JP6890021B2 - ターボ冷凍機、及びターボ冷凍機の運転方法 - Google Patents
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Description
このような構成とされたターボ冷凍機では、圧縮機の容量制御運転に伴い圧縮された高圧のガス冷媒を凝縮器に供給して凝縮液化させる。その後、減圧機構(膨張部)を用いて液冷媒を減圧膨張させて蒸発器に供給し、液冷媒を蒸発器で蒸発させて、圧縮機に戻す。
特許文献1には、減圧機構(膨張部)として、オリフィスを用いることが開示されている。
しかしながら、ターボ圧縮機を部分負荷運転する場合、流量係数が最適値からずれるため、オリフィスでの対応は困難となる。
また、上記構成とされた制御装置を有することで、ターボ冷凍機の大型化を抑制した上で、部分負荷運転時の性能の低下を抑制することができる。
さらに、このように、冷却水入口温度、冷却水出口温度、冷却水の流量、及び運転時の負荷率に基づいて、第1及び第2の流量の合計が所定の循環流量となるように、流量調整弁の開度を調節する制御装置を有することで、部分負荷運転時の性能の低下を抑制できる。
しかし、オリフィスと流量調整弁とを併用させることで、流量調整弁の大型化を抑制することができる。
また、このような運転を行うことで、部分負荷運転時の性能の低下を抑制することができる。
しかし、オリフィスと流量調整弁とを併用させることで、流量調整弁の大型化を抑制できる。
図1を参照して、本実施形態のターボ冷凍機10について説明する。図1では、一例として、蒸発部41で生成される冷却水を外部負荷6で使用する場合を例に挙げて説明する。図1では、説明の便宜上、ターボ冷凍機10の構成要素ではない外部負荷6を図示する。
冷凍サイクル9は、圧縮部15と、ライン16,32,43と、凝縮部17と、入口温度検出部18Aと、出口温度検出部18Bと、流量計18Cと、第1のライン19と、バイパスライン21,36と、第1の膨張部23と、と、第1の流量検出部26,39と、第2の流量検出部29,40と、中間冷却部31と、第2のライン34と、第2の膨張部38と、蒸発部41と、を有する。
低段側圧縮部51の入口側は、導入口15Aを介することで、ライン43の他端と接続されている。低段側圧縮部51の入口側には、ライン43を介することで、蒸発部41から導出された冷媒ガスが導入される。低段側圧縮部51の出口側は、高段側圧縮部52の入口側と接続されている。低段側圧縮部51により圧縮された冷媒ガスは、高段側圧縮部52の入口側に供給される。
凝縮部17内には、クーリング冷却塔11により冷却された冷却水が循環する冷却水循環ライン12の一部が配置されている。
入口温度検出部18Aは、制御装置14と電気的に接続されている。温度検出部18は、検出した冷却水入口温度に関する情報を制御装置14に送信する。
出口温度検出部18Bは、制御装置14と電気的に接続されている。出口温度検出部18Bは、検出した冷却水出口温度に関する情報を制御装置14に送信する。
第1の膨張部23を構成するオリフィス20は、第1のライン19に設けられている。定格運転時及び部分負荷運転時において、オリフィス20には、凝縮部17により生成された液冷媒が通過する。オリフィス20の開口径は、所望の性能を発揮可能な大きさとされている。
流量調整弁22は、バイパスライン21に設けられている。これにより、流量調整弁22は、オリフィス20に対して並列に接続されるとともに、凝縮部17で生成された液冷媒が通過可能な構成とされている。
流量調整弁22は、制御装置14と電気的に接続されている。流量調整弁22は、制御装置14により開閉状態(開度)が制御される。これにより、流量調整弁22は、凝縮部17で凝縮された冷媒の通過量を調整する。
図2に示す曲線A〜Eは、冷却水の温度が異なっている。曲線Aの冷却水の温度が最も高く、曲線Eの冷却水の温度が最も低い。曲線A、曲線B、曲線C、曲線D、曲線Eの順番で、冷却水の温度が低くなる。負荷率が同じ場合、冷却水の温度が低い方が、成績係数(COP)は高くなる。
図2の場合、部分負荷運転時において、成績係数(COP)が最大となる部分負荷ピークDTは、負荷率がX%(例えば、20%以上30%以下の所定の数値)のときの曲線Dのピーク位置となる。
一方、部分負荷ピークDT未満の負荷率(負荷率がX%未満)のときには、流量調整弁22を全閉とし、オリフィス20のみに凝縮部17で凝縮された冷媒を通過させる。
上記構成とされた第1の膨張部23は、凝縮された液冷媒を中間圧に減圧する。
第1の流量検出部26は、オリフィス20を流れる液状とされた冷媒の流量(以下、「第1の流量」という)を検出し、検出した第1の流量に関する情報を制御装置14に送信する。
第2の流量検出部29は、流量調整弁22を流れる液状とされた冷媒の第2の流量を検出し、検出した第2の流量に関する情報を制御装置14に送信する。
中間冷却部31は、導入口31Aと、導出口31B,31Cと、を有する。導入口31Aは、第1のライン19の他端と接続されている。導入口31Aには、第1の膨張部23により中間圧まで減圧された液冷媒が導入される。
第2のライン34は、他端が蒸発部41の導入口41Aと接続されている。第2のライン34は、蒸発部41の導入口41Aに液冷媒を供給する。
流量調整弁37は、バイパスライン36に設けられている。これにより、流量調整弁37は、オリフィス35に対して並列に接続されるとともに、中間冷却部31で気液分離された液冷媒が通過可能な構成とされている。
流量調整弁37としては、例えば、先に説明した流量調整弁22と同様なもの(例えば、電動ボール弁)を用いることが可能である。
一方、部分負荷ピークDT未満の負荷率(負荷率がX%未満)のときには、流量調整弁37を全閉とし、オリフィス35のみに液冷媒を通過させる。
上記構成とされた第2の膨張部38は、凝縮された液冷媒を低圧に減圧する。
第1の流量検出部39は、オリフィス35を流れる液状とされた冷媒の第1の流量を検出し、検出した第1の流量に関する情報を制御装置14に送信する。
第2の流量検出部40は、流量調整弁37を流れる液状とされた冷媒の第2の流量を検出し、検出した第2の流量に関する情報を制御装置14に送信する。
蒸発部41は、ライン43を介することで、生成したガス冷媒を圧縮部15の導入口15Aに供給する。
冷却水循環ライン12は、クーリング冷却塔11と接続されるとともに、一部が凝縮部17内に収容されている。冷却水循環ライン12は、クーリング冷却塔11と凝縮部17との間で冷却水を循環させる。
制御装置14は、負荷率取得部60と、圧縮部制御部61と、マップ記憶部62と、流量調整弁開度取得部64と、流量調整弁制御部66と、を有する。
負荷率X(%)={(任意の時点での負荷容量)/(定格運転時の負荷容量)}×100・・・(1)
負荷率取得部60は、取得した負荷率Xに関する情報を圧縮部制御部61及び流量調整弁開度取得部64に送信する。
図4に示す「液冷媒の循環流量」の直線は、冷媒の合計流量(導入口31Aに導入される液冷媒の流量)及び負荷率に対応する所定の循環流量を示している。
括弧内の温度は、冷却水入口温度を示している。例えば、(17℃)は、冷却水入口温度が17℃ということを意味している。
流量調整弁開度取得部64には、冷却水入口温度と、第1の流量検出部26,39及び第2の流量検出部29,40が検出した液冷媒の第1及び第2の流量と、が入力される。
このとき使用する流量調整弁22の開度のグラフは、冷却水の温度が同じものを用いる。また、流量調整弁22の開度は、負荷率Xを通過し、かつ縦軸に対して平行な点線と流量調整弁22の開度のグラフとが交わる位置が取得すべき流量調整弁22の開度となる。
流量調整弁制御部66は、流量調整弁22,37と電気的に接続されている。流量調整弁制御部66は、流量調整弁開度取得部64から送信された流量調整弁22,37の開度に関する情報に基づいて、流量調整弁22,37の開度をそれぞれ制御する。
しかし、上述した第1及び第2の膨張部23,38のように、オリフィス20,35と流量調整弁22,37とを併用させることで、流量調整弁22,37が大型化を抑制できる。
また、中間冷却部31と蒸発部41との間に配置された第2の膨張部38についても第1の膨張部23と同様な効果を得ることができる。
ターボ冷凍機10では、上述したように、部分負荷運転時での成績係数(COP)が最大となる部分負荷ピークDT以上の負荷率のときに、オリフィス20及び流量調整弁22に凝縮部17で凝縮された冷媒を通過させ、部分負荷ピークDT未満のときには、流量調整弁22を全閉とし、オリフィス20のみに凝縮部17で凝縮された冷媒を通過させる。
そして、第1の膨張部23と同様な構成とされた第2の膨張部38を介することで、低圧の液冷媒を蒸発部41に供給せる。
このような運転を行うことで、第1及び第2の膨張部23,38を構成する流量調整弁22,37の口径を小型化することが可能となるので、ターボ冷凍機10の大型化を抑制した上で、部分負荷運転時の性能の低下を抑制できる。
このような運転を行うことで、部分負荷運転時の性能の低下を抑制できる。
さらに、中間冷却部31を設けない場合には、第1のライン19を他端と導入口41Aとを接続させればよい。したがって、この場合、第2のライン34、バイパスライン36、及び第2の膨張部38、第1の流量検出部39、及び第2の流量検出部40は、不要となる。
Claims (7)
- 冷媒を圧縮する圧縮部、該圧縮部により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮部、該凝縮部より凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張部、及び該膨張部により膨張された前記冷媒を蒸発させ、前記圧縮部に供給する蒸発部を含み、前記冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、
前記膨張部は、前記凝縮部により凝縮された前記冷媒が通過するオリフィスと、
前記オリフィスに対して並列に接続され、前記凝縮部で凝縮された前記冷媒の通過量を調整可能な流量調整弁と、
前記流量調整弁と電気的に接続された制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、部分負荷運転時での成績係数が最大となる部分負荷ピーク以上の負荷率のときに、前記オリフィス及び前記流量調整弁に前記凝縮部で凝縮された前記冷媒を通過させ、前記部分負荷ピーク未満のときには、前記流量調整弁を全閉とし、前記オリフィスのみに前記凝縮部で凝縮された前記冷媒を通過させ、
前記制御装置と電気的に接続され、前記凝縮部内に導入される冷却水の温度である冷却水入口温度を検出する入口温度検出部と、
前記制御装置と電気的に接続され、前記凝縮部内から導出される冷却水の温度である冷却水出口温度を検出する出口温度検出部と、
前記冷却水の流量を計測する流量計と、
前記制御装置と電気的に接続され、前記オリフィスを流れる液状とされた前記冷媒の第1の流量を検出する第1の流量検出部と、
前記制御装置と電気的に接続され、前記流量調整弁を流れる液状とされた前記冷却水の第2の流量を検出する第2の流量検出部と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記冷却水入口温度、前記冷却水出口温度、前記冷却水の流量、及び運転時の負荷率に基づいて、前記第1及び第2の流量の合計が所定の循環流量となるように、前記流量調整弁の開度を調節するターボ冷凍機。 - 前記流量調整弁は、電動ボール弁である請求項1記載のターボ冷凍機。
- 前記凝縮部と前記蒸発部との間に配置され、前記圧縮部により圧縮された高温高圧の前記冷媒の一部を中間圧力まで減圧し、前記中間圧力まで減圧された前記冷媒を前記圧縮部に戻す中間冷却部を含み、
前記膨張部は、前記凝縮部と前記中間冷却部との間、及び前記中間冷却部と前記蒸発部との間にそれぞれ配置させる請求項1または2記載のターボ冷凍機。 - 前記凝縮部の導出口と前記中間冷却部の導入口とを接続する第1のラインと、
前記中間冷却部の導出口と前記蒸発部の導入口とを接続する第2のラインと、
を備え、
前記オリフィス及び前記流量調整弁のうち、一方を前記第1及び第2のラインにそれぞれ設け、
前記第1及び第2のラインに、前記一方をバイパスするバイパスラインをそれぞれ設けるとともに、前記オリフィス及び前記流量調整弁のうち、他方を前記バイパスラインに設ける請求項3記載のターボ冷凍機。 - 前記冷媒は、常用での圧力が0.2MPa以下の低圧冷媒である請求項1から4のいずれか一項記載のターボ冷凍機。
- 冷媒を圧縮する圧縮部、該圧縮部により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮部、該凝縮部より凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張部、及び該膨張部により膨張された前記冷媒を蒸発させ、前記圧縮部に供給する蒸発部を含み、前記冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、前記膨張部は、前記凝縮部により凝縮された前記冷媒が通過するオリフィス、及び前記オリフィスに対して並列に接続され、前記凝縮部で凝縮された前記冷媒の通過量を調整可能な流量調整弁を有するターボ冷凍機の運転方法であって、
部分負荷運転時での成績係数が最大となる部分負荷ピーク以上の負荷率のときに、前記オリフィス及び前記流量調整弁に前記凝縮部で凝縮された前記冷媒を通過させ、
前記部分負荷ピーク未満のときには、前記流量調整弁を全閉とし、前記オリフィスのみに前記凝縮部で凝縮された前記冷媒を通過させ、
前記凝縮部内に導入される冷却水の温度である冷却水入口温度と、前記凝縮部内から導出される冷却水の温度である冷却水出口温度と、前記冷却水の流量と、前記オリフィスを流れる液状とされた前記冷媒の第1の流量と、前記流量調整弁を流れる液状とされた前記冷却水の第2の流量と、運転時の負荷率と、に基づいて、前記第1及び第2の流量の合計が所定の循環流量となるように、前記流量調整弁の開度を調節するターボ冷凍機の運転方法。 - 前記冷媒は、常用での圧力が0.2MPa以下の低圧冷媒である請求項6記載のターボ冷凍機の運転方法。
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