JP2009041802A - Manufacturing method of supercooled water - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷凍機等のブラインと水とをガスケットタイプのプレート式熱交換器を用いて熱交換することで、0℃以下の過冷却水を製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing supercooled water at 0 ° C. or lower by exchanging heat between brine and water such as a refrigerator using a gasket type plate heat exchanger.
氷蓄熱システムにおいては、0℃以下の過冷却水を過冷却器によって連続製造し、当該過冷却水の過冷却状態を解除することで、シャーベット状の氷が連続して製造されている。かかる場合、過冷却水を製造するための方法としては、たとえば特許文献1のように、シェルアンドチューブ型の熱交換器を用いて水を冷却して、伝熱面の温度を例えば−5.8℃〜0℃に維持する方法が実用化されている。
In the ice heat storage system, supercooled water of 0 ° C. or lower is continuously produced by a supercooler, and sherbet-like ice is continuously produced by releasing the supercooled state of the supercooled water. In such a case, as a method for producing supercooled water, as in
その一方、シェルアンドチューブ型の熱交換器よりも小型化が可能で熱交換効率がより高いプレート式熱交換器が、装置の小型化、低コスト化の観点から、近年用いられるようになっている。 On the other hand, plate-type heat exchangers that can be made smaller than shell-and-tube type heat exchangers and have higher heat exchange efficiency have recently been used from the viewpoint of downsizing and cost reduction of the apparatus. Yes.
しかしながら、プレート式熱交換器を用いて過冷却水を製造するシステムでは、2流体の伝熱面間差圧(プレート間差圧)が近接するようなシステム構成・配置で運転すると、たとえ伝熱面温度を−5.8℃〜0℃に維持しても、熱交換器内で過冷却状態が壊れ、その結果過冷却器内が凍結して過冷却水の製造が維持できないという問題があった。 However, in a system that produces supercooled water using a plate heat exchanger, when operating in a system configuration / arrangement where the differential pressure between two heat transfer surfaces (differential pressure between plates) is close, even if heat transfer is performed Even if the surface temperature is maintained at −5.8 ° C. to 0 ° C., the supercooling state is broken in the heat exchanger, and as a result, the supercooler is frozen and the production of supercooling water cannot be maintained. It was.
これは次の事が原因であると考えられる。すなわち特に大型のシステムで用いるプレート式過冷却器は、ガスケットを用いてプレート同士を仕切る構造のものが使用されているが、ガスケットタイプのプレート式熱交換器では、二流体(水とブライン)間の混合と外部への漏洩を防止するために、プレートの外周部と二流体間の仕切りにガスケットが使用されており、両端に位置するエンドプレートを締め付けることによってガスケットを潰し、所定のシール能を得ている。そしてガスケットは通常、プレート面同士が完全に接触する圧着力よりも小さい圧着力で所定のシール能を発揮できるように設計されているため、プレート間(プレート面上の山−谷間)には隙間が生じている。一方プレート式熱交換器に使用するプレートは、伝熱性を向上させる目的で、非常に薄い金属を波板状に加工したものが使用されている。 This is thought to be due to the following. In other words, plate-type supercoolers used in large systems use a structure that separates plates using gaskets, but gasket-type plate heat exchangers use two fluids (water and brine). In order to prevent mixing and leakage to the outside, a gasket is used for the partition between the outer periphery of the plate and the two fluids. By tightening the end plates located at both ends, the gasket is crushed, and a predetermined sealing ability is obtained. It has gained. Gaskets are usually designed so that a predetermined sealing ability can be exerted with a pressing force that is smaller than the pressing force with which the plate surfaces completely come into contact with each other. ing. On the other hand, the plate used for a plate-type heat exchanger uses a very thin metal processed into a corrugated plate for the purpose of improving heat transfer.
このように、プレート間に隙間があり、しかも薄い金属を波板状に加工したプレートが、例えばポンプの脈動や自動バルブの開閉等によりブラインや水の圧力に変動が生ずると、当該変動に応じてプレート面が膨出かるなどして移動、変形し、その結果プレートの表面同士が衝突することになる。過冷却水中での固体同士の衝突は過冷却解除のトリガーとなることが判っているので(斉藤、大河、宇根、田之頭、戸敷:「過冷却水の凝固に影響を及ぼす外的要因に関する研究」 日本冷凍協会論文集、8(2)、 151(1991)、発明者らの知見によれば、前記したような過冷却器内部でのプレート同士の衝突が、凍結の原因となっていると考えられる。 In this way, if there is a gap between the plates, and a plate made of corrugated thin metal is subjected to fluctuations in the pressure of brine or water due to, for example, pump pulsation or automatic valve opening / closing, etc. As a result, the plate surfaces bulge and move and deform, and as a result, the surfaces of the plates collide with each other. Since collisions between solids in supercooled water are known to trigger the release of supercooling (Saito, Taiga, Une, Tanogami, Toshiki: “External factors affecting the solidification of supercooled water According to the Japan Refrigeration Association Proceedings, 8 (2), 151 (1991), the inventors' knowledge, the collision between the plates inside the supercooler as described above causes freezing. It is thought that there is.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ブラインと水に何らかの理由で圧力変動が生じても、過冷却器内部でプレート同士が衝突することを回避するような状態で過冷却器を運転するようにして、過冷却器内部での凍結を防止することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a point, and even if a pressure fluctuation occurs for some reason in the brine and water, the subcooler is installed in a state that avoids collision between the plates inside the subcooler. The purpose is to prevent freezing inside the subcooler by operating.
前記目的を達成するため、本発明は、ガスケットタイプのプレート式熱交換器を過冷却器として用いて冷却ブラインと水とを熱交換させて過冷却水を製造する方法において、前記冷却ブラインまたは水の圧力を調整して、プレート式熱交換器におけるプレート間差圧が所定の差圧以上の状態で過冷却水を製造することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing supercooled water by exchanging heat between cooling brine and water using a gasket-type plate heat exchanger as a supercooler. The subcooling water is produced in a state in which the pressure difference between the plates in the plate heat exchanger is equal to or higher than a predetermined pressure difference.
過冷却水を製造する場合、水及びブラインの流量は調節器によって常に一定値に保持されているため、プレートの移動が無ければプレート式熱交換器の抵抗係数および圧力損失は、一定になる。しかし実際にはプレート間に隙間が存在するため、水側の圧力がブライン側の圧力よりも高いときには水側流路が広がってブライン側流路を狭め、逆にブライン側の圧力が水側の圧力よりも高いときにはブライン側流路が広がって水側流路を狭める。発明者らの知見では、プレート間差圧の絶対値が十分大きくなければプレート式熱交換器の抵抗係数はプレート間差圧によって変化し、その結果圧力損失も変化する。しかしながら、プレート間差圧がある程度十分に大きいところでは、抵抗係数が一定になるところがあることが判明した。したがって、冷却ブラインまたは水の圧力を調整して、そのような差圧の下で運転するようにすれば、圧力損失を一定にして、ポンプの脈動等によって運転中に圧力変動が変動しても、プレートの変形を抑えることができる。 When producing supercooled water, the flow rate of water and brine is always maintained at a constant value by the regulator, so that the resistance coefficient and pressure loss of the plate heat exchanger are constant if there is no movement of the plate. However, since there is actually a gap between the plates, when the water side pressure is higher than the brine side pressure, the water side flow path widens and the brine side flow path narrows. When the pressure is higher than the pressure, the brine side flow path is widened to narrow the water side flow path. According to the inventors' knowledge, if the absolute value of the differential pressure between the plates is not sufficiently large, the resistance coefficient of the plate heat exchanger changes depending on the differential pressure between the plates, and as a result, the pressure loss also changes. However, it has been found that there are places where the resistance coefficient is constant where the pressure difference between the plates is sufficiently large. Therefore, if the cooling brine or water pressure is adjusted to operate under such a differential pressure, the pressure loss can be kept constant, and even if the pressure fluctuation fluctuates during operation due to pump pulsation, etc. The deformation of the plate can be suppressed.
前記所定の差圧は、水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させた状態で、過冷却器に流入するブラインの圧力調整を行ない、過冷却器に対する水の出入りの抵抗係数が水又はブラインの圧力変動によらず一定となるプレート間差圧としてもよい。 The predetermined differential pressure is adjusted by adjusting the pressure of the brine flowing into the subcooler in a state where the water and brine are set at a flow rate necessary for the production of the supercooling water and the water is circulated. It is good also as a differential pressure between plates in which the resistance coefficient of entering / exiting becomes constant irrespective of the pressure fluctuation of water or brine.
また前記所定の差圧は、水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させた状態で、過冷却器に流入するブラインの圧力調整を行ない、過冷却器に対して並列に流れる水のバイパス流路の流量と、過冷却器を流れる水の流量との流量比が水又はブラインの圧力変動によらず一定となるプレート間差圧としてもよい。 The predetermined differential pressure is adjusted by adjusting the pressure of the brine flowing into the subcooler in a state where the water and brine are set at a flow rate necessary for the production of the supercooling water and the water is circulated. On the other hand, the flow rate ratio between the flow rate of the bypass flow path of water flowing in parallel and the flow rate of water flowing through the subcooler may be an inter-plate differential pressure that is constant regardless of the pressure fluctuation of water or brine.
プレート間差圧を所定の差圧以上となるように調整するにあたっては、水とブラインを過冷却器において両者を向流で熱交換させるか、あるいは並流で熱交換させるかによって、具体的な手法が異なる。 When adjusting the differential pressure between the plates to be equal to or higher than the predetermined differential pressure, depending on whether the water and brine are heat-exchanged countercurrently or in parallel flow in the supercooler, The method is different.
発明者らの知見では、ガスケットタイプのプレート式熱交換器を過冷却器として用いて冷却ブラインと水とを熱交換させる際には、両者を向流で熱交換させるか、あるいは並流で熱交換させるかの2つのケースがあり、各々のケースにおいて、差圧(水圧力及び/又はブライン圧力)が変動してもブラインまたは水流路の抵抗係数が変動しない(すなわち、プレートが変形しない)圧力条件は、図1の模式図で示したような、4通りがある。なお図中、Brはブラインを意味しており,縦軸は圧力損失を知るための圧力値を示している。ここでブラインと水の圧力降下を示す傾きがブラインと水とでは異なって描図しているのは,一般にブライン側と水側とでは,スケットタイプのプレート式熱交換器においては,各々の圧力損失が同じではないからである。 According to the inventors' knowledge, when a gasket type plate heat exchanger is used as a supercooler to exchange heat between the cooling brine and water, the two are exchanged in countercurrent or in parallel flow. There are two cases of replacement, and in each case, even if the differential pressure (water pressure and / or brine pressure) changes, the resistance coefficient of the brine or water flow path does not change (ie, the plate does not deform) There are four conditions as shown in the schematic diagram of FIG. In the figure, Br means brine, and the vertical axis shows the pressure value for knowing the pressure loss. Here, the slopes showing the pressure drop of brine and water are depicted differently for brine and water. In general, in the brine-type and water-side, in the sket type plate heat exchanger, each pressure This is because the loss is not the same.
まず交流でブラインと熱交換する場合には、図1のA、Bのケースがあり、ケースAにおいては、ブライン出口(A3)の圧力が水の入口(A4)の圧力よりも大きいことが条件となり、かかる場合、ブライン出口(A3)の圧力>水の入口(A4)の圧力と設定することで、過冷却器内全域で局所的なプレート間差圧が常に同じ符号となる(過冷却器内部で大小関係が逆転しない)圧力状態になることがわかった。したがって、ブライン出口(A3)と水の入口(A4)の2点で大小関係を規定すれば、プレート間差圧を所定の差圧以上となるように調整することができる。 First, in the case of exchanging heat with brine by AC, there are cases A and B in FIG. 1, and in case A, the pressure at the brine outlet (A3) is larger than the pressure at the water inlet (A4). In such a case, by setting the pressure at the brine outlet (A3)> the pressure at the water inlet (A4), the local pressure difference between the plates always has the same sign in the entire area of the subcooler (supercooler). It was found that the pressure relationship was not reversed inside and out). Therefore, if the magnitude relationship is defined at two points of the brine outlet (A3) and the water inlet (A4), the pressure difference between the plates can be adjusted to be equal to or higher than a predetermined differential pressure.
同様に、ケースBにおいては、水の出口(B1)>ブラインの入口(B2)を満たせば、過冷却器内の全域で水圧力>ブライン圧力となり、プレート間差圧を所定の差圧以上となるように調整することができる。 Similarly, in case B, if the water outlet (B1)> brine inlet (B2) is satisfied, the water pressure> brine pressure is satisfied in the entire area of the subcooler, and the differential pressure between the plates is equal to or higher than the predetermined differential pressure. Can be adjusted.
このようなことから、プレート間差圧を所定の差圧以上となるように前記冷却ブラインまたは水の圧力を調整するにあたっては、水とブラインを向流で熱交換させる場合には、過冷却器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくするか(ケースA)、又は過冷却器に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくする(ケースB)ことを提案できる。 Therefore, when adjusting the pressure of the cooling brine or water so that the differential pressure between the plates becomes equal to or higher than the predetermined differential pressure, when the water and the brine are subjected to heat exchange in a countercurrent, the subcooler It can be proposed to increase the outlet pressure of the brine to the inlet pressure of water (case A) or to increase the outlet pressure of the water to the subcooler higher than the inlet pressure of brine (case B).
次に並流でブラインと熱交換する場合には、図1のC、Dのケースがある。ケースCにおいては,過冷却器内の全域でブライン圧力>水圧力とするには,ブラインの入口(C1)の圧力>水の入口(C2)の圧力であって,かつブラインの出口(C3)の圧力>水の出口(C4)の圧力となるように調整すればよいと考えられる。同様にして、ケースDにおいては、過冷却器内の全域でブライン圧力>水圧力とするには,水の入口(D1)の圧力>ブラインの入口(D2)の圧力であって,かつ水の出口(D3)の圧力>ブラインの出口(D4)の圧力となるように調整すればよいと考えられる。 Next, in the case of heat exchange with brine in parallel flow, there are cases C and D in FIG. In case C, in order to make brine pressure> water pressure throughout the subcooler, the pressure at the brine inlet (C1)> the pressure at the water inlet (C2) and the brine outlet (C3) It may be necessary to adjust so that the pressure of the water> the pressure of the water outlet (C4). Similarly, in case D, the pressure of water inlet (D1)> the pressure of brine inlet (D2) and water pressure in order to make brine pressure> water pressure throughout the subcooler. It can be considered that the pressure at the outlet (D3)> the pressure at the outlet (D4) of the brine should be adjusted.
このようなことから、プレート間差圧を所定の差圧以上となるように前記冷却ブラインまたは水の圧力を調整するにあたっては、水とブラインを並流で熱交換させる場合には、過冷却器に対するブラインの入口圧力を水の入口圧力よりも大きくするとともに過冷却器に対するブラインの出口圧力を水の出口圧力よりも大きくするか(ケースC)、又は過冷却器に対する水の入口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくするとともに過冷却器に対する水の出口圧力をブラインの出口圧力よりも大きくする(ケースD)ことを提案できる。 Therefore, when adjusting the pressure of the cooling brine or water so that the differential pressure between the plates is equal to or higher than the predetermined differential pressure, when the water and brine are subjected to heat exchange in parallel flow, the subcooler The brine inlet pressure to the water is greater than the water inlet pressure and the brine outlet pressure to the subcooler is greater than the water outlet pressure (Case C), or the water inlet pressure to the subcooler is It can be proposed that the outlet pressure of the water to the subcooler be greater than the outlet pressure of the brine (Case D) as well as greater than the inlet pressure.
図1に示したケースA、ケースCを実現するにあたっては、例えばブラインの膨張タンクの位置を高くしたり、ブラインの配管に密閉式膨張タンクを取り付け、当該密閉式膨張タンク内のガス圧を調整することでブラインの静圧を調整したり、あるいはブラインポンプの揚程を、定格流量及び配管システムの抵抗に対して大きく選定し、過冷却器のブライン出口に設置した弁を絞ることで定格流量に調整することが提案できる。 When realizing the case A and the case C shown in FIG. 1, for example, the position of the expansion tank of the brine is increased, or the closed expansion tank is attached to the piping of the brine, and the gas pressure in the closed expansion tank is adjusted. By adjusting the static pressure of the brine, or by selecting the head of the brine pump to be larger than the rated flow and the resistance of the piping system, the valve installed at the brine outlet of the subcooler is throttled to the rated flow. It can be proposed to adjust.
また図1に示したケースB、ケースDを実現するにあたっては、過冷却器に対する水の出口圧力が、当該過冷却器の水側損失圧力とブライン側損失圧力の和よりも高くなるように、当該過冷却器の設置位置を、過冷却器からの過冷却水によって製造された氷を蓄える氷蓄熱槽の水面よりも低い位置に設置することが提案できる。 Further, in realizing the case B and the case D shown in FIG. 1, the outlet pressure of the water to the supercooler is higher than the sum of the water-side loss pressure and the brine-side loss pressure of the supercooler. It can be proposed to install the supercooler at a position lower than the water surface of the ice heat storage tank that stores ice produced by the supercooled water from the supercooler.
本発明によれば、プレート式熱交換器を用いて過冷却水を製造する際、ブラインや水に何らかの理由で圧力変動が生じても、過冷却器内部でプレート同士が衝突することを抑えて、過冷却器内部での凍結を防止することができる。 According to the present invention, when producing supercooled water using a plate heat exchanger, even if pressure fluctuation occurs for some reason in brine or water, the plates are prevented from colliding with each other inside the supercooler. In addition, freezing inside the supercooler can be prevented.
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図2は、実施の形態にかかる過冷却水製造方法が実施される氷蓄熱システムの全体の概要を示しており、氷蓄熱槽1からポンプ2によって水を取水し、予熱装置3によって氷核を完全に無くした後に、プレート式熱交換器で構成された過冷却器4において、冷凍機5からポンプ6によって送られた低温のブラインと熱交換することで、氷蓄熱槽1から取水された水は0℃以下の過冷却水となる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. FIG. 2 shows an outline of the entire ice heat storage system in which the method for producing supercooled water according to the embodiment is carried out. Water is taken from the ice
過冷却水は、伝播防止装置7を経て、例えば密閉系の過冷却解除装置8によって氷水に変換され、再び氷蓄熱槽1に戻される。氷水は氷蓄熱槽1内で氷と水の比重差から分離する。このサイクルを繰り返すことで、氷蓄熱槽1内の水が氷に変換されて、冷熱が蓄熱される。過冷却器4は、図3に示すようなプレート式熱交換器が用いられている。
The supercooled water is converted into ice water through the
すなわちこの過冷却器4は、多数のプレート11を、ガスケット12を挟んで両端のエンドプレート13、14間に積層した構造を有し、プレート11、ガスケット12を貫通したシャフト15の端部をエンドプレート14の外側からナット16で締め付けることによって一体化されている。そして各プレート11の上端近傍を貫通する水流路17からの水と、各プレート11の下端近傍を貫通するブライン流路18からのブラインは、各プレート11とガスケット12とによって形成された空間内に交互に流れており、プレート11を介して両者が熱交換されるようになっている。
That is, the
次に過冷却器4周りの系統について図4に基づいて説明する。この過冷却器4に対しては、氷蓄熱槽1と過冷却器4との間で循環する水配管系20と、冷凍機5と過冷却器4との間で循環するブライン配管系30とが配管されている。またこの例では、交流でブラインと水とを熱交換する構成となっている。
Next, the system around the
水配管系20は、過冷却器4から氷蓄熱槽1に向かう水往管21と、氷蓄熱槽1から過冷却器4に向かう水還管22とを有している。水往管21には、過冷却器4から出る水の出口側の圧力を計測する第1の圧力計23、バルブ24、過冷却解除装置8が設けられている。水還管22には、ポンプ2、予熱装置3、バルブ25、過冷却器4に流入する水の流量を計測する流量計26、過冷却器4に流入する水の入口側の圧力を計測する第2の圧力計27が設けられている。そして流量計26によって計測された水の流量は、制御装置29へと出力され、制御装置29は、これに基づいて所定の流量値となるように、バルブ25を制御するようになっている。
The
ブライン配管系30は、過冷却器4から冷凍機5に向かうブライン往管31と、冷凍機5から過冷却器4に向かうブライン還管32とを有している。ブライン往管31には、過冷却器4から出るブラインの出口側の圧力を計測する第3の圧力計33、バルブ34、ポンプ6が設けられている。またブライン還管32には、過冷却器4に流入するブラインの流量を計測する流量計35、過冷却器4に流入するブラインの入口側の圧力を計測する第4の圧力計36が設けられている。そしてブライン往管31におけるポンプ6と過冷却器4との間の配管には(すなわちポンプ6のサクション側には)、膨張タンク37が設けられている。
The
図4に示した氷蓄熱システムは以上の構成を有しており、次にこのシステムにおいて、圧力変動によってプレートが変形、移動しないレベルの差圧の求め方について説明する。まず水とブラインの流量を制御する制御装置29、38における設定値を、水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させる。この例では、水の流量は700l/min、ブラインの流量は600l/minである。
The ice heat storage system shown in FIG. 4 has the above-described configuration. Next, how to obtain a differential pressure at a level at which the plate does not deform or move due to pressure fluctuation in this system will be described. First, the set values in the
そしてバルブ25を操作して水の流量を一定に調整し、過冷却器4におけるプレート11の差圧ΔP(すなわち各プレート11の両面におけるブライン圧力−水の圧力の差)を徐々にマイナス側に下げ、下げた時のΔP(第3の圧力計33の計測値−第2の圧力計27の計測値、または第4の圧力計36の計測値−第1の圧力計23)と、過冷却器4の水側圧力損失(第1の圧力計23の計測値−第2の圧力計27の計測値)の関係を記録する。
Then, the
そして水の流量を徐々に増加させて、過冷却器4の水側圧力損失(第1の圧力計23の計測値−第2の圧力計27の計測値)が減少し始めた時のΔPをΔPmax、過冷却器4の水側圧力損失(第1の圧力計23の計測値−第2の圧力計27の計測値)の減少が止まった時のΔPをΔPminとする。
Then, by gradually increasing the flow rate of water, ΔP when the water-side pressure loss of the subcooler 4 (measured value of the
図5にプレート式熱交換器である過冷却器4プレート間の差圧ΔP(ブラインの出口圧力(第3の圧力計33の計測値−第2の圧力計23の計測値)に対する水側の圧力損失(第1の圧力計23の計測値−第2の圧力計27の計測値)の変化を実測した結果を示す。実測結果は図中の曲線Xで示した。
FIG. 5 shows the difference in pressure ΔP between the plates of the
これによれば、プレート間差圧ΔPを変化させると、図5における領域(1)、すなわちΔPminよりもさらに水の圧力が大きい領域と、領域(3)すなわちΔPmaxよりもさらにブラインの圧力が大きい領域では、圧力損失は変化しないが、領域(2)では差圧の変化と共に圧力損失が変化することがわかる。したがってΔPmax以上あるいはΔPmin以下の差圧に設定すれば、水流路の圧力損失が圧力変動に対して変化しなくなることが判る。ここでは水流量が一定であるので、圧力損失が変化しなくなることは、抵抗係数が一定になっていることを意味する。水流路の抵抗係数が圧力変動に対して変化しなくなれば、ポンプの脈動等によってプレート間差圧が変動しても、プレートが変形、移動することはなく、安定した過冷却水の連続製造が可能になる。したがって、過冷却器4を運転しての氷蓄熱システムの立ち上げ時に、当該システムに使用した過冷却器4の適正な差圧運転条件を設定すれば、後はその差圧運転条件にしたがって、当該氷蓄熱システムを本運転させればよい。
According to this, when the inter-plate differential pressure ΔP is changed, the region (1) in FIG. 5, that is, the region where the water pressure is larger than ΔPmin, and the region (3), ie, the brine pressure is larger than ΔPmax. In the region, the pressure loss does not change, but in the region (2), it can be seen that the pressure loss changes as the differential pressure changes. Therefore, it can be seen that if the pressure difference is set to be greater than or equal to ΔPmax or less than or equal to ΔPmin, the pressure loss of the water channel does not change with respect to pressure fluctuation. Since the water flow rate is constant here, the fact that the pressure loss does not change means that the resistance coefficient is constant. If the resistance coefficient of the water flow path does not change due to pressure fluctuation, the plate will not be deformed or moved even if the differential pressure between the plates fluctuates due to pump pulsation, etc. It becomes possible. Therefore, if an appropriate differential pressure operating condition of the
なお図5に示した結果によれば、領域(1)、すなわちΔPminよりもさらに水の圧力が大きい領域、又は領域(3)すなわちΔPmaxよりもさらにブラインの圧力が大きい領域となるように差圧設定条件を定めることになるが、領域(1)、すなわちΔPminよりもさらに水の圧力が大きい領域となるように差圧を設定するには、水量を定格よりも多くした状態で、水配管系20の配管において、適当な位置に絞り弁やオリフィスを設けることが提案できる。また過冷却器4の設置位置を、過冷却器4からの過冷却水によって製造された氷を蓄える氷蓄熱槽1の水面よりも低い位置に設置し、過冷却器4に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくするようにしてもよい。なおこの領域(1)は、図1に示したケースBに該当する。
According to the results shown in FIG. 5, the differential pressure is such that the region (1), that is, the region where the water pressure is higher than ΔPmin, or the region (3), ie, the region where the brine pressure is higher than ΔPmax. Setting conditions will be determined. In order to set the differential pressure so as to be in the region (1), that is, the region where the water pressure is larger than ΔPmin, the water piping system with the amount of water larger than the rated value. In 20 pipes, it can be proposed to provide a throttle valve and an orifice at an appropriate position. Further, the installation position of the
一方領域(3)すなわちΔPmaxよりもさらにブラインの圧力が大きい領域となるように差圧を設定するには、密閉式の膨張タンク37を通常より高い位置に設けるか、膨張タンク37内のガス圧を高くしてブラインの静圧を調整することが提案できる。またさらにブライン配管系30のポンプ6の揚程を、定格流量及び配管システムの抵抗に対して大きく設定し、過冷却器4のブライン往管31における出口側に設置したバルブ34を絞って定格流量に調整することが提案できる。なおこの領域(3)は、図1に示したケースAに該当する。
On the other hand, in order to set the differential pressure so that the pressure of the brine is larger than the region (3), that is, the region where ΔPmax is larger, the sealed
次に他のプレート間差圧決定方法について説明する。図6は、その際に使用する機器等を備えた氷蓄熱システムの系統の概略を示しており、図6において図4と同一の符号で示される部材、機器等は、図4に示したものと同一のものである。そしてこの図6に示した氷蓄熱システムでは、図4に示した氷蓄熱システムから第2の圧力計27、第3の圧力計33を撤去し、代わって水配管系20における水往管21と水還管22との間にバイパス管41を設け、このバイパス管41を流れる水の流量を計測するバイパス流量計42と、バルブ43とをバイパス管41に設けたものである。すなわち、水配管系20において過冷却器4に対して並列にバイパス管41を配管したもので、被冷却熱媒の循環路でなく、バイパス流路に流量計測と流量制御の機能を持たせている。バイパス管41は、鋼管、硬質塩ビ管、ステンレス鋼管、銅管などの剛性の高い材料で構成されている。その他の構成は、図4に示した氷蓄熱システムと同一である。なお、図4に示した氷蓄熱システムから第2の圧力計27、第3の圧力計33を撤去する代わりに、第1の圧力計23、第4の圧力計36を撤去して、第2の圧力計27、第3の圧力計33をそのまま設置してもよい。
Next, another method for determining the differential pressure between plates will be described. FIG. 6 shows an outline of the system of the ice heat storage system provided with the equipment used at that time. In FIG. 6, the members, equipment, etc. indicated by the same reference numerals as those in FIG. 4 are those shown in FIG. Is the same. In the ice heat storage system shown in FIG. 6, the
このような図6に示した氷蓄熱システムにおいては、まず水とブラインの制御装置29、38の設定値を水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させ、バルブ25を操作して水の流量を徐々に増加させ、差圧ΔPを徐々に下げた時の、ΔP(第4の圧力計36の計測値−第1の圧力計23の計測値)と、バイパス流量計42の計測値(G1)と流量計26の計測値(G2)の関係を記録する。計測結果は図5のグラフに、小さい○でプロット表示した。図5の左縦軸は、図の右側のΔPでG1/G2を定格流量(G10/G2)に調整した後(G10はG1の定格流量)、ΔPを下げていった場合の、G1/G2の減少割合{(G1/G2)/(G10/G2)}を示している。ここでは、G2(水の流量)は700L/minに制御しているので、G1/G2の減少割合は「G1/G10」の表現になる。
In the ice heat storage system shown in FIG. 6, first, the water and
これによれば、領域(1)と領域(3)ではG1/G10は変化しないが、領域(2)では差圧の変化と共にG1/G10が変化することがわかる。これは、領域(2)では差圧の変動と共にプレート式熱交換器である過冷却器4内のプレートが移動、変形することを意味する。このことから、プレート間の差圧変動が起きてもプレート同士の衝突が起こらないようにするには、領域(1)と(3)内で運転圧力を選定すれば良いことがわかる。
According to this, the G 1 / G 10 In region (1) and the region (3) does not change, it can be seen that area (2) where G 1 / G 10 in conjunction with a change in the differential pressure is changed. This means that in the region (2), the plate in the
以上説明した他のプレート間差圧の決定手法は、プレート式熱交換器である過冷却器4とバイパス管41との流量比の変化からプレートの移動、変形を観測するものである。このような測定系では、水の流路は過冷却器4とバイパス管41並列に接続されているが、過冷却器4を構成するプレート熱交換器と、バイパス流路とを複数の絞りによって構成された一種のラビリンス流路と考えた場合、それぞれの抵抗係数ξ及び損失水頭hは一般に式(1)で表される。
The other method for determining the differential pressure between the plates described above is to observe the movement and deformation of the plate from the change in the flow rate ratio between the
すなわち、hi = ai・ξi・vi 2/2g・・・(1)
i=1(バイパス管41の流路)又は2(過冷却器4の水側流路)(a:無次元定数(流路の形状に応じた定数),v:流速,g:重力加速度)である。
したがってバイパス管41の損失水頭h1は、
h1 = a1・ξ1・v1 2/2g、
そして過冷却器4の水側流路の損失水頭h2は、
h2 = a2・ξ2・v2 2/2g、
となる。
That is, h i = a i · ξ i · v i 2 / 2g (1)
i = 1 (flow path of bypass pipe 41) or 2 (water side flow path of subcooler 4) (a: dimensionless constant (constant according to the shape of the flow path), v: flow velocity, g: gravitational acceleration) It is.
Therefore, the loss head h 1 of the
h 1 = a 1 · ξ 1 · v 1 2 / 2g,
The head loss h 2 water side flow passage of the
h 2 = a 2 · ξ 2 · v 2 2 / 2g,
It becomes.
またプレート式熱交換器の過冷却器4の入口とバイパス管41の入口の断面積と流速をそれぞれv,Aとすると、それぞれの流量Gは式(2)で表される。
Gi = vi・Ai ・・・(2)
i=1(バイパス管41の流路)又は2(過冷却器4の水側流路)である。
すなわち、
バイパス管41の流量G1は、
G1 = v1・A1
過冷却器4の水側流路の流量G2は、
G2 = v2・A2
となる。
Also, assuming that the cross-sectional areas and flow velocities of the inlet of the
G i = v i · A i (2)
i = 1 (flow path of the bypass pipe 41) or 2 (water side flow path of the subcooler 4).
That is,
Flow rate G 1 of the
G 1 = v 1 · A 1
Flow rate G 2 water side flow passage of the
G 2 = v 2 · A 2
It becomes.
この測定系では、プレート式熱交換器である過冷却器4とバイパス管41の損失水頭は常に同じ(h1=h2)であるため、式(1),(2)より、式(3)が得られる。
In this measurement system, the loss heads of the
なおプレート熱交換器の過冷却器4の入口とバイパス管41の入口の断面積は一定であるため、式(4)に示したように、bは定数となる。
In addition, since the cross-sectional area of the inlet of the
ここでバイパス管41は剛性の高い材料で作られているので抵抗係数ξ1は変化しない。このため、G1、G2を計測すれば、プレート式熱交換器内のプレートの移動、変形に伴う抵抗係数ξ2の変化を検出することができる。
すなわちG1、G2を計測の変動は抵抗係数ξ2の変化に起因するものであり、かかる抵抗係数ξ2の変化はプレートの変形、移動が起きていることを示すものに他ならない。したがって、抵抗係数ξ2が一定の値を示すようなプレート間差圧を、過冷却器4の運転条件とし、後はその差圧運転条件にしたがって、当該氷蓄熱システムを本運転させればよい。
Here, since the
That is, the variation in the measurement of G 1 and G 2 is caused by the change in the resistance coefficient ξ 2 , and the change in the resistance coefficient ξ 2 is nothing but an indication that the plate is deformed or moved. Therefore, the differential pressure between the plates such that the resistance coefficient ξ 2 shows a constant value is used as the operating condition of the
図7には、プレート間差圧を変化させた時の凍結頻度を実測した結果を示す。なお凍結頻度は領域(2)での値を基準とした比で表示してある。この図より、領域(3)にてプレート間差圧の運転圧力を決定した場合には、領域(2)で決定した場合に比べて凍結頻度が減少することがわかる。 FIG. 7 shows the results of actual measurement of the freezing frequency when the inter-plate differential pressure is changed. The freezing frequency is displayed as a ratio based on the value in the region (2). From this figure, it can be seen that when the operating pressure of the differential pressure between the plates is determined in the region (3), the freezing frequency is reduced as compared with the case where it is determined in the region (2).
前記実施の形態で採用された過冷却器4は、水とブラインを向流で熱交換する形式のものであったが、本発明は、水とブラインを並流で熱交換するタイプのものにおいても適用可能である。
The
本発明は、氷蓄熱システム等に用いるガスケットタイプのプレート式熱交換器によって過冷却水を製造する際に有用である。 The present invention is useful when supercooled water is produced by a gasket-type plate heat exchanger used in an ice heat storage system or the like.
1 氷蓄熱槽
2、6 ポンプ
4 過冷却器
5 冷凍機
8 過冷却解除装置
11 プレート
12 ガスケット
15 エンドプレート
20 水配管系
21 水往管
22 水還管
23 第1の圧力計
24、25 バルブ
26、35 流量計
27 第2の圧力計
28 膨張タンク
30 ブライン配管系
31 ブライン往管
32 ブライン還管
33 第3の圧力計
36 第4の圧力計
37 膨張タンク
41 バイパス管
42 バイパス流量計
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記冷却ブラインまたは水の圧力を調整して、プレート式熱交換器におけるプレート間差圧が所定の差圧以上の状態で過冷却水を製造することを特徴とする、過冷却水の製造方法。 In a method for producing supercooled water by exchanging heat between cooling brine and water using a gasket type plate heat exchanger as a supercooler,
A method for producing supercooled water, wherein the pressure of the cooling brine or water is adjusted to produce supercooled water in a state where the interplate differential pressure in the plate heat exchanger is equal to or higher than a predetermined differential pressure.
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