JP6137858B2 - 熱供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱利用装置に熱を供給するための熱供給装置に関する。

従来から、冷媒の循環経路の途中にエジェクターを設け、そのエジェクターのポンプ作用によって冷媒を循環させるエジェクターサイクルが提案されている。例えば、非特許文献１には、エジェクターサイクルを用いた冷房システムが記載されている。図３は、非特許文献１に記載されている冷房システムを説明するための図である。図３に示すエジェクターサイクルは、冷媒が循環する冷媒循環経路１の途中に、昇圧ポンプ５と加熱部６と減圧器７と蒸発器８とエジェクター２と凝縮器３とを備える。

冷媒が循環する冷媒循環経路１は、昇圧ポンプ５によって昇圧されることで得られる相対的に高圧の冷媒が流れる高圧側循環経路１Ａと、減圧器７によって減圧されることで得られる相対的に低圧の冷媒が流れる低圧側循環経路１Ｂと、共通部１Ｃとで構成される。具体的には、冷媒循環経路１は、凝縮器３の下流側の分岐部位１９で高圧側循環経路１Ａと低圧側循環経路１Ｂとに分岐し、エジェクター２において高圧側循環経路１Ａと低圧側循環経路１Ｂとが合流する。そして、冷媒循環経路１は、エジェクター２の下流側から分岐部位１９の間では共通部１Ｃとなる。

分岐部位１９よりも下流側の高圧側循環経路１Ａに設けられる昇圧ポンプ５は、凝縮器３から供給される冷媒を昇圧して高圧側冷媒を生成する。昇圧ポンプ５よりも下流側の高圧側循環経路１Ａに設けられる加熱部６では、昇圧ポンプ５から放出した高圧側冷媒が加熱される。具体的には、加熱部６には、熱媒循環路３１を循環する熱媒も通流するように構成され、その結果、加熱部６において、高圧側循環経路１Ａを通流する高圧側冷媒が熱媒循環路３１を通流する熱媒との熱交換によって加熱される。ここで、熱媒循環路３１を通流する熱媒には、太陽熱集熱装置３０で集めた熱が供給される。つまり、高圧側循環経路１Ａを通流する高圧側冷媒は、太陽熱集熱装置３０で集めた熱によって加熱されるように構成されている。

分岐部位１９よりも下流側の低圧側循環経路１Ｂに設けられる減圧器７は、凝縮器３から供給される冷媒を減圧して低圧側冷媒を生成する。減圧器７よりも下流側の低圧側循環経路１Ｂに設けられる蒸発器８では、減圧器７が放出する低圧側冷媒が昇温されて蒸発する。具体的には、蒸発器８には、熱媒循環路３５を循環する熱媒も通流するように構成され、その結果、蒸発器８において、低圧側循環経路１Ｂを通流する低圧側冷媒が熱媒循環路３５を通流する熱媒との熱交換によって昇温される。ここで、熱媒循環路３５を通流する熱媒は、例えば冷房装置などの負荷装置３４に冷熱を供給するために用いられる。

エジェクター２には、加熱部６で加熱された後の高圧側冷媒と蒸発器８から供給される低圧側冷媒とが供給される。具体的には、エジェクター２において、加熱部６で加熱された後の高圧側冷媒はノズル２ａから噴射されて減圧される。そして、その減圧された部位に、吸引部２ｂを通って低圧側冷媒が供給され、低圧側冷媒と高圧側冷媒とが混合される。そして、低圧側冷媒と高圧側冷媒とが混合されて得られる冷媒がエジェクター２の出口部２ｃから吐出される。このように、エジェクター２では、吸引部２ｂに供給される低圧側冷媒が、ノズル２ａから噴射される高圧側冷媒によって吸引されるというポンプ作用が発揮される。

エジェクター２よりも下流側の冷媒循環経路１（共通部１Ｃ）に設けられる凝縮器３は、エジェクター２が吐出する冷媒を冷却して凝縮させる。具体的には、凝縮器３には、冷媒循環路３３を循環する冷媒も通流するように構成され、その結果、凝縮器３において、エジェクター２が吐出した冷媒が冷媒循環路３３を通流する冷媒との熱交換によって冷却される。ここで、冷媒循環路３３を通流する冷媒は、冷却塔３２によって冷却されることで温度が低下した後で凝縮器３に供給される。そして、冷媒循環経路１を通流する冷媒は、凝縮器３において冷却された後で分岐部位１９に至る。

以上のように、図３に例示したエジェクターサイクルを駆動するためには、加熱部６において外部から熱を供給する必要があり、凝縮器３において外部へ熱を放出する必要があり、蒸発器８において外部から熱を供給する必要がある。

中野、他５名、「太陽熱利用エジェクター式冷房システムの性能評価―種々の冷媒によるエジェクターの性能解析―」、２０１１年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集、ｐ．２１７

上述した従来のエジェクターサイクルを用いた熱供給装置では、エジェクターサイクルを駆動して冷房（上記負荷装置３４）を行うことが目的とされている。また、熱媒循環路３１を通流する熱媒は、太陽熱集熱装置３０と加熱部６との間を循環するだけであり、即ち、加熱部６に熱を供給するためだけに設けられており、太陽熱集熱装置３０で集めた熱を有効に利用しているとは言い難い。更に、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱が冷却塔３２において廃棄されており、エジェクターサイクルを用いた熱供給装置の全体としては効率的な運用がなされていないという問題がある。つまり、従来のエジェクターサイクルを用いた熱供給装置では、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱をどのように供給し、どのように利用すれば総合的に効率的であるかについて検討が行われていないと言える。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱を効率的に運用できる熱供給装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱供給装置の特徴構成は、熱利用装置に熱を供給するための熱供給装置であって、
供給される第１熱媒を加熱する熱源機と、
凝縮器から供給される冷媒を昇圧して高圧側冷媒を生成する昇圧ポンプと、
前記昇圧ポンプから放出する前記高圧側冷媒を、前記熱源機から放出する前記第１熱媒が有する熱を利用して加熱する加熱部と、
前記凝縮器から供給される冷媒を減圧して低圧側冷媒を生成する減圧器と、
前記減圧器から放出する前記低圧側冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記加熱部で加熱した後の前記高圧側冷媒を減圧することにより前記蒸発器から供給される前記低圧側冷媒を吸引し、当該低圧側冷媒を前記高圧側冷媒と混合させて吐出するエジェクターと、
前記エジェクターから吐出する冷媒を、供給される第２熱媒を利用した冷却により凝縮させる前記凝縮器とを備え、
前記加熱部で前記高圧側冷媒を加熱するために利用した後の前記第１熱媒と前記凝縮器で前記エジェクターから放出される冷媒を冷却するために利用した後の前記第２熱媒とが混合された混合熱媒が有する温熱を、前記熱利用装置に供給する点にある。

上述した昇圧ポンプと加熱部と減圧器と蒸発器とエジェクターと凝縮器とを冷媒が循環するエジェクターサイクルを駆動するためには、加熱部においてエジェクターサイクルを通流する冷媒に熱を与え、凝縮器においてエジェクターサイクルを通流する冷媒から熱を奪うことが必要である。
本特徴構成では、加熱部においてエジェクターサイクルを通流する冷媒に熱を与えるために第１熱媒を用い、凝縮器においてエジェクターサイクルを通流する冷媒から熱を奪うために第２熱媒を用いる構成としている。そして、加熱部においてエジェクターサイクルを通流する冷媒に熱を与えるために用いた後の第１熱媒と、凝縮器においてエジェクターサイクルを通流する冷媒から熱を回収した後の第２熱媒とは、混合されて熱利用装置に供給される。このように、第１熱媒が元来有していた熱及び熱源機によって第１熱媒に加えられた熱は、エジェクターサイクルの駆動用に与えるための熱として利用されると共に熱利用装置に供給され、並びに、エジェクターサイクルから放出された熱は第２熱媒によって回収された後で熱利用装置へ供給される。
従って、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱を効率的に運用できる熱供給装置を提供できる。

本発明に係る熱供給装置の別の特徴構成は、前記第１熱媒及び前記第２熱媒は水である点にある。

上記特徴構成によれば、熱利用装置には温水が供給されるので、その温水を給湯用途で利用できる。

本発明に係る熱供給装置の更に別の特徴構成は、前記熱源機は、燃料を燃焼して得られる燃焼熱を利用して前記第１熱媒を加熱する点にある。

上記特徴構成によれば、燃焼熱によって第１熱媒を高温にできるので、加熱部においてその高温の第１熱媒を利用した高圧側冷媒の加熱を効率的に行うことができる。

本発明の熱供給装置の構成を示す図である。 図１に示した熱供給装置の各部におけるシミュレーション条件を示す図である。 エジェクターサイクルの一例を示す図である。

以下に図面を参照して本発明に係る熱供給装置について説明する。
図１は、本発明の熱供給装置の構成を示す図である。図示するように、熱供給装置は、熱源機９と昇圧ポンプ５と加熱部６と減圧器７と蒸発器８とエジェクター２と凝縮器３とを備える。そして、熱供給装置で生成された熱が熱利用装置１０に供給される。

熱源機９は、熱媒流路１１を介して供給される第１熱媒を加熱する。本実施形態で説明する熱源機９は、ガスや灯油などの燃料を燃焼する燃焼器９ａを有する。燃焼器９ａで燃料を燃焼して得られる燃焼熱を利用して、第１熱媒の加熱が行われる。

冷媒が循環する冷媒循環経路１は、相対的に高圧の冷媒が流れる高圧側循環経路１Ａと相対的に低圧の冷媒が流れる低圧側循環経路１Ｂと共通部１Ｃとで構成される。具体的には、冷媒循環経路１は、凝縮器３の下流側の分岐部位１９で高圧側循環経路１Ａと低圧側循環経路１Ｂとに分岐し、エジェクター２において高圧側循環経路１Ａと低圧側循環経路１Ｂとが合流する。そして、冷媒循環経路１は、エジェクター２の下流側から分岐部位１９の間では共通部１Ｃとなる。

分岐部位１９よりも下流側の高圧側循環経路１Ａに設けられる昇圧ポンプ５は、凝縮器３から供給される冷媒を昇圧して高圧側冷媒を生成する。例えば、昇圧ポンプ５は、電動式の昇圧ポンプなどを用いて実現できる。

昇圧ポンプ５よりも下流側の高圧側循環経路１Ａに設けられる加熱部６は、昇圧ポンプ５から放出した高圧側冷媒を加熱する。本実施形態では、上述した熱源機９から放出される第１熱媒、即ち、熱源機９で加熱された後の第１熱媒が加熱部６に供給される。加熱部６では、相対的に高温の第１熱媒と相対的に低温の高圧側冷媒との間で熱交換が行われる。つまり、加熱部６では、高圧側冷媒が第１熱媒によって加熱される。

分岐部位１９よりも下流側の低圧側循環経路１Ｂに設けられる減圧器７は、凝縮器３から供給される冷媒を減圧して低圧側冷媒を生成する。例えば、減圧器７は、膨張弁などを用いて実現できる。

減圧器７よりも下流側の低圧側循環経路１Ｂに設けられる蒸発器８は、減圧器７から放出される低圧側冷媒を蒸発させる。例えば、蒸発器８において低圧側冷媒と大気とを熱交換させ、大気が有する熱によって低圧側冷媒を蒸発させる。つまり、低圧側冷媒は、減圧器７において、大気が有する熱で蒸発する程度の圧力にまで減圧されている。尚、図示は省略しているが、電動式のファンなどを用いて蒸発器８に対して大気を供給することができる。

エジェクター２には、加熱部６で加熱された後の高圧側冷媒と蒸発器８で生成した低圧側冷媒とが供給される。具体的には、エジェクター２において、加熱部６で加熱された後の高圧側冷媒はノズル２ａから噴射されて減圧される。そして、その減圧された部位に、吸引部２ｂを通って低圧側冷媒が供給され、低圧側冷媒と高圧側冷媒とが混合される。そして、低圧側冷媒と高圧側冷媒とが混合されて得られる冷媒がエジェクター２の出口部２ｃから吐出される。このように、エジェクター２では、吸引部２ｂに供給される低圧側冷媒が、ノズル２ａから噴射される高圧側冷媒によって吸引されるというポンプ作用が発揮される。

エジェクター２よりも下流側の冷媒循環経路１（共通部１Ｃ）に設けられる凝縮器３は、エジェクター２から吐出される冷媒を冷却して凝縮させる。本実施形態では、冷媒を冷却するために、熱媒流路１２を介して供給される第２熱媒の熱が用いられる。つまり、凝縮器３では、相対的に低温の第２熱媒と相対的に高温の冷媒との熱交換が行われることで、冷媒の温度は低下し及び第２熱媒の温度は上昇する。

加熱部６で高圧側冷媒を加熱するために利用された後の第１熱媒と、凝縮器３でエジェクター２から放出される冷媒を冷却するために利用された後の第２熱媒とは、合流部位１３で混合される。そして、その混合熱媒が有する温熱が熱利用装置１０に供給されて利用される。第１熱媒及び第２熱媒は例えば水であり、その場合には熱利用装置に温水が供給されるので、その温水を給湯用途で利用できる。

次に、図２を参照して本実施形態の熱供給装置の具体的な運用例（シミュレーション結果）について説明する。
図２は、図１に示した熱供給装置の各部におけるシミュレーション条件（第１熱媒、第２熱媒、冷媒などの温度、圧力、流量や、熱出力の条件）を示す図である。尚、第１熱媒及び第２熱媒は共に水であり、熱媒流路１１から熱媒流路１２が分岐する形態としている。供給されるときの水（第１熱媒及び第２熱媒）の温度を共に１０℃とする。蒸発器８に供給される大気の温度は７℃とし、蒸発器８における低圧側冷媒の沸点は−５．２℃とする。その他の条件は図２に示す通りである。そして、熱利用装置１０は給湯装置であり、４２℃の湯（水）を２０リットル／分の流量で出湯するとする。つまり、熱供給装置は、給湯装置としての熱利用装置１０に対して４５ｋＷのエネルギーを供給する。
このような条件下で給湯装置としての熱利用装置１０に４２℃の湯（水）を２０リットル／分の流量で出湯するとしたとき、熱源機９における燃料（ガス）消費量は３２．８ｋＷ（熱源機９の熱効率（ＨＨＶ）は９５％）となり、昇圧ポンプ５を駆動するために０．０３５９ｋＷ（効率１００％を想定）のエネルギーが必要と導出された。以上の結果、熱供給装置から熱利用装置１０に湯を供給するときの給湯ＣＯＰは１．３５という高い値となった。

以上のように、本実施形態の熱供給装置において、昇圧ポンプ５と加熱部６と減圧器７と蒸発器８とエジェクター２と凝縮器３とを冷媒が循環するエジェクターサイクルは、第１熱媒が有する熱及び第２熱媒が有する熱が関与することで駆動される。加えて、加熱部６においてエジェクターサイクルを通流する冷媒に熱を与えるために第１熱媒を用い、凝縮器３においてエジェクターサイクルを通流する冷媒から熱を奪うために第２熱媒を用いる構成としている。そして、加熱部６においてエジェクターサイクルを通流する冷媒に熱を与えるために用いた後の第１熱媒と、凝縮器３においてエジェクターサイクルを通流する冷媒から熱を回収した後の第２熱媒とは、混合されて熱利用装置１０に供給される。このように、第１熱媒が元来有していた熱及び熱源機９によって第１熱媒に加えられた熱は、エジェクターサイクルの駆動用に与えるための熱として利用されると共に熱利用装置１０に供給され、並びに、エジェクターサイクルから放出された熱は第２熱媒によって回収された後で熱利用装置１０へ供給される。従って、本実施形態の熱供給装置は、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱を効率的に運用できるものとなる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、熱供給装置を構成する熱源機９、昇圧ポンプ５、加熱部６、減圧器７、蒸発器８、エジェクター２、凝縮器３の具体的な構成は適宜選択できる。上記実施形態では、熱源機９がガスや灯油などの燃料を燃焼する燃焼器９ａを有する構成を説明したが、他の構成の熱源機を用いることもできる。例えば、熱源機９を、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置を用いて実現することができる。このような熱電併給装置としては、例えば、ガス、ガソリン、軽油などの燃料を消費してエンジンやタービンを駆動させ、その駆動力を利用して発電機を発電運転させると共に、エンジンやタービンで発生した温熱を回収するような装置や、燃料電池発電装置のように、燃料を消費して発電すると共に、発電時に発生する温熱を回収するような装置がある。他にも、熱源機９を、太陽熱などの再生可能エネルギーから温熱を集める装置などを用いて実現することができる。

＜２＞
上記実施形態において、蒸発器８で低圧側冷媒を蒸発させるために利用された後の大気（温度が低下した大気）が有する冷熱を、他の装置（熱利用装置１０の一例としての冷房装置など）で利用させることもできる。

本発明は、エジェクターサイクルの駆動に関与する熱を効率的に運用できる熱供給装置に利用できる。

１ 冷媒循環経路
１Ａ 高圧側循環経路
１Ｂ 低圧側循環経路
１Ｃ 共通部
２ エジェクター
２ａ ノズル
２ｂ 吸引部
２ｃ 出口部
３ 凝縮器
５ 昇圧ポンプ
６ 加熱部
７ 減圧器
８ 蒸発器
９ 熱源機
９ａ 燃焼器
１０ 熱利用装置

Claims (3)

1. 熱利用装置に熱を供給するための熱供給装置であって、
   供給される第１熱媒を加熱する熱源機と、
   凝縮器から供給される冷媒を昇圧して高圧側冷媒を生成する昇圧ポンプと、
   前記昇圧ポンプから放出される前記高圧側冷媒を、前記熱源機で昇温された後の前記第１熱媒が有する熱を利用して加熱する加熱部と、
   前記凝縮器から供給される冷媒を減圧して低圧側冷媒を生成する減圧器と、
   前記減圧器から放出される前記低圧側冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記加熱部で加熱した後の前記高圧側冷媒を減圧することにより前記蒸発器から供給される前記低圧側冷媒を吸引し、当該低圧側冷媒を前記高圧側冷媒と混合させて吐出するエジェクターと、
   前記エジェクターから吐出される冷媒を、供給される第２熱媒が有する熱により冷却して凝縮させる前記凝縮器とを備え、
   前記加熱部で前記高圧側冷媒を加熱するために利用した後の前記第１熱媒と前記凝縮器で前記エジェクターから放出される冷媒を冷却するために利用した後の前記第２熱媒とが混合された混合熱媒が有する温熱を、前記熱利用装置に供給する熱供給装置。
2. 前記第１熱媒及び前記第２熱媒は水である請求項１に記載の熱供給装置。
3. 前記熱源機は、燃料を燃焼して得られる燃焼熱を利用して前記第１熱媒を加熱する請求項１又は２に記載の熱供給装置。

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