JPH03148564A - ヒートポンプの作動方法 - Google Patents

ヒートポンプの作動方法

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JPH03148564A
JPH03148564A JP1286073A JP28607389A JPH03148564A JP H03148564 A JPH03148564 A JP H03148564A JP 1286073 A JP1286073 A JP 1286073A JP 28607389 A JP28607389 A JP 28607389A JP H03148564 A JPH03148564 A JP H03148564A
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cycle
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入江 年優
Toru Isoda
磯田 徹
Shuhei Miyauchi
宮内 修平
Taizo Imoto
泰造 井本
Yukio Fujishima
藤島 征雄
Yasuhiro Hatano
波多野 泰弘
Masami Ogata
正実 緒方
Yukitoshi Urata
浦田 幸敏
Tamotsu Ishikawa
保 石川
Masayuki Kawabata
川端 政行
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はヒートポンプの作動方法、特に蒸気取出側凝縮
器における冷媒凝縮液の過冷却度を大ならしめ、成績係
数及び交換熱量を増大させる蒸気上記ヒートポンプの作
動方法に関するものである。
(従来の技術) 高沸点冷媒を使用する高温側ヒートポンプサイクルと低
沸点冷媒を使用する低温側ヒートポンプサイクルとを組
合わせ、高温の熱出力を高温側ヒートポンプサイクルか
ら、一方、低温の熱出力を低温側ヒートポンプサイクル
から取り出すようにした、いわゆる2元ヒートポンプは
広く知られており、特開vi62−52376号公報(
同62−5237フー号公報、実開昭5フー2364号
公報及び実開昭63−2053号公報などにより開示さ
れている。
この2元ヒートポンプの基本的なサイクル構成は例えば
第4図に示す如くであり、高温側サイクルとして圧縮機
(1)、凝縮器(2)、膨張弁(3)、アキュムレータ
(5)が順次、接続配管されていると共に、一方の低温
側サイクルは、圧縮機(6)、膨張弁(7)、蒸発器(
8)、アキュムレータ(9)、が順次、接続配管されて
いて、これら、低温側サイクルの凝縮器と高温側サイク
ルの蒸発器とがカスケードコンデンサ(4)によって熱
的に結合されて両サイクルはその凝縮器(2)では被加
熱水入口(1(+1より供給される被加熱水、例えば水
が冷媒と対向流で熱交換さて蒸気として出口卸より取出
され、一方、蒸発器(8)では人口0乃より供給される
熱源水が冷媒と熱交換されて冷水として出口(2)より
取出され得る構成となっている。
そして、通常、上記高温側サイクルにはフロンR−11
3,R−l 14等の高沸点冷媒が、一方、低温側サイ
クルにはR−12,R−22等の低沸点冷媒が用いられ
ている。
ところで、上記の如き2元ヒートポンプにおけるヒート
ポンプの成績係数及び到達温度は、冷媒が決まっている
場合、通常、 (イ)圧縮機、凝縮器、蒸発器などの機器(ロ)凝縮時
において、相互に熱交換する二流体である高温冷媒と被
加熱流体(水)の入ロー温度、流量 (ハ)蒸発条件(蒸廃側で相互に熱交換する二流体の流
量、温度) などの条件によって決まる。
従って成績係数及び到達温度は冷媒、圧縮機、蒸発器を
同等とし、蒸発条件(流量、温度)が一定の場合、凝縮
器側の熱交換条件で決まることとなる。
ところが、前記従来の2元ヒートポンプの冷凍サイクル
は一般的に温度勾配では第5図(イ)に示すように高温
冷媒の凝縮器入口(圧縮機出口)(a)で過熱ガス状態
に保持された冷媒は凝縮器内部偽)〜(e)において飽
和ガス状態より飽和液状態へと温度を変化させ、凝縮器
出口(膨張弁入口)(d)において過冷却液状態へと変
化する動作状態を示しており、一方、モリエル線図では
第5図(ロ)の如く、先ず圧wi機(1)で加圧圧縮さ
れる過程(a−b)でエンタルピはiI′から1□′の
状態へ変化し、次いで、凝縮器で被加熱流体との熱−交
換によって冷却されて(b −c )圧力一定のままで
液化し、飽和液線位置is′を通り越して過冷却状態(
C−d)になってi4′へ至る状態を示している。
なお、(twt)、(tirz)は被加熱水入口温度と
出口温度−(e)、 (f)は低温冷媒の藩発器入口及
び出口である。
このように、従来の冷凍サイクルにおいては、膨張弁を
異常なく動作させるために過冷却度を確保することが行
われているが、現状として膨張弁を正常に動作させるの
に必要な過冷却度は通常3〜5℃程度とされている。
これについては又、従来のヒートポンプの凝縮器は冷媒
の飽和域における熱伝達率が最も大きく、加熱域および
過冷却域においてはそれ程、大きな熱伝達特性を得られ
ないために凝縮器のサイズが大きくなり、経済性が損な
われるとの判断、また大きさ故の圧力損失の増大による
成績係数の低下を防ぐために過冷却度を大きくとるのは
得策とは考えられていないことがある。
しかも、従来のヒートポンプにおける熱交換器の形成と
しては、シェル・アンド・チューブや並行流の熱交換器
のように完全対向流でない熱交換器を採用する場合が多
く見られ、このような場合、最低の入口水温により冷媒
液の冷却が出来ないため充分に冷媒液を冷却できない、
例えば並行流れの熱交換器であれば出口水温を90℃と
すると冷媒液は90℃以下にはできないという問題があ
る。
また、たとえ、対向流の熱交換器であったとしても、被
加熱水を循環しながら次第に温度を上昇させる方法をと
った場合、冷媒液を冷却する人口水温が時間と共に上昇
し高くなる。即ち、入口水温を90℃とすると冷媒液は
90℃以下にはできない。更に循環水の流量が大きいと
出入口温度差が交換熱量が同一の場合、小さくならざる
を得ない。従って同一の出口温度の場合、入口温度が大
きくなり冷媒液を十分冷却することはできないという問
題が残る。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は上述の如き従来のヒートポンプのもつ種々の課
題に着目し、特に凝縮器の設計ならびにその作動状態を
考慮することにより、上記問題を解決し、ヒートポンプ
について成績係数の増大をはかり、かつ質の高いエネル
ギーである高温度の蒸気又は熱水を得ることを目的とす
るものである。
(課題を解決するための手段) 即ち、上記目的に適合する本発明の特徴とするところは
、 (イ)完全対向流の熱交換方式を採用する。
(ロ)凝縮器入口水温を希望する凝縮器出口冷媒液の温
度以下とする。
(ハ)流量は可及的小さくする。
という高い出口水温〜大きな過冷却度を確保するための
必要条件に立脚し、これを満足することをふまえたもの
であり、先ず、第1に圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸
発器を含み、かつ前記凝縮器に被加熱流体貫流経路を併
設し、被加熱流体と冷媒を対向流となした冷凍サイクル
からなるしートポンブにおいて、前記凝縮器における冷
媒凝縮液の過冷却度を冷媒飽和温度と入口被加熱流体と
の温度差の20%以上とする作動方法にあり、また、第
2としては上記作動を2元ヒートポンプに適用し、圧縮
機、凝縮器、膨張弁、アキュムレータを順次、接続配管
し、かつ凝縮器に被加熱流体貫流経路を併設してなる高
温側サイクルと、圧縮機、膨張弁、蒸発器およびアキュ
ムレータを順次、接続し、前記蒸発器に被冷却水貫流経
路を併設してなる低温側サイクルとを高温側サイクルの
蒸発器と低温側サイクルの凝縮器とをカスケードコンデ
ンサによって熱交換可能に結合し、高温側サイクルの凝
縮器における被加熱流体と冷媒、低温側サイクルの蒸発
器における被冷却流体と冷媒ならびにカスケードコンデ
ンサ内における両サイクルの冷媒の流れを夫々対向流と
なした2元ヒートポンプにおいて前記高温側サイクルに
おける冷媒凝縮液の過冷却度を冷媒飽和温度と入口被加
熱流体との温度差の20%とすることを特徴とする特v
こで、上記ヒートポンプに使用される凝縮器は伝熱管と
してコルゲート付きワイヤーフィンチユーブを使用した
2重管であり、内管内に被加熱流体を通し、内外両管の
間隙に前記被加熱流体に対向して冷媒が通される。
なお、文中、過冷却度とは冷媒飽和温度と冷媒液出口温
度との差を云う。
(作用) 上記の如く作動することにより本発明におけるヒートポ
ンプサイクルは基本的に圧縮機にて冷媒高温高圧のガス
となり、凝縮器において対向して流れる被加熱流体に熱
を与えて冷媒液として液化し、その後、膨張弁を通って
気液混合状態として蒸発器に戻るが、このとき、冷媒側
の過冷却度を従来の3〜5℃に止まらず、冷媒飽和温度
、例えば高沸点冷媒R114として112℃位であるか
ら入口被加熱流体の温度を常温、例えば19.1℃とす
れば(l l 2−19.1) X□となり、18.5
8℃以上の過冷却度をとることにする。
このようにすれば成績係数は過冷却度を大きくするに従
って大きくなり、成績係数の向上は明らかとなる。
そして高温冷媒の凝縮器内部の飽和状態と出口の過冷却
状態位置とのエンタルピー差が従来より大となり、被加
熱流体の出入口温度差が大きくなり、効率よく冷媒凝縮
器飽和温度以上の高温の蒸気、熱水を得ることを可能と
する。
(実施例) 以下、更に本発明の実施例について説明する。
第1図(イ) 、 (U)は第4図(イ)、(II)に
比較した本発明ヒートポンプ作動方法における動作状態
としての温度勾配及び冷媒R114モリエル線図を示す
同図より明らかなように温度勾配は本発明においては高
温冷媒の凝縮器入口(A)で過熱ガス状態に保持された
冷媒(Rl 14)は凝縮器内部(B)〜(C)におい
て、飽和ガス状態より飽和液状態へと温度を変化させて
いるが、この状態は従来の第5図(イ)に示す場合と殆
ど変わりない、しかし、凝縮器出口(ロ)において過冷
却状態に変化する態様は従来に比し変化が認められ、従
来僅かの過冷却度であったものが、第1図(イ)におい
ては大幅に変化し大きな過冷却状態に至ること及び水側
で被加熱流体の出入口温度差(twz)+ (tw、)
が第5図(イ)に比し大きくなっていることが示されて
いる。
又、第1図(II)のモリエル線図では凝縮器入口(A
)においてエンタルピiIは飽和ガス状態になると共に
12の状態に変動し更に凝縮器内部(B)〜(C)で被
加熱流体との熱交換によって冷却されて圧力一定のまま
液化し飽和液線に到達して13となった後、更に凝縮器
出口(D)で過冷却状態として14に至るが従来の第5
図(If)に示す図に比較し本発明に係る第1図(0)
では13〜14間が延びており、過冷却度の増大を示し
ている。
なお、(11) 、 (F)は低温冷媒の蒸発器入口及
び出口である。
しかして上記ヒートポンプ作動に用いられるヒートポン
プの具体例としては第4図に示すと同様の圧縮機(1)
、被加熱流体貫流経路をもつ凝縮器(2)、膨張弁(3
)及びアキュムレータ(5)が順次接続配管された高温
側サイクルと、圧縮機(6)、膨張弁(7)、被加熱流
体貫流経路をもつ蒸発器(8)、及びアキエムレータ(
9)が順次接続配管された低温側サイクルが、低温側サ
イクルの凝縮器と、高温側サイクル蒸発器をカスケード
コンデンサ(イ)によって熱交換可能に結合された2元
ヒートポンプが一般に用いられるが低温側サイクルを除
いた高温側サイクルのみであっても同様に用いられる。
しかし何れの場合においても高温側サイクルの凝縮器に
おける冷媒と、被加熱流体人口α−よりの同流体とは互
いに対向して熱交換され出口a1より蒸気として取り出
されることが必要であり、また、2元ヒートポンプにお
いては更に低温側サイクルの蒸発器における冷媒と被熱
源水入口(財)より供給される冷却流体の流れ、カスケ
ードコンデンサにおける高温側と低温側の各サイクルの
冷媒の流れも対向流であることが肝要である。
第2図は上記ヒートポンプに用いられる凝縮器の詳細で
あり、コルゲート付ワイヤーフィンチユーブ(至)を使
用した2重管からなっており、冷媒はフィン(23)を
有する内管(22)と外管(21)の間隙を上から入っ
て通過し被加熱流体は内管(21)内を下から入って通
過する。
下記第1表に同凝縮器の具体的仕様の1例を、また第2
表に同凝縮器を運転して得られた試験結果を示す。
以下余白 第   1   表 1伝熱管 1コルゲート付ワイヤーフィンチユーブ 1
1形 状 12重管   、            
11外管 1φ25.4”X 1.2 X 23.0 
”     11内管 1φ12.7”X 1.7 X
 11.3 ”    II長  さ  la、s34
 m                       
  11伝熱面積10.154 at        
        ll伝熱管コルゲートピッチ1 4.
67  (鶴)      11伝熱管コルゲート深さ
 I  O,21(ms)lIワイヤーフィン高さ  
10.8(W)       ルイヤーフィンピッチ 
I  O,48(m)1以下余白 第   2   表 1      l 凝縮器  1           1過熱域飽和域1過冷却域交
換熱量(Kcal/h)              
      1凝縮器入口水温度(℃)    l  
     19.1    11凝縮器出口水温度(℃
)    l              198.7 冷媒液出口温度(℃)     l         
     159.5 飽和状態(℃)        l         
     11過熱度(℃)         l  
     7.1     11過冷却度(℃)   
     l             152.5 水流量(11b)l              ]1
冷媒流量(kg八>       1     275
.3−   11熱t (Kcal/h)      
  496 1512213937 11熱通過率(K
cal/m”h・C)    11131 13260
 1 1246 11冷媒側熱伝達率(Meal/m”
hc)11449 110859 1 1929  1
1水側熱伝達率(Kcal/m”hc)  15671
  5124 13873  11伝熱面積比率(%)
      +17.4 134.1 1 48.5 
  但し、第2表において 過冷却度=冷媒飽和温度−冷媒液出口温度交換熱量=水
流量× (被加熱水出口温度−被加熱水入口温度)次に第1図(
II)及び第4図(II)に対応し本発明と従来の場合
とのモリエル線図比較による具体例を掲げ2゜ 第  3   表  従来例 1−1b1  c ldl  e lfl1
温度 ℃1119.11112  1112 1107
  135  178  1μcal/kgl    
      l          l     l 
    l第   4   表 1 本発明 IAIBIcIDIEIFI1温度 ℃1
119.11112  1112  159.5135
  178   上記第3表及び第4表より本発明にお
いては冷媒液の過冷却のエンタルピ差が太きくなってい
ることが理解される。
更に上記本発明のヒートポンプにおける高温サイクル側
の高沸点冷媒(R114)凝縮器の過冷却度と成績係数
の関係について示せば下記第5表の通りである。
但し、試験条件は次の通りである。
(1)飽和圧力        Pc   18.2 
kgf/cJ(2)飽和温度       Tc  1
12.0℃(3)被加熱水入口温度   twl  I
LL℃(4)圧wi機入口工ンタルピーi6 145.
4  にcal/kg(5)圧縮機出口エンタルピーi
1 148.8  Kcal/kg以下余白 第   5   表   s     4.6451 107.4   12
7.1   6.4 11  lo   l  9.2
9 1 102.7   125.6   6.8 1
1 20  118−58 1 93.4   122
.9   7.6  +1 30  127.87  
 84−1   120.4 1 8.4 11 40
  137.16   74.81  118.0  
 9.1 11  so   14g、45   65
−61  115.7   9.7 11 60   
l 55.74   56.31  113.4   
10.4 1+  70 165−03   47.0
   ot、t    o、t  ll  80  l
 74.32   37.71 108.9   11
.7  なお、上表中、温度効率、成績係数及び過冷却
度は夫々下記に拠った。
(3)過冷却度= Tc −74= 112−74以上
は高沸点冷媒(R114)凝縮器の場合であが、次に低
沸点冷媒(R12)について凝縮器の具体的仕様ならび
に同凝縮器を運転して得られた試験結果を引続き第7表
、第7表に示す。
1伝熱管 1コルゲート付ワイヤーフィンチユーブ 1
1% 状 12重管                
I1外管 1φ31.8”  X 1.6 X 3(1
2”    lI内 °管 1319.05”  X 
0.95X  17.15”      11長  さ
  13,520  mX4            
            ll伝熱面積lo、B4= 
               lI伝熱管コルゲート
ビフチl  7.2  (M)       11伝熱
管コルゲート深さ l  (131(,as)    
   11ワイヤーフィン高さ  10.8(冒)  
    11ワイヤーフィンヒツチ10.48・(1D
1)I以下余白 第   フ   表 1     1 凝縮器 I I              1過熱域1飽和J!I
EI過冷却域11交換熱量(Kcal八>      
1    13630     11凝縮器入口水温度
(℃)    l              120
.4 1凝縮器出口水温度(℃)    l        
      196.2 I飽和温度(℃)       I         
    1 −84.6 I過熱度(℃)         l        
     150.6 I過冷却度(℃)        l        
      146.6 I水量(llh)Il 1冷媒流量(kg/h)       l      
       1303.9 1熱量(Kcal八>        1337016
47013790 11被加熱水出入口温差(℃)1 
18.7 13ロー0121.1  1なお、第3図(
イ) 、 (Im)は上記低沸点冷媒(R12)  −
について冷凍サイクルの温度勾配、及びモリエル線図を
示す。
図中、(trs)は飽和温度、(tws)は被加熱水液
域出口温度、(釉、)被加熱水飽和域出口温度を表す外
は第一1図におけると同様である。
(発明の効果) 以上、説明したように、本発明は高温側ヒートポンプサ
イクルにおいて、凝縮器の熱交換方式を対向流とし、冷
媒飽和温度と入口流体との温度差の20%以上、冷媒凝
縮液の過冷却度をとれるように作動するものであり、冷
媒液の過冷却のエンタルピ差が大きく被加熱流体の出入
口温度差が大きいことから、流量と被加熱流体の出入口
温度差によって決まる交換熱量が流量が小さくでも太き
くなり、熱交換効率を高めることが出来ることはもとよ
り、出口水温をより一層高める顕著な効果が期待される
また、上記の如(過冷却度が太き(なり、過冷却域及び
過熱域でのエンタルピ差の増大の結果、対向流方式と相
俟ってCOP  (成績係数)を向上させ、取得熱水(
蒸気)温度のよりーHの高温化を可能とし、質の高いエ
ネルギーである高温度(蒸気、熱水)を得る上に頗る実
効を発揮す本。
また、請求項2記載の冷水、熱水同時取出し可能な2元
ヒートポンプに適用した場合には流量が少な(て済むこ
とがら圧縮機の容量を小さくし装置コストを低減するこ
とは勿論、被冷却流体の冷却効率にも好結果を与え、よ
り実用性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るヒートポンプ作動の動作状態図で
(イ)は温度勾配、(n)はモリエル線図である。 第2図(イ) 、 ([1) 、 (ハ)−は本発明に
おけるヒートポンプに使用される高温側サイクルの凝縮
器の1例を示す平面図、側面図及び一部拡大図、第3図
は本発明におけるヒートポンプの1例を示すサイクル系
統図、第4図(() 、 (D)は上記サイクルにもと
づ(従来の動作状態図で、(イ)は温度勾配図、(証)
はモリエル線図である。 (1)、 (6)−・・圧縮機、 (2》・・・凝縮器、 (3)、(刀・・・膨張弁、 (4》・・・カスケードコンデンサ、 (5)、 (9)・・・アキュムレータ、(自)・・・
被加熱流体、 aト・・蒸気出口、 (ロ)・・・熱源水入口、 Ql・・・冷水出口。 特許出願人   大   阪   府 西淀空調機株式会社 代理人 弁理士  宮 本 泰 − 第1図 (()A (,ン卜1り【イ璽り)     7 //−・ (ロ) (15)    (ig) 第2図 7″/ (口     /2 −/% 23(パ) \、峨−ロコ ノ  々{果−冒 −クク〇− 第3図 (玲f141l)  /i 7、.≦(水す1) (ロ)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を含み、かつ
    凝縮器に被加熱流体貫流経路を併設すると共に、被加熱
    流体と冷媒を互いに対向する流れ方向となしたヒートポ
    ンプサイクルにおいて、前記凝縮器における冷媒凝縮液
    の過冷却度を冷媒飽和温度と入口被加熱流体との温度差
    の20%以上とすることを特徴とするヒートポンプの作
    動方法。 2、凝縮器に被加熱流体貫流経路を併設して該凝縮器を
    蒸気取り出し用とする高温側ヒートポンプサイクルと、
    蒸発器に被冷却水貫流経路を併設して該蒸発器を冷水取
    り出し用とする低温側ヒートポンプサイクルとを高温側
    ヒートポンプサイクルの蒸発器と、低温側ヒートポンプ
    サイクルの凝縮器とが熱交換するカスケードコンデンサ
    によって結合すると共に前記凝縮器における冷媒と被加
    熱流体及び前記蒸発器における冷媒と被冷却流体ならび
    にカスケードコンデンサにおける熱交換される冷媒の流
    れを夫々対向流となした2元ヒートポンプサイクルにお
    いて前記高温側ヒートポンプサイクルの凝縮器における
    冷媒凝縮液の過冷却度を冷媒飽和温度と入口被加熱流体
    との温度差の20%とすることを特徴とするヒートポン
    プの作動方法。
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