JP2012247081A - Composite system cum power generation and heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電兼ヒートポンプ複合システムに関する。 The present invention relates to a combined power generation and heat pump system.
発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を開示した先行文献として、特開平4−254168号公報(特許文献1)がある。特開平4−254168号公報(特許文献1)に記載された発電兼ヒートポンプ複合システムにおいては、誘導発電機が結合されたスクリュー型圧縮機、同圧縮機の第1の出入口から第2の出入口間に順次接続される低温熱源と熱交換する第1の熱交換器、第1切換弁を持つポンプ、および高温熱源と熱交換する第2の熱交換器が設けられる。 Japanese Patent Laid-Open No. 4-254168 (Patent Document 1) is a prior document disclosing the configuration of the combined power generation and heat pump system. In the combined power generation and heat pump system described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-254168 (Patent Document 1), a screw type compressor to which an induction generator is coupled, and between the first entrance and the second entrance of the compressor. A first heat exchanger that exchanges heat with a low-temperature heat source that is sequentially connected to the pump, a pump that has a first switching valve, and a second heat exchanger that exchanges heat with the high-temperature heat source.
さらに、第1切換弁を持つポンプと並列に第2切換弁を持つ膨張弁が接続される。第1および第2切換弁を切り替えることにより、発電サイクルとヒートポンプサイクルとを切り替えている。 Further, an expansion valve having a second switching valve is connected in parallel with a pump having the first switching valve. The power generation cycle and the heat pump cycle are switched by switching the first and second switching valves.
図13は、ランキンサイクルおよびヒートポンプサイクルにおける状態図である。図13においては、縦軸に圧力、横軸に比エンタルピを示している。また、ランキンサイクルを実線、ヒートポンプサイクルを点線で示している。 FIG. 13 is a state diagram in the Rankine cycle and the heat pump cycle. In FIG. 13, the vertical axis represents pressure and the horizontal axis represents specific enthalpy. The Rankine cycle is indicated by a solid line, and the heat pump cycle is indicated by a dotted line.
図13に示すように、ヒートポンプサイクルにおいては、凝縮器により液化されて図中のA点の状態にある冷媒は、膨張弁で減圧されて図中のB点の状態となり、蒸発器入口では気液混合の状態となっている。 As shown in FIG. 13, in the heat pump cycle, the refrigerant that has been liquefied by the condenser and is in the state of point A in the figure is decompressed by the expansion valve to be in the state of point B in the figure, and is vaporized at the inlet of the evaporator. The liquid is mixed.
ランキンサイクルにおいては、凝縮器により液化されて図中のC点の状態にある冷媒は、ポンプで加圧されて図中のD点の状態となり、蒸発器入口では過冷却された液相の状態となっている。 In the Rankine cycle, the refrigerant that has been liquefied by the condenser and is in the state of point C in the figure is pressurized by the pump to be in the state of point D in the figure, and is in a supercooled liquid phase state at the evaporator inlet It has become.
このように、ランキンサイクルはヒートポンプサイクルと比較して過冷却度が大きいサイクルである。そのため、ランキンサイクル運転の状態においては、凝縮器で十分な量の相変態を起させるために多くの冷媒が必要となる。 Thus, the Rankine cycle is a cycle with a large degree of supercooling compared to the heat pump cycle. Therefore, in the Rankine cycle operation state, a large amount of refrigerant is required to cause a sufficient amount of phase transformation in the condenser.
一方、ランキンサイクル運転の状態に合わせて冷媒の総量を多くした場合、ヒートポンプサイクル運転の状態において圧縮機への入力が過大となる。 On the other hand, when the total amount of the refrigerant is increased in accordance with the Rankine cycle operation state, the input to the compressor becomes excessive in the heat pump cycle operation state.
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることにより運転効率の向上を図れる発電兼ヒートポンプ複合システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a combined power generation and heat pump system capable of improving operation efficiency by circulating an appropriate amount of refrigerant in both Rankine cycle operation and heat pump cycle operation. For the purpose.
本発明に基づく発電兼ヒートポンプ複合システムは、ランキンサイクル運転とヒートポンプサイクル運転とを選択的に切り替え可能な発電兼ヒートポンプ複合システムである。発電兼ヒートポンプ複合システムは、ランキンサイクル運転の状態においては、循環経路を流れる冷媒の仕事を回収して発電し、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から供給された電力を用いて冷媒を圧縮する、圧縮機兼膨張機と、循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段とを備える。ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替えた状態において、総量調節手段は、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べて少なくする。 The power generation / heat pump combined system according to the present invention is a power generation / heat pump combined system capable of selectively switching between Rankine cycle operation and heat pump cycle operation. In the Rankine cycle operation state, the combined power generation and heat pump system collects the work of the refrigerant flowing through the circulation path to generate power, and in the heat pump cycle operation state, the refrigerant is compressed using the electric power supplied from the outside. And a compressor / expander and total amount adjusting means for adjusting the total amount of refrigerant flowing through the circulation path. In a state where the Rankine cycle operation is switched to the heat pump cycle operation, the total amount adjusting means reduces the total amount of refrigerant flowing through the circulation path as compared with the Rankine cycle operation state.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含む。ヒートポンプサイクル運転の状態において、バイパス経路を冷媒が通流することにより貯液部に冷媒の一部が貯溜される。 In one aspect of the present invention, the total amount adjusting means includes a liquid storage section that is connected to the circulation path and provided in a bypass path through which the refrigerant does not flow in the Rankine cycle operation state. In the state of the heat pump cycle operation, a part of the refrigerant is stored in the liquid storage part by flowing the refrigerant through the bypass path.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成される。ヒートポンプサイクル運転の状態において、バイパス経路を冷媒が通流して冷媒の一部が貯溜される。 In one aspect of the present invention, the total amount adjusting means is configured by a bypass path that is connected to the circulation path and through which the refrigerant does not flow in the Rankine cycle operation state. In the heat pump cycle operation state, the refrigerant flows through the bypass path and a part of the refrigerant is stored.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時に、貯溜されていた冷媒を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くする。 In one aspect of the present invention, the total amount adjusting means increases the total amount of refrigerant flowing through the circulation path by discharging the stored refrigerant to the circulation path when switching from heat pump cycle operation to Rankine cycle operation.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含む。ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路を冷媒が通流する。 In one aspect of the present invention, the total amount adjusting means includes a liquid storage section that is connected to the circulation path and is provided in a bypass path through which the refrigerant does not flow in the state of heat pump cycle operation. In the Rankine cycle operation state, the refrigerant flows through the bypass path.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成される。ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路を冷媒が通流する。 In one embodiment of the present invention, the total amount adjusting means is configured by a bypass path that is connected to the circulation path and through which the refrigerant does not flow in the state of the heat pump cycle operation. In the Rankine cycle operation state, the refrigerant flows through the bypass path.
本発明の一形態においては、総量調節手段は、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時に、バイパス経路に冷媒を流入させて冷媒の一部を貯溜することにより循環経路を流れる冷媒の総量を少なくする。 In one aspect of the present invention, the total amount adjusting means reduces the total amount of refrigerant flowing through the circulation path by causing the refrigerant to flow into the bypass path and storing part of the refrigerant when switching from Rankine cycle operation to heat pump cycle operation. To do.
本発明によれば、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることにより運転効率の向上を図れる。 According to the present invention, it is possible to improve operation efficiency by circulating an appropriate amount of refrigerant in both Rankine cycle operation and heat pump cycle operation.
以下、本発明の実施形態1に係る発電兼ヒートポンプ複合システムについて説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
Hereinafter, the combined power generation and heat pump system according to
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図2は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図3は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図4は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a combined power generation / heat pump system according to
図1に示すように、本発明の実施形態1に係る発電兼ヒートポンプ複合システム1においては、ポンプ14と、第1開閉弁31と、高温熱源60の一部と連結された第1熱交換器21と、圧縮機兼膨張機11と、低温熱源70の一部と連結された第2熱交換器22とが配管で接続されて循環経路を構成している。
As shown in FIG. 1, in the combined power generation and
圧縮機兼膨張機11には、発電機兼発動機12が連結されている。第2熱交換器22には、中間部に第1温度検知手段51、ポンプ14側の端部近傍に第2温度検知手段52が設けられている。
A generator /
発電兼ヒートポンプ複合システム1においては、第1開閉弁31と第1熱交換器21との間と、ポンプ14と第2熱交換器22との間とを繋ぐバイパス経路41が設けられている。バイパス経路41においては、第2開閉弁32と貯液部である貯液タンク15と膨張弁13と第3開閉弁33とが配管で接続されている。本実施形態においては、貯液タンク15が循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段として機能する。
In the combined power generation /
第1熱交換器21において、発電兼ヒートポンプ複合システム1内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源60との間で熱交換が行なわれる。第2熱交換器22において、発電兼ヒートポンプ複合システム1内を循環する冷媒と低温熱源70との間で熱交換が行なわれる。
In the
冷媒としては、たとえば、R134aなどのいわゆるフロンガスを用いることができる。ポンプ14は、冷媒に圧力をかけて流動させる機能を有する。膨張弁13は、冷媒を減圧させる機能を有する。
As the refrigerant, for example, so-called Freon gas such as R134a can be used. The
圧縮機兼膨張機11は、冷媒を選択的に圧縮または膨張させる。後述するように、ランキンサイクル運転の状態においては、圧縮機兼膨張機11は膨張機として駆動され、冷媒の圧力により発電機兼発動機12を回転させ、発電機兼発動機12は発電機として機能する。ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から電力が供給されて発電機兼発動機12が発動機として駆動され、圧縮機兼膨張機11は圧縮機として機能する。
The compressor /
本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム1は、ランキンサイクル運転の状態とヒートポンプサイクル運転の状態とを選択的に切り替えることができる。
The combined power generation /
ランキンサイクル運転の状態とは、第1熱交換器21において高温熱源60から冷媒に発電機兼発動機12による発電に必要な熱量以上の熱量を吸熱させることができる場合に、冷媒に吸熱させた熱を電力に変換するための運転状態である。たとえば、夜間電力を利用して高温蓄熱タンクに蓄えていた温水を高温熱源60として、昼間にランキンサイクル運転を行なって発電する。
The Rankine cycle operation state means that the
ヒートポンプサイクル運転の状態とは、第2熱交換器22において低温熱源70から冷媒に吸熱させた熱量を第1熱交換器21において高温熱源60に蓄熱するための運転状態である。たとえば、夜間電力を利用してヒートポンプサイクル運転を行なって、低温熱源70として低温蓄熱タンクに蓄えていた水を冷却し、高温熱源60として高温蓄熱タンクに蓄えていた温水を加熱する。
The state of the heat pump cycle operation is an operation state for storing the amount of heat absorbed by the refrigerant from the low
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム1において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
Hereinafter, in the power generation and heat pump combined
図2に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は閉じ、第2開閉弁32は開き、第3開閉弁33は開いている。外部から供給された電力により発電機兼発動機12を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
As shown in FIG. 2, in the state of heat pump cycle operation, the first on-off
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機11により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第1熱交換器21で高温熱源60に熱を与えて凝縮して液化する。液化した液状冷媒は、バイパス経路41内を通流して、貯液タンク15にその一部が貯溜される。
First, the refrigerant is compressed by the compressor /
貯液タンク15を通過した液状冷媒は、膨張弁13で減圧された後、第2熱交換器22で低温熱源70から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機11により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、高温熱源60は加熱され、低温熱源70は冷却される。
The liquid refrigerant that has passed through the
図3に示すように、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時は、第2開閉弁32を閉じる。その後、膨張弁13の開度を大きくする。このようにすることにより、貯液タンク15内の圧力が低下する。その結果、貯液タンク15内の冷媒が蒸発することにより液状冷媒10が貯液タンク15内から押し出されて第2熱交換部22内に流入する。
As shown in FIG. 3, when switching from heat pump cycle operation to Rankine cycle operation, the second on-off
その状態で所定時間経過後、第3開閉弁33を閉じる。その後、発電機兼発動機12の駆動を停止する。このようにすることにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において貯液タンク15内に貯溜されていた液状冷媒10を、循環経路に放流することができる。その結果、循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
In this state, the third on-off
図4に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は開き、第2開閉弁32は閉じ、第3開閉弁33は閉じている。冷媒はポンプ14で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。
As shown in FIG. 4, in the Rankine cycle operation state, the first on-off
まず、ポンプ14により加圧された液状冷媒は、第1熱交換器21で高温熱源60から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機11で膨張する際に、発電機兼発動機12を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
First, the liquid refrigerant pressurized by the
圧縮機兼膨張機11を通過した低圧気相状態の冷媒は、第2熱交換器22で低温熱源70に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ14により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源60は冷却され、低温熱源70は加熱され、発電が行なわれる。
The low-pressure gas-phase refrigerant that has passed through the compressor /
なお、バイパス経路41においては、第2開閉弁32と第3開閉弁33とを閉じられているため、バイパス経路41内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においては貯液タンク15には冷媒が通流しない。
In the
貯液タンク15を含むバイパス経路41を設けることにより、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べてヒートポンプサイクル運転の状態において少なくすることができる。
By providing the
本実施形態においては、第1温度検知手段51により冷媒の凝縮温度を計測し、第2温度検知手段52により液状冷媒が第2熱交換器22から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
In the present embodiment, the first temperature detection means 51 measures the refrigerant condensation temperature, and the second temperature detection means 52 measures the outflow temperature when the liquid refrigerant flows out of the
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
In the Rankine cycle operation state, if the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the pressure difference between the refrigerants before and after the compressor /
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第2開閉弁32を開く。第2開閉弁32を開くと、循環経路からバイパス経路41内に冷媒が流入する。貯液タンク15内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を貯液タンク15内に貯溜して循環経路を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the second on-off
このようにして、第1熱交換器21において気化して発電機兼発動機12で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
In this way, since the amount of refrigerant that is vaporized in the
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第2熱交換器22において液化する冷媒量が減少する。その結果、液状冷媒の一部が気化して気液混合の状態でポンプ14に冷媒が流入する。この場合、ポンプ14の冷媒を送液する能力が低下する。
On the other hand, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset set value in the Rankine cycle operation state, the amount of refrigerant liquefied in the
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第3開閉弁33を開く。第3開閉弁33を開くと、貯液タンク15内の液状冷媒10が蒸発することにより液状冷媒10が貯液タンク15内から押し出されて第2熱交換部22内に流入する。その結果、貯液タンク15内に貯溜されていた液状冷媒10の一部を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset value, the third on-off
このようにして、第2熱交換器22において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ14に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
In this way, since the amount of refrigerant liquefied in the
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。 With the above configuration, an appropriate amount of refrigerant can be circulated in both Rankine cycle operation and heat pump cycle operation, and power generation efficiency and operation efficiency can be improved.
また、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において冷媒が通流しない独立した経路を設けて冷媒の総量調節を行なう場合と比較して、本実施形態の発電兼ヒートポンプ複合システム1においては簡易な構成とすることができるため、装置コストを低減することができる。
Compared with the case where the total amount of the refrigerant is adjusted by providing an independent path through which the refrigerant does not flow in both the Rankine cycle operation and the heat pump cycle operation, the power generation / heat pump combined
なお、本実施形態においては、貯液タンク15を総量調節手段として設けたが、バイパス経路41を構成する配管の管径を大きくすることにより十分な量の冷媒をバイパス経路41内に貯溜できる場合には、貯液タンク15が設けられていないバイパス経路41を総量調節手段として用いてもよい。
In the present embodiment, the
以下、本発明の実施形態2に係る発電兼ヒートポンプ複合システム2について説明する。
Hereinafter, the combined power generation and
(実施形態2)
図5は、本発明の実施形態2に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図6は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図7は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図8は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a system diagram showing the configuration of the combined power generation and heat pump system according to
図5に示すように、本発明の実施形態2に係る発電兼ヒートポンプ複合システム2においては、ポンプ14と、第1開閉弁31と、エンジンの排熱などを熱源とする高温熱源60の一部と連結された第1熱交換器21と、圧縮機兼膨張機11と、三方切換弁36と、第2熱交換器22とが配管で接続されて循環経路を構成している。
As shown in FIG. 5, in the combined power generation and
圧縮機兼膨張機11には、発電機兼発動機12が連結されている。第2熱交換器22には、中間部に第1温度検知手段51、ポンプ14側の端部近傍に第2温度検知手段52が設けられている。第2熱交換器22の近傍に、第1送風機24が設けられている。
A generator /
第2熱交換器22とポンプ14との間と、圧縮機兼膨張機11と三方切換弁36との間とを繋ぐバイパス経路41が設けられている。バイパス経路41においては、第2開閉弁32と、膨張弁13と、第3熱交換器23と、第3開閉弁33とが配管で接続されている。第3熱交換器23の近傍に、第2送風機25が設けられている。
A
また、発電兼ヒートポンプ複合システム2においては、第1開閉弁31と第1熱交換器21との間と三方切換弁36とを繋ぐバイパス経路43が設けられている。
In the combined power generation /
第1熱交換器21において、発電兼ヒートポンプ複合システム2内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源60との間で熱交換が行なわれる。第2熱交換器22において、発電兼ヒートポンプ複合システム2内を循環する冷媒と室外空気との間で熱交換が行なわれる。第3熱交換器23において、発電兼ヒートポンプ複合システム2内を循環する冷媒と室内空気との間で熱交換が行なわれる。
In the
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム2において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
Hereinafter, in the combined power generation and
図6に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は閉じ、第2開閉弁32は開き、第3開閉弁33は開いている。三方切換弁36は、第1熱交換器21から第2熱交換器22に冷媒が流れるように経路を構成している。外部から供給された電力により発電機兼発動機12を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
As shown in FIG. 6, in the state of heat pump cycle operation, the first on-off
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機11により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第1熱交換器21で熱交換せずに通過したのち、第2熱交換器22で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。
First, the refrigerant is compressed by the compressor /
液化した液状冷媒は、膨張弁13で減圧されて気液混合の状態で第3熱交換器23内に流入する。第3熱交換器23内に流入した冷媒は、室内空気から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機11により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、室内空気を冷却することができる。
The liquefied liquid refrigerant is decompressed by the
図7に示すように、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時は、第2開閉弁32を閉じる。その後、膨張弁13の開度を大きくする。このようにすることにより、第3熱交換器23内の圧力が低下する。その結果、第3熱交換器23内の冷媒が蒸発して圧縮機兼膨張機11内に流入する。
As shown in FIG. 7, when switching from heat pump cycle operation to Rankine cycle operation, the second on-off
その状態で所定時間経過後、第3開閉弁33を閉じる。その後、発電機兼発動機12の駆動を停止する。このようにすることにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において第3熱交換器23内に貯溜されていた冷媒を、循環経路に放流することができる。その結果、循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。本実施形態においては、第3熱交換器23が貯液部となる。
In this state, the third on-off
図8に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は開き、第2開閉弁32は閉じ、第3開閉弁33は閉じている。三方切換弁36は圧縮機兼膨張機11から第2熱交換器22に冷媒が流れるように経路を構成している。冷媒はポンプ14で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。
As shown in FIG. 8, in the Rankine cycle operation state, the first on-off
まず、ポンプ14により加圧された液状冷媒は、第1熱交換器21で高温熱源60から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機11で膨張する際に、発電機兼発動機12を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
First, the liquid refrigerant pressurized by the
圧縮機兼膨張機11を通過した低圧気相状態の冷媒は、第2熱交換器22で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ14により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源60の熱を利用した発電が行なわれる。
The refrigerant in the low-pressure gas-phase state that has passed through the compressor /
なお、バイパス経路41においては、第2開閉弁32と第3開閉弁33とを閉じられているため、バイパス経路41内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においてはバイパス経路41には冷媒が通流しない。
In the
また、バイパス経路43においては、三方切換弁36により一方端が閉鎖されているため、バイパス経路43内の冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においてはバイパス経路43には冷媒が通流しない。
Moreover, in the
第3熱交換器23を含むバイパス経路41を設けることにより、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べてヒートポンプサイクル運転の状態において少なくすることができる。
By providing the
本実施形態においては、第1温度検知手段51により冷媒の凝縮温度を計測し、第2温度検知手段52により液状冷媒が第2熱交換器22から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
In the present embodiment, the first temperature detection means 51 measures the refrigerant condensation temperature, and the second temperature detection means 52 measures the outflow temperature when the liquid refrigerant flows out of the
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
In the Rankine cycle operation state, if the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the pressure difference between the refrigerants before and after the compressor /
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第3開閉弁33を開く。第3開閉弁33を開くと、循環経路からバイパス経路41内に冷媒が流入する。第3熱交換器23内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第3熱交換器23内に貯溜して循環経路を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the third on-off
このようにして、第1熱交換器21において気化して発電機兼発動機12で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
In this way, since the amount of refrigerant that is vaporized in the
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第2熱交換器22において液化する冷媒量が減少する。その結果、液状冷媒の一部が気化して気液混合の状態でポンプ14に冷媒が流入する。この場合、ポンプ14の冷媒を送液する能力が低下する。
On the other hand, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset set value in the Rankine cycle operation state, the amount of refrigerant liquefied in the
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第2開閉弁32と第3開閉弁33とを開く。第3開閉弁33を開くと、第3熱交換器23内に気相状態の冷媒が流入する。第2開閉弁32が開いているため、第3熱交換器23内に流入した気相状態の冷媒により第3熱交換器23内から押し出された液状冷媒10はポンプ14へ向けて流出する。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset value, the second on-off
その結果、第3熱交換器23内に貯溜されていた液状冷媒10の一部を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。このようにして、第2熱交換器22において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ14に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
As a result, by discharging a part of the liquid refrigerant 10 stored in the
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。 With the above configuration, an appropriate amount of refrigerant can be circulated in both Rankine cycle operation and heat pump cycle operation, and power generation efficiency and operation efficiency can be improved.
以下、本発明の実施形態3に係る発電兼ヒートポンプ複合システム3について説明する。
Hereinafter, the combined power generation and
(実施形態3)
図9は、本発明の実施形態3に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図10は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図11は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図12は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a system diagram showing a configuration of a combined power generation / heat pump system according to
図9に示すように、本発明の実施形態3に係る発電兼ヒートポンプ複合システム3においては、圧縮機兼膨張機11と、第2熱交換器22と、第4開閉弁34と、膨張弁13と、第3熱交換器23と、第3開閉弁33とが配管で接続されて循環経路42を構成している。
As shown in FIG. 9, in the combined power generation /
圧縮機兼膨張機11には、発電機兼発動機12が連結されている。第2熱交換器22には、中間部に第1温度検知手段51、ポンプ14側の端部近傍に第2温度検知手段52が設けられている。第2熱交換器22の近傍に、第1送風機24が設けられている。第3熱交換器23の中間部に第3温度検知手段53が設けられている。第3熱交換器23の近傍に、第2送風機25が設けられている。第2送風機25の第3熱交換器23側とは反対側に第4温度検知手段54が設けられている。
A generator /
第2熱交換器22と第4開閉弁34との間と、圧縮機兼膨張機11と第3開閉弁33との間とを繋ぐバイパス経路41が設けられている。バイパス経路41においては、第2開閉弁32と、ポンプ14と、エンジンの排熱などを熱源とする高温熱源60の一部と連結された第1熱交換器21と、第1開閉弁31とが配管で接続されている。
A
また、発電兼ヒートポンプ複合システム3においては、ポンプ14と第1熱交換器21との間と、第2開閉弁32と第2熱交換器22との間とを繋ぐバイパス経路43が設けられている。バイパス経路43には、第5開閉弁35が設けられている。
In the combined power generation and
第1熱交換器21において、発電兼ヒートポンプ複合システム3内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源60との間で熱交換が行なわれる。第2熱交換器22において、発電兼ヒートポンプ複合システム3内を循環する冷媒と室内空気との間で熱交換が行なわれる。第3熱交換器23において、発電兼ヒートポンプ複合システム3内を循環する冷媒と室外空気との間で熱交換が行なわれる。本実施形態においては、第1熱交換器21が貯液部である。
In the
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム3において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
Hereinafter, in the power generation / heat pump combined
図10に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は開き、第2開閉弁32は開き、第3開閉弁33は閉じ、第4開閉弁34は閉じ、第5開閉弁35は閉じている。冷媒はポンプ14で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。すなわち、ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路41を冷媒が通流する。
As shown in FIG. 10, in the Rankine cycle operation state, the first on-off
まず、ポンプ14により加圧された液状冷媒は、第1熱交換器21で高温熱源60から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機11で膨張する際に、発電機兼発動機12を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
First, the liquid refrigerant pressurized by the
圧縮機兼膨張機11を通過した低圧気相状態の冷媒は、第2熱交換器22で室内空気に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ14により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源60の熱を利用して、室内を暖房しつつ発電することができる。
The low-pressure gas-phase refrigerant that has passed through the compressor /
本実施形態においては、第1温度検知手段51により冷媒の凝縮温度を計測し、第2温度検知手段52により液状冷媒が第2熱交換器22から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
In the present embodiment, the first temperature detection means 51 measures the refrigerant condensation temperature, and the second temperature detection means 52 measures the outflow temperature when the liquid refrigerant flows out of the
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
In the Rankine cycle operation state, if the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the pressure difference between the refrigerants before and after the compressor /
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第3開閉弁33を開く。第3開閉弁33を開くと、バイパス経路41から循環経路42内に冷媒が流入する。第3熱交換器23内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第3熱交換器23内に貯溜してバイパス経路41を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is larger than a preset value, the third on-off
このようにして、第1熱交換器21において気化して発電機兼発動機12で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機11の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
In this way, since the amount of refrigerant that is vaporized in the
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第2熱交換器22において液化する冷媒量が減少する。その結果、気液混合の状態でポンプ14に冷媒が流入する。この場合、ポンプ14の冷媒を送液する能力が低下する。
On the other hand, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset set value in the Rankine cycle operation state, the amount of refrigerant liquefied in the
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第4開閉弁34を開く。第4開閉弁34を開くと、第3熱交換器23内の液状冷媒10が蒸発することにより液状冷媒10が第3熱交換器23内から押し出されて第2熱交換部22内に流入する。その結果、第3熱交換器23内に貯溜されていた液状冷媒10の一部をバイパス経路41に放流することによりバイパス経路41を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
Therefore, when the degree of supercooling of the refrigerant is smaller than a preset value, the fourth on-off
このようにして、第2熱交換器22において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ14に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
In this way, since the amount of refrigerant liquefied in the
図11に示すように、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時は、高温熱源60からの熱の供給を停止し、ポンプ14も停止し、第2開閉弁32を閉じる。外部から供給された電力により発電機兼発動機12を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が流動する。
As shown in FIG. 11, when switching from Rankine cycle operation to heat pump cycle operation, the supply of heat from the high-
冷媒は圧縮機兼膨張機11により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第1熱交換器21内で凝縮して液化する。液化した液状冷媒は、バイパス経路41内において第1熱交換器21内に貯溜される。
The refrigerant is compressed by the compressor /
その状態で所定時間経過後、第1開閉弁31を閉じる。このようにすることにより、バイパス経路41に冷媒を流入させて第1熱交換器21内に冷媒の一部を貯溜することにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において循環経路42を流れる冷媒の総量を少なくすることができる。
In this state, the first on-off
図12に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第1開閉弁31は閉じ、第2開閉弁32は閉じ、第3開閉弁33は開き、第4開閉弁34は開き、第5開閉弁35は閉じている。外部から供給された電力により発電機兼発動機12を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
As shown in FIG. 12, in the heat pump cycle operation state, the first on-off
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機11により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第3熱交換器23で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。
First, the refrigerant is compressed by the compressor /
液化した液状冷媒は、膨張弁13で減圧されて気液混合の状態で第2熱交換器22内に流入する。第2熱交換器22内に流入した冷媒は、室内空気から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機11により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、室内空気を冷却することができる。
The liquefied liquid refrigerant is decompressed by the
なお、バイパス経路41においては、第1開閉弁31と第2開閉弁32と第5開閉弁35とを閉じられているため、バイパス経路41内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ヒートポンプサイクル運転の状態においてはバイパス経路41には冷媒が通流しない。
In the
本実施形態においては、第3温度検知手段53により第3熱交換器23における冷媒の凝縮温度を計測し、第4温度検知手段54により外気温度を計測する。
In the present embodiment, the third temperature detection means 53 measures the refrigerant condensation temperature in the
ヒートポンプサイクル運転の状態において、凝縮温度と外気温度との差が外気温度から予め設定した設定値より小さい場合は凝縮圧力不足で、第3熱交換器23内で冷媒が完全に液化しない。その結果、第2熱交換器22において気化する液状冷媒が少なくなるため室内空気を十分に冷却することができなくなる。
In the state of the heat pump cycle operation, when the difference between the condensation temperature and the outside air temperature is smaller than the preset value from the outside air temperature, the condensation pressure is insufficient and the refrigerant is not completely liquefied in the
そのため、凝縮温度と外気温度との予め設定した設定値より小さい場合、第5開閉弁35を開く。第5開閉弁35を開くと、第1熱交換器21内に貯溜されていた液状冷媒10が蒸発することにより液状冷媒10が第1熱交換器21内から押し出されて第2熱交換部22内に流入する。その結果、第1熱交換器21内に貯溜されていた液状冷媒10の一部を循環経路42に放流することにより循環経路42を流れる冷媒の総量を多くすることができ、凝縮圧力を高くすることができる。
For this reason, the fifth on-off
このようにして、第3熱交換器23において液化する冷媒量を増やすことができるため、第2熱交換器22で室内空気を十分冷却することができる。
Thus, since the amount of refrigerant liquefied in the
一方、ヒートポンプサイクル運転の状態において、凝縮温度と外気温度との差が予め設定した設定値より大きい場合、第3熱交換器23内の凝縮圧力が高すぎて、圧縮機兼膨張機11で消費する電力が過大となる。
On the other hand, when the difference between the condensation temperature and the outside air temperature is larger than a preset value in the heat pump cycle operation state, the condensation pressure in the
そのため、凝縮温度と外気温度との差が予め設定した設定値より大きい場合、第1開閉弁31を開く。第1開閉弁31を開くと、循環経路42からバイパス経路41内に冷媒が流入する。第1熱交換器21内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第1熱交換器21内に貯溜して循環経路42を流れる冷媒の総量を減少させることができ、凝縮圧力を低くすることができる。
Therefore, when the difference between the condensation temperature and the outside air temperature is larger than a preset value, the first on-off
このようにして、第2熱交換器22において気化する冷媒量を減らすことができるため、圧縮機兼膨張機11で過大な電力量が消費されることを抑制できる。なお、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時に、第1熱交換器21に貯溜されていた冷媒の一部は循環経路42に放流される。
Thus, since the refrigerant | coolant amount vaporized in the
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。 With the above configuration, an appropriate amount of refrigerant can be circulated in both Rankine cycle operation and heat pump cycle operation, and power generation efficiency and operation efficiency can be improved.
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,2,3 発電兼ヒートポンプ複合システム、10 液状冷媒、11 圧縮機兼膨張機、12 発電機兼発動機、13 膨張弁、14 ポンプ、15 貯液タンク、21 第1熱交換器、22 第2熱交換器、23 第3熱交換器、24 第1送風機、25 第2送風機、31 第1開閉弁、32 第2開閉弁、33 第3開閉弁、34 第4開閉弁、35 第5開閉弁、36 三方切換弁、41,43 バイパス経路、42 循環経路、51 第1温度検知手段、52 第2温度検知手段、53 第3温度検知手段、54 第4温度検知手段、60 高温熱源、70 低温熱源。 1,2,3 Power generation / heat pump combined system, 10 liquid refrigerant, 11 compressor / expander, 12 generator / motor, 13 expansion valve, 14 pump, 15 liquid storage tank, 21 first heat exchanger, 22 2 heat exchanger, 23 3rd heat exchanger, 24 1st blower, 25 2nd blower, 31 1st on-off valve, 32 2nd on-off valve, 33 3rd on-off valve, 34 4th on-off valve, 35 5th on-off Valve, 36 three-way switching valve, 41, 43 bypass path, 42 circulation path, 51 first temperature detection means, 52 second temperature detection means, 53 third temperature detection means, 54 fourth temperature detection means, 60 high temperature heat source, 70 Low temperature heat source.
Claims (7)
前記ランキンサイクル運転の状態においては、循環経路を流れる冷媒の仕事を回収して発電し、前記ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から供給された電力を用いて冷媒を圧縮する、圧縮機兼膨張機と、
前記循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段と
を備え、
前記ランキンサイクル運転から前記ヒートポンプサイクル運転に切り替えた状態において、前記総量調節手段は、前記循環経路を流れる冷媒の総量を前記ランキンサイクル運転の状態に比べて少なくする、発電兼ヒートポンプ複合システム。 A combined power generation and heat pump system capable of selectively switching between Rankine cycle operation and heat pump cycle operation,
In the Rankine cycle operation state, the work of the refrigerant flowing through the circulation path is collected to generate electric power, and in the heat pump cycle operation state, the refrigerant is compressed using electric power supplied from the outside. Machine,
A total amount adjusting means for adjusting the total amount of refrigerant flowing through the circulation path,
In the state where the Rankine cycle operation is switched to the heat pump cycle operation, the total amount adjusting means reduces the total amount of refrigerant flowing through the circulation path as compared with the Rankine cycle operation state.
前記ヒートポンプサイクル運転の状態において、前記バイパス経路を冷媒が通流することにより前記貯液部に冷媒の一部が貯溜される、請求項1に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。 The total amount adjusting means includes a liquid storage section provided in a bypass path that is connected to the circulation path and in which the refrigerant does not flow in the Rankine cycle operation state,
2. The combined power generation and heat pump system according to claim 1, wherein a part of the refrigerant is stored in the liquid storage part by allowing the refrigerant to flow through the bypass path in the state of the heat pump cycle operation.
前記ヒートポンプサイクル運転の状態において、前記バイパス経路を冷媒が通流して冷媒の一部が貯溜される、請求項1に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。 The total amount adjusting means is configured by a bypass path that is connected to the circulation path and through which refrigerant does not flow in the Rankine cycle operation state.
2. The combined power generation and heat pump system according to claim 1, wherein a refrigerant flows through the bypass path and a part of the refrigerant is stored in the heat pump cycle operation state.
前記ランキンサイクル運転の状態において前記バイパス経路を冷媒が通流する、請求項1に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。 The total amount adjusting means includes a liquid storage section provided in a bypass path that is connected to the circulation path and in which the refrigerant does not flow in the state of the heat pump cycle operation.
The combined power generation and heat pump system according to claim 1, wherein a refrigerant flows through the bypass path in the Rankine cycle operation state.
前記ランキンサイクル運転の状態において前記バイパス経路を冷媒が通流する、請求項1に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。 The total amount adjusting means is configured by a bypass path that is connected to the circulation path and through which the refrigerant does not flow in the state of the heat pump cycle operation,
The combined power generation and heat pump system according to claim 1, wherein a refrigerant flows through the bypass path in the Rankine cycle operation state.
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