JP2015148429A - 冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気圧縮式の冷凍サイクルを給水加熱のヒートポンプとして活用する場合において、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、冷媒サイクルの効率および出力(能力)を向上可能な冷凍装置の運転方法を提供する。
【解決手段】過冷却器６への熱媒入口温度と、受液器５からの冷媒凝縮液出口温度との差が５K以上である場合、受液器と膨張弁７との間の冷媒配管に、受液器からの冷媒凝縮液と熱媒との間で顕熱交換を行う過冷却器６を設置するとともに、過冷却器６へ熱媒を流入させる第１熱媒配管と、過冷却器において、受液器からの冷媒凝縮液により加熱される熱媒を凝縮器まで液送する第２熱媒配管と、凝縮器において冷媒ガスにより加熱される熱媒を凝縮器から流出させる第３熱媒配管とを設け、それにより、熱媒と冷媒との間の熱交換において、冷媒側における顕熱交換と潜熱交換とを分離し、過冷却器６による顕熱交換の後に、凝縮器による潜熱交換を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置の運転方法に関し、より詳細には、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを給水加熱のヒートポンプとして活用する場合において、冷凍サイクルの効率および出力(能力)を向上可能な冷凍装置の運転方法に関する。

従来から、圧縮機、凝縮器、受液器、膨張機構、蒸発器がこの順に、冷媒配管により順次接続されて、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成する冷凍装置が多用途に用いられてきた。
このような冷凍サイクルにおいて、受液器は、通常、冷凍機の凝縮器の下流側に設置され、負荷変動による蒸発器内冷媒量の変動を吸収する容器として用いられる。
たとえば、ヒートポンプとして活用するのに、特に、凝縮器において、冷媒の凝縮潜熱により、凝縮器に流入する給水を加熱して温水あるいは蒸気として流出させる場合、給水の流量を制御しない限り、温水温度は成り行きである。
一方、給水入口温度は、給水供給側の状況により影響を受けるところ、凝縮器の凝縮温度との差が大きい場合（冷媒入口温度は、圧縮機吐出温度であるから、冷媒凝縮温度よりも10ないし20℃位以上高いケースもある）、たとえば、10K以上低い場合にあって、温水あるいは蒸気の要求温度、要求流量を達成するのに、以下のような技術的問題点が存する。

すなわち、冷媒出口側の温度が給水側の温度に十分近づかず、1ないし5K程度の過冷却状態で凝縮器から排出されてしまうため、冷媒側の加熱(放熱)エンタルピ差を活用しきれない点である。
この場合、たとえば、受液器の上流側に凝縮器を直列に複数基設置するとしても、潜熱交換において、冷媒温度は一定保持されることから、複数基設置の効果は、単にその分、熱交換面積が増大したに過ぎず、凝縮温度を低下させる効果は期待できるものの冷媒側の加熱(放熱) エンタルピ差の拡大への寄与は小さいことから、温水あるいは蒸気の要求温度および要求流量を達成するためには、ヒートポンプ装置そのものの大型化により、冷媒循環量を増大させなければならず、限られた設置スペース内に設置困難ということにもなりかねない。

一方、受液器と熱交換器とを統合して、受液器内に熱交換器の給水管を配置して、受液器内において、冷媒液面より露出する給水管の部分とガス冷媒との間で潜熱交換を行う一方、冷媒液内に浸漬する給水管の部分と液体冷媒との間で顕熱交換を行うとすれば、冷媒と給水との間で、顕熱交換と潜熱交換とにより熱交換を行うことは可能であるが、冷凍サイクルの運転状況に応じて、受液器内の冷媒液面が上下することから、それにより、顕熱交換と潜熱交換との割合が変動し、冷凍サイクルの安定性が損なわれる。

以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを給水加熱のヒートポンプとして活用する場合において、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、冷媒サイクルの効率および出力(能力)を向上可能な冷凍装置の運転方法を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の冷凍装置の運転方法は、圧縮機、凝縮器、受液器、膨張機構、蒸発器がこの順に、冷媒配管により順次接続されて、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成する冷凍装置の運転方法において、前記過冷却器への熱媒入口温度と、前記受液器からの冷媒凝縮液出口温度との差が５K以上である場合、前記受液器と前記膨張弁との間の冷媒配管に、前記受液器からの冷媒凝縮液と熱媒との間で顕熱交換を行う過冷却器を設置するとともに、前記過冷却器へ熱媒を流入させる第１熱媒配管と、前記過冷却器において、前記受液器からの冷媒凝縮液により加熱される熱媒を前記凝縮器まで液送する第２熱媒配管と、前記凝縮器において冷媒ガスにより加熱される熱媒を前記凝縮器から流出させる第３熱媒配管とを設ける段階とを有し、それにより、熱媒と冷媒との間の熱交換において、冷媒側における顕熱交換と潜熱交換とを分離し、前記過冷却器による顕熱交換の後に、前記凝縮器による潜熱交換を行う、構成としている。

以上の構成を有する冷凍装置の運転方法によれば、蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて、熱媒加熱のヒートポンプとして活用する場合に、受液器の下流側の過冷却器における冷媒による顕熱交換と、受液器の上流側の凝縮器における冷媒側による潜熱交換とにより、この順に、熱媒加熱を行うことにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、冷凍サイクルの効率および出力(能力)を格段に向上させることが可能である。
より詳細には、まず、過冷却器において、第１熱媒配管により流入する熱媒と、受液器からの冷媒凝縮液との間で顕熱交換を行い、次いで、凝縮器において、第２熱媒配管により凝縮器まで液送された、受液器からの冷媒凝縮液により加熱された熱媒と、圧縮機からの冷媒ガスとの間で潜熱交換を行うことにより、冷媒と熱媒との間における顕熱交換と潜熱交換とを分離し、この順に、熱交換することにより、冷媒側の加熱(放熱)エンタルピ差を十分に活用することが可能となり、たとえば、単に顕熱交換を増大するために凝縮器を並列式または直列式に増設する場合に比して、熱交換器を格段に縮小させることが可能である。
この場合、特に、過冷却器への熱媒入口温度と、受液器からの冷媒凝縮液出口温度との差が５K以上である場合に、冷凍サイクルの効率および出力(能力)の向上効果が顕著である。

また、前記熱媒は水であり、前記過冷却器による顕熱交換と、前記凝縮器による潜熱交換とにより、蒸気または温水を生成するのでもよい。
さらに、前記冷凍装置の運転中において、前記受液器内の冷媒凝縮液の液位を所定レベル以上に維持する段階を有するのがよい。
さらにまた、前記凝縮器において、前記過冷却器からの温水を加熱して、蒸気を製造し、
前記冷媒は、臨界温度が１３０℃以上であるのでもよい。

以下、本発明に係る冷凍装置の運転方法の実施形態を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
まず、図１に示すように、冷凍装置について、説明すれば、圧縮機１の吐出側に一端が接続された冷媒往管２の他端は、油分離器３、第１熱交換器である蒸気発生器４、冷媒用気液分離器である受液器５、第２熱交換器である過冷却器６、膨張弁７を経て熱回収器８の１次側入口に接続され同出口に一端が接続された冷媒復管９の他端が圧縮機１の吸入側に接続され、これらにより冷媒回路を構成している。

蒸気発生器４は、シェルアンドプレート熱交換器で構成され、高温、高圧下での信頼性の高い使用が可能であり、２次側流路であるプレートまわりのシェル内に水（温水）を流通させ、１次側流路であるプレート内を流れる冷媒の熱により、プレートまわりのシェル内で蒸気を発生させ、発生した蒸気はプレート間をスムーズに流通して送出される。

蒸気発生器４の２次側出口に一端が接続された蒸気送出管１０の他端は、給水用気液分離器１１の気相に接続され、この給水用気液分離器において蒸気中に含まれるあるいは蒸気の凝縮により一部が液化した水が分離されて貯留されるように構成され、気相に一端が臨む蒸気供給管１２の他端が弁１３を介して蒸気を必要とする設備、例えば食品工場であれば殺菌装置などに導かれている。

給水用気液分離器１１の液相に一端が接続された温水戻し管１４の他端は、逆止弁１５を介して蒸気発生器４の２次側入口に接続されている。

給水用気液分離器１１は蒸気発生器４よりも高い位置に設けてあって、給水用気液分離器１１から蒸気発生器４に戻される温水はポンプ等の動力を用いることなく重力によって流れるように構成してあり、動力エネルギーの低減を期すことができる構成としてある。

給水用気液分離器１１の液相内には例えば電熱式のヒータ２４を設けてある。さらに給水用気液分離器１１には、例えば電極式の液位検出器１１ａを設けてあって、この液位検出器で検出される液位に基いて外部からの所要量の給水が行われるように構成してあり、電極式のもの以外にも超音波式やフロート式のものを使用することができる。

受液器５の上流側には、蒸気発生器４が配置され、一方、受液器５の下流側には、過冷却器６が配置され、過冷却器６においては、受液器５からの凝縮液冷媒と給水との間で顕熱交換が行なわれ、蒸気発生器４においては、冷媒ガスと、過冷却器６により加熱された給水との間で潜熱交換が行われるように構成しており、冷媒の流れと給水の流れとを対向させて、顕熱交換および潜熱交換を分離したうえで、この順に熱交換することにより、以下に説明するように、冷凍サイクルの効率および出力(能力)の向上を達成している。

過冷却器６の２次側入口には、外部からの給水管１６がポンプ１７を介して接続されていて、同２次側出口に一端が接続された温水供給管１８の他端は、逆止弁２１を介して温水戻し管１４における逆止弁１５の下流側に接続してある。

熱回収器８の２次側には、排温水の供給管２２と排水管２３が接続されていて、排温水の残留熱が熱回収器の１次側を流通する冷媒に回収される。

なお、図１中の符号２５は蒸気発生器４内における２次側の液位を検出する液位検出器を示し、例えばフロート式、超音波式、電極式などの公知のものを採用することができる。

次に、上述した構成による冷凍装置の運転方法について、図２を参照しながら、以下に詳細に説明する。
まず、圧縮機１から吐出された高温ガス冷媒（図２中、符号ａの状態）は油分離器３を経て蒸気発生器４に送られ、同蒸気発生器においてプレートまわりのシェル内を流通する温水と熱交換して凝縮して送出され、温水は冷媒の潜熱によって蒸発させられる。

次いで、蒸気発生器４にて凝縮した冷媒（図２中、符号ｂの状態）は受液器５に貯留され、この受液器内の液相から液冷媒だけが過冷却器６に送られ、同過冷却器６内にて、ポンプ１７の駆動により外部から供給される水と顕熱交換し、過冷却される（図２中、符号ｃ´の状態）。

次いで、上述のように過冷却された冷媒は膨張弁７を経て熱回収器８に送られ（図２中、符号ｄ´の状態）、同熱回収器内にて排温水などの外部熱源からの熱を回収してこの排温水を冷却するとともに冷媒自身は気化し（図２中、符号ｅの状態）、冷媒復管９によって圧縮機１の吸入側に戻される。

なお、膨張弁７の開度は、冷媒復管９における熱回収器８の出口近傍に設けた温度センサー２６と圧力センサー２７とにより、演算器２８を用いて算出した過熱度が１０℃以上となるように制御され、それにより、圧縮機１への液バックを防止できるようにしてある。

一方、蒸気発生器４にて発生した蒸気は、蒸気送出管１０にて給水用気液分離器１１に送られ、蒸気中に含まれる水などの液分は分離され、気相の高温蒸気だけが蒸気供給管１２によって外部に送り出され、その送出量は弁１３によって調節される。

気液分離器１１内の液相の温水は、温水戻し管１４によって蒸気発生器４に戻され、再び加熱されて給水用気液分離器へと送出される。

本発明の冷凍装置においては上述した作用によって蒸気を発生する構成となっているが、冬期における装置の運転開始初期など蒸気発生器４に供給される温水の温度が低下していると、装置の立ち上がり、すなわち蒸気の供給が遅くなる場合がある。

そこで、本発明の冷凍装置では、給水用気液分離器１１における液相内に設けたヒータ２４により、装置の運転停止中において液相を加熱し、蒸気発生器４に戻す温水の温度が一定に維持されるようにしてある。

以下、受液器５の上下流側それぞれに、蒸気発生器４および過冷却器６を配置して、冷媒と給水との間の熱交換について、顕熱交換と潜熱交換とに分離し、この順に熱交換をする技術的効果について、説明する。
受液器５の上流側にのみ熱交換器（凝縮器）を配置した場合のモリエル線図を実線abcdeで示し、受液器５の上流側に複数の熱交換器（凝縮器）を直列に配置した場合、および受液器５の上下流側それぞれに熱交換器（凝縮器）および熱交換器（過冷却器）を配置した場合それぞれを、一点鎖線（abc´´d´´e）および点線（abc´d´e）で示す。
たとえば、受液器５の上流側に、２基の熱交換器を直列に配置した場合には、単にその分、潜熱交換のための伝熱面積が増大したに過ぎず、図２のモリエル線図によれば、冷媒凝縮温度がその分低下し、若干過冷却も増大する（一点鎖線）。
それに対して、受液器５の上流側に蒸気発生器４（凝縮器）を配置することを前提に、受液器５の下流側に、過冷却器６（過冷却器）を配置したうえで、給水と冷媒とを対向流とした場合には、まず、過冷却器により、受液器５の液体冷媒と給水との間で、顕熱交換が行われ、それにより、給水は加熱される一方、液体冷媒は冷却され、次いで、凝縮器により、ガス冷媒と給水との間で、主に潜熱交換が行われ、それにより、給水はさらに加熱される一方、ガス冷媒は凝縮される。この場合、凝縮器において、厳密には、ガス冷媒は給水により吸熱されて、顕熱交換によりガス冷媒として温度低下し、ガス冷媒が液体冷媒となる過程で潜熱交換をし、さらに液体冷媒が給水により吸熱されて、顕熱交換により液体冷媒として温度低下するが、潜熱交換前後の顕熱交換はいずれもその割合は非常に小さいので無視する。

この場合には、図２のモリエル線図によれば、点線のように凝縮温度が保持されたまま過冷却だけが増大し、冷媒側の加熱(放熱)エンタルピ差をより活用することが可能となり、以て冷凍サイクルの効率および出力(能力)を格段に向上させることが可能である。
たとえば、受液器５内に給水管を配置して、冷媒と給水との間で熱交換をするとすれば、負荷変動に伴う液面変動により、顕熱交換と潜熱交換との割合が直接的に影響を受け、冷凍サイクルの安定化が損なわれるところ、このような直接的な影響を回避することも可能である。
なお、付随的効果として、冷媒側の加熱(放熱)エンタルピ差をより活用することにより、凝縮器に流入する水温を安定化させるとともに、凝縮器での加熱ΔTを縮小させることが可能となることから、圧縮機の吐出圧力を安定化させることにも寄与する。

過冷却器６への熱媒入口温度と、受液器５からの冷媒凝縮液出口温度との差を５K以上とする技術的意義は、以下の通りである。一般的に、熱交換器のアプローチである過冷却器６からの冷媒出口温度と過冷却器６への熱媒入口温度との差は、熱効率と経済性との両立の観点から、３ないし７Kに設定される。たとえば、アプローチがその平均の５Ｋとした場合、アプローチが５Ｋである以上、過冷却器６への冷媒入口温度と過冷却器６への熱媒入口温度との差が５Ｋ未満となることはなく、一方、過冷却器６への冷媒入口温度が低いほど、過冷却器６への冷媒入口温度と過冷却器６からの冷媒出口温度との差、すなわち熱交換量が小さくなり、過冷却器６を設ける技術的意義が乏しくなる。この点から、実用的な観点から、過冷却器６への熱媒入口温度と、受液器５からの冷媒凝縮液出口温度との差を５K以上とするものである。

以上の構成を有する冷凍装置の運転方法によれば、蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて、熱媒加熱のヒートポンプとして活用する場合に、受液器５の下流側の過冷却器６における冷媒による顕熱交換と、受液器５の上流側の凝縮器における冷媒による潜熱交換とにより、この順に、熱媒加熱を行うことにより、冷凍サイクルの安定性を損なうことなく、冷凍サイクルの効率および出力(能力)を格段に向上させることが可能である。
より詳細には、まず、過冷却器６において、第１熱媒配管により流入する熱媒と、受液器からの冷媒凝縮液との間で顕熱交換を行い、次いで、凝縮器である蒸気発生器４において、第２熱媒配管により凝縮器まで液送された、受液器５からの冷媒凝縮液により加熱された熱媒と、圧縮機１からの冷媒ガスとの間で潜熱交換を行うことにより、冷媒と熱媒との間における顕熱交換と潜熱交換とを分離し、この順に、熱交換することにより、冷媒側の加熱(放熱)エンタルピ差を十分に活用することが可能となり、たとえば、単に顕熱交換を増大するために凝縮器を直列式に増設する場合に比して、熱交換器を格段に縮小させることが可能である。
この場合、特に、過冷却器６への熱媒入口温度と、受液器５からの冷媒凝縮液出口温度との差が５K以上である場合に、冷凍サイクルの効率および出力(能力)の向上効果が顕著である。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。

上述した実施形態のものは、いずれも単段構成の冷媒回路としてあるが、二段等の多段冷凍サイクルや二元等の多元冷凍サイクルで構成する場合もある。
たとえば、本実施形態において、熱媒として水を用い、蒸気を製造する場合として説明したが、それに限定されることなく、用途に応じて、高温水でもよく、あるいは熱媒として空気を用い、高温空気を乾燥用途に用いてもよい。

本発明に係る冷凍装置の運転方法における冷凍装置の実施形態を示す構成図である。 本発明の冷凍装置の運転方法における冷凍装置の実施形態による作用の一例を示すモリエル線図である。

１ 圧縮機
２ 冷媒往管
３ 油分離器
４ 蒸気発生器
５ 受液器
６ 過冷却器
７ 膨張弁
８ 熱回収器
８ 熱回収器
９ 冷媒復管
１０ 蒸気送出管
１１ 給水用気液分離器
１２ 蒸気供給管
１３ 弁
１４ 温水戻し管
１５ 逆止弁
１６ 給水管
１７ ポンプ
１８ 温水供給管
２１ 逆止弁
２２ 排温水供給管
２３ 排水管
２４ ヒータ
２５ 液位検出器
２６ 感温筒

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、受液器、膨張機構、蒸発器がこの順に、冷媒配管により順次接続されて、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成する冷凍装置の運転方法において、
   前記過冷却器への熱媒入口温度と、前記受液器からの冷媒凝縮液出口温度との差が５K以上である場合、
   前記受液器と前記膨張弁との間の冷媒配管に、前記受液器からの冷媒凝縮液と熱媒との間で顕熱交換を行う過冷却器を設置するとともに、前記過冷却器へ熱媒を流入させる第１熱媒配管と、前記過冷却器において、前記受液器からの冷媒凝縮液により加熱される熱媒を前記凝縮器まで液送する第２熱媒配管と、前記凝縮器において冷媒ガスにより加熱される熱媒を前記凝縮器から流出させる第３熱媒配管とを設ける段階とを有し、
   それにより、熱媒と冷媒との間の熱交換において、冷媒側における顕熱交換と潜熱交換とを分離し、前記過冷却器による顕熱交換の後に、前記凝縮器による潜熱交換を行う、ことを特徴とする冷凍装置の運転方法。
2. 前記熱媒は水であり、前記過冷却器による顕熱交換と、前記凝縮器による潜熱交換とにより、蒸気または温水を生成する、請求項１に記載の冷凍装置の運転方法。
3. 前記冷凍装置の運転中において、前記受液器内の冷媒凝縮液の液位を所定レベル以上に維持する段階を有する、請求項１または２に記載の冷凍装置の運転方法。
4. 前記凝縮器において、前記過冷却器からの温水を加熱して、蒸気を製造し、
   前記冷媒は、臨界温度が１３０℃以上である、請求項２に記載の冷凍装置の運転方法。
   
   

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