JPWO2014185525A1 - エネルギー変換システム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の第1の実施形態を図1に基づいて説明する。本実施形態では、冷凍サイクルを加熱装置、具体的には加熱を主目的とするヒートポンプに適用した例について説明する。
前記図1において本実施形態に係るエネルギー変換システム1は、蒸気圧縮式冷凍サイクルをなす複数の冷凍サイクル部10、20を備え、各冷凍サイクル部10、20における、被加熱媒体の流路同士を直列に相互接続されると共に、被冷却媒体の流路同士を並列に相互接続されてなる複数段構成であり、各冷凍サイクル部10、20ごとにヒートポンプとして被加熱媒体に対し熱媒体から熱を放出して加熱するものである。
この後、熱媒体は蒸発器11内に戻り、前記同様に蒸発器11での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
この凝縮器23での凝縮で得られた液相の熱媒体は、凝縮器23外に排出された後、減圧弁24を経由して膨張し、圧力及び温度を低減させた状態となった上で、さらに蒸発器21へ向け進むこととなる。
こうして第二の冷凍サイクル部20の熱媒体は蒸発器21内に戻り、前記同様に蒸発器21での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
本発明の第2の実施形態を図2に基づいて説明する。本実施形態では、冷凍サイクルを冷却装置、具体的には冷凍機に適用した例について説明する。
前記図2において本実施形態に係るエネルギー変換システム2は、前記第1の実施形態同様、複数の冷凍サイクル部10、20を備える一方、異なる点として、各冷凍サイクル部10、20における、凝縮器側の被加熱媒体の流路同士を並列に相互接続されると共に、蒸発器側の被冷却媒体の流路同士を直列に相互接続される構成を有して、各冷凍サイクル部10、20ごとに冷凍機として被冷却媒体から熱媒体が熱を受け取って冷却するものである。
例えば、空気中や、水の自然の水面位置より下側に、凝縮器13、23をなす熱交換器の全体が位置するようにして、熱交換器内部を流通する熱媒体と、熱交換器の周囲の空気や水とを熱交換させる状態としてもよい。
この後、熱媒体は蒸発器11内に戻り、前記同様に蒸発器11での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
こうして第二の冷凍サイクル部20の熱媒体は蒸発器21内に戻り、前記同様に蒸発器21での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
ただし、本発明のエネルギー変換システムについての成績係数等の性能に係る値を求めるにあたっては、特記しない限り、圧縮機等の内部効率、機械効率、熱交換器での圧力損失等は考慮しない。
まず、実施例1として、前記第1の実施形態同様のエネルギー変換システム、すなわち、図1に示すように冷凍サイクル部を二段構成として、被冷却媒体を各冷凍サイクル部の蒸発器にそれぞれ並列に流すと共に、被加熱媒体を各冷凍サイクル部の凝縮器に連続して流し、これら被冷却媒体や被加熱媒体を各冷却サイクル部でそれぞれ熱媒体と熱交換するもの、を加熱用のヒートポンプとして用いる場合について、成績係数等の値を算出した。
なお、被冷却媒体や被加熱媒体の温度条件、全体の冷凍能力、蒸発器や凝縮器の熱コンダクタンス、及び被冷却媒体の流量については、特記しない限り、前記実施例1の本発明に係るシステムの設定値と同じである。
COP={mWF1・(h2−h3)+mWF2・(h6−h7)}/{mWF1・(h2−h1)+mWF2・(h6−h5)}
={6.23・(431.93−287.52)+7.61・(440.64−322.40)}/{6.23・(431.93−409.48)+7.61・(440.64−409.56)}
=4.781
である。
COP=(h2−h3)/(h2−h1)
={(441.29−322.39)/(441.29−407.05)
=3.472
である。
COP={mWF1・(h2−h3)+mWF2・(h6−h7)}/{mWF1・(h2−h1)+mWF2・(h6−h5)}
={6.20・(432.59−287.52)+7.61・(440.64−322.40)}/{6.20・(432.59−406.81)+7.61・(440.64−409.56)}
=4.540
である。
COP=mWFH・(h4−h5)/{mWFH・(h4−h3)+mWFL・(h2−h1)}
=15.63・(437.55−322.39)/{15.63・(437.55−421.15)+9.515・(424.48−407.04)}
=4.264
である。
COP=mWFH・(h2−h3)/{mWFH・(h2−h1)+mWFL・(h6−h5)}
=15.63・(437.23−322.39)/{15.63・(437.23−422.10)+9.921・(426.79−407.04)}
=4.157
である。
続いて、実施例2として、前記第2の実施形態同様のエネルギー変換システム、すなわち、図2に示すように冷凍サイクル部を二段構成として、被冷却媒体を各冷凍サイクル部の蒸発器にそれぞれ連続して流すと共に、被加熱媒体を各冷凍サイクル部の凝縮器にそれぞれ並列に流し、これら被冷却媒体や被加熱媒体を各冷凍サイクル部で熱媒体と熱交換するもの、を冷凍機として用いる場合について、成績係数等の値を算出した。
COP={mWF1・(h1−h4)+mWF2・(h5−h8)}/{mWF1・(h2−h1)+mWF2・(h6−h5)}
={6.59・(380.29−243.83)+6.16・(389.60−243.48)}/{6.59・(427.15−380.29)+6.16・(422.50−389.60)}
=3.518
である。
COP=(h1−h4)/(h2−h1)
=(380.32−249.86)/(429.68−380.32)
=2.643
である。
COP={mWF1・(h1−h4)+mWF2・(h5−h8)}/{mWF1・(h2−h1)+mWF2・(h6−h5)}
={6.59・(380.29−243.83)+6.49・(389.60−250.89)}/{6.59・(427.15−380.29)+6.49・(425.53−389.60)}
=3.320
である。
COP=mWFL・(h1−h8)/{mWFH・(h4−h3)+mWFL・(h2−h1)}
=9.903・(380.32−198.56)/{13.94・(422.87−397.91)+9.903・(404.44−380.32)}
=3.067
である。
COP=mWFL・(h5−h8)/{mWFH・(h2−h1)+mWFL・(h6−h5)}
=10.32・(380.32−205.95)/{14.11・(422.27−400.00)+10.32・(408.68−380.32)}
=2.96
である。
さらに、実験装置を用いて、蒸気圧縮冷凍サイクルの複数段構成の有効性を、単段蒸気圧縮冷凍サイクルと比較しつつ評価した。
実験装置は、供給される被冷却媒体や被加熱媒体を共通に熱媒体との熱交換の対象とする二つの冷凍サイクル部、詳細には、一段目の高温側サイクル(Cycle−No.1)と二段目の低温側サイクル(Cycle−No.2)、を有する二段構成である。各冷凍サイクル部の蒸発器における被冷却媒体の流路、並びに凝縮器における被加熱媒体の流路は、図6に示すものと同様、冷凍サイクル部間でそれぞれ直列に接続されて設置される。そして、被冷却媒体としての温水はCycle−No.1の蒸発器を通った後、Cycle−No.2の蒸発器へ流れ込み、また、被加熱媒体としての冷水はCycle−No.2の凝縮器を通った後、Cycle−No.1の凝縮器へ流れ込む。一方、各々のサイクルにおける構成及び熱媒体のサイクル各部を循環する経路は、図5に示す基礎的な蒸気圧縮冷凍サイクルと同様である。
実験装置で用いる蒸発器、凝縮器はいずれもプレート式熱交換器((株)日阪製作所製BXN−024−NU−10)であり、基礎的な単段蒸気圧縮冷凍サイクルと二段サイクルとの伝熱面積の条件を等しくするために、単段サイクルの場合でも、二段サイクルと同様に蒸発器2基、凝縮器2基を用い、これら2基の蒸発器及び凝縮器をそれぞれ並列接続して総伝熱面積を二段サイクルと合わせている。
図20に、二段サイクルにおける全体に対する一段目の熱媒体流量割合mWF,1/mWFと熱通過係数UE、UCとの関係を示す。図20より、二段サイクルの方が単段サイクルよりも熱通過係数が大きい。このことから、熱交換器での熱交換過程における不可逆損失が低減しているといえる。
よって、二段サイクルの方が単段サイクルよりも高い出力を得られると見込まれる。また、熱媒体流量比が5:5の場合が最も熱源温度変化が小さいことから、熱媒体流量比が5:5の場合、すなわち流量比1:1の場合が最適条件だと考えられる。ただし、本実験の二段サイクルシステムでは、一段目は比較的に安定するが、二段目は不安定であり、二段目の状態が全体に及ぼす影響は大きいと考えられる。
10、20 冷凍サイクル部
11、21 蒸発器
12、22 圧縮機
13、23 凝縮器
14、24 減圧弁
31、32 ポンプ
Claims (2)
- 気相の熱媒体を圧縮して熱媒体の温度及び圧力を高める圧縮機と、当該圧縮機を出た熱媒体を所定の被加熱媒体と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の熱媒体を膨張させて圧力を低下させる膨張器と、当該膨張器を出た熱媒体を所定の被冷却媒体と熱交換させ、熱媒体を蒸発させ、蒸発した気相の熱媒体を前記圧縮機に向かわせる蒸発器とを少なくとも有する、冷凍サイクル部を複数備え、
当該複数の冷凍サイクル部が、各々の凝縮器における被加熱媒体の流路を直列に相互接続され、全ての凝縮器の被加熱媒体流路に同じ被加熱媒体が順に流れる状態とされると共に、各々の蒸発器における被冷却媒体の流路の少なくとも入口同士が全て連通するように各蒸発器の被冷却媒体流路を並列に相互接続され、各蒸発器の被冷却媒体流路に被冷却媒体がそれぞれ分配されて流れる状態とされてなり、
前記各冷凍サイクル部が、前記被加熱媒体を加熱する加熱装置として用いられることを
特徴とするエネルギー変換システム。 - 気相の熱媒体を圧縮して熱媒体の温度及び圧力を高める圧縮機と、当該圧縮機を出た熱媒体を所定の被加熱媒体と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の熱媒体を膨張させて圧力を低下させる膨張器と、当該膨張器を出た熱媒体を所定の被冷却媒体と熱交換させ、熱媒体を蒸発させ、蒸発した気相の熱媒体を前記圧縮機に向かわせる蒸発器とを少なくとも有する、冷凍サイクル部を複数備え、
当該複数の冷凍サイクル部が、各々の蒸発器における被冷却媒体流路を直列に相互接続され、全ての蒸発器の被冷却媒体流路に同じ被冷却媒体が順に流れる状態とされると共に、各々の凝縮器における被加熱媒体流路の少なくとも入口同士が全て連通するように各凝縮器の被加熱媒体流路を並列に相互接続され、各凝縮器の被加熱媒体流路に被加熱媒体がそれぞれ分配されて流れる状態とされてなり、
前記各冷凍サイクル部が、前記被冷却媒体を冷却する冷却装置として用いられることを
特徴とするエネルギー変換システム。
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