JPWO2019049678A1 - 循環冷却・冷凍システム - Google Patents

Abstract

氷点下のガスハイドレートを使用する循環冷却・冷凍システムの提供。ガスハイドレートの生成装置１、冷却対象２、分離器３を通り、生成装置１に戻る、氷点下のガスハイドレートを輸送するガスハイドレートライン１０を含む第１循環ラインと、生成装置１、圧縮機４、冷却器５および減圧器６を通り、生成装置１に戻るガスの第２循環ラインを有している循環冷却・冷凍システムであり、第１循環ラインにおける輸送対象が同一の液体キャリヤーと共に輸送されるものである。

Description

本発明は、各種プラント、各種冷却・冷凍装置、ヒートポンプ、各種空調システムなどの冷却対象の冷却に使用できる循環冷却・冷凍システムに関する。
背景技術

ガスハイドレートは、水分子の包接格子の中にガス分子が包接された氷状の包接化合物であり、生成時において発熱し、分解時において吸熱する性質を有していることが知られている。

このようなガスハイドレートの性質を利用した冷却システムなどが、特開２００３−１３９３５７号公報、特開２００４−１０１１３８号公報、特開２００４−１０１１３９号公報、特開２００４−１０１１４０号公報、特開２００６−１９４５４９号公報、および特開２００７−３２２０２５号公報から知られている。
発明の概要

本発明は、氷点下のガスハイドレートを使用した循環冷却・冷凍システムを提供することを課題とする。

本発明は、ガスハイドレートの生成装置、冷却対象、分離器、圧縮機、冷却器および減圧器を備えている循環冷却・冷凍システムであって、
前記ガスハイドレートの生成装置、前記冷却対象および前記分離器を通り、前記ガスハイドレートの生成装置に戻る、氷点下のガスハイドレートを輸送するガスハイドレートラインを含む第１循環ラインと、
前記ガスハイドレートの生成装置、前記圧縮機、前記冷却器および前記減圧器を通り、前記ガスハイドレートの生成装置に戻るガスの第２循環ラインを有しており、
前記第１循環ラインが、
前記ガスハイドレートラインと、前記ガスハイドレートが分解した後のガスと氷の混合相を輸送する混合相ラインと、前記分離器でガスと氷が分離された後の氷を輸送する氷ラインを有しており、前記第１循環ラインの各ラインにおける輸送対象が同一の液体キャリヤーと共に輸送されるものであり、
前記第２循環ラインが、
前記ガスハイドレートの生成装置と前記圧縮機の間において、前記第２循環ラインから前記ガスハイドレートの生成装置にガスを送るために分岐された第１ガス供給ラインと、
前記分離器で分離されたガスを前記圧縮機に送るために接続された第２ガス供給ラインを有している、循環冷却・冷凍システムを提供する。

本発明の循環冷却・冷凍システムは、氷点下のガスハイドレートとキャリヤーを使用することでガスハイドレートの輸送が円滑できるようになると共に、ガスハイドレートの分解潜熱を利用することで電力消費量を削減でき、−４０℃程度までの冷却および冷凍にも対応できるようになっている。

本発明の循環冷却・冷凍システムの概念図である。

＜循環冷却・冷凍システム＞
本発明の循環冷却・冷凍システムは、氷点下のガスハイドレートを利用し、前記氷点下のガスハイドレートの輸送手段として、氷点下においても液体であるキャリヤー（液体キャリヤー）を使用したことが特徴である。

図１に示す循環冷却・冷凍システムは、第１循環ラインと第２循環ラインを有している。

第１循環ラインは、ガスハイドレートの生成装置（以下「生成装置」という）１、冷却対象２および分離器３を通り、生成装置１に戻る循環ラインであり、ポンプ３０を駆動させることで循環されるものである。各ラインは、炭素鋼やステンレス鋼などの金属からなるパイプであり、必要に応じて断熱材で覆われているものである。

第１循環ラインの生成装置１は、内部において氷とガスからガスハイドレートを生成させるための装置である。生成装置１は炭素鋼やステンレス鋼などの金属からなり、外形が円柱形状、または円柱形状の本体部と、前記本体部の両端側が球面状のものからなる耐圧構造容器である。

生成装置１は、運転開始前の段階で内部に氷または水（好ましくは氷）を入れるための投入口を有しており、前記投入口は開閉自在の扉を有している。前記扉は、氷を入れた後は、生成装置１内部を密閉構造に維持できるものである。

生成装置１の内部には冷却装置７が配置されている。冷却装置７は、生成装置１内部を冷却できるものであればよく、冷却ガスを通すことができるコイル状の管、波形状の管、複数枚が組み合わされた冷却板などを使用することができる。

生成装置１は、必要に応じて装置内部の温度、圧力などを測定し、外部から確認できるようにされた温度計、圧力計などが取り付けられていてもよい。

冷却対象２は、冷却を必要とする各種プラント、各種冷却・冷凍装置、ヒートポンプ、各種空調システムなどであり、それらが有している熱交換器、冷却管などを介して冷却されるものである。

生成装置１と冷却対象２は、ガスハイドレートの輸送ライン１０で接続されており、ガスハイドレートは、ガスハイドレートの輸送を補助するためのキャリヤーと共に輸送される。

冷却対象２は、１つでもよいし、複数であってもよい。冷却対象２が複数ある場合には、第１循環ラインから複数の冷却対象のそれぞれと個別の循環ラインで接続されている形態、または第１循環ラインから第１の冷却対象、第１の冷却対象から第２の冷却対象、第２の冷却対象から第ｎ番目の冷却対象にというように複数の冷却対象が１本の循環ラインで接続されている形態にすることができる。冷却対象２が複数ある場合でも、その温度レベルはそれぞれの冷却対象に合わせて変更可能である。

分離器３は、冷却対象２を冷却する過程でガスハイドレートが分解されて生成したガスと、氷および液体状態のキャリヤーを分離するものである。冷却対象２と分離器３は、冷却対象２を冷却することでガスハイドレートが分解した後のガスと氷の混合相を輸送する混合相ライン１１で接続されている。

また分離器３と第２循環ライン中の圧縮機４は、第２ガスライン１４で接続されている。第２ガスライン１４には、分離器３からのリークした水成分によってハイドレートの再凝縮が懸念される際は、減圧器や予熱器を設置してもよい。

混合相ライン１１から分離器３に送られたガス、氷およびキャリヤーは、ガスが分離器３の上部空間に移動し、氷とキャリヤーが分離器３の下部空間に移動することで分離される。分離器３内には、必要に応じて、ミストを除去するためのミストエリミネーター装置３ａを配置することができる。

分離器３と生成装置１の間にはポンプ３０が配置されており、分離器３とポンプ３０は分離器３にて分離された後の氷を液体のキャリヤーと共に輸送する第１氷ライン１２で接続されており、ポンプ３０と生成装置１の間は第２氷ライン１３で接続されている。第１氷ライン１２と第２氷ライン１３から生成装置１内に戻された氷は、再度、生成装置１内においてガスハイドレートの製造に使用される。

第２循環ラインは、生成装置１、圧縮機４、冷却器５および減圧器６を通り、生成装置１に戻るガス循環ラインである。各ラインは、炭素鋼やステンレス鋼などからなるパイプであり、必要に応じて断熱材で覆われているものである。

圧縮機４は、ガスを圧縮するためのものである。圧力レベルは、減圧器６における減圧レベル（減圧によるガス温度降下レベル）との関係を考慮して決められる。生成装置１と圧縮機４は、第１ガスライン１８、第１ガスライン１８が接続された第２ガスライン１４により接続されている。

なお、図１では、圧縮機４と第２ガスライン１４が接続され、第１ガスライン１８が第２ガスライン１４に接続されているが、第１ガスライン１８が圧縮機４に接続され、第２ガスライン１４が第１ガスライン１８に接続されるようにしてもよいし、第１ガスライン１８と第２ガスライン１４が別々に圧縮機４に接続されるようにしてもよい。

第１ガスライン１８からは、生成装置１にガスを供給するためのガス供給ライン１９が分岐されている。

冷却器５は、圧縮機４において圧縮されることで昇温したガスを冷却するためのものである。圧縮機４と冷却器５は、第３ガスライン１５で接続されている。冷却器５は、水冷方式または空冷方式を使用することができる。

減圧器６は、冷却器５から送られてきた依然として高圧状態のガスを減圧することによる潜熱を利用してガス温度を大幅に低下させるためのものである。減圧器６と冷却器５は、第４ガスライン１６で接続されている。

減圧器６は、膨張器、膨張弁などを使用することができる。膨張器の場合、そこで得られた動力を圧縮機の動力源の一部として使用することができ、また等エントロピー膨張により膨張弁よりも温度を下げることが可能である。一方、膨張弁の場合、初期投資コストを大幅に下げることができる。

生成装置１内の冷却装置７と減圧器６は、第５ガスライン１７で接続されており、冷却装置７は第１ガスライン１８と接続されている。なお、第５ガスラインは、温度レベルと循環するガスによりガスもしくはガス・液混相となる。

＜循環冷却・冷凍システムの運転方法＞
図１により循環冷却・冷凍システムの運転方法を説明する。

循環冷却・冷凍システムの運転においては、第１循環ラインの循環運転と第２循環ラインの循環運転を並行して実施する。

最初に第２循環ラインのガスの循環運転を説明する。第２循環ライン内のガスは、循環冷却・冷凍システムの組み立て時において所要量を充填する。図１に示す循環冷却・冷凍システムは、運転開始後は密閉系であるため、ガス漏れなどの異常事態が生じない限り、ガスの補充は必要ない。

第２循環ライン内のガスは、ガスハイドレートの生成のために第１ガスライン１８から分岐されたガス供給ライン１９から生成装置１内に供給されるほか、生成装置１内に配置された冷却装置７の冷媒として使用される。

第２循環ライン内を循環するガスは、圧縮機４で圧縮されて（例えば１０〜３０ＭＰａ）、その後、冷却器５で冷却されたものを減圧器６で減圧する（例えば０．３〜０．９ＭＰａ）ことで生じる等エントロピー膨張もしくは等エンタルピー膨張によりさらに冷却される。

この冷却されたガスが生成装置１内の冷却装置７に供給され、冷却装置７により生成装置１内部が冷却される。このときの冷却温度は、ガスハイドレートの分解熱に必要な温度範囲、例えば氷点下〜−４０℃まの範囲に維持できる温度である。

冷却装置７を通ったガスは、第１ガスライン１８から圧縮機４に送られ、途中で第１ガスライン１８から分岐されたガス供給ライン１９から生成装置１内にガスハイドレートの生成用ガスとして供給される。

第２循環ラインには、ガス供給ライン１９を含めて、適宜ガス流量計、圧力計などを取り付けることができる。

次に、上記した第２循環ラインの循環運転と関連させながら第１循環ラインの循環運転を説明する。生成装置１は、予め所要量の氷または水を入れ、密閉された状態になっている。氷の量は、生成装置１の容積、冷却対象２に対する冷却・冷凍レベル、第１循環ライン内の循環量などを考慮して決定される。

生成装置１内に氷を入れた状態で、第１ガスライン１８から分岐されたガス供給ライン１９から生成装置１内にガスを吹き込んで氷と接触させる。ガスを吹き込んで行くことで生成装置１の内部は高圧になり、ガスハイドレートが生成される。

使用できるガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、などの炭化水素、二酸化炭素、窒素、空気、アンモニア、キセノンなどを挙げることができるが、氷点下のガスハイドレートを生成できるものであれば制限されるものではない。またハイドレートのタイプもStructure Ｉ，II，Ｈ型に制限はなく、取り扱う温度・圧力レベルと、熱量を考慮して選択できる。本発明では、メタン、プロパン、プロピレン、二酸化炭素もしくはそれらの混合物が好ましい。

生成装置１内でガスハイドレートが生成するときに発生する生成熱は、生成装置１外部の冷却媒体（水、海水、ブラインなど）と熱交換することもできるが、図１に示す循環冷却・冷凍システムでは、第２循環ラインにおける冷却装置７により第５ガスライン１７の潜熱および顕熱を使って冷却する。

また外部の冷却媒体（ＬＮＧなど）がある場合は、その冷熱を利用することでシステムの熱効率、エネルギー効率が上昇する。

ガスハイドレートが生成された生成装置１に接続されたガスハイドレート輸送ライン１０から冷却対象２までガスハイドレートを輸送するが、このとき生成装置１内に供給されたキャリヤーを利用してガスハイドレートを輸送する。

キャリヤーは、第１循環ライン内において氷点下でシャーベットもしくは氷状のガスハイドレート、または分離器３でガスハイドレートから分離された氷を輸送するためのものであり、生成装置１における冷却温度では液体状態を維持して、ガスハイドレートにならないものである。

キャリヤーは、予め生成装置１内に入れておいてもよいし、第２氷ライン１３に接続されたキャリヤータンク（図示せず）から供給するようにしてもよい。

キャリヤーとしては、プロパノール、ブタノール等のアルコール、オクタン、ノナン、デカンなどの炭素数８〜１０の炭化水素を挙げることができるが、生成装置1における冷却温度において液体状態を維持して、ガスハイドレートにならないものであれば制限されるものではない。キャリヤーは、その融点と生成装置１おける冷却温度の両方を考慮して選択することができる。

ガスハイドレートは輸送ライン１０により冷却対象２に送られ、そこで冷却対象２を冷却することで自らは分解して氷とガスになるが、分解時の吸熱反応（分解潜熱）によりさらに冷却対象を冷却する。冷却対象２が複数ある場合には、複数の冷却対象２を冷却する。

冷却対象２を冷却したあとの氷とガスの混合相は、キャリヤーと共に混合相ライン１１から分離器３に送られて、ガスと、氷およびキャリヤーに分離される。分離器３で分離されたガスは、第２ガスライン１４から圧縮機４に送られ、第２循環ラインのガス流と合流する。

分離器３で分離された氷とキャリヤーは、ポンプ３０を駆動させることで、第１氷ライン１２と第２氷ライン１３を経て生成装置１に送られて、ガスハイドレートの生成に利用される。

本発明の循環冷却・冷凍システムは、上記のようにして第１循環ラインの循環運転と第２循環ラインの循環運転が繰り返されることで、冷却対象を冷媒にプロパンなどの炭化水素を使用した場合と同様の−４０℃程度までの温度範囲で冷却・冷凍することができる。

また本発明の循環冷却・冷凍システムは、冷媒にプロパンなどの炭化水素を使用した場合のように蒸発熱を利用して冷却・冷凍するものではなく、ガスハイドレートが分解するときの分解潜熱を利用して冷却・冷凍するものであるため、例えばプロパンを使用した場合と比べると電力消費量が１／３程度にまで削減される。

さらに本発明の循環冷却・冷凍システムは、プロパンなどの炭化水素と比べると利用価値の小さい二酸化炭素も使用できる点でも優れている。
産業上の利用可能性

本発明の循環冷却・冷凍システムは、各種プラント、各種冷却・冷凍装置、ヒートポンプ、各種空調装置などの冷却または冷凍に利用することができる。
符号の説明

１ ガスハイドレート生成装置
２ 冷却対象
３ 分離器
４ 圧縮機
５ 冷却器
６ 減圧器
７ 冷却装置

Claims (5)

1. ガスハイドレートの生成装置、冷却対象、分離器、圧縮機、冷却器および減圧器を備えている循環冷却・冷凍システムであって、
   前記ガスハイドレートの生成装置、前記冷却対象および前記分離器を通り、前記ガスハイドレートの生成装置に戻る、氷点下のガスハイドレートを輸送するガスハイドレートラインを含む第１循環ラインと、
   前記ガスハイドレートの生成装置、前記圧縮機、前記冷却器および前記減圧器を通り、前記ガスハイドレートの生成装置に戻るガスの第２循環ラインを有しており、
   前記第１循環ラインが、
   前記ガスハイドレートラインと、前記ガスハイドレートが分解した後のガスと氷の混合相を輸送する混合相ラインと、前記分離器でガスと氷が分離された後の氷を輸送する氷ラインを有しており、前記第１循環ラインの各ラインにおける輸送対象が同一の液体キャリヤーと共に輸送されるものであり、
   前記第２循環ラインが、
   前記ガスハイドレートの生成装置と前記圧縮機の間において、前記第２循環ラインから前記ガスハイドレートの生成装置にガスを送るために分岐された第１ガス供給ラインと、
   前記分離器で分離されたガスを前記圧縮機に送るために接続された第２ガス供給ラインを有している、循環冷却・冷凍システム。
2. 前記液体キャリヤーが、前記ガスハイドレートの生成装置における冷却温度では液体状態を維持し、ガスハイドレートにならないものである、請求項１記載の循環冷却・冷凍システム。
3. 前記液体キャリヤーがアルコール、あるいは炭素数８〜１０の炭化水素である、請求項２記載の循環冷却・冷凍システム。
4. 前記第１循環ラインが複数の冷却対象と接続されているものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の循環冷却・冷凍システム。
5. 前記冷却器が水冷方式または空冷方式である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の循環冷却・冷凍システム。
   
   

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