 실험결과의 오차를 줄이는 측면에서 바람직한 것이다.Therefore, setting two membership functions is preferable in terms of reducing the error between the model and the experimental results.
도 4는 본 발명에 의한 성능분석방법에서 채택한 뉴로퍼지 구조를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 퍼지 규칙의 수는 23= 8개이고, 노드의 수는 34개이다.Figure 4 shows the neurofuge structure adopted in the performance analysis method according to the present invention. As shown, the number of fuzzy rules is 2 3 = 8 and the number of nodes is 34.
조건부의 멤버쉽 함수(비선형 종함수)와 관련된 비선형 변수의 개수는 6 × 3 = 18개이고, Sugeno 형태의 추론법에 의한 결론부의 선형 변수의 개수는 8 × 4 = 32개이다.The number of nonlinear variables related to the conditional membership function (nonlinear seed function) is 6 × 3 = 18, and the number of linear variables in the conclusion part by Sugeno type inference is 8 × 4 = 32.
뉴로퍼지의 훈련은 조건부 및 결론부의 50개 변수의 최적치를 구하는 것을 의미하는데, 뉴로퍼지에서 제안된 혼합형 훈련규칙은 주어진 훈련 데이터 집합에 대하여 결론부 선형 변수들을 최소 오차 자승 기법으로 구한 후, 결정된 선형 변수 값들에 대하여 오차의 변화율을 입력부로 역전시켜(back-propagation) 비선형 변수 값들을 gradient descent 기법으로 찾는다.The training of neurofuge means to find the optimal values of the 50 variables of the conditional and the conclusion. The hybrid training rule proposed in the neurofuge suggests that the determined linearity is determined after obtaining the conclusion linear variables with the least-squares method for a given training data set. Non-linear variable values are found by gradient descent method by back-propagation of the rate of change of error with respect to the variable values.
이러한 과정을 최종 오차가 설계 범위에 도달할 때까지, 또는 정해진 횟수만틈 반복함으로써 뉴로퍼지를 훈련한다.This process trains neurofuges until the final error reaches the design range, or by repeating only a fixed number of times.
뉴로퍼지 훈련에 필요한 데이터는 입구변수 공간에 걸쳐 고르게 분포하는 것이 이상적이나, 사실상 이는 불가능하므로, 단기간의 냉동기 성능 진단 실험결과를 토대로 신뢰성 있는 뉴로퍼지 모델을 구축하는 방안이 강구되어야 한다.Ideally, the data needed for neurofuge training should be evenly distributed over the inlet variable space, but in practice this is not possible. Therefore, a reliable neurofuge model should be devised based on short-term freezer performance diagnostics.
여름철 냉동기 성수기보다는 비성수기에 냉동기를 진단하여 필요한 조치를 취하는 것이 바람직한 방안이나, 외기 온도가 낮은 겨울철과 같은 경우에는 증발기측 부하가 없어 냉동기를 전부하 범위에 걸쳐 시험할 수 없으므로, 정확한 냉동기의 성능 진단이 불가능하다.It is preferable to diagnose the freezer in the off-peak season rather than the freezer in summer, and take necessary measures.However, in the case of winter when the outside temperature is low, the freezer cannot be tested over the full load range because there is no load on the evaporator side. Diagnosis is impossible.
따라서, 정확한 성능 진단을 위한 뉴로퍼지 훈련은 6월부터 8월 사이의 데이터를 적용하여 실시하는 것이 바람직하다.Therefore, neurofuge training for accurate performance diagnosis is preferably performed by applying the data between June and August.
도 5는 6월초 4일 동안 취득한 데이터를 토대로 뉴로퍼지 모델을 훈련시킨결과를 나타내고, 도 6은 훈련된 모델을 이용하여 6월에서 9월 중 측정된 성능을 예측하는 능력의 실시예를 나타낸 것이다.FIG. 5 shows the results of training the neurofuge model based on data acquired during the first four days of June, and FIG. 6 shows an example of the ability to predict performance measured in June through September using the trained model. .
냉방부하가 크지 않은 6월초의 데이터만으로는 냉동기의 전부하 범위에 걸친 성능 데이터를 취득할 수 없으므로, 뉴로퍼지 모델의 성능 예측오차가 크고, 신뢰성이 떨어지는 것을 알 수 있다.Since the data from the beginning of June, when the cooling load is not large, cannot obtain the performance data over the full load range of the refrigerator, it can be seen that the performance prediction error of the neurofuge model is large and the reliability is inferior.
반면에 7월 중 열흘 간의 데이터를 취득하여 뉴로퍼지 모델을 훈련시킨 결과는 도 7과 같다. 도 7의 모델은 운전 가능한 모든 영역에 걸쳐 COP가 고르게 분포되어 있어, 도 8에서 보이는 바와 같이 6월에서 9월 중 측정된 성능을 5% 오차범위 내에서 잘 예측하고 있다.On the other hand, the results of training the neurofuge model by acquiring data for 10 days in July are shown in FIG. 7. In the model of FIG. 7, the COP is evenly distributed over all the operable regions, and as shown in FIG. 8, the performance measured in June to September is well predicted within a 5% margin of error.
즉, 본 발명에 의한 터보 냉동기의 성능분석 시스템을 실제의 상황에 적용시킨 결과, 6월에서 8월 중 열흘 이상의 측정 데이터만 있으면 ±5% 범위 내의 오차범위를 갖도록 뉴로퍼지를 훈련하는 것이 가능한 것으로 나타났다.That is, as a result of applying the performance analysis system of the turbo-frigerator according to the present invention to the actual situation, it is possible to train neurofuge to have an error range within ± 5% if more than 10 days of measurement data is available from June to August. appear.
도 9는 한국 공업규격 KS B 6270-85에 명시된 냉동기 성능 시험 표준조건인 방열수 입구온도 및 흡열수 출구온도가 각각 32℃, 7℃인 조건에서 뉴로퍼지 모델을 이용하여 성능을 예측한 결과를 나타낸다.9 shows the results of predicting the performance using the neurofuge model under the condition that the radiant water inlet temperature and the endothermic water outlet temperature, which are the standard conditions of the freezer performance test specified in Korean Industrial Standard KS B 6270-85, are 32 ° C and 7 ° C, respectively. Indicates.
도 9에 의하면, 데이터가 부족한 6월 초 및 냉방부하가 적은 9월을 제외하고는 뉴로퍼지 모델들이 모두 같은 성능을 예측하는 것을 보여준다.According to FIG. 9, neurofuge models all predict the same performance except early June and lacking cooling load in September.
잘 훈련된 뉴로퍼지 모델을 이용하면 임의의 냉동기 부하에서의 성능계수를 알 수 있으므로, 전력소비량을 예측할 수 있고, 이 결과를 토대로 냉동기 운전 제어 방식을 개선함으로써, 국가적 에너지 절약에 기여할 수 있다.A well-trained neurofuge model can be used to determine the coefficient of performance at any refrigeration load, thus predicting power consumption and improving the refrigeration operation control system based on these results, thus contributing to national energy savings.
본 발명은 현장에 설치된 터보 냉동기의 방열수 및 흡열수의 유량, 온도 등 주어진 임의의 조건에서 냉동기의 성능을 분석하고 예측할 수 있도록 하는 터보 냉동기의 성능분석방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for analyzing the performance of a turbo-cooler for analyzing and predicting the performance of the refrigerator under any given conditions, such as the radiant and endothermic flow rates and temperature of a turbo-cooler installed in the field.
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