JP3972734B2 - 水和物スラリ製造装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調設備や産業用の冷熱利用設備の冷熱輸送媒体として利用される水和物スラリを効率よく製造する装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲスト化合物（テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）を含む水溶液を冷却すると、ホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内にゲスト化合物が包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）が生成する。この水和物は、大気圧下において０℃以上の温度で生成でき、しかも潜熱が大きく冷水に比較して数倍の熱量の冷熱を貯蔵することができる。また、この水和物は微細な結晶粒子であり水溶液中に浮遊するため、比較的流動性の高い水和物スラリの形態で存在する。このため、このような水和物スラリは、空調設備や産業用冷熱利用設備などで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有している。
【０００３】
従来、上述した水和物スラリは、１台の熱交換器でゲスト化合物を含む水溶液を、冷水などの冷熱媒体と熱交換させて冷却することにより製造していた。この際、ゲスト化合物を含む水溶液を冷却すると過冷却が起こり、水和物生成温度より低い温度で水溶液として存在していることがある。そして、熱交換器内で水溶液が過冷却された後に、熱交換器内部の伝熱面において水溶液の過冷却が解除されると、生成した水和物が熱交換器内部の伝熱面に付着しやすくなるため、熱交換器の伝熱性能を低下させる。さらに、熱交換器内で水溶液に大きな過冷却が生じた後に過冷却が解除されると、急激に水和物が生成して水和物スラリの粘性が増加し、流動抵抗および圧力損失が大きくなってポンプ動力が増加するうえ、最悪の場合には熱交換器が閉塞することもある。以上のように、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されると、システムの運転を不安定にする要因となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、水溶液の過冷却が熱交換器内部の伝熱面で解除されるのを防止して、効率的に水和物スラリを製造できる装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって熱交換器を介して冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記熱交換器が、過冷却解除手段を介して、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器とその下流側に配置される第２の熱交換器とに分離されてなり、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却することを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る他の水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器と、その下流側に配置される第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置される過冷却解除手段とを備え、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却するとともに、前記過冷却解除手段により過冷却を解除された水溶液から水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る水和物スラリ製造装置では、前記第２の熱交換器は、一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることが好ましい。また、前記第２の熱交換器は、一定時間ごとに一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るさらに他の水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ水和物スラリを冷却する第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に設けられ水溶液の過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させる過冷却解除手段とを具備し、前記過冷却解除手段が、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に対して水和物スラリを注入する手段であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るさらに他の水和物スラリ製造装置では、過冷却解除手段により過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、前記第２の熱交換器で製造された水和物スラリであってもよい。過冷却解除手段により過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、水和物スラリの蓄熱槽に収容された水和物スラリであってもよい。また、前記第１の熱交換器による水溶液の過冷却度が０．７℃以上であることが好ましい。また、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１ｖｏｌ％以上であることが好ましい。また、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１．８ｖｏｌ％以上であることが好ましい。さらに、水溶液のレイノルズ数が４５００以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る水和物スラリ製造装置の運転方法は、前記過冷却解除手段により、固相割合の小さい水和物スラリを生成させる工程を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る水和物スラリ製造装置の運転方法は、前記第２の熱交換器を流れる冷却媒体の流量を制御する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において用いられるゲスト化合物とは、その水溶液を大気圧下で冷却することにより、０℃以上の温度でホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内に包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）を生成する化合物をいう。ゲスト化合物としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−ブチルフォスフォニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩などが挙げられる。水溶液中にゲスト化合物の水和物が混合した水和物スラリは、空調設備や産業用冷熱利用設備などで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有しているが、上述したように水溶液の過冷却とその解除に伴って、熱交換器の伝熱性能の低下、ポンプ動力の増加、熱交換器の閉塞を招くことが問題となる。
【００１３】
本発明の水和物スラリ製造装置では、水和物スラリを製造するための熱交換器を、水溶液をその溶液状態を保持して過冷却する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ水和物スラリを冷却する第２の熱交換器とに分離しているので、熱交換器内での過冷却の解除を避けることが容易になり、過冷却の解除に伴う問題に対処しやすくなる。
【００１４】
熱交換器内で過冷却が解除され水和物が急激に生成されることを防止できるので、熱交換器の伝熱面に水和物が付着しないため伝熱性能が低下することがなく、熱交換器の伝熱面積を最小にすること、水和物スラリの流速を速くすることなどができ、水和物スラリの製造装置と運転方法を最適にすることができる。
【００１５】
熱交換器内で水溶液に大きな過冷却が生じた後に過冷却が解除されると、急激に水和物が生成して水和物スラリの粘性が増加し、流動抵抗および圧力損失が大きくなってポンプ動力が増加するうえ、最悪の場合には熱交換器が閉塞することもある。以上のように、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されると、システムの運転を不安定にする要因となっていた。本発明の水和物スラリ製造装置によれば、このような問題を防ぐことができる。
【００１６】
ここで、第１の熱交換器は、水溶液から顕熱に相当する熱を奪い、水溶液をその溶液状態を保持して過冷却するので、以下においては顕熱熱交換器ということがある。また、第２の熱交換器は、水溶液から水和物への転移のための潜熱に相当する熱を奪い（厳密には水和物スラリから顕熱に相当する熱も奪う）、水和物スラリを冷却するので、以下においては潜熱熱交換器ということがある。
【００１７】
本発明に係る水和物スラリ製造装置において、第１の熱交換器（顕熱熱交換器）と第２の熱交換器（潜熱熱交換器）との間に、水溶液の過冷却を解除する手段を設けた場合には、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されるおそれがほとんどなくなるので、過冷却の解除に伴う問題、特に熱交換器内の閉塞を防止できる。
【００１８】
過冷却解除手段として、過冷却の水溶液に対して水和物スラリを注入する手段を設けた場合には、第１の熱交換器（顕熱熱交換器）による水溶液の過冷却度を０．７℃以上とするか、第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量を水溶液の総量の１ｖｏｌ％以上、好ましくは１．８ｖｏｌ％以上とするか、水溶液のレイノルズ数を４５００以上とすれば、水溶液の過冷却を確実に解除することができる。
【００１９】
過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリは、第２の熱交換器（潜熱熱交換器）で製造された水和物スラリでも、水和物スラリの蓄熱槽に収容された水和物スラリでも、同様の効果が得られる。
【００２０】
また、過冷却解除手段として、小型冷凍機の冷却部、低温突起、超音波発振器の発振部、低周波振動子、スタティックミキサー、攪拌羽根、またはポンプなどを用いた場合にも、水溶液の過冷却を解除する効果が得られる。
【００２１】
複数台の第２の熱交換器（潜熱熱交換器）を切り換え可能に設置すれば、複数台の第２の熱交換器のうち、水和物スラリの製造に使用されている第２の熱交換器で水和物の付着が検出されたときに、他の第２の熱交換器に切り換えて水和物スラリの製造を継続し、水和物スラリの製造を停止した第２の熱交換器内の水和物スラリを融解させる運転を行うことができるので、水和物スラリを高効率に製造することができる。
【００２２】
水和物の付着または閉塞の前兆は以下のような方法で検出することができる。たとえば、流れ抵抗が所定値以上であること、または流量が所定値以下であること、または交換熱量が所定値以下であることを、配管内の圧力損失、流量、温度を計測して検出することができる。
【００２３】
また、複数台の第２の熱交換器（潜熱熱交換器）を一定時間ごとに順次切り換えて融解運転を実施するようにすれば、第２の熱交換器内での水和物の付着を検出するための機器を削減できるので、システムを簡素化できる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の一実施例に係る水和物スラリ製造装置を組み込んだ空調システムを示す。まず、この空調システムにおける主要な構成部材を概略的に説明する。冷却塔、ポンプ、熱交換器などを含む冷凍機１は、水溶液および水和物スラリを冷却するための冷熱媒体としての冷水を生成する。水和物スラリを製造するための熱交換器としては二段階の熱交換器が設けられている。顕熱熱交換器（第１の熱交換器）２は冷水との熱交換により水溶液を冷却する。顕熱熱交換器２の下流に設けられた２台の潜熱熱交換器（第２の熱交換器）３ａ、３ｂは冷水との熱交換により水和物スラリを冷却する。図１の実施例では冷凍機１で生成した冷水を顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂに並列に供給しているが、直列に供給してもよい。なお、潜熱熱交換器の台数は、空調負荷に応じて３台以上にしてもよい。蓄熱槽４からゲスト化合物の水溶液が顕熱熱交換器２へ送られて過冷却状態にまで冷却され、顕熱熱交換器２の下流において水溶液の過冷却を解除することにより生成した水和物スラリが一方の潜熱熱交換器３ａまたは３ｂでさらに冷却されて蓄熱槽４へ戻る。この装置では、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に、潜熱熱交換器３ａ、３ｂの下流の配管から注入配管５を接続し、過冷却状態の水溶液に水和物スラリの一部を注入することにより水溶液の過冷却を解除する。蓄熱槽４から水和物スラリが空調負荷６へ送られ、空調負荷６で冷熱を消費した水溶液が蓄熱槽４へ戻る。温水タンク７からは、水和物スラリの融解運転が必要になった潜熱熱交換器３ａまたは３ｂに対して温水が送られる。
【００２５】
なお、図１では、冷却媒体として冷凍機１で生成した冷水を用いて水溶液および水和物スラリを冷却しているが、冷却媒体としてたとえば氷蓄熱槽などから取り出した冷水などを用いてもよい。また、図１では、蓄熱槽４を設けているが、蓄熱槽は必ずしも設ける必要はなく、潜熱熱交換器で製造した水和物スラリを直接に空調負荷へ送るようにしてもよい。
【００２６】
以下、図１に示す空調システムの動作をより詳細に説明する。
システムの起動時には水和物スラリがなく、蓄熱槽４内にゲスト化合物（たとえばテトラｎ−ブチルアンモニウムブロマイド（ＴＢＡＢ））を含む水溶液のみが収容されている。水溶液中のゲスト化合物の濃度は空調システムの空調負荷に応じて設定する。この濃度を変えることによって、空調システムの空調負荷に適するように水和物スラリの熱密度や冷水温度を変えることができる。この実施例では約２０ｗｔ％濃度とする。空調運転を開始する前に水和物スラリを用意する。まず、蓄熱槽４内の水溶液を製造ポンプ１２により顕熱熱交換器２および一方の潜熱熱交換器３ａを通して蓄熱槽４へ循環させる。他方の潜熱熱交換器３ｂは使用しない。次に、冷凍機１を動作させて、冷凍機１の熱交換器で生成した４〜６℃の冷水を冷水ポンプ１１により顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａを通して冷凍機１の熱交換器へ循環させる。このとき、顕熱熱交換器２による水溶液の冷却は過冷却が自然に解除する程度として、少量の水和物スラリを生成させる。さらに、潜熱熱交換器３ａにより水和物スラリを冷却しながら、空調運転が可能になる量の水和物スラリを生成させる。このように、水和物スラリ製造装置内に最初に水溶液を流した後に、冷却媒体としての冷水を流すことにより、潜熱熱交換器の閉塞を防止できる。
【００２７】
次いで、顕熱熱交換器２で水溶液を過冷却する。このとき、水溶液の過冷却度は０．７℃以上とする（水溶液の温度は冷却媒体である冷水の温度以下になることはない）。そして、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａとの間の配管を流れる過冷却状態の水溶液に対し、注入ポンプ１３を動作させ、注入配管５を通して潜熱熱交換器３ａの下流配管からの水和物スラリを注入する。注入された水和物スラリ中の水和物は、水溶液中での水和物生成の核となる。こうして、顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して固相割合の小さい水和物スラリを生成させる。その後、潜熱熱交換器３ａでさらに水和物スラリを冷却する。潜熱熱交換器３ａには水和物スラリが送られるので過冷却がすでに解除されている。このとき、潜熱熱交換器３ａに流す冷水の流量を制御することにより、空調負荷６に応じた所望の熱密度を持つ水和物スラリを製造する。このようにして、高効率な水和物スラリの製造運転に移行することができ、かつ空調運転を開始することができる。
【００２８】
空調運転時には、空調負荷６から蓄熱槽４へ戻った１０〜１２℃の水溶液は製造ポンプ１２により顕熱熱交換器２へ送られて５〜７℃に過冷却され、注入配管５からの水和物スラリの注入により過冷却が解除されて約７．４℃の水和物スラリとなり、水和物スラリは潜熱熱交換器３ａでさらに冷却されて蓄熱槽４へ戻り、蓄熱槽４からは負荷ポンプ１４により約６．５℃の水和物スラリが空調負荷６へ送られる。この際、空調負荷に応じて、熱交換器への搬送動力と負荷への搬送動力の合計動力が最も少なくなるように水和物スラリの熱密度を制御すると、省エネルギーを図ることができる。
【００２９】
空調運転中に、潜熱熱交換器３ａの伝熱面で水和物スラリの付着が起こり始めていると判断された場合には、閉塞を防止するために潜熱熱交換器３ａでの水和物スラリの製造を停止し、潜熱熱交換器３ｂに切り換えて水和物スラリの製造を継続する。そして、潜熱熱交換器３ａは融解運転に入る。潜熱熱交換器の伝熱面での水和物スラリの付着は、たとえば各々の潜熱熱交換器の上流側配管に取り付けた流量計（図示せず）で水和物スラリの流量を監視し、潜熱熱交換器へ流入する水和物スラリの流量の減少が検出されたことに基づいて判断することができる。同様に、潜熱熱交換器の伝熱面での水和物スラリの付着は、圧力損失の増大や潜熱熱交換器へ供給される冷水または水和物スラリの出入口温度差を計測することによる交換熱量の減少によっても判断することができる。
【００３０】
融解運転時の動作について説明する。一方の潜熱熱交換器３ａへの冷水の供給を停止し、他方の潜熱熱交換器３ｂへの冷水の供給を開始する。このように、潜熱熱交換器３ａから潜熱熱交換器３ｂへの切り換えにより、水和物スラリを継続して製造することができる。冷水の供給を停止した潜熱熱交換器３ａに対しては、温水タンク７から温水を供給し、熱交換器内部の伝熱面に付着した水和物を融解する。なお、図１では、温水タンク７においてヒータによって温めた融解用温水を使用しているが、潜熱熱交換器の下流側の水を融解運転に使用してもよい。
【００３１】
上記の説明では、潜熱熱交換器への水和物スラリの流量が減少した場合または圧力損失が増大した場合または熱交換量が減少した場合に融解運転を行うようにしている。これに対して、複数台の潜熱熱交換器を一定時間ごとに順次切り換えて、融解運転を行うようにすると、流量計や圧力計や温度計などの検出機器を削減でき、システムを簡素化できる。
【００３２】
以上で説明したように、水和物スラリ製造装置の熱交換器を、水溶液を溶液状態のままで過冷却する顕熱熱交換器と水和物スラリを冷却する潜熱熱交換器に分離し、かつ複数台の潜熱熱交換器を切り換え可能に設置すれば、潜熱熱交換器の閉塞を確実に防止することができ、水和物スラリを継続的に高効率で製造することができる。
【００３３】
次に、水和物スラリの製造運転時における、顕熱熱交換器２による水溶液の過冷却度と、水溶液の過冷却を解除するために水溶液に注入される水和物スラリの注入量について適切な条件を検討した結果を説明する。
【００３４】
図２は、水溶液中のゲスト化合物の種々の濃度について、横軸が水和物スラリの注入量（水溶液の総量に対する水和物スラリの体積割合）、縦軸が水溶液の過冷却度を示しており、過冷却が解除された条件を○、過冷却が解除されなかった条件を×で示している。過冷却の解除の有無は、水和物スラリの注入部の上流側と下流側に設置した温度計において、過冷却解除に伴う温度上昇が検出されたかどうかで判断した。
【００３５】
図２からわかるように、水溶液の過冷却度が０．７℃以上であるか、水和物スラリの投入量が水溶液流量の１ｖｏｌ％以上であれば、水溶液の過冷却がほぼ確実に解除される。また、水和物スラリの投入量が水溶液流量の１．８ｖｏｌ％以上であれば、水溶液の過冷却が確実に解除される。このように、水溶液の過冷却を解除するために注入すべき水和物スラリは少量で十分であり、残りの大部分の水和物スラリは空調負荷６での空調に使用される。
【００３６】
また、水溶液の過冷却が解除される条件を水溶液のレイノルズ（Ｒｅ）数について検討した結果を説明する。Ｒｅ数は、配管の口径（Ｄ）と、水溶液の流速（Ｕ）、密度（ρ）、粘性率（η）によって、Ｒｅ＝Ｄ・Ｕ・ρ／ηと決定される。図３は、横軸がＲｅ数、縦軸が水和物スラリの注入量であり、過冷却が解除された条件を○、過冷却が解除されなかった条件を×で示している。この実験は、水溶液の過冷却度が約０．８℃、水和物スラリの注入量が２ｖｏｌ％以上で実施した。
【００３７】
図３から、水溶液のレイノルズ数が４５００以上であるとき、水和物スラリが注入されて水溶液の過冷却が確実に解除され、効率的に安定した水和物スラリの生成が可能となることがわかる。
【００３８】
以下、本発明の他の実施例に係る水和物スラリ製造装置について説明する。 図１では、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に、潜熱熱交換器３ａ、３ｂの下流の配管から注入配管５を接続し、過冷却状態の水溶液に潜熱熱交換器で製造された水和物スラリの一部を注入している。その代わりに、図４に示すように、小型の水和物スラリ製造熱交換器２０を別途設置して、注入すべき水和物スラリをあらかじめ用意してもよい。なお、図４には、顕熱熱交換器２、潜熱熱交換器３ａ、３ｂ、蓄熱槽４、注入配管５に設けられた水和物スラリ製造熱交換器２０、およびこれらを接続する配管を含む水和物スラリ製造装置の部分のみを示している。水和物スラリ製造熱交換器２０としては、小型のプレート式熱交換器や密閉型タンクジャケット式熱交換器などを用いることができる。このように水和物スラリ製造熱交換器２０を設けておけば、システムの起動をより速やかにすることができる。また、必要に応じて水和物スラリ製造熱交換器２０にバッファタンクを追加し、起動時に必要な水和物スラリを予め用意しておいてもよい。さらに、図１のように蓄熱槽４を設けている空調システムでは、蓄熱槽４内の水和物スラリを用いてもよい。
【００３９】
以上で説明した水和物スラリ製造装置は、顕熱熱交換器２の下流において水溶液の過冷却を解除するために水和物スラリを注入するものであるが、その代わりに、図５に示すように顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に過冷却解除手段３０を設けてもよい。なお、図５には、顕熱熱交換器２、潜熱熱交換器３ａ、３ｂ、蓄熱槽４、これらを接続する配管、および過冷却解除手段３０を含む水和物スラリ製造装置の部分のみを示している。
【００４０】
図６〜図１０を参照して、過冷却解除手段３０の例を示す。
図６の過冷却解除手段は、小型冷凍機３１に接続された冷却部３２からなっており、冷却部３２は外部から配管２１中に挿入されている。図６に示すように、配管２１に設けられた冷却部３２は小型冷凍機３１により水和物生成温度以下に冷却されており、その表面に水和物が付着している。顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液が冷却部３２に接触すると、冷却部３２の表面に付着した水和物が生成核として作用し過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４１】
過冷却解除手段として、ペルチェ素子などからなる低温突起を配管２１に挿入してもよい。このような低温突起も、図６に示した小型冷凍機の冷却部と同様に、予め水和物生成温度以下に冷却されており、その表面に水和物が付着している。過冷却された水溶液が低温突起に接触すると、低温突起の表面に付着した水和物が生成核として作用し過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４２】
図７の過冷却解除手段は、超音波発振器３３に接続された発振部３４からなっており、発振部３４は外部から配管２１中に挿入されている。顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液が発振部３４に接触すると、振動によって過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。また、超音波の代わりに、数〜数百Ｈｚの低周波振動を用いてもよい。
【００４３】
図８の過冷却解除手段は、配管２１内に設けられた流体を反転・混合させるためのねじり板のような機構を有するスタティックミキサー３８からなっている。過冷却された水溶液はスタティックミキサー３８によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４４】
図９の過冷却解除手段は、配管２１の途中に挿入された容器内に収容された、モータ３９によって回転する攪拌羽根４０からなっている。過冷却された水溶液は攪拌羽根４０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４５】
図１０の過冷却解除手段は、配管２１の途中に設けられたポンプケーシング内をインペラが回転しているポンプ５０である。過冷却された水溶液はポンプ５０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４６】
なお、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管２１に対してバイパス配管を設け、このバイパス配管に図６〜図１０に示すような過冷却解除手段を設けてもよい。また、過冷却解除手段は１個所に限らず、複数個所に設けてもよい。さらに、複数の種類の異なる過冷却解除手段を併用してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、水溶液の過冷却が熱交換器内部の伝熱面で解除されるのを防止して、効率的に水和物スラリを製造できる装置を提供することができる。そして、熱交換器内で過冷却が解除され水和物が急激に生成されることを防止できるので、熱交換器の伝熱面に水和物が付着しないため伝熱性能が低下することがなく、熱交換器の伝熱面積を最小にすること、水和物スラリの流速を速くすることなどができ、水和物スラリの製造装置と運転方法を最適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における水和物スラリ製造装置を含む空調システムの構成図。
【図２】本発明の実施例における水和物スラリの注入量および水溶液の過冷却度の条件による過冷却の解除の有無を示す図。
【図３】本発明の実施例における水溶液のＲｅ数および水和物スラリの注入量の条件による過冷却の解除の有無を示す図。
【図４】本発明の他の実施例における水和物スラリを注入するための小型の水和物スラリ製造熱交換器を備えた水和物スラリ製造装置を示す構成図。
【図５】本発明の他の実施例における過冷却解除手段を備えた水和物スラリ製造装置を示す構成図。
【図６】本発明に係る過冷却解除手段の一例を示す構成図。
【図７】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図８】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図９】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図１０】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【符号の説明】
１…冷凍機
２…顕熱熱交換器（第１の熱交換器）
３ａ、３ｂ…潜熱熱交換器（第２の熱交換器）
４…蓄熱槽
５…注入配管
６…空調負荷
７…温水タンク
１１…冷水ポンプ
１２…製造ポンプ
１３…注入ポンプ
１４…負荷ポンプ
１５…温水ポンプ
２０…水和物スラリ製造熱交換器
２１…配管
３０…過冷却解除手段
３１…小型冷凍機
３２…冷却部
３３…超音波発振器
３４…発振部
３８…スタティックミキサー
３９…モータ
４０…攪拌羽根
５０…ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調設備や産業用の冷熱利用設備の冷熱輸送媒体として利用される水和物スラリを効率よく製造する装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲスト化合物（テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）を含む水溶液を冷却すると、ホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内にゲスト化合物が包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）が生成する。この水和物は、大気圧下において０℃以上の温度で生成でき、しかも潜熱が大きく冷水に比較して数倍の熱量の冷熱を貯蔵することができる。また、この水和物は微細な結晶粒子であり水溶液中に浮遊するため、比較的流動性の高い水和物スラリの形態で存在する。このため、このような水和物スラリは、空調設備や産業用冷熱利用設備などで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有している。
【０００３】
従来、上述した水和物スラリは、１台の熱交換器でゲスト化合物を含む水溶液を、冷水などの冷熱媒体と熱交換させて冷却することにより製造していた。この際、ゲスト化合物を含む水溶液を冷却すると過冷却が起こり、水和物生成温度より低い温度で水溶液として存在していることがある。そして、熱交換器内で水溶液が過冷却された後に、熱交換器内部の伝熱面において水溶液の過冷却が解除されると、生成した水和物が熱交換器内部の伝熱面に付着しやすくなるため、熱交換器の伝熱性能を低下させる。さらに、熱交換器内で水溶液に大きな過冷却が生じた後に過冷却が解除されると、急激に水和物が生成して水和物スラリの粘性が増加し、流動抵抗および圧力損失が大きくなってポンプ動力が増加するうえ、最悪の場合には熱交換器が閉塞することもある。以上のように、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されると、システムの運転を不安定にする要因となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、水溶液の過冷却が熱交換器内部の伝熱面で解除されるのを防止して、効率的に水和物スラリを製造できる装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって熱交換器を介して冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記熱交換器が、過冷却解除手段を介して、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器とその下流側に配置される第２の熱交換器とに分離されてなり、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却することを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る他の水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器と、その下流側に配置される第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置される過冷却解除手段とを備え、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却するとともに、前記過冷却解除手段により過冷却を解除された水溶液から水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る水和物スラリ製造装置では、前記第２の熱交換器は、一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることが好ましい。また、前記第２の熱交換器は、一定時間ごとに一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るさらに他の水和物スラリ製造装置は、水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ水和物スラリを冷却する第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に設けられ水溶液の過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させる過冷却解除手段とを具備し、前記過冷却解除手段が、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に対して水和物スラリを注入する手段であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るさらに他の水和物スラリ製造装置では、過冷却解除手段により過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、前記第２の熱交換器で製造された水和物スラリであってもよい。過冷却解除手段により過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、水和物スラリの蓄熱槽に収容された水和物スラリであってもよい。また、前記第１の熱交換器による水溶液の過冷却度が０．７℃以上であることが好ましい。また、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１ｖｏｌ％以上であることが好ましい。また、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１．８ｖｏｌ％以上であることが好ましい。さらに、水溶液のレイノルズ数が４５００以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る水和物スラリ製造装置の運転方法は、前記過冷却解除手段により、固相割合の小さい水和物スラリを生成させる工程を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る水和物スラリ製造装置の運転方法は、前記第２の熱交換器を流れる冷却媒体の流量を制御する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において用いられるゲスト化合物とは、その水溶液を大気圧下で冷却することにより、０℃以上の温度でホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内に包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）を生成する化合物をいう。ゲスト化合物としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−ブチルフォスフォニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩などが挙げられる。水溶液中にゲスト化合物の水和物が混合した水和物スラリは、空調設備や産業用冷熱利用設備などで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有しているが、上述したように水溶液の過冷却とその解除に伴って、熱交換器の伝熱性能の低下、ポンプ動力の増加、熱交換器の閉塞を招くことが問題となる。
【００１３】
本発明の水和物スラリ製造装置では、水和物スラリを製造するための熱交換器を、水溶液をその溶液状態を保持して過冷却する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ水和物スラリを冷却する第２の熱交換器とに分離しているので、熱交換器内での過冷却の解除を避けることが容易になり、過冷却の解除に伴う問題に対処しやすくなる。
【００１４】
熱交換器内で過冷却が解除され水和物が急激に生成されることを防止できるので、熱交換器の伝熱面に水和物が付着しないため伝熱性能が低下することがなく、熱交換器の伝熱面積を最小にすること、水和物スラリの流速を速くすることなどができ、水和物スラリの製造装置と運転方法を最適にすることができる。
【００１５】
熱交換器内で水溶液に大きな過冷却が生じた後に過冷却が解除されると、急激に水和物が生成して水和物スラリの粘性が増加し、流動抵抗および圧力損失が大きくなってポンプ動力が増加するうえ、最悪の場合には熱交換器が閉塞することもある。以上のように、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されると、システムの運転を不安定にする要因となっていた。本発明の水和物スラリ製造装置によれば、このような問題を防ぐことができる。
【００１６】
ここで、第１の熱交換器は、水溶液から顕熱に相当する熱を奪い、水溶液をその溶液状態を保持して過冷却するので、以下においては顕熱熱交換器ということがある。また、第２の熱交換器は、水溶液から水和物への転移のための潜熱に相当する熱を奪い（厳密には水和物スラリから顕熱に相当する熱も奪う）、水和物スラリを冷却するので、以下においては潜熱熱交換器ということがある。
【００１７】
本発明に係る水和物スラリ製造装置において、第１の熱交換器（顕熱熱交換器）と第２の熱交換器（潜熱熱交換器）との間に、水溶液の過冷却を解除する手段を設けた場合には、熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されるおそれがほとんどなくなるので、過冷却の解除に伴う問題、特に熱交換器内の閉塞を防止できる。
【００１８】
過冷却解除手段として、過冷却の水溶液に対して水和物スラリを注入する手段を設けた場合には、第１の熱交換器（顕熱熱交換器）による水溶液の過冷却度を０．７℃以上とするか、第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量を水溶液の総量の１ｖｏｌ％以上、好ましくは１．８ｖｏｌ％以上とするか、水溶液のレイノルズ数を４５００以上とすれば、水溶液の過冷却を確実に解除することができる。
【００１９】
過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリは、第２の熱交換器（潜熱熱交換器）で製造された水和物スラリでも、水和物スラリの蓄熱槽に収容された水和物スラリでも、同様の効果が得られる。
【００２０】
また、過冷却解除手段として、小型冷凍機の冷却部、低温突起、超音波発振器の発振部、低周波振動子、スタティックミキサー、攪拌羽根、またはポンプなどを用いた場合にも、水溶液の過冷却を解除する効果が得られる。
【００２１】
複数台の第２の熱交換器（潜熱熱交換器）を切り換え可能に設置すれば、複数台の第２の熱交換器のうち、水和物スラリの製造に使用されている第２の熱交換器で水和物の付着が検出されたときに、他の第２の熱交換器に切り換えて水和物スラリの製造を継続し、水和物スラリの製造を停止した第２の熱交換器内の水和物スラリを融解させる運転を行うことができるので、水和物スラリを高効率に製造することができる。
【００２２】
水和物の付着または閉塞の前兆は以下のような方法で検出することができる。たとえば、流れ抵抗が所定値以上であること、または流量が所定値以下であること、または交換熱量が所定値以下であることを、配管内の圧力損失、流量、温度を計測して検出することができる。
【００２３】
また、複数台の第２の熱交換器（潜熱熱交換器）を一定時間ごとに順次切り換えて融解運転を実施するようにすれば、第２の熱交換器内での水和物の付着を検出するための機器を削減できるので、システムを簡素化できる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の一実施例に係る水和物スラリ製造装置を組み込んだ空調システムを示す。まず、この空調システムにおける主要な構成部材を概略的に説明する。冷却塔、ポンプ、熱交換器などを含む冷凍機１は、水溶液および水和物スラリを冷却するための冷熱媒体としての冷水を生成する。水和物スラリを製造するための熱交換器としては二段階の熱交換器が設けられている。顕熱熱交換器（第１の熱交換器）２は冷水との熱交換により水溶液を冷却する。顕熱熱交換器２の下流に設けられた２台の潜熱熱交換器（第２の熱交換器）３ａ、３ｂは冷水との熱交換により水和物スラリを冷却する。図１の実施例では冷凍機１で生成した冷水を顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂに並列に供給しているが、直列に供給してもよい。なお、潜熱熱交換器の台数は、空調負荷に応じて３台以上にしてもよい。蓄熱槽４からゲスト化合物の水溶液が顕熱熱交換器２へ送られて過冷却状態にまで冷却され、顕熱熱交換器２の下流において水溶液の過冷却を解除することにより生成した水和物スラリが一方の潜熱熱交換器３ａまたは３ｂでさらに冷却されて蓄熱槽４へ戻る。この装置では、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に、潜熱熱交換器３ａ、３ｂの下流の配管から注入配管５を接続し、過冷却状態の水溶液に水和物スラリの一部を注入することにより水溶液の過冷却を解除する。蓄熱槽４から水和物スラリが空調負荷６へ送られ、空調負荷６で冷熱を消費した水溶液が蓄熱槽４へ戻る。温水タンク７からは、水和物スラリの融解運転が必要になった潜熱熱交換器３ａまたは３ｂに対して温水が送られる。
【００２５】
なお、図１では、冷却媒体として冷凍機１で生成した冷水を用いて水溶液および水和物スラリを冷却しているが、冷却媒体としてたとえば氷蓄熱槽などから取り出した冷水などを用いてもよい。また、図１では、蓄熱槽４を設けているが、蓄熱槽は必ずしも設ける必要はなく、潜熱熱交換器で製造した水和物スラリを直接に空調負荷へ送るようにしてもよい。
【００２６】
以下、図１に示す空調システムの動作をより詳細に説明する。
システムの起動時には水和物スラリがなく、蓄熱槽４内にゲスト化合物（たとえばテトラｎ−ブチルアンモニウムブロマイド（ＴＢＡＢ））を含む水溶液のみが収容されている。水溶液中のゲスト化合物の濃度は空調システムの空調負荷に応じて設定する。この濃度を変えることによって、空調システムの空調負荷に適するように水和物スラリの熱密度や冷水温度を変えることができる。この実施例では約２０ｗｔ％濃度とする。空調運転を開始する前に水和物スラリを用意する。まず、蓄熱槽４内の水溶液を製造ポンプ１２により顕熱熱交換器２および一方の潜熱熱交換器３ａを通して蓄熱槽４へ循環させる。他方の潜熱熱交換器３ｂは使用しない。次に、冷凍機１を動作させて、冷凍機１の熱交換器で生成した４〜６℃の冷水を冷水ポンプ１１により顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａを通して冷凍機１の熱交換器へ循環させる。このとき、顕熱熱交換器２による水溶液の冷却は過冷却が自然に解除する程度として、少量の水和物スラリを生成させる。さらに、潜熱熱交換器３ａにより水和物スラリを冷却しながら、空調運転が可能になる量の水和物スラリを生成させる。このように、水和物スラリ製造装置内に最初に水溶液を流した後に、冷却媒体としての冷水を流すことにより、潜熱熱交換器の閉塞を防止できる。
【００２７】
次いで、顕熱熱交換器２で水溶液を過冷却する。このとき、水溶液の過冷却度は０．７℃以上とする（水溶液の温度は冷却媒体である冷水の温度以下になることはない）。そして、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａとの間の配管を流れる過冷却状態の水溶液に対し、注入ポンプ１３を動作させ、注入配管５を通して潜熱熱交換器３ａの下流配管からの水和物スラリを注入する。注入された水和物スラリ中の水和物は、水溶液中での水和物生成の核となる。こうして、顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して固相割合の小さい水和物スラリを生成させる。その後、潜熱熱交換器３ａでさらに水和物スラリを冷却する。潜熱熱交換器３ａには水和物スラリが送られるので過冷却がすでに解除されている。このとき、潜熱熱交換器３ａに流す冷水の流量を制御することにより、空調負荷６に応じた所望の熱密度を持つ水和物スラリを製造する。このようにして、高効率な水和物スラリの製造運転に移行することができ、かつ空調運転を開始することができる。
【００２８】
空調運転時には、空調負荷６から蓄熱槽４へ戻った１０〜１２℃の水溶液は製造ポンプ１２により顕熱熱交換器２へ送られて５〜７℃に過冷却され、注入配管５からの水和物スラリの注入により過冷却が解除されて約７．４℃の水和物スラリとなり、水和物スラリは潜熱熱交換器３ａでさらに冷却されて蓄熱槽４へ戻り、蓄熱槽４からは負荷ポンプ１４により約６．５℃の水和物スラリが空調負荷６へ送られる。この際、空調負荷に応じて、熱交換器への搬送動力と負荷への搬送動力の合計動力が最も少なくなるように水和物スラリの熱密度を制御すると、省エネルギーを図ることができる。
【００２９】
空調運転中に、潜熱熱交換器３ａの伝熱面で水和物スラリの付着が起こり始めていると判断された場合には、閉塞を防止するために潜熱熱交換器３ａでの水和物スラリの製造を停止し、潜熱熱交換器３ｂに切り換えて水和物スラリの製造を継続する。そして、潜熱熱交換器３ａは融解運転に入る。潜熱熱交換器の伝熱面での水和物スラリの付着は、たとえば各々の潜熱熱交換器の上流側配管に取り付けた流量計（図示せず）で水和物スラリの流量を監視し、潜熱熱交換器へ流入する水和物スラリの流量の減少が検出されたことに基づいて判断することができる。同様に、潜熱熱交換器の伝熱面での水和物スラリの付着は、圧力損失の増大や潜熱熱交換器へ供給される冷水または水和物スラリの出入口温度差を計測することによる交換熱量の減少によっても判断することができる。
【００３０】
融解運転時の動作について説明する。一方の潜熱熱交換器３ａへの冷水の供給を停止し、他方の潜熱熱交換器３ｂへの冷水の供給を開始する。このように、潜熱熱交換器３ａから潜熱熱交換器３ｂへの切り換えにより、水和物スラリを継続して製造することができる。冷水の供給を停止した潜熱熱交換器３ａに対しては、温水タンク７から温水を供給し、熱交換器内部の伝熱面に付着した水和物を融解する。なお、図１では、温水タンク７においてヒータによって温めた融解用温水を使用しているが、潜熱熱交換器の下流側の水を融解運転に使用してもよい。
【００３１】
上記の説明では、潜熱熱交換器への水和物スラリの流量が減少した場合または圧力損失が増大した場合または熱交換量が減少した場合に融解運転を行うようにしている。これに対して、複数台の潜熱熱交換器を一定時間ごとに順次切り換えて、融解運転を行うようにすると、流量計や圧力計や温度計などの検出機器を削減でき、システムを簡素化できる。
【００３２】
以上で説明したように、水和物スラリ製造装置の熱交換器を、水溶液を溶液状態のままで過冷却する顕熱熱交換器と水和物スラリを冷却する潜熱熱交換器に分離し、かつ複数台の潜熱熱交換器を切り換え可能に設置すれば、潜熱熱交換器の閉塞を確実に防止することができ、水和物スラリを継続的に高効率で製造することができる。
【００３３】
次に、水和物スラリの製造運転時における、顕熱熱交換器２による水溶液の過冷却度と、水溶液の過冷却を解除するために水溶液に注入される水和物スラリの注入量について適切な条件を検討した結果を説明する。
【００３４】
図２は、水溶液中のゲスト化合物の種々の濃度について、横軸が水和物スラリの注入量（水溶液の総量に対する水和物スラリの体積割合）、縦軸が水溶液の過冷却度を示しており、過冷却が解除された条件を○、過冷却が解除されなかった条件を×で示している。過冷却の解除の有無は、水和物スラリの注入部の上流側と下流側に設置した温度計において、過冷却解除に伴う温度上昇が検出されたかどうかで判断した。
【００３５】
図２からわかるように、水溶液の過冷却度が０．７℃以上であるか、水和物スラリの投入量が水溶液流量の１ｖｏｌ％以上であれば、水溶液の過冷却がほぼ確実に解除される。また、水和物スラリの投入量が水溶液流量の１．８ｖｏｌ％以上であれば、水溶液の過冷却が確実に解除される。このように、水溶液の過冷却を解除するために注入すべき水和物スラリは少量で十分であり、残りの大部分の水和物スラリは空調負荷６での空調に使用される。
【００３６】
また、水溶液の過冷却が解除される条件を水溶液のレイノルズ（Ｒｅ）数について検討した結果を説明する。Ｒｅ数は、配管の口径（Ｄ）と、水溶液の流速（Ｕ）、密度（ρ）、粘性率（η）によって、Ｒｅ＝Ｄ・Ｕ・ρ／ηと決定される。図３は、横軸がＲｅ数、縦軸が水和物スラリの注入量であり、過冷却が解除された条件を○、過冷却が解除されなかった条件を×で示している。この実験は、水溶液の過冷却度が約０．８℃、水和物スラリの注入量が２ｖｏｌ％以上で実施した。
【００３７】
図３から、水溶液のレイノルズ数が４５００以上であるとき、水和物スラリが注入されて水溶液の過冷却が確実に解除され、効率的に安定した水和物スラリの生成が可能となることがわかる。
【００３８】
以下、本発明の他の実施例に係る水和物スラリ製造装置について説明する。 図１では、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に、潜熱熱交換器３ａ、３ｂの下流の配管から注入配管５を接続し、過冷却状態の水溶液に潜熱熱交換器で製造された水和物スラリの一部を注入している。その代わりに、図４に示すように、小型の水和物スラリ製造熱交換器２０を別途設置して、注入すべき水和物スラリをあらかじめ用意してもよい。なお、図４には、顕熱熱交換器２、潜熱熱交換器３ａ、３ｂ、蓄熱槽４、注入配管５に設けられた水和物スラリ製造熱交換器２０、およびこれらを接続する配管を含む水和物スラリ製造装置の部分のみを示している。水和物スラリ製造熱交換器２０としては、小型のプレート式熱交換器や密閉型タンクジャケット式熱交換器などを用いることができる。このように水和物スラリ製造熱交換器２０を設けておけば、システムの起動をより速やかにすることができる。また、必要に応じて水和物スラリ製造熱交換器２０にバッファタンクを追加し、起動時に必要な水和物スラリを予め用意しておいてもよい。さらに、図１のように蓄熱槽４を設けている空調システムでは、蓄熱槽４内の水和物スラリを用いてもよい。
【００３９】
以上で説明した水和物スラリ製造装置は、顕熱熱交換器２の下流において水溶液の過冷却を解除するために水和物スラリを注入するものであるが、その代わりに、図５に示すように顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管に過冷却解除手段３０を設けてもよい。なお、図５には、顕熱熱交換器２、潜熱熱交換器３ａ、３ｂ、蓄熱槽４、これらを接続する配管、および過冷却解除手段３０を含む水和物スラリ製造装置の部分のみを示している。
【００４０】
図６〜図１０を参照して、過冷却解除手段３０の例を示す。
図６の過冷却解除手段は、小型冷凍機３１に接続された冷却部３２からなっており、冷却部３２は外部から配管２１中に挿入されている。図６に示すように、配管２１に設けられた冷却部３２は小型冷凍機３１により水和物生成温度以下に冷却されており、その表面に水和物が付着している。顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液が冷却部３２に接触すると、冷却部３２の表面に付着した水和物が生成核として作用し過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４１】
過冷却解除手段として、ペルチェ素子などからなる低温突起を配管２１に挿入してもよい。このような低温突起も、図６に示した小型冷凍機の冷却部と同様に、予め水和物生成温度以下に冷却されており、その表面に水和物が付着している。過冷却された水溶液が低温突起に接触すると、低温突起の表面に付着した水和物が生成核として作用し過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４２】
図７の過冷却解除手段は、超音波発振器３３に接続された発振部３４からなっており、発振部３４は外部から配管２１中に挿入されている。顕熱熱交換器２で過冷却された水溶液が発振部３４に接触すると、振動によって過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。また、超音波の代わりに、数〜数百Ｈｚの低周波振動を用いてもよい。
【００４３】
図８の過冷却解除手段は、配管２１内に設けられた流体を反転・混合させるためのねじり板のような機構を有するスタティックミキサー３８からなっている。過冷却された水溶液はスタティックミキサー３８によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４４】
図９の過冷却解除手段は、配管２１の途中に挿入された容器内に収容された、モータ３９によって回転する攪拌羽根４０からなっている。過冷却された水溶液は攪拌羽根４０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４５】
図１０の過冷却解除手段は、配管２１の途中に設けられたポンプケーシング内をインペラが回転しているポンプ５０である。過冷却された水溶液はポンプ５０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００４６】
なお、顕熱熱交換器２と潜熱熱交換器３ａ、３ｂとの間の配管２１に対してバイパス配管を設け、このバイパス配管に図６〜図１０に示すような過冷却解除手段を設けてもよい。また、過冷却解除手段は１個所に限らず、複数個所に設けてもよい。さらに、複数の種類の異なる過冷却解除手段を併用してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、水溶液の過冷却が熱交換器内部の伝熱面で解除されるのを防止して、効率的に水和物スラリを製造できる装置を提供することができる。そして、熱交換器内で過冷却が解除され水和物が急激に生成されることを防止できるので、熱交換器の伝熱面に水和物が付着しないため伝熱性能が低下することがなく、熱交換器の伝熱面積を最小にすること、水和物スラリの流速を速くすることなどができ、水和物スラリの製造装置と運転方法を最適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における水和物スラリ製造装置を含む空調システムの構成図。
【図２】本発明の実施例における水和物スラリの注入量および水溶液の過冷却度の条件による過冷却の解除の有無を示す図。
【図３】本発明の実施例における水溶液のＲｅ数および水和物スラリの注入量の条件による過冷却の解除の有無を示す図。
【図４】本発明の他の実施例における水和物スラリを注入するための小型の水和物スラリ製造熱交換器を備えた水和物スラリ製造装置を示す構成図。
【図５】本発明の他の実施例における過冷却解除手段を備えた水和物スラリ製造装置を示す構成図。
【図６】本発明に係る過冷却解除手段の一例を示す構成図。
【図７】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図８】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図９】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図１０】本発明に係る過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【符号の説明】
１…冷凍機
２…顕熱熱交換器（第１の熱交換器）
３ａ、３ｂ…潜熱熱交換器（第２の熱交換器）
４…蓄熱槽
５…注入配管
６…空調負荷
７…温水タンク
１１…冷水ポンプ
１２…製造ポンプ
１３…注入ポンプ
１４…負荷ポンプ
１５…温水ポンプ
２０…水和物スラリ製造熱交換器
２１…配管
３０…過冷却解除手段
３１…小型冷凍機
３２…冷却部
３３…超音波発振器
３４…発振部
３８…スタティックミキサー
３９…モータ
４０…攪拌羽根
５０…ポンプ
Claims (13)
- 水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって熱交換器を介して冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記熱交換器が、過冷却解除手段を介して、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器とその下流側に配置される第２の熱交換器とに分離されてなり、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却することを特徴とする水和物スラリ製造装置。
- 水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液の流れの上流側に配置される第１の熱交換器と、その下流側に配置される第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置される過冷却解除手段とを備え、前記第１の熱交換器は前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却し、前記過冷却解除手段はその過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させ、前記第２の熱交換器はその水和物スラリを冷却するとともに、前記過冷却解除手段により過冷却を解除された水溶液から水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させることを特徴とする水和物スラリ製造装置。
- 前記第２の熱交換器は、一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の水和物スラリ製造装置。
- 前記第２の熱交換器は、一定時間ごとに一つの熱交換器から別の熱交換器に切り換え可能な複数の熱交換器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の水和物スラリ製造装置。
- 水分子によって構成された包接格子内にゲスト化合物が包み込まれた水和物を０℃より高い温度で生成するゲスト化合物の水溶液を冷却媒体によって冷却して、前記水溶液と前記水和物との混合物である水和物スラリを製造する装置であって、前記水溶液をその水和物生成温度より低い温度まで過冷却する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の下流側に設けられ水和物スラリを冷却する第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に設けられ水溶液の過冷却を解除して水和物を生成させ、これにより水和物スラリを生成させる過冷却解除手段とを具備し、前記過冷却解除手段が、前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に対して水和物スラリを注入する手段であることを特徴とする水和物スラリ製造装置。
- 前記過冷却解除手段により前記過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、前記第２の熱交換器で製造された水和物スラリであることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 前記過冷却解除手段により前記過冷却の水溶液に対して注入される水和物スラリが、水和物スラリの蓄熱槽に収容された水和物スラリであることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 前記第１の熱交換器による水溶液の過冷却度が０．７℃以上であることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 前記第１の熱交換器により過冷却された水溶液に注入される水和物スラリの量が水溶液の流量の１．８ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 水溶液のレイノルズ数が４５００以上であることを特徴とする請求項５に記載の水和物スラリ製造装置。
- 請求項１及び５から１１のいずれかに記載の水和物スラリ製造装置の運転方法であって、前記過冷却解除手段により、固相割合の小さい水和物スラリを生成させる工程を有することを特徴とする水和物スラリ製造装置の運転方法。
- 前記第２の熱交換器を流れる冷却媒体の流量を制御する工程を有することを特徴とする請求項２から４及び１２のいずれかに記載の水和物スラリ製造装置の運転方法。
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