JP2554783B2 - 冷熱供給設備 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷熱供給設備に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】地域熱供給における冷熱の輸送方法は、
実用的には専ら冷水によって行われている。この場合、
送り出し温度を６℃、戻り温度を１３℃としても、冷水
１kg当たり７Ｋcal の冷熱しか送ることができず、大き
な冷熱負荷に対しては、非常に大量の冷水を輸送しなけ
ればならず（例えば、１００Ｇcal/h の冷熱負荷に対し
て約１４３００ton/h の冷水を輸送する必要がある）、
このための配管径も巨大となる（上述したように、約１
４３００ton/h の冷水を輸送する場合、流速を３ｍ/sec
とすると、直径が約１．３２ｍとなる）。

【０００３】このような大口径の配管が行き戻り２本必
要とするということは、その配管設備費が非常に高くつ
いてしまうだけでなく、輸送動力費も高くなり、冷熱輸
送の採算性が悪くなる。さらに、単純に経済性の面だけ
ではなく、このような大口径の配管を市街地に埋設する
ということは非現実的である。

【０００４】ところで、近年、このような問題点を解決
する方法として、氷スラリーによって冷熱を輸送する方
法が研究されている。例えば、氷の重量割合を４０％と
すれば、送り出しを０℃、戻りを１３℃の水とすれば、
氷スラリー１kg当たり４５Ｋcal の冷熱を送ることがで
きるようになり、一定の冷熱負荷に対して、約１／６．
４の流体輸送で済むことになる（例えば、１００Ｇcal/
h の冷熱負荷に対して約２２２０ton/h の氷スラリーで
済む）。水の場合と同一の流速とすれば、配管径は約１
／２．５となる（１００Ｇcal/h に対して、３ｍ／sec
の流速で直径が約０．５３ｍとなる）。

【０００５】なお、氷スラリーの流速特性の試験結果も
２〜３件報告されているが、同一流速では水の場合と大
差ないと言われている。同一流速で流せば、氷スラリー
の場合には配管径が減少する影響で、圧力損失は増加す
るが、流量低減の効果が大きく、輸送動力も大幅に低減
される（例えば、上記のケースで約１／２．５とな
る）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、氷ス
ラリー輸送によると、冷熱輸送は大幅に高密度・高効率
化されて、配管設備費、輸送動力費などの低減化が図れ
るが、この利点を最大限に生かすためには、未だ下記に
示すような問題点がある。

【０００７】すなわち、冷熱輸送のための氷スラリーの
輸送に関しては、冷凍機動力の増加および製氷技術の点
で問題がある。従来、製氷が可能な低温冷熱の発生は、
圧縮式の冷凍機で行われている。この圧縮式の冷凍機に
よると、従来の冷水による冷熱輸送に用いられる６〜７
℃の冷水を製造するする場合の冷媒の蒸発圧力に比べ
て、製氷可能な低温（製氷用熱交換器における温度差も
考えれば、例えば−１０℃）における冷媒蒸発圧力がか
なり低くなり、圧縮機における冷媒ガスの圧縮比が大き
くなることから、圧縮機の軸動力が大幅に増加する（同
一の冷熱出力に対して、圧縮機に必要な動力が約１．５
倍にもなることがある）。

【０００８】このような冷凍機動力の増大は、システム
の有効性・経済性を部分的に損なうだけではなく、こう
した大規模地域熱供給の目的の一つである省エネルギー
性をも部分的に低下させることになってしまうという問
題点がある。

【０００９】また、吸収式冷凍機を使用した場合、冷熱
出力温度を変化させても、熱効率の変化は比較的緩やか
であることが知られている。しかし、一般に冷水製造時
に多用されている臭化リチウム／水系の吸収冷凍機で
は、製氷が可能な低温冷熱を出力することができない。
また、水／アンモニア系、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピ
ロリドン）／ＴＦＥ（２・２・２−トリフルオロエタノ
ール）など、水以外の冷媒を使用した吸収式冷凍機によ
って製氷可能温度の冷熱出力が可能であるが、安全性の
問題などで、民生用として一般的でない上、下記に示す
ような製氷技術上の問題点がある。

【００１０】製氷技術については、輸送を目的としてい
るので、いわゆるダイナミック形と呼ばれる製氷方式が
対象となるが、従来の製氷方式の代表的なものについて
の問題点を下記に示す。 （ａ）ハーベストタイプ これは、プレート熱交換器の内側でフロンなどの冷媒を
蒸発させて、その気化熱により外面を膜状に流下する水
を凍らせるものであるが、氷がある程度成長したところ
で、内面に温冷媒を導入して内側より加温して伝熱面に
接している氷をわずかに溶かして薄板状で脱落させるも
のである。そして、間欠的な操作のため、熱交換器の稼
働率が低くなる上脱落した氷が板状であるため、スラリ
ー輸送のために板状の氷を破砕しなければならないとい
う問題がある。 （ｂ）リキッドアイス方式 これは、純粋な氷を凍らせるのではなく、塩類とかエチ
レングリコールを少量溶解させた液を、各種の方法によ
りタービュランスを与えながら、熱交換器により冷却し
て、伝熱面への氷の付着、成長を起こさず、微細な氷粒
子を作るもので、スラリー輸送に適した氷粒子を得るた
めにには好都合である。しかし、このような効果を得る
ためには、凝固点降下を無視し得ない程度の溶液濃度と
しなければならず、生成する氷には溶解成分は殆ど取り
込まれないから、ある程度氷が生成すると、残りの溶液
濃度がさらに上昇して凝固点降下が大きくなるので、冷
凍機の冷媒蒸発温度としては、これらに見合った分だけ
低くしなければならず、したがって冷凍機動力のさらな
る増加を招くという問題がある。 （ｃ）過冷却アイス方式 これは、上記リキッドアイス方式の欠点を回避すべき、
純粋な水を用いて、熱交換器で冷却する条件を特殊な熱
交換速度、温度差、流速条件、振動を抑えた熱交換器と
することにより、熱交換器内で氷を生成させることなく
熱交換器出口温度を例えば−２℃程度の凝固点より低温
（過冷却）とし、熱交換器を出た後にショックを与えて
過冷却を破って氷粒子を生成する方法である。

【００１１】この過冷却の制御は、非常にデリケートな
ものであり、入口水中に錆などの異物とか、分離されな
かった微量の氷粒子などが存在すれば、たちまち熱交換
器内で凍結が生じ、伝熱管内は氷で一杯となって水が通
わなくなり、操作続行不能となる恐れがあるだけでな
く、わずか数度の水の過冷却が有する顕熱を水の凝固熱
に利用するものであるから、生成させる氷の量に比べて
非常に多量の（例えば、約４０倍）水を循環させなけれ
ばならず、製氷装置としては効率が悪いという問題があ
った。 （ｄ）冷媒直接吹き込み方式 これは、水中へ冷媒液を直接吹き込んで、冷媒の蒸発潜
熱により水中に氷粒子を発生させるものであるが、冷媒
が水以外の場合には、冷媒ガス中に水蒸気が混入し、圧
縮機などの冷凍サイクル中の各所には様々な障害が生じ
させるだけでなく、氷スラリー側へ冷媒が溶解して、冷
媒が多量に失われるという問題がある。 （ｅ）非水溶液流体利用直接熱交換方式 これは、冷却用油などの非水溶性の液体をあらかじめ水
の凝固点以下に冷却しておいて、水の中へ直接吹き込む
方式であるが、熱交換の回数が増して結局冷凍機の冷媒
蒸発温度を下げなければならず、動力が増加してしまう
という問題がある。しかも、直接接触する両流体（水お
よび非水溶性の液体）がそれぞれある程度汚れ、したが
って長期的に運転を行うとどうしても問題が生じてしま
う。

【００１２】そこで、本発明はこれらの問題点を解消し
得る冷熱供給設備を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の冷熱供給設備は、蒸発器、吸収器、再生
器、凝縮器を有するとともに冷媒として水を使用する吸
収式冷凍機と、この吸収式冷凍機で製造されたスラリー
状の氷を一時的に貯留するとともにスラリー濃度を調整
する調整槽と、この調整槽に貯留されたスラリー状の氷
を所定箇所にスラリー輸送するスラリー輸送配管とから
構成し、かつ上記吸収式冷凍機における蒸発器および吸
収器の操作圧力を２．０〜４．５mmHgとするとともに、
蒸発器に導入された冷媒水をフラッシュ蒸発させて冷媒
水の温度をその凝固点以下に低下させることにより氷粒
子を発生させ、この氷粒子をスラリーとして抜き出して
上記調整槽に送るようにしたものである。

【００１４】

【作用】上記の構成によると、吸収式冷凍機における冷
媒として水を使用するとともに、蒸発器および吸収器の
操作圧力を水の三重点より低い圧力としたので、フラッ
シュ蒸発により容易にかつ低動力で氷粒子を製造するこ
とができる。しかも、この製造された氷粒子はスラリー
輸送で所定箇所すなわち需要施設に送られるため、例え
ば冷水を送る場合に比べて、輸送設備および輸送動力の
費用を大幅に減少させることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５に基づ
き説明する。図１に示すように、本発明の冷熱供給設備
は、冷媒である水を蒸発させる蒸発器１１と、この蒸発
器１１で蒸発された水蒸気を吸収液（例えば、ＬｉＢｒ
−ＺｎＣｌ₂ −ＣａＢｒ₂ の混合物水溶液）に吸収させ
る吸収器１２と、この吸収器１２で水蒸気を吸収してそ
の濃度が薄くなった稀吸収液を加熱して冷媒蒸気を分離
させる２個の再生器（二重効用式にされている）１３
と、この再生器１３で分離された水蒸気を凝縮させる２
個の凝縮器１４と、この凝縮器１４で凝縮された凝縮水
を蒸発器１１内に移送する冷媒液移送管１５と、蒸発器
１１で蒸発された水蒸気を吸収器１２内に移送する冷媒
蒸気移送管１６と、吸収器１２内で水蒸気を吸収して濃
度が薄くなった稀吸収液を再生器１３内に移送する稀吸
収液移送管１７と、各再生器１３で分離された水蒸気を
凝縮器１４にそれぞれ移送する冷媒蒸気移送管１８Ａ，
１８Ｂと、上記再生器１３で水蒸気が分離されて濃度が
濃くなった濃吸収液を再生器１３同士間でおよび再生器
１３から吸収器１２内に移送する濃吸収液移送管１９
Ａ，１９Ｂと、濃吸収液の持つ熱を稀吸収液に与えて熱
回収を行うための熱回収器２０と、吸収器１２および凝
縮器１４に冷却水を供給するための冷却水供給管２１
と、再生器１３に熱源として蒸気を供給するための蒸気
供給管２２とを有する吸収式冷凍機１、およびこの吸収
式冷凍機１の蒸発器１１内で製造された氷を氷移送管２
を介してスラリーとして抜き出して一時的に貯留すると
ともにスラリー濃度を調整するための調整槽３、並びに
この調整槽３に貯留された氷を所定箇所すなわち需要施
設４にスラリー輸送するためのスラリー輸送配管５とか
ら構成されている。なお、６および７は氷移送管２およ
びスラリー輸送配管５の送り管５６ａ途中にそれぞれ介
装された輸送用ポンプである。

【００１６】また、上記蒸発器１１内の上部空間には、
プラスチック成型の充填材（比表面積が３０〜３００ｍ
² ／ｍ³ ）１１ａが配置されている。そして、上記吸収
式冷凍機１における蒸発器１１および吸収器１２の操作
圧力は、水の三重点における蒸気圧より低くされ、すな
わち２．０〜４．５mmHgの範囲内にされるとともに、蒸
発器１１に導入される冷媒水は散水されてフラッシュ蒸
発されるようにしている。

【００１７】すなわち、充填材１１ａ上方から噴霧され
た冷媒水は、充填材１１ａ表面を濡らしながら流下され
るとともに、断熱蒸発されてその温度が凝固点以下の温
度に低下して、冷媒水中に氷の結晶粒子が発生する。な
お、この場合、発生する氷は伝熱面などの固体表面に発
生するのではなく、水の表面から熱が奪われるにしたが
って、液体中に発生するもので、極めて流動性の良い微
細な氷の粒子を得ることができる。

【００１８】そして、蒸発器１１で発生させられた氷
は、冷媒水とともに輸送用ポンプ６により抜き出され
て、一旦、調整槽３に貯留される。ここで、スラリー輸
送に最適な濃度に調整される。また、この調整槽３を設
けたことにより、負荷変動に対処し得、吸収式冷凍機１
の容量をピーク負荷よりも小さくすることができる。

【００１９】この調整槽２に貯留されたスラリー状の氷
は、地下に埋設されたスラリー輸送配管５を介して、需
要施設４側の空調機８のクーリングコイル８ａに供給さ
れ、ここで氷の融解熱と水の顕熱とにより空調機８側の
冷媒を冷却し、需要施設４の内部が冷却されることにな
る。なお、需要施設４側にはスラリー状の氷を貯えるた
めの氷貯留槽９が設けられており、これにより氷スラリ
ーの輸送能力をピーク負荷に合わせる必要がなく、経済
的となる。

【００２０】そして、クーリングコイル８ａで熱を奪っ
て１２〜１４℃程度に暖かくなった水はスラリー輸送配
管５の戻り管５ｂを介して蒸発器１１に戻される。とこ
ろで、上記吸収式冷凍機における蒸発器および吸収器の
操作圧力を水の三重点における蒸気圧以下とするために
は、冷却水で冷却可能な温度範囲での蒸気圧が４．５mm
Hgより充分小さくされ、かつ結晶析出条件（飽和溶解
度）より充分離れている必要がある。

【００２１】例えば、我が国の気象条件では、冷却塔を
使用する場合の冷却水温度は、標準的には３２℃として
計画されるが、地下水、河川水、下水処理水、海水など
よりも低温の冷却水の使用も考えられる。

【００２２】参考として、図２に各種吸収液の飽和濃度
における蒸気圧を示す。これらの曲線により充分上方で
サイクル線図が描ける吸収液ないしは条件を選定すれば
良い。実用的に充分氷の結晶発生速度が大きくかつ経済
的な条件としては、蒸発器および吸収器の操作圧力は、
２．０mmHgないし４．５mmHgで、好ましくは３．０mmHg
である。

【００２３】一般的な冷却水条件では、冷水を発生させ
る吸収式冷凍機で最も多用されている臭化リチウム水溶
液では無理があるが、特殊な冷却水条件（価値の低い廃
熱で、低温冷却水が別途得られる場合など）も考えら
れ、本実施例における冷熱供給設備では、特定の吸収液
に限定されるものではなく、また吸収式冷凍機の機器構
成も図１に示すものに限定されず、一般的に知られてい
る各種の変形は当然適用し得る。

【００２４】一例として、結晶析出条件から充分安全な
ものとして、ＬｉＢｒ−ＺｎＣｌ₂−ＣａＢｒ₂ （成分
の重量比は、１：１：０．１３）の混合物水溶液に使用
するサイクル条件とその性能すなわち成績係数（ＣＯＰ
＝出力冷熱量／駆動熱量）を図３〜図５に示す。

【００２５】図３に示す二重効用式の場合、冷却水温度
が３２℃の時は、濃度差を大きくつけることができない
ことから、ＣＯＰ＝１．０３４とやや低いが、図４に示
す二重効用式で地下水、河川水、下水処理水、海水など
を冷却水として使用する場合、ＣＯＰ＝１．３２４とな
り、冷水出力の場合の一般的な吸収式冷凍機のＣＯＰと
比べても、大きな差がなく使用が可能となる。また、ご
み焼却の余熱利用、タービン排気の利用など低温蒸気で
駆動できる図５に示す単効用式のものも、場合によって
は非常に有効である。

【００２６】上記実施例における冷熱供給設備には、下
記のような効果がある。吸収式冷凍機の蒸発器および
吸収器の操作圧力を水の三重点より低い圧力とすること
により、伝熱面に氷が付着することなく、エネルギー効
率も冷水出力時に比べて殆ど低下させないで（高々、１
割以下の差）、スラリー輸送に適した氷を作ることがで
きる。

【００２７】氷スラリーによる冷熱輸送により、従
来、ネックとなっていた冷熱輸送の設備費、輸送動力費
を大幅に低減することができる。吸収式冷凍機の冷媒
と冷熱輸送用の媒体とが共通であるため、設備全体がシ
ンブルかつ高効率なシステムとなる。

【００２８】氷による蓄冷を併用すれば、さらに高効
率なシステムにすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、吸
収式冷凍機における冷媒として水を使用するとともに、
蒸発器および吸収器の操作圧力を水の三重点より低い圧
力としたので、フラッシュ蒸発により容易にかつ低動力
で氷粒子を製造することができ、しかもこの製造された
氷粒子をスラリー輸送で所定箇所に送るため、例えば冷
水を送る場合に比べて、輸送設備および輸送動力の費用
を大幅に減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例における冷熱供給設備
全体を示す概略構成図である。

【図２】図２は各種吸収液の飽和濃度における温度と蒸
気圧との関係を示すグラフである。

【図３】図３は冷凍サイクルにおけるデューリング線図
である。

【図４】図４は冷凍サイクルにおけるデューリング線図
である。

【図５】図５は冷凍サイクルにおけるデューリング線図
である。

【符号の説明】

１ 吸収式冷凍機 ３ 調整槽 ４ 需要施設 ５ スラリー輸送配管 ８ 空調機 ９ 氷貯留槽 １１ 蒸発器 １２ 吸収器 １３ 再生器 １４ 凝縮器

フロントページの続き (72)発明者 大森 早苗 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28 号日立造船株式会社内 (72)発明者 田中 徹 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28 号日立造船株式会社内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器を有する
   とともに冷媒として水を使用する吸収式冷凍機と、この
   吸収式冷凍機で製造されたスラリー状の氷を一時的に貯
   留するとともにスラリー濃度を調整する調整槽と、この
   調整槽に貯留されたスラリー状の氷を所定箇所にスラリ
   ー輸送するスラリー輸送配管とから構成し、かつ上記吸
   収式冷凍機における蒸発器および吸収器の操作圧力を
   ２．０〜４．５mmHgとするとともに、蒸発器に導入され
   た冷媒水をフラッシュ蒸発させて冷媒水の温度をその凝
   固点以下に低下させることにより氷粒子を発生させ、こ
   の氷粒子をスラリーとして抜き出して上記調整槽に送る
   ようにしたことを特徴とする冷熱供給設備。