JP2004085008A

JP2004085008A - 水和物スラリ製造システムおよびその運転方法

Info

Publication number: JP2004085008A
Application number: JP2002244140A
Authority: JP
Inventors: Shingo Takao; 高雄　信吾; Shigenori Matsumoto; 松本　繁則; Hidemasa Ogose; 生越　英雅
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】熱交換器を増やすことなく、氷蓄熱システムと水和物スラリの冷熱輸送システムとを併用したコンパクトで省エネルギーを達成できる水和物スラリ製造システムを提供する。
【解決手段】蓄冷媒体が収容される蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に設置され、冷却により水和物スラリを生成するゲスト化合物水溶液を流通させる内管およびブラインを流通させる外管を有する二重管熱交換器と、ブラインを冷却する冷凍機と、前記冷凍機と前記二重管熱交換器の外管との間でブラインを循環させるブライン配管と、前記二重管熱交換器の内管と負荷側機器との間で水和物スラリまたはゲスト化合物水溶液を循環させる冷熱輸送配管とを有する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水和物スラリ製造システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空調施設や産業用冷熱利用施設においては、冷熱媒体として冷水を利用するのが最も一般的である。最近では、電力需要が低い夜間に水を冷却して氷（氷スラリ）を製造しておき、電力需要が高い昼間には氷の融解潜熱を利用して製造された冷水を空調負荷などに輸送するようにし、省エネルギーを達成する氷蓄熱システムが用いられるようになってきている。
【０００３】
一方、本発明者らは、冷熱媒体としてゲスト化合物（テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）の水和物スラリを用いることを提案している。ゲスト化合物を含む水溶液を冷却すると、ホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内にゲスト化合物が包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）が生成する。この水和物は、大気圧下において０℃以上の温度で生成でき、しかも５〜１２℃程度の冷熱利用温度域で潜熱が比較的大きく、冷水に比較して数倍の熱量の冷熱を利用することができる。また、この水和物は微細な結晶粒子であり水溶液中に浮遊するため、比較的流動性の高い水和物スラリ（固液二相流体）の形態で存在する。この水和物スラリは、従来の冷熱輸送媒体である冷水と比較して、所定の輸送冷熱量に対して輸送動力を低減でき、大幅に省エネルギーを達成できるので、空調システムなどで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有している。
【０００４】
ただし、氷蓄熱システムでは氷の蓄熱量が大きいため蓄熱槽スペースを小さくできるというメリットがある。そこで、氷蓄熱システムと水和物スラリの冷熱輸送システムとを併用することが考えられる。
【０００５】
しかし、上記の２つのシステムを単純に併用する場合、冷凍機によって水を冷却して氷を製造するための熱交換器のほかに、氷蓄熱システムで生成する冷水によってゲスト化合物水溶液を冷却して水和物スラリを製造するための熱交換器が必要になる。このことは、特に冷熱利用システムの設置スペースが限られている場合には大きな問題になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、熱交換器を増やすことなく、氷蓄熱システムと水和物スラリの冷熱輸送システムとを併用したコンパクトで省エネルギーを達成できる水和物スラリ製造システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る水和物スラリ製造システムは、蓄冷媒体が収容される蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に設置され、冷却により水和物スラリを生成するゲスト化合物水溶液を流通させる内管およびブラインを流通させる外管を有する二重管熱交換器と、ブラインを冷却する冷凍機と、前記冷凍機と前記二重管熱交換器の外管との間でブラインを循環させるブライン配管と、前記二重管熱交換器の内管と負荷側機器との間で水和物スラリまたはゲスト化合物水溶液を循環させる冷熱輸送配管とを有する。
【０００８】
本発明の水和物スラリ製造システムにおいては、前記冷熱輸送配管に、前記二重管熱交換器の内管から抜き取った水和物を貯蔵するバッファタンクが接続されていることが好ましい。
【０００９】
本発明の水和物スラリ製造システムにおいては、前記蓄熱槽内に複数の二重管熱交換器が設置されていてもよい。
【００１０】
本発明の水和物スラリ製造システムにおいては、前記冷熱輸送配管に、前記二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知する手段が接続されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の水和物スラリ製造システムにおいては、前記二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給する供給配管が設けられていてもよい。
【００１２】
本発明の水和物スラリ製造システムにおいては、前記冷熱輸送配管および前記ブライン配管に、負荷側機器から戻るゲスト化合物水溶液とブラインとの熱交換を行う熱交換器が接続されていてもよい。
【００１３】
本発明の他の態様に係る上記水和物スラリ製造システムの運転方法は、蓄熱運転時に二重管熱交換器の外管に０℃以下のブラインを流通させて蓄熱槽内の蓄冷媒体を冷却し、水和物スラリ製造運転時に二重管熱交換器の内管にゲスト化合物水溶液を流通させ二重管熱交換器の外管に１℃以上のブラインを流通させて二重管熱交換器の内管内で水和物スラリを製造することを特徴とする。
【００１４】
本発明の方法においては、蓄熱運転時に二重管熱交換器の内管からゲスト化合物水溶液を抜き取ってバッファタンクに貯蔵することが好ましい。
【００１５】
本発明の方法においては、蓄熱槽内に複数の二重管熱交換器を切り替え可能に並列に設置し、水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、他の二重管熱交換器に切り換えて水和物スラリ製造運転を継続するようにしてもよい。
【００１６】
本発明の方法においては、水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給するようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
蓄冷媒体が収容される蓄熱槽としては、例えば水を冷却することにより生成する氷（氷スラリ）が収容される氷蓄熱槽が用いられる。また、冷却により水和物スラリを生成するゲスト化合物としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類が挙げられる。ゲスト化合物水溶液は、所望の冷熱利用温度が得られるように所定の濃度に調整する。
【００１８】
本発明においては、蓄熱槽内に二重管熱交換器を設置する。二重管熱交換器の構造は管式のものでもプレート式のものでもよく、特に限定されない。複数の二重管熱交換器を蓄熱槽内に設置し、直列または並列に接続してもよい。また、直列接続された複数の二重管熱交換器で１つのユニットを構成し、複数のユニットを並列に接続してもよい。二重管熱交換器の内管にゲスト化合物水溶液を流通させ、二重管熱交換器の外管にブラインを流通させる。ブラインは、冷凍機により冷却され、ブライン配管を通して二重管熱交換器の外管へ送られ、外管から冷凍機へ戻るように循環する。二重管熱交換器の内管で製造された水和物スラリは、冷熱輸送配管を通して負荷側機器へ送られ、負荷側機器で冷熱が利用された後にゲスト化合物水溶液として二重管熱交換器の内管に戻るように循環する。
【００１９】
このような水和物スラリ製造システムは以下のようにして運転される。すなわち、蓄熱運転時（例えば夜間）には、二重管熱交換器の外管に０℃以下のブラインを流通させて蓄熱槽内の蓄冷媒体を冷却する。こうして、蓄熱槽内に例えば氷（氷スラリ）を貯蔵する。なお、蓄熱運転時には、二重管熱交換器の内管からゲスト化合物水溶液を抜き取ってバッファタンクに貯蔵しておくことが好ましい。一方、水和物スラリ製造運転時（例えば昼間）には、二重管熱交換器の内管にゲスト化合物水溶液を流通させ、蓄熱槽に貯蔵されている氷の融解潜熱を利用してゲスト化合物水溶液を冷却することにより水和物スラリを製造し、氷がなくなったら二重管熱交換器の外管に１℃以上のブラインを流通させてゲスト化合物水溶液を冷却することにより水和物スラリを製造する。製造された水和物スラリは負荷側機器へ送られてその冷熱が利用される。
【００２０】
上記のような本発明の水和物スラリ製造システムでは、蓄熱槽内に設置された二重管熱交換によって蓄冷媒体（例えば氷スラリ）の製造と水和物スラリの製造が可能になるので、別途に水和物スラリ製造用の熱交換器を用意する必要がなくなる。このため、本発明の水和物スラリ製造システムは、コンパクトで、しかも水和物スラリの輸送熱密度が高いので、輸送動力を低減できるという特性を活かして省エネルギーを達成できる。
【００２１】
本発明の水和物スラリ製造システムでは、二重管熱交換器の内管内で水和物スラリによる閉塞が生じると安定な運転ができなくなるため、二重管熱交換器の内管が水和物スラリの付着によって閉塞される過程に入ったことを検知できるようにすることが好ましい。水和物スラリによる内管の閉塞の兆候は、内管出口の水和物スラリの温度や流量、内管入口−内管出口間の圧力損失、その他の物性の変動によって検知できるので、検知手段として温度計、流量計、差圧計などの機器を適宜設置する。これらの機器を複数設置してもよい。
【００２２】
本発明の水和物スラリ製造システムでは、水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、二重管熱交換器の外管に、水溶液の濃度に応じて定まる水和物スラリ生成温度より高い温度に加熱されたブラインを一時的に供給して、内管内部に付着した水和物の融解運転を行い、閉塞を防止することが好ましい。
【００２３】
また、内管から水溶液を抜いた状態での蓄熱運転から水和物スラリ製造運転への切り換え時に内管に水溶液を供給した時点で、内管内の壁面での水和物の付着を防ぎ、水溶液の流動性を確保して水和物スラリ製造運転の起動を安定化する目的でも、二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給することが好ましい場合がある。
【００２４】
具体的には、ヒーターなどにより加熱可能なブラインの容器を別途用意し、ブライン循環配管に弁を介して加熱ブラインの供給管を接続し、検知手段により閉塞の兆候が検知されたときに弁を開いて二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給するようにしてもよい。
【００２５】
また、冷熱輸送配管およびブライン配管に弁を介して負荷側機器から戻るゲスト化合物水溶液とブラインとの熱交換を行う熱交換器を接続し、検知手段により閉塞の兆候が検知されたときに弁を開いて二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給するようにしてもよい。この場合、ブラインを加熱するために負荷側機器から戻る水溶液を熱源としているので、融解運転のためのシステムの熱損失を低減することができる。
【００２６】
さらに、蓄熱槽内に複数の二重管熱交換器（または二重管熱交換器ユニット）を切り替え可能に並列に設置し、水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、他の二重管熱交換器（または二重管熱交換器ユニット）に切り換えて水和物スラリ製造運転を継続するようにしてもよい。このような方法により、閉塞を確実に予防できるとともに、システム全体で連続的に水和物スラリを製造できる。
【００２７】
【実施例】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。
図１は本実施例における水和物スラリ製造システムを示す構成図である。図１に示すように、蓄熱槽１内に４つの二重管熱交換器２が直列に設置されている。蓄熱槽１は水を冷却することにより生成する蓄冷媒体としての氷（氷スラリ）３を収容する。
【００２８】
本実施例における二重管熱交換器２は、図２に示すように、内管２ａと外管２ｂを有するプレート式のものである。二重管熱交換器２では、内管２ａ内にはゲスト化合物水溶液２０が流通され、外管２ｂ内（外管２ｂ−内管２ａ間の流路）にはブライン１０が流通される。ゲスト化合物水溶液２０とブライン１０は互いに向流となるように流通される。
【００２９】
ブライン１０は冷凍機１１内（蒸発器）で冷却され、ポンプ１２によりブライン配管１３を通して二重管熱交換器２の外管２ｂ内に流通され、冷凍機１１に戻るように循環される。なお、冷却塔１４で冷却された冷却水がポンプ１５によって冷凍機１１の凝縮器に供給される。
【００３０】
ゲスト化合物水溶液２０は二重管熱交換器２の内管２ａ内で冷却されて水和物スラリとなり、水和物スラリはポンプ２１により冷熱輸送配管２２を通して空調機などの負荷側機器２３へ輸送され、二重管熱交換器２の内管２ａに戻るように循環される。なお、冷熱輸送配管２２の途中にはバッファタンク２４が設けられている。
【００３１】
図３（ａ）および（ｂ）を参照して、図１の水和物スラリ製造システムの運転方法を説明する。
【００３２】
蓄熱運転時（夜間）には、図３（ａ）に示すように、二重管熱交換器２の内管２ａからゲスト化合物水溶液を抜き出してバッファタンク２４に貯蔵する。この状態で、冷凍機１１で０℃以下たとえば−５℃に冷却したブラインを二重管熱交換器２の外管２ｂに流通させ、蓄熱槽１内の水を冷却して氷（氷スラリ）３を生成させる。
【００３３】
水和物スラリ製造運転時（昼間）には、図３（ｂ）に示すように、二重管熱交換器２の内管２ａにゲスト化合物水溶液２０を流通させ、蓄熱槽１に貯蔵されている氷の融解潜熱を利用してゲスト化合物水溶液２０を冷却することにより水和物スラリを製造する。負荷が高くなり、氷がなくなったら二重管熱交換器２の外管２ｂに１℃以上たとえば２〜４℃のブライン１０を流通させてゲスト化合物水溶液２０を冷却することにより水和物スラリを製造する。製造された水和物スラリは負荷側機器２３へ送られてその冷熱が利用される。
【００３４】
次に、図４を参照して、本発明の水和物スラリ製造システムにおける二重管熱交換器内管の閉塞過程の検知手段および閉塞防止手段について説明する。図４に示すように、二重管熱交換器２の内管２ａからの出口側の冷熱輸送配管２２には流量計２５および温度計２６が取り付けられている。また、二重管熱交換器２の内管２ａへの入口側の冷熱輸送配管２２と二重管熱交換器２の内管２ａからの出口側の冷熱輸送配管２２との間には差圧計２７が接続されている。これらの機器は制御器２８に接続され、水和物スラリの温度もしくは流量、または水和物スラリ−水溶液間の差圧が設定値から変動したことを検知することにより、二重管熱交換器２の内管２ａが水和物スラリによる閉塞過程に入ったことを検知できるようになっている。一方、蓄熱槽１の外側にブライン４０を収容したブラインタンク４１が設けられており、ブラインタンク４１内のブライン４０はヒーター４２によりゲスト化合物水溶液の水和物生成温度よりも高い温度に加熱できるようになっている。ブラインタンク４１は加熱ブライン供給配管４４によってブライン配管１３に接続されており、ブラインタンク４１内の加熱されたブライン４０はポンプ４３によりブライン供給配管４４および電磁弁４５を通してブライン配管１３に供給され、さらに二重管熱交換器２の外管２ｂに流通できるようになっている。また、加熱ブライン供給配管４４の接続位置より上流のブライン配管１３にも電磁弁１６が設けられている。電磁弁１６および電磁弁４５は、制御器２８により開閉を制御される。
【００３５】
図４において、流量計２５、温度計２６または差圧計２７からの信号に基づいて、制御器２８によって二重管熱交換器２の内管２ａが閉塞過程に入ったことが検知されると、制御器２８から融解運転開始の信号が電磁弁１６および電磁弁４５に入力され、二重管熱交換器２の内管２ａ内に付着した水和物を融解する融解運転に入る。すなわち、この信号により一時的に電磁弁１６が閉じ電磁弁４５が開いて、ブラインタンク４１内の加熱されたブライン４０がポンプ４３によりブライン供給配管４４、電磁弁４５、ブライン配管１３を経由して二重管熱交換器２の外管２ｂに供給される。この結果、二重管熱交換器２の内管２ａ内に付着した水和物が融解されるので、内管の閉塞を防止できる。融解運転が終了すると、電磁弁４５を閉じ電磁弁１６を開いて水和物スラリ製造運転に戻る。
【００３６】
図５を参照して、本発明の水和物スラリ製造システムにおける閉塞防止手段の他の例について説明する。なお、図５でも図４と同様に流量計２５、温度計２６、差圧計２７および制御器２８が接続されているが、図５ではこれらの機器を省略している。図５においては、融解運転用の熱交換器５１を設け、融解運転時には二重管熱交換器へ供給されるブラインと負荷側機器での冷熱利用により加熱されたゲスト化合物水溶液との間で熱交換を行うことによりブラインを加熱し、加熱ブラインを二重管熱交換器２の外管２ｂに供給する。具体的には、二重管熱交換器２の外管２ｂへのブライン入口側のブライン配管１３には電磁弁１６が設けられるとともに、ブライン配管１３と熱交換器５１との間に電磁弁１６をバイパスするバイパス配管および電磁弁１７が設けられている。また、二重管熱交換器２の外管２ｂからのブライン出口側の冷凍機１１へ向かうブライン配管１３には電磁弁１８が設けられるとともに、電磁弁１８および冷凍機１１をバイパスするバイパス配管および電磁弁１９が設けられている。一方、負荷側機器から戻るゲスト化合物水溶液の二重管熱交換器２の内管２ａへの入口側の冷熱輸送配管２２には電磁弁２８が設けられるとともに、冷熱輸送配管２２と熱交換器５１との間に電磁弁２８をバイパスするバイパス配管および電磁弁２９が設けられている。
【００３７】
図５において、二重管熱交換器２の内管２ａが閉塞過程に入ったことが検知されると、融解運転開始の信号が各電磁弁に入力され、二重管熱交換器２の内管２ａ内に付着した水和物を融解する融解運転に入る。すなわち、この信号により一時的に電磁弁１６、１８、２８が閉じ電磁弁１７、１９、２９が開く。そして、ブラインは熱交換器５１において負荷側機器からの加熱されたゲスト化合物水溶液との熱交換により加熱されて二重管熱交換器２の外管２ｂに供給され、冷凍機１１を経由せずに循環する。この結果、二重管熱交換器２の内管２ａ内に付着した水和物が融解されるので、内管の閉塞を防止できる。融解運転が終了すると、電磁弁１７、１９、２９を閉じ電磁弁１６、１８、２８を開いて水和物スラリ製造運転に戻る。図５では、ブラインを加熱するために負荷側機器から戻る水溶液を熱源としているので、図４の構成と比較して、融解運転のためのシステムの熱損失を低減することができる。
【００３８】
なお、以上の説明では、蓄熱槽１内に直列に接続された４つの二重管熱交換器２からなる１つの二重管熱交換器ユニットを設けた構成を示したが、本発明においては複数の二重管熱交換器ユニットの複数を切り替え可能に並列に設置してもよい。この場合、水和物スラリ製造運転に使用している１つの二重管熱交換器ユニットで内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、他の二重管熱交換器ユニットに切り換えて水和物スラリ製造運転を継続する。このような方法により、閉塞を確実に予防できるとともに、システム全体で連続的に水和物スラリを製造できる。また、蓄冷媒体として氷（氷スラリ）以外に低温で相変化する物質や不凍液を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、熱交換器を増やすことなく、氷蓄熱システムと水和物スラリの冷熱輸送システムとを併用したコンパクトで省エネルギーを達成できる水和物スラリ製造システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る水和物スラリ製造システムの構成図。
【図２】本発明の一実施例に係る水和物スラリ製造システムにおいて用いられる二重管熱交換器の断面図。
【図３】本発明の一実施例に係る水和物スラリ製造システムの運転方法を説明する図。
【図４】本発明の他の実施例に係る水和物スラリ製造システムにおける閉塞検知手段および閉塞防止手段を示す図。
【図５】本発明のさらに他の実施例に係る水和物スラリ製造システムにおける閉塞防止手段を示す図。
【符号の説明】
１…蓄熱槽
２…二重管熱交換器
２ａ…内管
２ｂ…外管
３…氷（氷スラリ）
１０…ブライン
１１…冷凍機
１２…ポンプ
１３…ブライン配管
１４…冷却塔
１５…ポンプ
１６、１７、１８、１９…電磁弁
２０…ゲスト化合物水溶液
２１…ポンプ
２２…冷熱輸送配管
２３…負荷側機器
２４…バッファタンク
２５…流量計
２６…温度計
２７…差圧計
２８、２９…電磁弁
４０…ブライン
４１…ブラインタンク
４２…ヒーター
４３…ポンプ
４４…ブライン供給配管
４５…電磁弁
５１…融解運転用の熱交換器

Claims

蓄冷媒体が収容される蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に設置され、冷却により水和物スラリを生成するゲスト化合物水溶液を流通させる内管およびブラインを流通させる外管を有する二重管熱交換器と、ブラインを冷却する冷凍機と、前記冷凍機と前記二重管熱交換器の外管との間でブラインを循環させるブライン配管と、前記二重管熱交換器の内管と負荷側機器との間で水和物スラリまたはゲスト化合物水溶液を循環させる冷熱輸送配管とを有することを特徴とする水和物スラリ製造システム。
前記冷熱輸送配管に、前記二重管熱交換器の内管から抜き取った水和物を貯蔵するバッファタンクが接続されていることを特徴とする請求項１記載の水和物スラリ製造システム。
前記蓄熱槽内に複数の二重管熱交換器を設置したことを特徴とする請求項１または２記載の水和物スラリ製造システム。
前記冷熱輸送配管に、前記二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知する手段が接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水和物スラリ製造システム。
前記二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給する供給配管が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の水和物スラリ製造システム。
前記冷熱輸送配管および前記ブライン配管に、負荷側機器から戻るゲスト化合物水溶液とブラインとの熱交換を行う熱交換器が接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の水和物スラリ製造システム。
請求項１記載の水和物スラリ製造システムを運転するにあたり、蓄熱運転時に二重管熱交換器の外管に０℃以下のブラインを流通させて蓄熱槽内の蓄冷媒体を冷却し、水和物スラリ製造運転時に二重管熱交換器の内管にゲスト化合物水溶液を流通させ二重管熱交換器の外管に１℃以上のブラインを流通させて二重管熱交換器の内管内で水和物スラリを製造することを特徴とする水和物スラリ製造システムの運転方法。
蓄熱運転時に二重管熱交換器の内管からゲスト化合物水溶液を抜き取ってバッファタンクに貯蔵することを特徴とする請求項７記載の水和物スラリ製造システムの運転方法。
蓄熱槽内に複数の二重管熱交換器を切り替え可能に並列に設置し、水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、他の二重管熱交換器に切り換えて水和物スラリ製造運転を継続することを特徴とする請求項７記載の水和物スラリ製造システムの運転方法。
水和物スラリ製造運転に使用している二重管熱交換器の内管が閉塞過程に入ったことを検知したときに、二重管熱交換器の外管に加熱ブラインを供給することを特徴とする請求項７記載の水和物スラリ製造システムの運転方法。