JP2530859B2 - 都市ガス等の脱水方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、都市ガス等の含水ガスを、ヒートポンプサ
イクルの熱エネルギーを効果的に利用して０℃以上露点
の水分とともに低露点水分をも除去するようにした低露
点型脱水方法に関する。

「従来の技術とその問題点」 従来より都市ガス等のガス中の低露点水分を除去する
為に、常温状態にある都市ガス等を一次冷凍機で０℃以
上の温度域に予め冷却して０℃以上露点の水分を除湿し
た後、更に二次冷凍機を使用して、０℃以下の温度域、
具体的には−30℃〜−20℃の低露点まで冷却して低露点
水分を凍結させる事により前記都市ガス等の脱水を行う
低露点型脱水装置は公知である。

「発明が解決しようとする問題点」 かかる装置においては前記予冷却（除湿）と本冷却
（凍結脱水）夫々の冷却を、一次及び二次の各冷凍サイ
クルにおける蒸発熱（吸熱）を利用して個別的に行って
いる為に複数の冷凍サイクルを必要とし、その装置構成
が複雑化するのみならず、而も前記各冷凍サイクルにお
いてはその蒸発熱のみを利用する構成の為に、いずれの
冷凍サイクルにおいても該サイクル中の凝縮熱が無駄に
放熱される事となり、省エネルギーの面から極めて問題
を有す。

更に前記装置内に都市ガス等が導入される際のガス入
口温度は季節によって変動するものである為に、ガス入
口温度が高い夏期においては前記予冷却により除湿効果
が得られるが、ガス入口温度が低い冬期においては、該
ガス入口温度から予冷却温度域までの温度差が小さい為
に、前記予冷却による除湿効果が余り得られず、前記一
次各冷凍サイクルのコストパーフォーマンスが極めて低
くなってしまうという問題を有す。

本発明はかかる従来技術の欠点を解消する為に、単一
のヒートポンプサイクルと脱水後の都市ガス等の熱エネ
ルギーを有効に利用して、前記二段階冷却による低露点
脱水を効果的に行うようにした脱水方法を提供する事を
目的とする。

「問題点を解決する為の手段」 本発明は、かかる技術的課題を達成する為に、都市ガ
ス等の含水ガスを、第１の冷却手段５を介して０℃以上
の温度域まで冷却して０℃以上露点の水分を除湿した
後、第２の冷却手段2,14を介して０℃以下の温度域まで
冷却して前記除湿後の低露点水分の水分の脱水を行う前
記低露点型脱水方法において、 前記第２の冷却手段２を、０℃以下の蒸発温度で吸
熱される熱負荷を熱源とするヒートポンプサイクルの蒸
発工程14を含んで形成した点、 特に前記第２の冷却手段２を、前記含水ガスを蒸発工
程14中の冷却コイル周面に通過させながら該ガス中に含
まれる水分を、前記冷却コイルに付着させて凍結させる
とともに、該凍結水分を、前記ガス流を移動媒体として
冷却コイル周囲を上下波動する固体粒子を利用して掻き
取りを行うように構成した点、 前記第２の冷却手段により冷却された脱水ガスを、
ヒートポンプサイクルにおける凝縮工程25との熱交換さ
せる点、 を必須構成要件とする都市ガス等の脱水方法を提案す
る。

「作用」 本技術手段によれば、ヒートポンプサイクルの蒸発工
程14を利用して前記第２の冷却手段２を形成するととも
に、該第２の冷却手段２により冷却された−30℃〜−20
℃の脱水ガスを、今度は逆に前記ヒートポンプサイクル
における凝縮工程25の冷却エネルギーとして利用する為
に凝縮工程25時における特別な熱源が不要となり、省エ
ネルギー化が達成される。

又第１の冷却手段５を、二段圧縮ヒートポンプ１にお
ける中間冷却工程を利用して形成する事により第１の冷
却手段５を構成する独立した冷凍サイクルが不要とな
り、装置構成の簡単化と省エネルギー化が達成される。

この場合高段側圧縮工程に導入される熱負荷ガスは、
前記中間冷却工程５における熱交換によりガス圧が高く
なる為にその分高段側の圧縮比が低くてすみ、結果とし
て凝縮器に導入される熱負荷の温度を低く維持する事が
出来る為に、その分凝縮圧力が低くなり、効率的な凝縮
が可能となる。

更に前記ヒートポンプサイクルにより凝縮された熱負
荷液を、蒸発工程14から高段圧縮工程に至る熱負荷ガス
の一部と熱交換させながら０℃以下に冷却した後、繰り
返し蒸発工程14内に導くようにする事により、蒸発潜熱
とともに顕熱利用が可能となる。

更に又前記第２の冷却手段２を、前記含水ガスを蒸発
工程14中の冷却コイル周面に通過させながら該ガス中に
含まれる水分を、前記冷却コイルに付着させて凍結させ
るとともに、該凍結水分を、前記ガス流を移動媒体とし
て冷却コイル周囲を上下波動する固体粒子を利用して掻
き取りを行うように構成する事により霜取り装置が不要
になる。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的
に詳しく説明する。ただしこの実施例に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に
特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

第１図は本発明の実施例に係る都市ガスの脱水システ
ムを示す概略図で、先ず都市ガスの流れに沿って各部要
素を説明するに、入口10より導入された都市ガスは、予
冷及予熱交換器４により10〜20℃前後の所定温度に調整
した後、中間冷却器５において５〜15℃に一次冷却さ
れ、分離器６により０℃以上露点の水分を分離除去した
後通路Ｄより第２冷却手段２に導入する。そして第２冷
却手段２では、内部に組込まれた蒸発器14の蒸発熱を利
用して−30℃〜−20℃の露点でガスの中の低露点水分の
結氷を交互におこないながら脱水させる。

そして前記第２冷却手段２を公知のように冷却コイル
を用いて形成した場合は、コイルに低露点水分が多量に
結氷し、頻繁にデフロフトを行う必要があるが本実施例
においては後記するように第２冷却手段２を流動層型の
熱交換器で構成する事により前記欠点が解消される。

そして前記第２冷却手段２により−15℃〜−20℃に冷
却された脱水ガスは通路Ｅを介して凝縮器25に導入さ
れ、該凝縮器25内で凝縮熱を吸熱し０℃前後まで加温さ
れた後、予冷及予熱交換器４に導入されて入口10側含水
ガスと熱交換させ、その予冷又は予熱を行った後外部に
導出する。

即ち前記入口10より導入された都市ガスは、予熱交換
器４により予冷又は予熱を行うようにする事により常に
所定温度の含水ガスが第１の冷却手段５に導入される為
に、季節毎の温度変動による除湿効果のバラツキを防止
する事が出来、第１の冷却手段５における効果的な除湿
が可能となる。

次にヒートポンプサイクルの循環経路について説明す
るに、１は一例としてのコンパウンドタイプの二段圧縮
ヒートポンプで、管路Ａを介して前記蒸発器14に導入さ
れ、第２の冷却手段２内での都市ガスとの熱交換により
蒸発された熱負荷ガスを吸入管路Ｂ及び熱交換器８を介
して低段圧縮側に導入し、該低段圧縮側工程で前記熱負
荷の凝縮潜熱を汲み上げそのまま大気に放熱せず低段吐
出管17を介して中間冷却器５に導入して都市ガスの予冷
（一次冷却）を行う。

そして中間冷却器５により冷却された圧縮負荷は過冷
却器19及び管20を経て高段圧縮側に導入され、該高段側
圧縮側において吸熱された高段熱負荷は、凝縮器25で前
記脱水ガスと熱交換させ熱負荷の凝縮を行うとともに、
余分となる場合は外気熱交換器９により大気に放熱すれ
ばよい。

一方凝縮器25により凝縮され、30〜40℃に加熱された
熱負荷は、過冷却器19と熱交換器８により０〜10℃まで
奪熱冷却されて蒸発器14側に導入され、以下これを繰り
返す。

かかる実施例によれば二段圧縮により圧縮効率が向上
し動力が低減するとともに高段圧縮圧力は冷却ガス熱と
熱交換されるので空冷放熱に比較して凝縮圧が低くな
り、一層省エネルギー化が達成される。

第２図は、前記第２冷却手段２として好適な流動層型
の熱交換器を示し、低段蒸発器として機能する裸管31が
ガラス球群よりなる固体粒子群32中に埋設されるととも
に、該裸管31直下に、該裸管31延設方向に沿ってスリッ
ト孔33が穿設されたスリット間隔板13とその下側に粒子
受け網40が夫々配設されており、該スリット孔33は、裸
管31延設方向に沿って下方開口33aより上方開口33bに向
けて徐々に気体通過面積が縮小するよう構成され、該ス
リット孔33をガス流が通過することにより高速化された
高速気流（ジェット気流）が裸管31周面に沿って噴出さ
れる事となる。

そして前記熱交換器の下方には、分離器通過後の除湿
された含水ガスを導入する為の送風機35が取付けられて
おり、又出口側管路はチャンバ34内に下方に向け導入さ
れており、その開口側に該チャンバ34内に導入された高
段圧縮側吐出管路21と熱接触可能に構成されている。

かかる装置によれば、第１図に示す分離器６により０
°以上露点の水分を分離除去した都市ガスは通路Ｄを介
して送風機35により熱交換器内に導入された除湿ガス
は、気流通路面積が縮小されたスリット孔33を通過しな
がらを高速気流となって上方開口33bより管路Ａと連通
し蒸発器14として機能する蒸発裸管31周面を通過しなが
ら、固体粒子群32が上下に波状運動し、そのサーキュレ
ートにより裸管31と固体粒子が流動接触して熱伝導を行
い、低露点水分の氷結を行い、そして該氷結により裸管
31に霜が封着すると、固体粒子群32の裸管31への衝突に
より、該付着した霜を掻き取る。

そして該霜は微粒氷結体となって流動層上部に集り、
固体粒子32と微粒氷結体の比重差により微粒氷結体が分
級され、ガス流と共に微粒氷結体が粉雪状に混相流とな
って、チャンバ34内に運ばれ、ガスのみが上方より導出
され、該冷却された脱水ガスは通路Ｅを介して凝縮器25
に導入される。

一方前記脱水ガスと分離した微粒氷結体は通路Ｂを介
して熱交換器８として機能する管路39との熱接触により
融解し、下方のドレーン36より除去される。そして管路
39中で微粒氷結体と熱交換された熱負荷ガスは前述した
ように低段圧縮側に導入され、前記ヒートポンプサイク
ルが実行される。

かかる装置によれば混相流中の霜を目的物に付着させ
ながら凍結と奪熱を図る為に、実質的に奪熱を行うガス
流の保有熱エネルギー容量の増大が図られ、凍結速度の
短縮化と凍結時間の短縮化が可能となる。特に本装置に
おいては裸管31の直下に高速ガス流（ジェット気流）発
生手段を配し、高速化されたガス流が、裸管31周面を通
過しながら固体粒子群32を波動させる様に構成した為、
該固体粒子32が隣接する裸管31周面間でサーキュレート
（コアンダ効果）し、蒸発裸管31に付着した霜を常時掻
き取る事が出来る為、霜取装置を付設することなく、且
つ冷却を途中で中断することなくデフロストを行う事が
出来、脱水効果が大幅に向上する。

「発明の効果」 以上記載の如く本発明によれば、単一のヒートポンプ
サイクルの蒸発熱を利用して予冷された都市ガス低露点
脱水を行うとともに、脱水後の都市ガス等の熱エネルギ
ーを今度は逆に利用して前記ヒートポンプサイクルの凝
縮を行うよう構成した為に、熱エネルギーの極めて効率
的な利用が図れるとともに、本発明においては前記第２
冷却手段２として流動層型の熱交換器を用いることによ
りデフロストその他の熱損失をなくし、一層効率的な熱
エネルギーの有効利用が図れる、等の種々の著効を有
す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る都市ガスの脱水システム
を示す概略図、第２図は、前記脱水装置を構成する流動
層型の熱交換器を示す概略図である。 1:二段圧縮ヒートポンプ、2:低段側低露点脱水装置、4:
予熱予冷交換器、5:中間冷却器、6:分離器、7:ガス加熱
器、9:ガス熱交換器、14:低段蒸発器、19:過冷却器、2
5:高段凝縮器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】都市ガス等の含水ガスを、第１の冷却手段
   を介して０℃以上の温度域まで冷却して除湿した後、第
   ２の冷却手段を介して０℃以下の温度域まで冷却して前
   記除湿後の低露点水分の凍結脱水を行う都市ガス等の脱
   水方法において、 前記第２の冷却手段を、０℃以下の蒸発温度で吸熱され
   る熱負荷を熱源とするヒートポンプサイクルの蒸発工程
   を含み、前記含水ガスを蒸発工程中の冷却コイル周面に
   通過させながら該ガス中に含まれる水分を、前記冷却コ
   イルに付着させて凍結させ、該凍結水分を、前記ガス流
   を移動媒体として冷却コイル周囲を上下波動する固体粒
   子を利用して掻き取りを行うように構成するとともに、 該第２の冷却手段により冷却された脱水ガスを、少なく
   ともヒートポンプサイクルにおける凝縮工程との熱交換
   を行った後、外部に導出するようにした都市ガス等の脱
   水方法
2. 【請求項２】前記ヒートポンプサイクルを二段圧縮機を
   用いて形成し、該二段圧縮機における中間冷却工程を利
   用して前記第１の冷却手段を形成した特許請求の範囲第
   １項記載の都市ガス等の脱水方法
3. 【請求項３】前記第１項記載の凝縮工程により冷却凝縮
   された熱負荷を、蒸発工程から高段圧縮工程に至る熱負
   荷と熱交換させながら０℃以下に冷却し、蒸発工程内に
   導くようにした事を特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の都市ガス等の脱水方法