JP2015513062A - 媒体間の熱移動及び電気発生のための熱サイクル - Google Patents
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Abstract
Description
W=Qh−Qc
η=(Qh−Qc)/Qc=1−Tc/Th
式中、Tc温度は低熱源に適用し、Th温度は、高温の熱源に適用する。
COPH,rev=1/(1−Tc/Th)=Th/(Th−Tc)
これは低温熱源から高温熱源へ移動可能な仕事の入力単位当たりの熱量を示し、これは通常、単にCOPと称され、しばしばCOP値とも呼ばれる。
変換ユニットTGは、作動流体に含有されるエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換器の形態であり、これは、発電器Gと一体化される蒸気タービンTによって、又は、他のタイプの対応する機器によって実行され得る。タービンTは、コンプレッサCから出てくる熱ガスのサブフローによって構成される熱ガス流れによって駆動され、これは、第1のシャント弁S1を介して、タービンT内を流れるように制御される。発電器GはタービンTにより駆動され、これにより、発電器は、所望の方法で用いることができる電気エネルギーを供給する。本発明に従った新規のかつ独自の態様は、先行技術に従った場合にヒートポンプ回路で最も効率的かつ実用的な方法で利用できなかったその余剰熱及び余剰圧力が、本発明によれば、変換ユニットTGで利用するために制御することができることである。タービンTは、2つのタービン段が同一シャフト上に搭載される二段式タービンとして有利に設計され得る。また、発電器部は、タービンTのシャフトと同じシャフト上に搭載される。従って、発電器Gのローター部は、タービンTの回転部と一体化され得る。発電器Gの固定子部は、変換ユニットのケーシングの壁に、適切に固定して付着する。さらに、固定子部は好ましくは、発電器のローター部及びタービンTと共に共通の気密ケーシングに一体化され、配列される。この場合に用いることができる種類の蒸気タービンが高い回転数で回転するため、高速タイプの発電機を適切に使用すべきで、たとえば、外部ユニットの電気運転に関連し、また、発電器Gの固有の損失及び発生した電気が電動機を駆動するために用いられる場合の電動機Mのコンプレッサへの固有の損失の観点での技術的な利点を提供する直流(DC)発生のための高速タイプの発電器G等を挙げることができる。発電器は、たとえば、コンプレッサCのドライブモータMを駆動するための貢献として利用可能な電気エネルギーを製造してもよい。代替的に、又はドライブモータMへの電力供給と同時に、電気の余剰分は、外部電気ネットワーク上に送られてもよい。変換ユニットTGは、従って、電気エネルギーのドライブモータのMの要求を低減することに貢献し、それは、そこで生じる圧力及び温度降下によってヒートポンプ回路で利用可能な余剰のエネルギーに依存し、かつ、記載された方法でヒートポンプ回路を設計することにより創り出されるエネルギーを、コレクタ回路からさらに多く抽出できるからである。
ここに、本発明に従ったヒートポンプ回路のデザインの一例を説明する。この例は、更に詳細に発明の概念を明らかにすることを意図するのみであり、原理を示す具体例としてのみ考えることができ、かつ、それ自体、論証のために本発明に対してあらゆる基礎の基盤を形成するものと考えるべきではない。このように、下記の一例は、カルノー原理に従ったヒートポンプに基づいて、本発明に従うヒートポンプ回路におけるパラメータの理論的な計算を示す。
仮定:
−凝縮器CONDの熱回路内のVutの平均温度+40℃(T1)での水の導入及び抽出における決定した熱要求:8kW(ピーク電力)。
−選択されたヒートポンプ:0〜17kW、コンプレッサの速度制御DC操作付き(よって、決定した要求に関してより大きめのサイズを与えた)。
−動作結果:冷媒媒体の年平均温度(T2):+4℃、地熱の加熱、コンプレッサからの作動流体の直接の戻りは、一部は凝縮器を介し蒸発器へ、一部は変換ユニットを介して蒸発器へ(すなわちタービンT内の圧力/温度の低減の後、熱ガス中の余剰熱の戻り):
T1=40+273=313(K)
T2= 4+273=277(K)
−下記式に従った理論的に達成できる成績係数:
COP=T1/(T1−T2)=313/(313−277)=313/36=8.69
−先行技術に従うヒートポンプの実質的に可能な成績係数(COP)は、圧力及び熱損失のために理論的に可能な場合の約50%に達する。
−ヒートポンプ回路の実際の成績係数 0.5x8.69=4.35。
第1の代替例に従い、凝縮器CONDへの電力の配電が8kW、変換ユニットTGへ9kWの場合に成績係数が4.35である場合(すなわち、通常制限の膨張弁を使用しない圧力/温度が低減した熱ガスの戻り、及び、凝縮器CONDを介した熱ガスの直接の戻りの両方を伴う場合)、以下を与える。
−熱要求を満たすためのコンプレッサの電力要求:8kW/4.35=1.84kw。
−ヒートポンプ電力(17kW)の利用可能な残り(9kW)を変換回路に供給するためのコンプレッサの電力要求:9kW/4.35=2.07kw。
最大電力の出力のために必要な全電力消費:3.91kw。
この量のための効率を50%と仮定した場合の変換ユニットTGからの出力最大電力:0.50×9kW=4.5kW。
第2の代替例に従うと、変換回路TGのための実用的に可能な効率は、利用可能な(9kW)の40%のみを構成すると仮定される。可能な電力出力は、0.40×9kW=3.6kWである。
−(凝縮器を介した)熱要求を満たすためのコンプレッサの電力要求は、代替例1と同じであり、すなわち8kW/4.35=1.84kW。
−ヒートポンプ電力(17kW)の利用可能な残り(9kW)を変換回路に供給するためのコンプレッサの電力要求:9kW/4.35=2.07kw。
最大電力の出力のために必要な全電力消費:3.91kw。
従って、代替例2は、0.31kWの追加の要求を与えるが、他方、熱回路に最大8kWを発生し、変換回路TGからの電力として最大3.6kWを発生する。
本発明に従って変換ユニットを通過する熱ガスのサブフローが、回転エネルギーをタービンTに供給するとき、熱は、タービン自体の材料にも供給される。また、特定の熱の発生も、発電器Gの部分に起こる。変換ユニットTGに操作中に供給されたこのような余剰熱を全て利用するために、図3で示すように、タービンT及び発電器Gを気密的方法で収容するケーシングは、ジャケット又は外装Mによって包囲され、従って二重のシェルを形成し、これらの2つのシェルの間にジャケット空間を形成する。第2の媒体、すなわち冷媒媒体が、ジャケット空間の流入口Cin2でこのジャケット空間を通過し、前記冷媒媒体は従って、囲まれた変換ユニットTGからの余剰熱によって加熱される。熱吸収の後、蒸発器EVAPの流入口(図1にCinと示される流入口)に、第2の媒体は戻され、そこで、プロセスは前述のとおり、進行する。このように、電気エネルギーをタービン/発電器を介して発生するように熱ガス流れは利用され、コレクタ回路にそれを戻すことによって余熱は引き受けられる。
運転開始の際は、制御ユニットCONTRからの制御によって、変換ユニットTGを通るガスの流れのためのシャント弁SI及びS2は、閉じた状態に保たれる。コンプレッサCが制御された膨張弁Expを用いて、動作圧力を達成したとき、制御ユニットCONTRは、弁S1/S2に対するオープニングインパルスを提供し、それは段階的に変換回路Transfにガスの流れを制御し、これにより、変換ユニットTGに一体化された発電器Gを有するタービンTは、電圧のフィードアウトを調節する電圧調節器REGへの電圧発生を開始する。タービンT及び変換ユニットの発電器Gが加熱ポンプの電圧と同調しているときは、制御ユニットCONTRは、シャント弁S2にインパルスを提供して、蒸発器EVAPまで完全に変換回路を開放する。シャント弁S1はその後、本発明に従って熱回路の熱の要求(代替的には、冷凍プラントの場合、蒸発器での「冷却」の要求)に関してより大きいサイズが与えられた速度制御DCコンプレッサCへの発電器電圧を、熱ガス流れが制御するような方法で、電圧調節器REG及び制御ユニットCONTRを介して制御される。蒸発器EVAPは、タービンTを通過するサブフローの圧力が降下したという事実のために、低圧の限定的で制御され分路された気/液流れにより、直接供給される。また、変換ユニットTGが冷却される場合、余剰熱が排出されているため、前記サブフローの温度は低下している。蒸発器EVAPにおける作動流体の最適の利用のため、流体を蒸発器EVAPに分配するシャント弁S3は、制御ユニットCONTRを介して制御される。特定の動作条件で、変換回路Transを通過するサブフローの特定部分を直接コンプレッサCの吸込み側に戻すことによって、さらなる最適な状況が実現され、これは次いで、圧力開放法(pressure-relieved way)で操作される(いわゆる容量制御)。この制御は、シャント弁S3によって実行される。任意的に、サブクーラU1が、第2の媒体が通り抜けるコレクタ回路内に配置されて、凝縮器CONDの後方で残りの余剰熱を最大限利用できるようにしてもよい。これは先行技術に属していて、図3に破線で例示される。本発明に従うヒートポンプ回路内における圧力及び熱の利用は、様々な代替的方法で遂行されてもよく、これらのうち、好適な具体例だけがここで記載される。凝縮器を対象として、コンプレッサのC自身が生産する熱ガス圧力が、作動流体のために誤った流れ方向を生じること及びヒートポンプ回路内に操作上の動揺を形成することを防止するため、逆止弁Vはそこに存在する必要がある。(回路Transf内の)作動流体の第2のサブフローの少なくとも一部を主回路Mainに戻すように、第2のシャント弁S2は制御されてもよく、それは特定の動作条件で有利となることができる。
作動流体R407Cに適用されるモリエ線図に従い、媒体が、たとえば高速発電器を駆動する二段階タービンを通過する際に、圧力が約4kPaまで降下されるならば、24kPaの圧力及び約+100℃の温度を有する熱ガスの形態でのこの媒体は、約+20℃に達する温度が与えられる。0〜17kWの定格電力を有する商業的に入手可能な速度制御DC作動ヒートポンプは、一例として、メーカーからの技術仕様に従い、約18kbm/時間の最大熱ガス流れを有している。これは、約300リットル/分又は約5リットル/秒の最大熱ガス流れを伴う。この「メインの流れ」のエネルギー含量は、制御装置CONTRによって制御されるシャント弁であるシャント弁S1によって分割される。二段階タービンが気体圧力を24kPaから約4kPaへと低減するならば、その結果、変換回路Trans内の余剰圧力のエネルギー含量の80%以上が、二段階タービンT内で運動のエネルギーに変化され、変換ユニットTG全体における熱の発生を提供しなければならない。この例では、モリエ線図で示すように、圧力及び温度は、このプロセスの等しい部分を構成すると仮定される。ヒートポンプ回路が、変換ユニットTGが蒸発器EVAPに一体化/収容される図4の具体例に従って配置される場合、変換ユニットTG内のほぼ全ての熱損失は、蒸発器EVAPに供給され、それは、全部のヒートポンプ回路Main+Trans、すなわち両方とも膨張弁Expを介して凝縮器CONDから(先行技術に従った通常の経路)+一体化変換ユニットTGを介して通過した「直接気体混合物」のために、蒸発温度を著しく上昇させる。正常に必要な大きさが与えられた蒸発器EVAP及びコレクタ回路により、その後、非常に大きなエネルギーの出力が、コレクタ回路から発生し、それが、周知でかつ機能的な冷却/加熱ポンプ技術を用いることによる電気エネルギーの出力を可能にする。残留圧力/温度、すなわち凝縮器出口/経路の後方のエネルギー含量を利用するため、引込み導管Cin2にサブクーラU1を、コレクタ回路中の蒸発器と直列に接続することは、有利であり、なぜなら、あまりに高い圧力/温度値を有し、それゆえに不必要な損失源を構成する作動流体を膨張弁Expが許容しないからである。また、コレクタ回路内の送出導管Cut内に配置されたサブクーラU2と共に同じ接続方法を利用して、タービンTの通過のさらに後方の作動流体の温度を低減することが出来るので、蒸発器EVAPへ入る前にタービンTを出たサブフローから、さらに多くのエネルギーを抽出することが可能になる。これは、共にリンクした作動流体のサブフロー、すなわちコンプレッサCの吸込み側に戻ることになっているガス流れの合計(3)の蒸発温度をさらに最適化することが、経済的に正当化されることを前提とする。あまりに大きなサブフローがタービンTによって形成される状況において、余剰分は、蒸発器EVAPを過ぎた制御シャント弁S3を介して分路され/バイパスされる。このバイパスされた余剰は蒸発器EVAPからの排出流と合流され、コンプレッサCの吸込み側へと通される。コンプレッサは、次いで「圧力開放」し、これは、このように最小限の圧力差が形成されるのでエネルギー使用量は下がる、ということを意味する。
Claims (10)
- 冷媒サイクルにおける方法であって、
作動流体が、前記サイクルにおいて、低圧pl及び低温tlの第1の状態(1)から高圧ph及び高温thの第2の状態(2)に圧縮され、その結果、前記作動流体は冷却され、それゆえ、圧力pm及び温度tmの第3の状態(3)を呈し、ここでpl<pm<ph及びtl<tm<thであり、前記作動流体は、その後膨張され、前記作動流体が前記サイクルにおいて再び圧縮される前に、前記第1の状態(1)で支配的な前記圧力及び前記温度へ本質的に復帰するステップを備え、
−前記圧縮された作動流体の第1のサブフローは、凝縮器(COND)内で、前記作動流体の前記冷却が、前記凝縮器を通るコイルを有する熱サイクル(Q)に属する第1の媒体を介して起こるように、熱交換され、ここで、前記第1の媒体は前記作動流体を冷却し、前記作動流体はしたがって第3の状態(3)を呈し、前記作動流体は、蒸発器(EVAP)に通過され、その中で、コレクタ回路(Coll)に属する第2の媒体と熱交換され、ここで、前記第2の媒体は、前記作動流体に熱を供給し、それにより、前記作動流体は前記膨張を経て、前記第1の状態(1)で支配的な前記圧力及び前記温度に本質的に戻り、
−前記圧縮された作動流体の第2のサブフローは、エネルギー変換器(TG)の通過のときに、
a)前記作動流体は本質的に膨張されて、前記第3の状態(3)になり、前記蒸発器(EVAP)内での更なる膨張によって前記サイクル内の前記第1の状態(1)に戻されるように、圧力及び温度が、前記エネルギー変換器(TG)の通過のときに低下し、
b)前記作動流体が前記第2の状態(2)から本質的に膨張されて前記第1の状態(1)になり、そして、圧縮のために前記サイクルに戻されるように、圧力及び温度が、前記エネルギー変換器(TG)の通過のときに低下する
の選択肢の1つに従って、前記第2の状態(2)から前記冷却及び前記膨張を生じ、
−前記エネルギー変換器(TG)は、前記エネルギー変換器内での前記作動流体の膨張の間に抽出される仕事を電気エネルギーに変換し、前記エネルギー変換器(TG)は、発電器(G)を駆動するタービン(T)を有し得ることを特徴とする方法。 - −前記第1および第2のサブフローそれぞれへの前記作動流体の分配、及び
−選択肢a)及びb)のうちの任意のものに従って、前記第2のサブフローの作動流体が前記第1の状態(1)へ復帰すること
が、制御装置(CONTR)によって、制御可能なシャント弁(SI、S2、S3)を介して制御される請求項1に記載の方法。 - 作動流体が通り抜ける回路に、少なくとも1つのコンプレッサ(C)と、1つの凝縮器(COND)と、1つの蒸発器(EVAP)と、1つのエネルギー変換器(TG)を備える装置であって、
−前記コンプレッサ(C)は、前記作動流体を、低圧pl及び低温tlの第1の状態(1)の気体から高圧ph及び高温thの第2の状態(2)の気体へと圧縮し、
−前記作動流体の第1のサブフローは、主回路(Main)内を通過し、前記凝縮器(COND)の通過のときに、気/液混合物に凝縮され、従って、第1の熱サイクル(Q)に属する第1の媒体に熱を供給する前記作動流体により、圧力pm及び温度tmの第3の状態(3)を呈し、前記第1の媒体は、前記凝縮器(COND)において前記作動流体と熱交換され、pl<pm<ph及びtl<tm<thであり、前記作動流体の前記第1のサブフローは、前記凝縮器(COND)から送られ、前記蒸発器(EVAP)において膨張され、それにより、前記蒸発器(EVAP)に接続されるコレクタ回路(Coll)内で第2の媒体から熱を吸収することによって、前記第1の状態(1)の気体に復帰し、前記第2の媒体が前記作動流体と熱交換され、それにより、前記作動流体は前記コンプレッサ(C)に戻されて、再び前記サイクルを完成し、
−前記圧縮された作動流体の第2のサブフローは、前記コンプレッサ(C)の出口で支配的な前記第2の状態(2)から膨張され、変換回路(Transf)内を通過されて、エネルギー変換器(TG)を通り抜ける前記作動流体の前記第2のサブフローのエネルギー含量を電気エネルギーへ変換するための前記エネルギー変換器(TG)に至り、その結果、前記エネルギー変換器(TG)の出口からの膨張された作動流体は、
a)前記エネルギー変換器(TG)から更なる膨張のために前記蒸発器(EVAP)に直接に、
b)前記エネルギー変換器(TG)での前記第2の状態(2)から前記第1の状態(1)への膨張の後、前記コンプレッサ(C)に直接に、
のいずれかに従って前記コンプレッサ(C)に戻されることを特徴とする装置。 - 前記装置は、異なる操作条件のために、前記制御装置(CONTR)によって操作され、前記制御装置は、前記作動流体の前記第1および第2のサブフローの分配のために、第1のシャント弁(S1)を制御し、前記操作条件を選択するために、前記a),b)のいずれかに従って、前記第2のサブフローから前記コンプレッサ(C)まで前記作動流体を戻すことにより第2のシャント弁(S2)及び第3のシャント弁(S3)をさらに制御する、請求項3に記載の装置。
- 前記コンプレッサ(C)を駆動するモーター(M)は、速度制御され、それによって、前記モーター(M)を制御することにより前記装置を異なる操作条件に適応させるために前記制御装置(CONTR)は、前記コンプレッサ(C)へのエネルギーの供給を制御する、請求項4に記載の装置。
- 前記蒸発器EVAPに進入することが可能な気/液相の前記作動流体の量の制御が、前記制御ユニット(CONTR)により、前記凝縮器(C)と前記蒸発器(EVAP)との間に位置する制御可能な膨張弁(Exp)を介して行われる、請求項5に記載の装置。
- 前記エネルギー変換器(TG)は、前記作動流体の前記第2のサブフローが通り抜けるタービン(T)と、前記タービン(T)で駆動される発電器(G)とを備え、前記タービン(T)及び前記発電器(G)の双方は、共通の気密ケーシングに好ましく一体化され収容される、請求項3に記載の装置。
- 前記作動流体の前記第2のサブフローが通り抜ける前記エネルギー変換器(TG)は、気密ケーシング内に収容され、前記蒸発器(EVAP)は、前記エネルギー変換器(TG)のための気密な前記ケーシングを包囲するのに適しており、それにより、前記蒸発器(EVAP)は、前記気密なケーシングから漏れ出る余剰熱を利用するのに適している、請求項3〜7のいずれかに記載の装置。
- 前記タービン(T)は、少なくとも1つのタービンロータを有する少なくとも1つのタービン段を有し、前記少なくとも1つのタービンロータは、熱ガスの形態の前記第2のサブフローによって回転され、さらに、前記発電器(G)の前記ローターは、前記タービン(T)の前記少なくとも1つのタービンロータと同じシャフトに取り付けられ、前記発電器の固定子は、前記気密なケーシングと、好ましく一体化される、請求項7に記載の装置。
- 前記エネルギー変換器(TG)で発生する電圧は、電圧調節器(REG)に送られ、前記電圧調節器は、前記制御ユニット(CONTR)によって制御されて、前記装置の現時点の操作条件に関して、前記電圧調節器(REG)から供給される電圧を調節する、請求項3〜9のいずれかに記載の装置。
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