JP2001141329A - 海水冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】海洋環境を保全しながら、冷凍機に用いられる
海水冷却システムを小型化する。 【解決手段】冷凍機システムは、抽気復水蒸気タービン
と、復水器と、抽気復水蒸気タービンにより駆動される
ターボ冷凍機と吸収冷凍機とを有する。この冷凍機シス
テム内を淡水の冷却水が循環する。この冷却水は、複数
の熱交換器において海水と熱交換する。この複数の熱交
換器に、海水を海水取水ポンプを用いて供給する海水取
水配管および海水を海中に戻す海水戻し配管が接続され
ている。海水取水配管煮は分岐配管が設けられ、この分
岐した配管が海水戻し配管に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は海水を用いて冷凍機
や蒸気タービンの復水器を冷却する海水冷却システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気汚染防止が可能でエネルギー
を効率的に利用できるという利点から地域冷暖房システ
ムが採用されてきている。特に、湾岸近傍や海上造成地
等のウォーターフロントに建設される各種建物では、1
個の熱発生設備であるエネルギプラントを用いて空調す
ることにより、設備の低コスト化、低メンテナンス化、
省スペース化が可能になる。このようなウォーターフロ
ントにある施設の空調においては、冷却源として回りに
豊富に存在する海水が用いられている。この例が、熱供
給 未利用エネルギー特集ＮＯ．３「海水熱利用による
コスモスクエア地区の熱供給」 社団法人日本熱供給事
業協会 1993年 に記載されている。

【０００３】この文献では、空調用の冷凍機の冷却水に
淡水を用いて循環させ、この淡水を海水と熱交換させて
冷却に供している。淡水と海水を熱交換させる熱交換器
では、海水側の熱交換器入口温度と出口温度の温度差を
５〜６゜Ｃに設定している。そして、海水を海中に排出
する際に環境破壊が生じないよう、冷凍機に汲み入れら
れる海水量を制御している。

【０００４】一方、この海水と熱交換する淡水について
は、熱交換器出口での淡水の温度が高くても冷凍機の性
能低下がわずかであるので、冷却水の循環量を減らすた
めに、出口温度を高く設定する傾向にある。冷却水量が
減ると、冷却水を搬送するポンプ動力等の動力を低減で
きるとともに、配管口径も小径化でき、建設コストの大
幅低減が可能になる。その結果、淡水と海水を熱交換す
る熱交換器においては、淡水側の温度差が海水側の温度
差の２倍以上になっている。

【０００５】また、海水を冷却用に使用すると、ごみ等
が熱交換器に付着するので、熱交換器の洗浄が必要にな
る。そこで、海水により汚れた熱交換器の汚れ除去の例
が、冷凍 「ＮＥＤＯ未利用エネルギー活用プロジェク
トの紹介」ｖｏｌ.73、Ｎｏ.853、第８８頁〜９２頁、1
998年11月 に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、淡水と海水
を熱交換する熱交換器には、一般にプレート熱交換器が
使用される。このプレート熱交換器では、プレート間に
淡水と海水を交互に流している。プレート熱交換器の大
きさは、海水と淡水間の出入り口温度差や流量がほぼ同
程度のときに、最小になる。上述したように、従来の熱
交換器における海水側の温度差は、淡水側の温度差の半
分程度であるから、海水の循環量は淡水の循環量の約２
倍になる。このため、海水と淡水を熱交換するプレート
熱交換器では、伝熱に必要なプレート枚数より多くのプ
レートが海水を熱交換器内で導くのに必要になる。その
結果、熱交換器の大きさが大きくなるという不具合があ
った。

【０００７】また、海水の温度差を小さくするために、
海水を大量にプレート熱交換器に導くので、海水ポンプ
の動力が大きくなる。さらに、海水中の微生物が冷凍シ
ステム内に付着してスライムや藻が発生する恐れがある
ので、海水取入口には海水をろ過するろ過器が必要であ
るが、海水量が増大すると、当然ろ過器も大型化し、コ
ストが増大する。

【０００８】一方、海水による熱交換器の汚れを除去す
る文献記載の方法は、熱交換器内の海水を系外へ排出し
た後、温水あるいはオゾン水を通液してプレートに付着
した海生生物を死滅させ、エアーバプリングによって汚
れを除去するものである。この方法によれば、温水発生
のためのボイラやオゾン発生装置等が必要となり、せっ
かく海水を使った利便性を損なう恐れがある。

【０００９】本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなさ
れたものであり、その目的は、海洋環境を保全しなが
ら、冷凍機に用いられる海水冷却システムを小型化する
ことにある。本発明の他の目的は、海洋環境の保全と冷
凍機に必要な動力の低減の双方を実現することにある。
本発明のさらに他の目的は、海洋環境の保全と冷凍機の
建設製造コストの低減を両立させることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するに、
本発明では、抽気復水蒸気タービンと復水器と抽気復水
蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収冷凍
機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システムを
流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱交換
器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポンプを
有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器から海
水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却システ
ムを構成する。そしてその第1の特徴は、海水取水配管
を分岐し、この分岐した配管を海水戻し配管に接続した
ものである。

【００１１】好ましくは、分岐配管にこの分岐配管に海
水を導き熱交換器から排出される海水と混合させる混合
用ポンプを設けたものである。

【００１２】また本発明の第2の特徴は、海水戻し配管
から流出する高温の海水に低温の海水を混合するための
第２の海水取水配管を設け、この第２の海水取水配管を
海水戻し配管に接続し、海水取水配管に海水ストレーナ
を設けたことにある。

【００１３】そしていずれの特徴においても、熱交換器
に流入する淡水の温度と流出する淡水の温度との温度差
と、この熱交換器に流入する海水の温度と流出する海水
の温度との温度差をほぼ同じにすることが望ましい。

【００１４】さらに第３の特徴は、複数の熱交換器の各
々にこの熱交換器の内部を流通する海水を淡水に置換す
る置換手段を設けたことである。そして、置換手段は、
海水取水配管に設けた第１の弁手段を有する第１のバイ
パス管と海水戻し配管に設けた第２の弁手段を有する第
２のバイパス管と、海水取水手段に設けた第３の弁手段
と、海水戻し配管に設けた第４の弁手段を有することが
望ましい。さらに好ましくは、復水器の淡水側出口と淡
水側入口とを接続する配管と、この配管中に介在させた
ポンプと、逆止弁と有し、熱交換器の海水を淡水に置換
したときにはこの配管と復水器間を淡水が循環するよう
にしたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、図面
を用いて説明する。図１は本発明に係る空調システムの
一実施例の系統図である。空調システムは、ウォータフ
ロントや沖合いに埋め立てて造成された例えば空港に建
設されたビル等を空調する空調設備である。空港ビル等
を冷却する空調システムは、抽気復水タービン１、発電
機２、復水器４、ターボ圧縮機７、蒸発器８、凝縮機
９、吸収冷凍機１３、複数台の淡水と海水の熱交換器１
７、…、１７ｍ（ｍ：ｍ番目を示す）、淡水ポンプ１
６、海水ポンプ１８、海水バイパスポンプ２０、海水ろ
過器２２、およびこれら各機器間を接続する蒸気配管
３、５、６、淡水配管１５、海水配管１９、…、１９ｍ
（ｍ：ｍ番目を示す）、２１、２３、２４、等を備えて
いる。

【００１６】冷却用の淡水は、淡水と海水の熱交換器１
７、…、１７ｍにおいて海水により冷却された後、淡水
ポンプ１６で昇圧される。その後、淡水配管１５を通っ
てターボ冷凍機の凝縮器９、吸収冷凍機１３、復水器４
の順に流れ、各機器を冷却する。その際、淡水自身は昇
温し、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに還流し
て再び海水で冷却される。以後、この循環を繰り返す。

【００１７】一方、海水は取水ポンプ２１により海中か
ら汲み上げられ、海水配管２３、１９、…、１９ｍを経
て海水ポンプ１８、…、１８ｍに供給される。海水ポン
プ１８、…、１８ｍは、淡水と海水の熱交換器１７、
…、１７ｍに海水を必要量供給する。淡水と海水の熱交
換器１７、…、１７ｍにおける夏場の淡水の出口温度
は、海水温度が２５°Ｃ程度であるので２８°Ｃ程度ま
で上昇する。

【００１８】２８°Ｃまで上昇した淡水は、ターボ冷凍
機の凝縮器９および吸収冷凍機１３を冷却て昇温し、復
水器４に流入する。復水器４では、蒸気タービン１から
排出される蒸気を冷却して蒸気を液化する。淡水はこの
蒸気タービンでさらに昇温し、約４０°Ｃ〜４５°Ｃに
なって淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに還流す
る。したがって、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７
ｍの淡水側の温度差は、１２°Ｃ〜１７°Ｃと大きくな
る。

【００１９】海水は、海水ポンプ１８、…、１８ｍによ
り淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに約２５°Ｃ
で供給される。そして、この熱交換器において、淡水と
同じ温度差まで昇温し、３７°Ｃ〜４２°Ｃになって熱
交換器１７、…、１７ｍから流出する。このように熱交
換器の入口と出口の温度差を、淡水と海水とでほぼ同一
にすると、淡水と海水の熱伝達率はほぼ同一であるか
ら、熱交換器を小型化できる。このとき、熱交換器を流
通する海水と淡水のそれぞれの流量もほぼ同じになる。

【００２０】ところで、熱交換器１７、…、１７ｍから
流出した海水は温度が高いので、そのまま海に放流する
と海の環境を乱すことになる。そこで、取水配管２３か
ら取水した冷たい海水の一部をバイパス配管２１により
バイパスさせる。バイパス配管２１には、海水バイパス
ポンプ２０を介在させる。バイパス配管２１を熱交換器
１７、…、１７ｍから流出する海水の放流配管２４に接
続する。そして、熱交換器１７、…、１７ｍから流出す
る海水を冷たい取水したばかりの海水と混合させること
により、海中に放流される海水の温度を、環境に影響し
ない温度まで低下させることが可能になる。

【００２１】なお、海水ポンプとしては取水ポンプ１
８、…、１８ｍのみとし、熱交換器１７、…、１７ｍの
入口部からそれぞれのポンプの出口にバイパス配管を接
続してもよい。ただし、この場合には、放流温度を下げ
るためにバイパスする海水も熱交換器を通過させるの
で、熱交換器を流通するのに必要な圧力まで昇圧する必
要がある。

【００２２】また、海水ポンプとして、淡水と海水の熱
交換器１７、…、１７ｍに海水を供給する揚程が１５〜
２０ｍ程度のポンプ１８、…、１８ｍと、揚程が約５ｍ
の海水バイパスポンプ２０との２段のポンプを用いれ
ば、バイパスさせる海水については昇圧する必要がなく
なるので、バイパス海水の昇圧量は1段のときの１／３
〜１／４まで減少する。したがって、総合したポンプ動
力を低減できる。

【００２３】さらに、図２に示すように、主取水ライン
にポンプ２５を設け、バイパスライン２１に制御弁２６
を設けるようにしてもよい。このようにすれば、冷却水
と熱交換する海水量が少ないときや、冷却水と熱交換し
た海水の温度が低いときには、制御弁２６を絞ってポン
プ２５の必要動力を低減することが可能になる。

【００２４】なお、海水にはごみが多く含まれているの
で、海水取水口にはポンプの運転に支障を起こすような
大きなごみを取るスクリーンが、熱交換器に供給するラ
インには熱交換器にごみが詰まって海水が流れなくなる
のを防止するための目の細かい自動洗浄式のろ過器がそ
れぞれ取り付けられている。

【００２５】本実施例によれば、熱交換器に供給される
海水と熱交換器から海中に排出される海水を冷却するバ
イパス海水とに分けているので、バイパス海水の方はろ
過せず、熱交換器に供給される海水のラインにのみ海水
ろ過器を設ければ、海水ろ過器２２を通過する海水量が
従来に比べて約半分に減り、海水ろ過器２２の容量が半
分で済み、コスト低減が可能になる。

【００２６】さらに、海水バイパスポンプ２０を、海水
放流温度差が一定になるように冷却負荷に応じて回転数
制御すれば、海水の無駄なバイパスが不要となり、ポン
プ動力をより一層低減することができる。

【００２７】ところで、淡水と海水の熱交換器１７、
…、１７ｍの海水側には、海生生物が付着したりして、
熱伝達を阻害されることがある。このため、定期的に海
水側を洗浄する必要がある。上述したように、海水側を
淡水に置換した後、海生生物が死滅する温度まで淡水温
度を上げて洗浄する方法が、海の環境保全の観点から採
用されることが多い。海水を使用して冷却する場合、海
水取水温度が２５℃程度であることから、この温度付近
が海生生物の生活温度域であり、これより２０℃も高い
４５℃近くの温度になるとほとんどの海生生物は死滅す
ると考えられるからである。

【００２８】この方法では装置が複雑化するので、より
簡便化した海水冷却システムの例を図３に示す。この図
３に示した実施例は、淡水と海水の熱交換器１７、…、
１７ｍ回りを除いて、上記実施例と同じである。複数設
けられた熱交換器１７、…、１７ｍの中の１台の熱交換
器１７だけを洗浄する場合を例に取る。

【００２９】洗浄対象のｍ個の熱交換器１７、…、１７
ｍの中で、１台の熱交換器１７だけ、海水側の止め弁３
８、３９を閉じ、淡水止弁３６、３７を微開にする。こ
のとき、他の熱交換器１７ｍ、…には淡水と海水の双方
を通水し、冷凍機システムを運転状態にする。洗浄する
熱交換器１７の海水排出弁２８を開き、この熱交換器１
７内の海水を抜取る。海水を抜取った後、淡水供給弁２
７を開き、熱交換器１７内を淡水で満たす。

【００３０】このように各弁を設定すると、熱交換器１
７には冷凍機システムで暖められて高温になった淡水が
少量流れる。そして、最終的には、熱交換器１７全体の
内部温度が、冷凍機システムから戻る淡水温度に達す
る。この戻りの淡水温度まで熱交換器１７温度が上昇す
ると、熱交換器１７に付着している海生生物は死滅す
る。やがて、海生生物は熱交換器１７の伝熱面より剥離
する。なお、熱交換器１７の内部の加熱を淡水側から行
うので、海生生物が付着している側が高温になり、海生
生物が剥離しやすくなる。

【００３１】季節によっては海水温度が低くなり、冷凍
機システムからの淡水戻り温度が低くなる場合がある。
また、冷凍機システムの負荷が少なくなって、淡水戻り
温度が低くなることもある。このような不具合を防ぐた
めに、冷凍機システムの淡水戻り温度を検出する温度セ
ンサー２９を設け、熱交換器の洗浄時にはこの温度セン
サー２９が検出した温度に基づいて、温度調節器３０が
洗浄に必要な温度に上昇するように淡水流量を制御す
る。具体的には、温度調節器３０が制御弁３１を絞るよ
うに指令する。

【００３２】洗浄が完了したら、制御弁３１を全開に戻
す。また、淡水供給弁２７と海水排出弁２８を閉め、海
水止め３８、３９および淡水止め弁３６、３７を全開に
し、通常の運転に戻す。

【００３３】図４に上記実施例の変形例を示す。本変形
例が、上記実施例と異なる点は、復水器４を循環する配
管３４を淡水循環路に設けたことにある。淡水と海水の
熱交換器１７、…、１７ｍを洗浄するときに、冷凍機に
還流する淡水の循環量を絞り過ぎると、冷凍機の冷却水
出口温度が高くなり、冷凍機の運転に支障をきたすこと
がある。

【００３４】このとき、淡水の循環量を冷凍機の運転に
支障が起きない程度まで絞る。復水器４の出口側淡水
は、入口側に戻す配管３４に設けられたバイパスポンプ
３２により復水器４を循環し、復水器４の淡水出口温度
が洗浄に必要な温度まで上昇したら熱交換器１７、…、
１７ｍに導くようにする。

【００３５】なお、配管３４にはチェック弁３３が設け
られており、熱交換器１７、…、１７ｍを洗浄しない時
には淡水が復水器４に戻らない様にする。また、バイパ
スポンプ３２は淡水戻り温度が洗浄に必要な温度になる
ようにインバータを用いて回転数制御されている。な
お、回転数制御の代わりに制御弁を取り付け、バイパス
水量を調節してもよい。

【００３６】本実施例によれば、淡水と海水の熱交換器
を洗浄するのに専用のボイラー等の加熱装置が不要にな
る。したがって、海水を冷却用に利用する冷凍機システ
ムのコスト低減が図れる。また、ボイラー等の加熱源が
不要であるから、メンテナンスが容易になり、ランニン
グコストも低減する。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、冷却水を海水により冷
却する海水冷却システムにおいて、循環する淡水の熱交
換器入口温度を高め、熱交換後の海水を取水したばかり
の海水と混合させたので、環境保全と空調システムの小
型化が可能になる。また、小型化により消費動力の低減
も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る海水冷却システムの一実施例のシ
ステムフロー図。

【図２】本発明に係る海水冷却システムの他の実施例の
システムフロー図。

【図３】本発明に係る海水冷却システムのさらに他の実
施例のシステムフロー図。

【図４】本発明に係る海水冷却システムのさらに他の実
施例のシステムフロー図。

【符号の説明】

１…抽気腹水タービン、２…発電機、３…入口蒸気配
管、４…復水器、５…復水蒸気配管、６…抽気蒸気配
管、７…ターボ圧縮機、８…蒸発器、９…凝縮器、１０
…冷媒吐出配管、１１…冷媒絞り装置、１２…冷媒吸込
み配管、１３…吸収冷凍機、１４…冷水配管、１５…淡
水配管、１６…淡水ポンプ、１７…熱交換器、１７ｍ…
ｍ番目の熱交換器、１８…海水ポンプ、１８ｍ…ｍ番目
の海水ポンプ、１９…熱交海水配管、１９ｍ…ｍ番目の
熱交海水配管、２０…海水バイパスポンプ、２１…海水
バイパス配管、２２…海水ろ過器、２３…海水取水配
管、２４…海水放流配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅沼 俊浩 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 (72)発明者 森知 隆 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所システム事業部内 (72)発明者 近藤 元博 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】抽気復水蒸気タービンと復水器と前記抽気
   復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収
   冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システ
   ムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱
   交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポン
   プを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器か
   ら海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却シ
   ステムにおいて、 前記海水取水配管を分岐し、この分岐した配管を前記海
   水戻し配管に接続したことを特徴とする海水冷却システ
   ム。
2. 【請求項２】前記分岐配管にこの分岐配管に海水を導き
   前記熱交換器から排出される海水と混合させる混合用ポ
   ンプを設けたことを特徴とする請求項１記載の海水冷却
   システム。
3. 【請求項３】抽気復水蒸気タービンと復水器と前記抽気
   復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収
   冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システ
   ムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱
   交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポン
   プを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器か
   ら海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却シ
   ステムにおいて、 前記海水戻し配管から流出する高温の海水に低温の海水
   を混合するための第２の海水取水配管を設け、この第２
   の海水取水配管を前記海水戻し配管に接続し、前記海水
   取水配管に海水ストレーナを設けたことを特徴とする海
   水冷却システム。
4. 【請求項４】前記熱交換器に流入する淡水の温度と流出
   する淡水の温度との温度差と、この熱交換器に流入する
   海水の温度と流出する海水の温度との温度差がほぼ同じ
   であることを特徴とする請求項１または３に記載の海水
   冷却システム。
5. 【請求項５】抽気復水蒸気タービンと復水器と前記抽気
   復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収
   冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システ
   ムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱
   交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポン
   プを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器か
   ら海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却シ
   ステムにおいて、 前記複数の熱交換器の各々にこの熱交換器の内部を流通
   する海水を淡水に置換する置換手段を設けたことを特徴
   とする海水冷却システム。
6. 【請求項６】前記置換手段は、前記海水取水配管に設け
   た第1の弁手段を有する第1のバイパス管と前記海水戻し
   配管に設けた第2の弁手段を有する第2のバイパス管と、
   前記海水取水手段に設けた第3の弁手段と、前記海水戻
   し配管に設けた第4の弁手段を有することを特徴とする
   請求項５記載の海水冷却システム。
7. 【請求項７】前記復水器の淡水側出口と淡水側入口とを
   接続する配管と、この配管中に介在させたポンプと、逆
   止弁と有し、前記熱交換器の海水を淡水に置換したとき
   にはこの配管と前記復水器間を淡水が循環するようにし
   たことを特徴とする請求項６記載の海水冷却システム。