JP4396355B2

JP4396355B2 - 水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置

Info

Publication number: JP4396355B2
Application number: JP2004102823A
Authority: JP
Inventors: 直行古本; 信吾高雄; 英雅生越; 英幸宮本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005291516A

Description

この発明は、水和物スラリ空調システムにおいて、水和物スラリを製造する水溶液の過冷却状態を解除する過冷却解除装置に関する。

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。
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、生成され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、システムの運転が不安定になる要因となっていた。

このような熱交換器内で水溶液の過冷却が解除されるのを防止するために、水溶液を第一の熱交換器で冷水と熱交換させて過冷却状態の水溶液とし、生成された水溶液の過冷却状態を、第一の熱交換器の下流側に設けた過冷却解除装置で解除して固相割合の小さい水和物スラリを生成させる。これをを第二の熱交換器で冷水と熱交換させて、より熱密度の高い水和物スラリを製造するという方法が提案されている（特許文献１参照。）。

上述した過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムは、図６に示すように、水溶液および水和物スラリと熱交換させるための冷水やブライン等の冷熱媒体を製造する冷凍機３１と、水溶液を冷水と熱交換させて過冷却状態の水溶液にする水溶液熱交換器３２と、過冷却状態の水溶液の過冷却状態を解除させるための過冷却解除装置３３と、水溶液が過冷却状態を解除されてできた水和物と水溶液が混在する水和物スラリを、冷熱媒体と熱交換させてより熱密度の高い水和物スラリにする水和物スラリ熱交換器３４と、水和物スラリを空調機３６に送る水和物スラリポンプ３７と、前記冷凍機３１で製造された冷熱媒体を水溶液熱交換器３２や水和物スラリ熱交換器３４に送る冷熱媒体ポンプ３８と、水和物スラリを貯蔵する蓄熱槽３９および蓄熱槽３９の水和物スラリを空調機３６に送る水和物スラリポンプ４０とから構成されている。

この水和物スラリ空調システムにおいては、水和物スラリを空調機３６に送る負荷運転と水和物スラリを蓄熱する蓄熱運転の２つの運転方式がある。負荷運転時には、水和物スラリ熱交換器３４で製造された水和物スラリは、水和物スラリポンプ３７で空調機３６に送られ、空調機３６内で温かい室内空気と熱交換されて水溶液となり、水溶液熱交換器３２、過冷却解除装置３３および水和物スラリ熱交換器３４を通過して再び水和物スラリとなる。そして、できた水和物スラリは、水和物スラリポンプ３７により再び空調機３６に送られる。

夜間に空調機３６が運転を停止している時には蓄熱運転が行われる。蓄熱運転は夜間の安価な電力を利用して水和物スラリを製造し、蓄熱槽３９に貯蔵しておくための運転であり、蓄熱槽３９内に貯蔵された水溶液が水溶液熱交換器３２、過冷却解除装置３３および水和物スラリ熱交換器３４を循環して水和物スラリとなり、蓄熱槽３９に貯蔵され昼間の空調機３６の負荷の大きいときに、水和物スラリポンプ４０により空調機３６に送られる。

上述した負荷運転と蓄熱運転の切り替え時には、図６に示す遮断弁ＡおよびＢを開閉して、水和物スラリの搬送経路を変更するようにしている。

一方、冷凍機３１で製造された冷熱媒体は、冷熱媒体ポンプ３８により水溶液熱交換器３２および水和物スラリ熱交換器３４に並列的に送られ、再び冷凍機３１に帰るというように循環供給されている。

また、上述した水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置３３の例を説明すると、次のとおりである。
図７の過冷却解除装置は、小型冷凍機４１に接続された冷却部４２からなっており、冷却部４２は外部から図６の水溶液熱交換器３２と水和物スラリ熱交換器３４との間の配管４３中に挿入されている。配管４３に設けられた冷却部４２は小型冷凍機４１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。水溶液熱交換器３２で過冷却された水溶液が冷却部４２に接触すると、冷却部４２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。
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４３に挿入してもよい。このような低温突起も、図７に示した小型冷凍機４１の冷却部４２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。
図８の過冷却解除装置は、超音波発振器４４に接続された発振部４５からなっており、発振部４５は外部から配管４３中に挿入されている。水溶液熱交換器３２で過冷却された水溶液が発振部４５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Ｈｚ〜数百Ｈｚの低周波振動を用いてもよい。
図９の過冷却解除装置は、配管４３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４６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４６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。
図１０の過冷却解除手段は、配管４３の途中に挿入された容器内に収容された、モータ４７によって回転する攪拌羽根４８からなっている。過冷却された水溶液は攪拌羽根４８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。
図１１の過冷却解除装置は、配管４３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４９である。過冷却された水溶液はポンプ４９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。
また、過冷却解除手段として、水和物を注入する手段を設けてもよい。注入された水和物によって過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
なお、水溶液熱交換器３２と水和物スラリ熱交換器３４との間の配管４３に対してバイパス配管を設け、このバイパス配管に図７〜図１１に示すような過冷却解除装置を設けてもよい。また、過冷却解除装置は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装置を併用してもよい。
特開２００４−３７１８号公報。

しかしながら、上述した特許文献１に開示された水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置は、いずれも水溶液熱交換器と水和物スラリ熱交換器との間の短い管路の途中で、過冷却状態にある水溶液から水和物を生成させて、水溶液の過冷却状態を解除するようにしているが、このような方法であると水溶液の過冷却状態が解除されるまでに時間がかかり、過冷却解除装置通過後の水和物スラリが水和物スラリ熱交換器に到達しても、水和物スラリ中の水溶液の過冷却状態が完全に解除できず、過冷却状態の水溶液を含んだ水和物スラリが生成される結果、空調機に送られる水和物スラリの熱密度が安定しないという問題がある。

この発明は、従来技術の上述のような問題点を解消するためになされたものであり、熱密度の安定した水和物スラリを空調機に送ることのできる水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置を提供することを目的としている。

この発明に係る第一の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置は、水溶液を過冷却状態まで冷却する水溶液熱交換器と、該水溶液熱交換器で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリに転移させる過冷却解除装置と、過冷却解除装置で生成された水和物スラリの熱密度を向上させる水和物スラリ熱交換器とを具備した水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置であって、水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させる過冷却解除装置本体と、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除する解除手段とを備え、該解除手段は、前記過冷却解除装置本体と前記水和物スラリ熱交換器を接続する管路であり、水溶液が前記過冷却解除装置本体を出て前記水和物スラリ熱交換器に入るまでの時間を、核を含む過冷却状態の水溶液から水和物を生成させ水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除した水溶液を水和物スラリとして水和物スラリ熱交換器に流入させるために十分な長さの時間とすることのできる長さの管路であるものである。

本発明に係る第一の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置においては、過冷却解除装置本体に後続して、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除できる長さの管路を設け、水和物スラリが過冷却解除装置本体を出て水和物スラリ熱交換器に入るまでの時間を長くして、水和物スラリ中の水溶液の過冷却状態を解除するようにしているので、水和物スラリ熱交換器で製造される水和物スラリの熱密度が安定する。

また、この発明に係る第二の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置は、水溶液を過冷却状態まで冷却する水溶液熱交換器と、該水溶液熱交換器で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリに転移させる過冷却解除装置と、過冷却解除装置で生成された水和物スラリの熱密度を向上させる水和物スラリ熱交換器とを具備した水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置であって、過冷却解除装置本体と、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除する解除手段とを備え、該解除手段が前記過冷却解除装置本体と前記水和物スラリ熱交換器との間に設けた一定容量のタンクであるものである。
また、前記過冷却解除装置本体を通過した水溶液を、過冷却解除装置本体と前記タンク間に設けた流入管を経由して前記タンク内に導入し、前記タンクに設けた排出管により排出するように構成するとともに、前記流入管の途中から前記タンク内に接続するバイパス管を設け、前記バイパス管を通して前記タンクに供給した温かい水溶液により前記タンク内に堆積した水和物を融解するようにしたものである。

この水和物スラリの過冷却解除装置も、本発明に係る第一の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置と同様に、過冷却解除装置本体に後続して、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除できる一定容量のタンクを設け、水和物スラリが過冷却解除装置本体を出て水和物スラリ熱交換器に入るまでの時間を長くして、水和物スラリ中の水溶液の過冷却状態を解除するようにしているので、水和物スラリ熱交換器で製造される水和物スラリの熱密度が安定する。

また、タンクにバイパス管を設けたものにおいては、水溶液の過冷却解除にともなって生成される水和物がタンク底部に堆積されて、圧力損失が増大するのを、バイパス管を通して温かい水溶液を供給して、タンク内に堆積した水和物を融解し排出管を通して排出させることができるので、圧力損失が増大することはない。

この発明により、水和物スラリ熱交換器で製造される水和物スラリの熱密度が安定する。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第一の実施の形態を示す図である。この過冷却解除装置１は、水溶液熱交換器２と水和物スラリ熱交換器５との間に設けられた過冷却解除装置本体３と、蛇管状に形成された一定長さの管路４とから構成されている。
そして、水溶液熱交換機１で冷熱媒体と熱交換された過冷却状態の水溶液に対して、過冷却解除装置本体３により水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させ、次いで、管路４において水和物のさらなる成長を促進させることにより、水和物スラリ熱交換器５に入る前の水溶液の過冷却状態を一定の水準まで解除させるようにしている。

図２は、過冷却解除装置１により水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させた時点からの経過時間と、水溶液の過冷却解除割合との関係の一例を示すグラフである。ここでいう過冷却解除割合とは、水溶液が過冷却温度のときの過冷却解除割合を０、水溶液が過冷却状態から相転移温度（水溶液が液体から固体に変化するときの温度）に戻ったときの過冷却解除割合を１とし、その間を１０等分して表示したものである。

図２から分かるように、過冷却解除割合を０．９以上とするには１２分以上の時間がかかり、これを実現しようとすると設備的に過大な負担が要求されるので、実操業上は過冷却解除割合を０・７程度、すなわち、水溶液が管路４に滞留する時間を４分として管路４の長さを設定すれば、十分に過冷却解除効果が期待できると考えられる。

図３は、水和物の生成を促すために水溶液中に投入する水和物の投入割合と過冷却解除時間（過冷却解除割合が０．７に達するまでの時間）との関係を示すグラフであり、水溶液の濃度（水溶液中に含まれるゲスト化合物の重量％が１５重量％の場合を○印、１７重量％の場合を□印、３３重量％の場合を△印で示している。

図３から分かるように、水溶液の濃度が１５〜３３重量％の範囲内では、水和物を１５％投入すると、３分以内で過冷却は解除できるといえる。

したがって、本発明の対象となる水和物スラリ空調システムにおける水溶液の設計流量が１００リットル／分であるとすれば、１００リットル／分×３分＝３００リットルとなる。すなわち、３００リットルの水溶液を収容できる管路、例えば流路の断面積が１００ｃｍ²である場合には、管路の長さＬは，
Ｌ＝３００×１０００／１００＝３０００ｃｍ＝３０ｍ
となる。

次に、本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第二の実施の形態を、図４により説明する。この過冷却解除装置１１は、水溶液熱交換器１２と水和物スラリ熱交換器１５との間に設けられた過冷却解除装置本体１３と、過冷却解除用タンク１４とから構成されている。
そして、水溶液熱交換機１２で冷熱媒体と熱交換された過冷却状態の水溶液に対して、過冷却解除装置本体１３により水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させ、次いで、過冷却解除用タンク１４において水和物のさらなる成長を促進させることにより、水和物スラリ熱交換器１５に入る前の水溶液の過冷却状態を一定の水準まで解除させるようにしている。

この場合の過冷却解除用タンク１４の容量も、第一の実施の形態の場合と同様にして決定することができる。

すなわち、本発明の対象となる水和物スラリ空調システムにおける水溶液の設計流量が、第一の実施の形態の場合と同様１００リットル／分であるとすれば、１００リットル／分×３分＝３００リットルとなる。すなわち、３００リットルの水溶液を収容できるタンク容量であればよい。

次に、本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第三の実施の形態を、図５により説明する。この過冷却解除装置は、図４で説明した第二の実施の形態の過冷却解除装置とはタンク部分のみが異なるので、タンク部分の説明のみを行い、他の部分の説明は省略する。

この過冷却解除装置のタンク２１には、タンク２１の上方部分に水溶液流入管２２が接続され、タンク２１の下方部分に水溶液排出管２３が接続されている。さらに、水溶液流入管２２の途中からバイパス管２４が分岐され、このバイパス管２４はタンク２１の下方部分の前記排出管２３の排出口と対向する位置に接続されている。

また、水溶液流入管２２のバイパス管２４が分岐される位置とタンク２１との間には、遮断弁２５が、バイパス管２４の途中には、遮断弁２６が設けられている。
そして、タンク２１の排出管２３やバイパス管２４を接続した位置よりもやや高い位置には、中央部に開口２７ａを設けた中間底板２７が設けられている。

この過冷却解除装置においては、通常操業時には遮断弁２５が開かれ、遮断弁２６が閉められており、水溶液は水溶液流入管２２を通ってタンク２１の上部から流入し、タンク２１の下部から排出管２３通して排出される。

水溶液がタンク２１内に滞留する間に、過冷却状態の水溶液から水和物が生成されるが、水和物の一部はタンク２１から排出されないままタンク２１の底部に堆積して、排出管２３からの水溶液の排出に必要なポンプの所要動力が大きくなる。

このようなときには、水和物生成温度以上の温かい水溶液を、バイパス管２４を通してタンク２１の下部からタンク２１内に流入させる。流入させた温かい水溶液は、タンク２１の底板２１ａと前記中間底板２７の間を、タンク２１の下部に設けた排出管２３に向かって流れる。そして、この部分を流れている水溶液は、中間底板２７よりも上方の水溶液よりも温かいので、中間底板２７に堆積した水和物が徐々に融解され、中間底板２７に設けた開口２７ａを通って排出される。

なお、中間底板２７を設けないと、水和物が直接タンク２１の底板２１ａ上に堆積するので、水和物を融解させるためには、タンク２１全体を温める必要があり、融解に費用や時間がかかる。

本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第一の実施の形態を示す図である。過冷却解除装置により水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させた時点からの経過時間と、水溶液の過冷却解除割合との関係の一例を示すグラフである。水和物の生成を促すために水溶液中に投入する水和物の投入割合と過冷却解除時間（過冷却解除割合が７割に達するまでの時間）との関係を示すグラフである。本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第二の実施の形態を示す図である。本発明の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の第三の実施の形態を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムの構成を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の構成の一例を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の構成の他の例を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の構成の他の例を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の構成の他の例を示す図である。従来の過冷却解除装置を有する水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置の構成の他の例を示す図である。

符号の説明

１過冷却解除装置
２水溶液熱交換器
３過冷却解除装置本体
４管路
５水和物スラリ熱交換器
１１過冷却解除装置
１２水溶液熱交換器
１３過冷却解除装置本体
１４タンク
１５水和物スラリ熱交換器
２１タンク
２２水溶液流入管
２３水溶液排出管
２４バイパス管
２５遮断弁
２６遮断弁
２７中間底板

Claims

水溶液を過冷却状態まで冷却する水溶液熱交換器と、該水溶液熱交換器で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリに転移させる過冷却解除装置と、過冷却解除装置で生成された水和物スラリの熱密度を向上させる水和物スラリ熱交換器とを具備した水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置であって、水溶液中に水和物を生成させるための核を発生させる過冷却解除装置本体と、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除する解除手段とを備え、
該解除手段は、前記過冷却解除装置本体と前記水和物スラリ熱交換器を接続する管路であり、水溶液が前記過冷却解除装置本体を出て前記水和物スラリ熱交換器に入るまでの時間を、核を含む過冷却状態の水溶液から水和物を生成させ水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除した水溶液を水和物スラリとして水和物スラリ熱交換器に流入させるために十分な長さの時間とすることのできる長さの管路であることを特徴とする水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置。
水溶液を過冷却状態まで冷却する水溶液熱交換器と、該水溶液熱交換器で過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリに転移させる過冷却解除装置と、過冷却解除装置で生成された水和物スラリの熱密度を向上させる水和物スラリ熱交換器とを具備した水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置であって、過冷却解除装置本体と、水溶液の過冷却状態を所定の程度まで解除する解除手段とを備え、該解除手段が前記過冷却解除装置本体と前記水和物スラリ熱交換器との間に設けた一定容量のタンクであることを特徴とする水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置。
前記過冷却解除装置本体を通過した水溶液を、過冷却解除装置本体と前記タンク間に設けた流入管を経由して前記タンク内に導入し、前記タンクに設けた排出管により排出するように構成するとともに、前記流入管の途中から前記タンク内に接続するバイパス管を設け、前記バイパス管を通して前記タンクに供給した温かい水溶液により前記タンク内に堆積した水和物を融解するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の水和物スラリ空調システムにおける過冷却解除装置。