JP3558137B2 - 熱交換器及び冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱交換器及びそれを用いた冷却システムに係り、特に、地域暖冷房・給湯等を行なう大型冷却装置に好適な熱交換器及び冷却システムに関するものである。
【０００２】
なお、本明細書における熱回収装置とは、単に廃水などの人工的廃熱の回収装置だけではなく、井戸水、海水等外部の外気より高温のエネルギー源からの熱を回収する熱回収装置をも含むものとする。また、ヒートポンプとは加熱用だけでなく、冷却用の冷凍機も含む広義のヒートポンプである。
【０００３】
【従来の技術】
通常の地域暖冷房・給湯システムは、温流体としてはボイラ等安価な化石燃料を燃焼させて、温水や蒸気を用いる方法が主流である。この方式の場合は、温熱の利用方法に多少無駄があっても、ボイラや燃料コストが安いので経済的である。また、冷流体側も吸収冷凍機による方法や、ボイラにより蒸気タービンを駆動しこのタービンによりターボ冷凍機を運転する方法が多い。
【０００４】
しかしながら、最近、大気中に放出される二酸化炭素等による温室効果により、地球の温暖化が問題となっている。このため、化石燃料を大量に使用する地域暖冷房・給湯においても、将来大幅に一次エネルギーを削減することが要望されると思われる。この要望に応えるものとして、蓄熱式電動ヒートポンプを用いた氷水輸送式地域暖冷房・給湯システムが推奨されている。即ち、蓄熱式とすることにより、夜間に運転し、発電所を建設するための一次エネルギーを大幅に削減し、更に、氷水輸送方式とすることにより、輸送熱量当たりの配管建設用一次エネルギーを減らす氷蓄熱・氷水輸送システムが推奨されている。
【０００５】
しかしながら、これまでに数多くの蓄熱式ヒートポンプを用いた氷輸送式地域冷暖房システムが提案されているにもかかわらず、従来システムに種々の欠点があり、本格的実用化には至っていない。
そのうちの一つに、熱利用側熱交換器の性能が悪い欠点がある。
以下に上述の欠点について概要を説明すると、氷水と負荷水との熱交換器の本質的な欠点である。即ち、研究結果によれば、氷水は０℃の水と氷粒との混合体であるが、熱交換器伝熱面を介して、先ず０℃の水が負荷水により加熱され、その後、加熱された氷水側の水が、氷粒を溶かすことになるが、この溶かすのに時間がかかり、その結果、熱交換器の性能が悪くなるものと思われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題点を解決することにより、氷水輸送が可能なＤＨＣシステムに好適な熱交換器と冷却システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、冷流体が氷粒を有する氷水であり、該氷水が伝熱部材を有する流路で、該伝熱部材を介して温流体と熱交換した後、該氷水が伝熱部材を有しない氷粒・冷水混合部に流入し、その後再び伝熱部材を有する流路で該伝熱部材を介して温流体と熱交換するように構成し、且つ、最終出口部又は出口配管内冷流体の温度が０℃を超える温度になるように制御するための制御装置を有する熱交換器としたものである。
【０００８】
また、本発明では、冷流体が氷粒を有する氷水であり、該氷水を、伝熱部材を有しない氷粒・冷水混合部に流入させた後、該氷粒・冷水のうち、主として冷水である冷流体を、伝熱部材を有する流路に送り温流体と該伝熱部材を介して熱交換させ、該熱交換させた冷流体の一部を、伝熱部材を有しない前記氷粒・冷水混合部に循環流入させ、残りの冷流体を更に伝熱部材を有する流路で該伝熱部材を介して温流体と熱交換するように構成した熱交換器としたのである。
上記の各熱交換器は、蓄熱装置から輸送される氷水を冷流体として用いる冷却システムにおいて、前記冷流体と冷房に供される温流体との熱交換用に使用することができる。
【０００９】
本発明の冷却システムでは、氷水を、伝熱部材を有しない氷粒・冷水混合型直接接触
熱交換器に送り、該熱交換器内で負荷側熱交換器から送られる高温冷水と混合させて冷水とし、該冷水を、直接接触熱交換器の下部から取り出し負荷側熱交換器に送って高温冷水とし、該高温冷水の一部を前記直接接触熱交換器に送り、残部を氷水製造側に戻すように構成した直接熱交換器を接続することができる。 前記直接熱交換器を有する冷却システムにおいて、負荷側熱交換器が、ファンコイルユニット又はエアハンドリングユニットであり、氷水製造側に戻す温度が制御されるように構成することができる。
【００１０】
【作用】
熱交換装置を上記の如く構成することにより、後に詳述するように、氷水輸送地域冷暖房システムが普及するための上述の問題点を解決したシステムとなる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１
図１は利用側熱交換器の構成を示す図、図２は熱交換器の他の例を示す断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
まず、地域冷暖房・給湯システムの負荷側を図１を用いて説明する。
図１において、１、２、３は、ＤＨＣの熱需要家であるビルである。４は冷熱往主管、５は冷熱復主管である。６、７は、それぞれ温熱の往主管と復主管である。８は、熱供給センターのあるビルで、このビルにも冷暖房負荷があるが、この冷熱負荷には氷水は供給されてなく、通常の冷水が供給されている。ビル１では、本発明の氷水／負荷水熱交換器システム９が設置されている。この熱交換器システム９には、冷熱枝管１０を経由して氷水が供給される。１１は入口ヘッダーで、ここから、伝熱管１２に氷水が流入し、伝熱管外部の冷水により加熱され、例えば５℃の水と氷粒との混合体となる。
【００１２】
そして、この混合体は「氷粒・冷水混合部」１３に流入し、この内部の蛇行通路１４を通りながら、加熱された水により氷粒が溶け、例えば０℃の水となって、再び熱交換器の伝熱管１５に流入する。そして、この伝熱管外部１６の冷水、例えば負荷からの還水の１７℃の冷水により加熱され、ヘッダー１７から熱交換器外部に流出する。なお、熱交換器出口の戻り管１８には容量制御弁１９があり、必要な熱量だけ、氷水が、この熱交換器に流入するように、例えば、ヘッダー１７部の温度が１４℃となるように制御される。
【００１３】
図２、図３は図１の熱交換器システムの別の態様である。図２は平面断面図、図３はそのＡ−Ａ線断面図である。
この場合は、伝熱管外に氷水が流れるようになっている。氷水は、ノズル２０から流入し、伝熱管１２内の冷水により加熱され、その後、バッフル２１間を蛇行するように流れ、ノズル２２より外部に流出する。この構造の場合は、１３の部分が伝熱部材のない「氷粒・冷水混合部」となっている。
【００１４】
また、図１のビル２には、本発明の他の氷水熱交換器システムが設置されている。この場合は、氷粒が熱交換器伝熱面側に流入しないようになっている。この場合、氷水は最初に伝熱部材を有しないタンク状の「氷粒・冷水混合部」１３に流入する。そして、この１３の下部の氷粒のない部分の０℃の水が、ポンプ２３により低温側熱交換器伝熱管２４に送られて加熱され、例えば５℃となってバイパス管２５を通り、再び氷粒・冷水混合部１３に戻り、氷粒を溶かすようになっている。更に、この熟交換器システムに流入した同一質量流量の水が、管２６を通り高温側熱交換器伝熱管２７に送られ、更に加熱され、管１８より冷熱復主管５に送られる。
【００１５】
なお、ビル３は、本発明の一つである冷却システムを示し、熱供給センターから供給される氷水が、直接接触熱交換器システム９”により溶かされ、この水が、ビル３内の負荷となるエアハンドリングユニットやファンコイルユニットに直接送られる場合である。この場合は、伝熱部材の熱通過によるエクセルギーロスがない利点がある。
【００１６】
この熱交換器の特徴は、水流入部２９より上部に、負荷からの戻り口３０と温度の高い小量の冷水の出口部３１が配備され、且つ、温度の低い冷水が負荷側に流出する冷水供給口３２が、下部に配備されており、且つ、この直接接触式熱交換器システムからの冷熱流体側温度が、負荷量関連物理量により制御されていることである。
この熱交換器では、氷の浮力が熱交換性能を上げるように働くので、通常の直接接触熱交換器より性能が向上する。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、それぞれ下記のように優れた効果が得られる。
（１）伝熱面積が小さく、且つエクセルギー損失の少ない利用側熱交換器を実現できる。
（２）氷粒が、熱交換器伝熱部において閉塞することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】地域冷暖房システムの利用側熱交換器の構成を示す概略断面図。
【図２】熱交換器の他の例を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
１、２、３：熱需要家ビル、４：冷熱往主管、５：冷熱復主管、６：温熱往主管、７：温熱復主管、８：熱供給センター、９、９′、９″：熱交換システム、１０：冷熱枝管、１１：入口ヘッダー、１２、１５、２４、２７：伝熱管、１３：水粒・冷水混合部、１４：蛇行通路、１６：伝熱管外部、１７：出口ヘッダー、１８：戻り管、１９：容量制御弁、２０：氷水ノズル、２１：バッフル、２２：出口冷水ノズル、２３：ポンプ、２５：バイパス管、２８：直接接触熱交換器、２９：氷水流入部、３０：戻り口、３１：出口部、３２：冷水供給口、５１：カロリメータ、５２：流量計、５３：温度計、５４：供給冷熱量測定器、５５：圧力計、５６：ポンプ、５７：回転数制御器

Claims (3)

1. 冷流体が氷粒を有する氷水であり、該氷水が伝熱部材を有する流路で、該伝熱部材を介して温流体と熱交換した後、該氷水が伝熱部材を有しない氷粒・冷水混合部に流入し、その後再び伝熱部材を有する流路で該伝熱部材を介して温流体と熱交換するように構成し、且つ、最終出口部又は出口配管内冷流体の温度が０℃を超える温度になるように制御するための制御装置を有することを特徴とする熱交換器。
2. 冷流体が氷粒を有する氷水であり、該氷水を伝熱部材を有しない氷粒・冷水混合部に流入させた後、該氷粒・冷水のうち、主として冷水である冷流体を、伝熱部材を有する流路に送り温流体と該伝熱部材を介して熱交換させ、該熱交換させた冷流体の一部を、伝熱部材を有しない前記氷粒・冷水混合部に循環流入させ、残りの冷流体を更に伝熱部材を有する流路で該伝熱部材を介して温流体と熱交換するように構成したことを特徴とする熱交換器。
3. 蓄熱装置から輸送される氷水を冷流体として用いる冷却システムにおいて、前記冷流体と冷房に供される温流体との熱交換に請求項１又は２記載の熱交換器を用いたことを特徴とする冷却システム。

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