JP6239900B2 - 熱源液体の供給方法及び熱源液体の供給システム - Google Patents

Description

本発明は、同一構成の熱交換器を多数並列接続し、各熱交換器に接続されている枝管に水やブラインを均一に供給する配管系（以下、「同一多負荷接続型配管系」という）において、これら液体を循環させる際に使用するポンプの動力を低減する、熱源液体の供給方法及び熱源液体の供給システムに関するものである。

同一多負荷接続型配管系では、各枝管に同じ設定流量の定流量弁を設置するダイレクトリターン方式、あるいは供給元となるポンプと各枝管を結ぶ配管長を等しくするリバースリターン方式とがあるが、いずれの方式も循環流量は一定であるものの、配管内の水やブラインは乱流である。

一方で、流体を同一系の配管によって移送する際に、その流体を周期的に加圧して加減速を繰り返し「脈動」を発生させ、流体の流れを乱流状態から層流状態に近づけ、管内壁と流体との摩擦抵抗係数を低減し、搬送動力を低減することが従来から提案されている（特許文献１、２）。

ＷＯ２００９／０４４７６４号公報 特開２０１２−２０２６８１号公報

しかしながら前記した従来文献においては、１の管路を通じて１の供給元から１の供給先に流体を供給する際の基本原理は開示されているものの、前記した同一多負荷接続型配管系に対して適用する際には、格別開示するところはなかった。したがって、たとえば寒冷地の高速鉄道等で採用されている線路脇に設置されている融雪システムなど、多数の熱交換器（負荷）に対して１の主管から各熱交換器に枝管を通じて熱源水を供給する際に、どのようにして脈動を利用して、ポンプ動力を低減させるかが問題となる。たとえば主管の層流化を図った場合、主管の流量や配管径が場所によって異なっているため、層流化する周期や流速変動幅の適正値は存在しない。一方、各枝管の層流化を図ろうとして、主管の流量を例えば０．５〜１．５倍に脈動させると、リバースリターン方式であれば、枝管自体の層流化は可能となるものの、主管における流量変動が大きいため、主管での圧損は極めて大きくなってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、前記した同一多負荷接続型配管系にある熱交換器に対して、ポンプを使用して水やブライン等の熱源液体を供給する際に、脈動を利用して当該ポンプの動力を低減させることを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、複数の同一構成の熱交換器を、枝管を通じて主管に対して並列接続し、各熱交換器に対して熱源液体をポンプによって供給する配管系において、前記複数の熱交換器を、半数ずつの２つのグループに分け、各グループの枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させて脈動を発生させるようにし、前記脈動の位相を、各グループ間で１８０度ずつずらすようにしたことを特徴としている。

本発明においては、同一多負荷接続型配管系の複数の熱交換器を、半数ずつの２つのグループに分け、各グループの枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させて脈動を発生させ、当該脈動の周期は、各グループ間で半周期ずつずらすようにしたので、主管の流量を変えることなく、したがって主管の圧力損失はそのままで、各枝管において、脈動流による枝管内の管内壁と熱源液体との摩擦抵抗係数を低減して、ポンプの搬送動力を低減することができる。

前記複数の熱交換器は、異なったグループに属する熱交換器が交互に並ぶように配置されていることが好ましい。

枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させるにあたっては、各枝管に設けた流量調整弁の開度制御によって行うようにしてもよい。

枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させるにあたっては、各枝管に設けた個別ポンプの制御によって行うようにしてもよい。

さらにまた、異なったグループに属する隣り合う２台１組の熱交換器対に対して、主管から１つの枝管を通じて取水し、当該枝管に三方弁を設け、当該三方弁に接続される他の２つの配管を、各々前記熱交換器対の各熱交換器に接続し、前記三方弁の開度制御によって前記２つの配管に流れる熱源液体の流量を、周期的に変化させるようにしてもよい。
別な観点による本発明は、複数の同一構成の熱交換器を、枝管を通じて主管に対して並列接続し、各熱交換器に対して熱源液体をポンプによって供給する熱源液体の供給システムであって、前記複数の熱交換器は、半数ずつの２つのグループに分けられ、かつ各グループの枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化して脈動が発生するように構成され、前記脈動の位相は、各グループ間で１８０度ずつずれていることを特徴とする、熱源液体の供給システムである。
かかる場合、前記複数の熱交換器は、異なったグループに属する熱交換器が交互に並ぶように配置されていてもよい。
また各枝管に設けた流量調整弁の開度制御によって、枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化するようにしてもよい。
さらにまた各枝管に設けた個別ポンプの制御によって、枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化するようにしてもよい。
また異なったグループに属する隣り合う２台１組の熱交換器対に対して、主管から１つの枝管を通じて取水するようにし、当該枝管に三方弁を設け、当該三方弁に接続される他の２つの配管を、各々前記熱交換器対の各熱交換器に接続し、前記三方弁の開度制御によって前記２つの配管に流れる熱源液体の流量が、周期的に変化するようにしてもよい。

本発明によれば、同一多負荷接続型配管系の複数の熱交換器に対して熱源液体を供給するにあたり、主管の圧力損失はそのままで、各枝管において、脈動流による枝管内の管内壁と熱源液体との摩擦抵抗係数を低減して、ポンプの搬送動力を低減することができる。

実施の形態が適用された温水供給システムの構成の概略を示す説明図である。 実施の形態にかかる温水供給システムにおける各枝管の目標流量指示例を示す表である。 脈動を発生させずに各管内に流体を流す構成の場合の圧力分布の説明図である。 各枝管において脈動を発生させた本実施形態における圧力分布の説明図である。 分流型の三方弁を用いて各枝管において脈動を半周期ずつずらすときの構成の説明図である。 混合型の三方弁を用いて各枝管において脈動を半周期ずつずらすときの構成の説明図である。

図１は、実施の形態が適用された温水供給システム１の構成の概略を示しており、ボイラ２によって生成された高温水が、ポンプ３によって熱交換機４に供給され、この熱交換器４よって水と熱交換されることで、供給される温水（熱源水）が生成される。

熱交換器４を出た温水は、ポンプ１１によって、負荷となる熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎ（Ｎは任意の自然数）に供給されるが、往きは往管１２を通じて、戻りは還管１３を通じてなされる。本実施の形態では、複数台、すなわちそれぞれＮ台ずつで合計２Ｎ台の熱交換器Ａ、Ｂが設置されている。

各熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎは、同一構成、同一定格であり、例えば互いに接続される融雪パネルのそれに相当する。同一構成の熱交換器とは、熱交換器を構成する配管径および配管形状が略同一であるものをいう。制御の都合上、これら各熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎは、Ａグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_ＮとＢグループの熱交換器Ｂ_１〜Ｂ_Ｎとにグループ分けられており、Ａグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_ＮとＢグループの熱交換器Ｂ_１〜Ｂ_Ｎとは、図１に示したように、交互に配列されている。

各熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎは、各々往管１２から供給枝管１４を通じて、温水を取水し、熱交換器Ａ、Ｂにて外部に熱を放出した後、帰還枝管１５を通じて降温した温水を、還管１３に戻すようになっている。

そして図１からも分かるように、本実施の形態では、各熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎは、熱交換器４とはいわゆるリバースリターン方式の同一多負荷接続型配管系を構成しており、各熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎと熱交換器４との間の管路長は、同一長さとなるように配管されている。各供給枝管１４には、それぞれ開閉によって流量制御を行うための、連続可変型の制御弁ＭＶが設けられている。

熱交換器４の出口付近の往管１２には、往管１２内の流体の温度を計測する温度センサｔ１が設けられ、熱交換器４の入口付近の還管１３には、還管１３内の流体の温度を計測する温度センサｔ２が設けられている。これら各温度センサｔ１、ｔ２の計測データは、制御装置Ｃに出力される。

制御装置Ｃには、圧力計測点Ｐ１、Ｐ３間の差圧を測定する差圧計１６からの出力、すなわち、往管１２と還管１３との間の差圧ｄＰ（換言すると供給枝管１４における圧損）が入力される。

制御装置Ｃは、各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）の管径、設定流量、主管の液温（主管の往管ｔ１、還管ｔ２の平均値）ｔから、液体の流れを層流状態に近づける脈動周期Ｔ、流速変動幅（流速の振幅／平均流速）を演算し、所定のスケジュールを組んだ時刻毎の目標流量を演算する。そして制御装置Ｃは、脈動周期Ｔ、流速変動幅、時刻毎の流量（目標流量）を実現するように、各制御弁ＭＶに対して開度を連続的（例えば１秒間に１回）に指示する。このとき、たとえばＡグループとＢグループの各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）の流量変動を、半周期ずらし（脈動流の位相を１８０度ずらし）、また往管１２、還管１３とで構成されている主管の流量は変化しないように制御するようになっている。

実施の形態にかかる温水供給システム１は、以上の構成を有しており、次にその制御例について説明する。

まず、与条件は次の通りである。
Ｎ＝１０００（即ち、枝管を供給枝管１４、帰還枝管１５の対で１本と扱い、Ａグループ、Ｂグループの合計で２０００本）、
各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）の設定流量ｑ_Ｓ＝７［Ｌ／ｍｉｎ］＝１．１７×１０^−４［ｍ^３／ｓ］、
各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）の管内径ｄ×管長＝０．０２［ｍ］×５５［ｍ］、
各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）における平均流速ｕ［ｍ／ｓ］＝流量［ｍ^３／ｓ］／（π×（管内径ｄ［ｍ］／２）^２）＝０．３７［ｍ／ｓ］

そして熱源液体として水を用い、その温度ｔは、１０℃とした。したがってｔ＝１０［℃］のとき、液体密度ρ＝１０００［ｋｇ／ｍ^３］、液体の動粘度ν＝１．３３［ｍｍ^２／ｓ］である。

そして枝管におけるレイノルズ数Ｒｅ＝５６００（枝管における一周期の平均値）、脈動による層流化の度合いを想定して、一周期平均の圧力勾配を求めると４９［Ｐａ／ｍ］を得て、一周期平均の壁面摩擦応力τ_ｗ＝ｄ/４×（一周期平均の圧力勾配）＝０．２４［Ｐａ］を得た。層流化するための条件を例えばＴ^*＝１０として脈動周期Ｔを求めると、Ｔ＝１０×ｄ／２／（τ_ｗ／ρ）^0.5＝６．４［ｓ］を得た。そして、例えばα_ａ＝（加速期間の平均圧力勾配／一周期平均の圧力勾配）＝４となるような流速変動幅（＝（流速の振幅／平均流速））を求めると、１．２２を得た。なお、以上の計算はＷＯ２００９／０４４７６４および「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｍｐ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｄｒａｇ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｐｉｐｅ Ｆｌｏｗ」（Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓｈｅａｒ Ｆｌｏｗ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，Ｓｅｏｕｌ， Ｋｏｒｅａ， ２， ７６１−７６５， ２００９）に開示された内容に基づいて行っている。この結果に基づく、各枝管の目標流量指示は、図２の表に示したとおりである。

そしてたとえば、図２の目標流量指示値となるように、ＡグループとＢグループの各枝管（供給枝管１４）の制御弁ＭＶの開度を制御することで、各枝管（供給枝管１４、帰還枝管１５）内の乱流を層流に近づけることができ、それに伴って、枝管内の管内壁と熱源液体との摩擦抵抗係数を低減して、ポンプ１１の搬送動力を低減することができる。なお、ＷＯ２００９／０４４７６４の［数８］を用いて求めた動力削減比［Ｒ_Ｗ］_Ｔは、６１．５％であった。

図３は図１に示した温水供給システム１において、脈動を発生させずに各管内に流体を流す構成とした比較例における圧力分布図であり、図４は各枝管において脈動を発生させた本実施形態における圧力分布図である。これらの図中、横軸はＮ（枝管の番号、ポンプから遠くなるほど大きくなる）、縦軸は圧力（配管内の水やブラインの圧力）を示す。なお、各枝管に流れる流体の設定流量は何れの場合も同量に設定している。また、図３、図４におけるｐ１〜ｐ５は、図１において示した下記の位置Ｐ１〜Ｐ５の地点における各圧力を示している。また図中、ａは熱交換器４の圧損、ｂは制御弁ＭＶの圧損、ｃはポンプ１１の差圧を示している。
位置Ｐ１：往管１２における、最も熱交換器４側に近い熱交換器Ａ_１の供給枝管１４との接続部の上流側
位置Ｐ２：往管１２における、熱交換器４から最も遠い位置にある熱交換器Ｂ_Ｎの供給枝管１４との接続部
位置Ｐ３：還管１３における、熱交換器４から最も近い位置にある熱交換器Ａ_１の帰還枝管１５との接続部
位置Ｐ４：還管１３における、熱交換器４から最も遠い位置にある熱交換器Ｂ_Ｎの帰還枝管１５と、還管１３との接続部の下流側
位置Ｐ５：還管１３における、ポンプ１１の入り口付近

上記の位置Ｐ１〜Ｐ５において最も圧力が高いのは、ポンプ１１から下流側で最も近い位置Ｐ１（Ｎ＝０）の圧力で、ｐ１となる。Ｎが増加する（ポンプ１１から遠ざかる）ほど、配管抵抗によって圧力は低下し、往管１２の圧力は図３の線Ｌ１のような分布になり、往管１２の末端（Ｐ２）では圧力ｐ２となる。往管１２と還管１３を結ぶ供給枝管１４では、熱交換器４と制御弁ＭＶの圧損によって（ｐ１−ｐ３）だけ圧力が低下する。供給枝管１４の形状はどれも同じなので、Ｎの値によらず圧力低下量は等しく、図３の線Ｌ１と線Ｌ２は平行になる。還管１３の圧力は、図３の線Ｌ２のような分布になり、末端（Ｐ４）ではｐ４となる。還管１４の末端からポンプ１１まで戻る間に、圧力は還管１４の配管抵抗によりｐ５までさらに低下する。

一方、実施の形態のように脈動させた場合、往管１２と還管１３においては流量も配管径も変わらないので、線Ｌ１と線Ｌ２の傾きは変わらない。しかし、供給枝管１４において層流化による圧損低減があるため、線Ｌ１と線Ｌ２の距離（供給枝管１４での圧力低下量）が小さくなる。供給枝管１４における圧力低下は制御弁ＭＶと熱交換器Ａ，Ｂ（図中矢印「制御弁の圧損」、「熱交換器の圧損」）で生じるが、隣り合った供給枝管１４で制御弁ＭＶの開度と流量の変動が半周期ずれている。その結果、図４のような圧力分布となる。

前記実施の形態では、往管１２、還管１３の接近した２点の差圧、すなわち枝管上下流の差圧ｄＰを測定するようにしているので、「一周期平均の圧力勾配」を「ｄＰ／各枝管の管長」で置き換えて計算してもよい。この場合、枝管における脈動による層流化の度合の想定が、より実態に近くなる。

なお前記した実施の形態では、各供給枝管１４に制御弁ＭＶを設け、Ａグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎと、ＢグループのＢ_１〜Ｂ_Ｎの脈動周期を半周期ずつずらすようにしたが、これに代えて、各供給枝管１４に対して個別にポンプと逆止弁を設け、これら各ポンプの制御（たとえばインバータ制御）によって、各供給枝管１４ごとに脈動を発生させ、Ａグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎと、ＢグループのＢ_１〜Ｂ_Ｎの脈動周期を半周期ずつずらすようにしてもよい。かかる制御も制御装置Ｃによって行なわれる。

さらにその他、図５に示したように、例えば異なったグループに属する隣り合う２台１組の熱交換器対Ｚ１、Ｚ２．．．の熱交換器Ａ１とＢ１、Ａ２とＢ２．．．に対して、主管１２から１つの取水管２１を通じて取水するようにし、この取水管２１に分流型の三方弁２２を設け、当該三方弁２２に接続される供給枝管１４、１４を、各々前記熱交換器対Ｚ１、Ｚ２．．．の各熱交換器Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２．．．に接続するようにしてもよい。また、図６に示したように、熱交換器対Ｚ１、Ｚ２．．．の熱交換器Ａ１とＢ１、Ａ２とＢ２．．．の帰還枝管１５を合流させて混合型の三方弁２２を介して還管１３に戻すようにしてもよい。こうすることで、三方弁２２の開度制御によって流量分配比（図５の分流型の場合）、あるいは混合比（図６の混合型の場合）を変化させることによって、三方弁２２に接続された各熱交換器対Ｚ１、Ｚ２．．．における２つの供給枝管１４、１４に流れる熱源液体の流量の脈動を、半周期ずつずらせて周期的に変化させるようにしてもよい。かかる三方弁２２の制御も制御装置Ｃによって行なわれる。

前記した温水供給システム１ではＡグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎと、ＢグループのＢ_１〜Ｂ_Ｎの２Ｎ台、すなわち偶数の熱交換器を用いた例を示した。この点に関し、例えば奇数の場合、すなわちＡグループの熱交換器Ａ_１〜Ａ_Ｎ＋１とＢグループのＢ_１〜Ｂ_Ｎの２Ｎ＋１台の熱交換器を用いる場合については、ＡグループとＢグループの流量を交互に脈動させると、主管の流量は一定とならずに一つの供給枝管１４に流れる分だけ流量が変動することになる。しかしＮの数が十分に大きければ（例えば１０以上、より好ましくは１００以上）、この変動分は大きな影響を及ぼすものではないので、奇数であっても本発明は、適用することが可能である。したがって、本発明において、「半数ずつ」とあっても、厳密に同数ずつでなくとも、本発明は適用される。

本発明は、同一多負荷接続型配管系にある熱交換器に熱源液体を供給する際に有用である。

１ 温水供給システム
２ ボイラ
３、１１ ポンプ
１２ 往還
１３ 還管
１４ 供給枝管
１５ 帰還枝管
１６ 差圧計
２１ 取水管
２２ 三方弁
Ａ_１〜Ａ_Ｎ、Ｂ_１〜Ｂ_Ｎ 熱交換器
Ｃ 制御装置
ＭＶ 制御弁
Ｐ１〜Ｐ５ 位置

Claims (10)

1. 複数の同一構成の熱交換器を、枝管を通じて主管に対して並列接続し、各熱交換器に対して熱源液体をポンプによって供給する配管系において、
   前記複数の熱交換器を、半数ずつの２つのグループに分け、各グループの枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させて脈動を発生させるようにし、
   前記脈動の位相を、各グループ間で１８０度ずつずらすようにしたことを特徴とする、熱源液体の供給方法。
2. 前記複数の熱交換器は、異なったグループに属する熱交換器が交互に並ぶように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱源液体の供給方法。
3. 枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させるにあたっては、各枝管に設けた流量調整弁の開度制御によって行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱源液体の供給方法。
4. 枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させるにあたっては、各枝管に設けた個別ポンプの制御によって行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱源液体の供給方法。
5. 枝管に流れる熱源液体の流量を周期的に変化させるにあたっては、異なったグループに属する隣り合う２台１組の熱交換器対に対して、
   主管から１つの枝管を通じて取水し、
   当該枝管に三方弁を設け、
   当該三方弁に接続される他の２つの配管を、各々前記熱交換器対の各熱交換器に接続し、
   前記三方弁の開度制御によって前記２つの配管に流れる熱源液体の流量を、周期的に変化させることを特徴とする、請求項２に記載の熱源液体の供給方法。
6. 複数の同一構成の熱交換器を、枝管を通じて主管に対して並列接続し、各熱交換器に対して熱源液体をポンプによって供給する熱源液体の供給システムであって、
   前記複数の熱交換器は、半数ずつの２つのグループに分けられ、かつ各グループの枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化して脈動が発生するように構成され、
   前記脈動の位相は、各グループ間で１８０度ずつずれていることを特徴とする、熱源液体の供給システム。
7. 前記複数の熱交換器は、異なったグループに属する熱交換器が交互に並ぶように配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の熱源液体の供給システム。
8. 各枝管に設けた流量調整弁の開度制御によって、枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化することを特徴とする、請求項６または７に記載の熱源液体の供給システム。
9. 各枝管に設けた個別ポンプの制御によって、枝管に流れる熱源液体の流量が周期的に変化することを特徴とする、請求項６または７に記載の熱源液体の供給システム。
10. 異なったグループに属する隣り合う２台１組の熱交換器対に対して、
    主管から１つの枝管を通じて取水し、
    当該枝管に三方弁を設け、
    当該三方弁に接続される他の２つの配管を、各々前記熱交換器対の各熱交換器に接続し、
    前記三方弁の開度制御によって前記２つの配管に流れる熱源液体の流量が、周期的に変化することを特徴とする、請求項７に記載の熱源液体の供給システム。

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