JP2006194549A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒としてクラスレートを使用する冷却システムの消費エネルギーを低減する。
【解決手段】 冷却システム１０では、ハイドレート生成リアクタ１１でハイドレートＨが生成され、ハイドレートライン３１でハイドレート分解システム１５に移送される。ハイドレート分解システム１５でハイドレートＨが液体成分Ｌとガス成分Ｇに分解される際の分解熱で周囲が冷却される。ハイドレートライン３１にはタービン１４が設けられている。ハイドレートライン３１で移送されるハイドレートＨの圧力エネルギーでタービン１４が回転され、動力変換機構１８によって、タービン１４の回転力が、液体成分Ｌを昇圧するポンプ１６の動力に変換される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クラスレート生成装置で生成されたクラスレートをクラスレート分解装置で分解し、吸熱することにより周囲を冷却する冷却システムに関する。

従来から、ハイドレート等のクラスレートを生成するクラスレート生成装置と、このクラスレート生成装置で生成されたクラスレートをガス成分と液体成分に分解するクラスレート分解装置との間で、クラスレート、ガス成分、液体成分を循環させ、クラスレートが分解される際の吸熱作用により、周囲を冷却する冷却システムが考案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

この特許文献１、２では、クラスレート分解装置で分解されたガス成分と液体成分を気液分離し、液体成分は液体移送ラインでクラスレート生成装置へ移送する際にポンプで昇圧し、ガス成分はガス移送ラインでクラスレート生成装置へ移送する際に圧縮機で圧縮している。即ち、冷媒であるクラスレートの全量を圧縮機に通過させるのではなく、クラスレートのガス成分と液体成分を別々にし、ガス成分のみを圧縮機に通過させることで、圧縮機の所要動力を減らしている。

しかしながら、圧縮機と比較すると格段に小さいながらも液体成分を昇圧するポンプの動力が必要になるので、圧縮機の所要動力を減量した分だけシステム全体の消費エネルギーを低減できているわけではなく、さらに低減することが望まれる。
特願２００２−４０９６４号 特開平５−１８０５２２号公報

本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、クラスレートを冷媒として利用する冷却システムで消費されるエネルギーを低減することを目的とする。

請求項１に記載の冷却システムは、クラスレート生成用の液体成分とクラスレート生成用のガス成分を供給されてクラスレートを生成するクラスレート生成装置と、前記クラスレート生成装置で生成されたクラスレートを液体成分とガス成分に分解し、吸熱するクラスレート分解装置と、前記クラスレート生成装置から前記クラスレート分解装置へクラスレートを移送するクラスレートラインと、前記クラスレート分解装置から前記クラスレート生成装置へ液体成分を移送する液体ラインと、前記クラスレート分解装置から前記クラスレート生成装置へガス成分を移送するガスラインと、前記液体ラインに設けられ、移送される液体成分を昇圧するポンプと、前記ガスラインに設けられ、移送されるガス成分を圧縮する圧縮機と、を備える冷却システムであって、前記クラスレートラインに設けられ、移送されるクラスレートを動力源として回転するタービンと、前記タービンの回転力を前記ポンプの動力に変換する動力変換手段と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の冷却システムでは、クラスレート生成用の液体成分とクラスレート生成用のガス成分がクラスレート生成装置に供給されてクラスレートが生成される。そして、クラスレート生成装置で生成されたクラスレートは、クラスレートラインでクラスレート生成装置からクラスレート分解装置へ移送され、クラスレート分解装置で液体成分とガス成分に分解される。この際、周囲から吸熱することで冷却効果を発揮する。

そして、液体成分が液体ラインによってクラスレート分解装置からクラスレート生成装置へ移送され、その間にポンプによって昇圧される。また、ガス成分がガスラインによってクラスレート分解装置からクラスレート生成装置へ移送され、その間に圧縮機によって圧縮される。これによって、クラスレート生成装置に供給される液体成分、ガス成分が高圧になってクラスレートが生成される。

ここで、クラスレートラインにはタービンが設けられており、クラスレートラインで移送されるクラスレートによってタービンが回転される。そして、動力変換手段によって、タービンの回転力がポンプの動力に変換される。即ち、移送されるクラスレートの圧力エネルギーを回収して、回収したエネルギーをポンプの駆動エネルギーとして使っている。これによって、システム全体の消費エネルギーを低減できる。

請求項２に記載の冷却システムは、請求項１に記載の冷却システムであって、前記クラスレート生成装置でクラスレートから分離された添加剤を前記液体ラインに混入する添加剤ラインを有することを特徴とする。

請求項２に記載の冷却システムでは、添加剤が、添加剤ラインによって液体ラインに混入され、クラスレート生成装置でクラスレートから分離され、添加剤ラインによって液体ラインに混入される、というサイクルで添加剤が循環される。これによって、クラスレートの生成圧力を下げることができるので、圧縮機、ポンプの所要動力を下げることができる。従って、システム全体の消費エネルギーを低減できる。

請求項３に記載の冷却システムは、請求項２に記載の冷却システムであって、液体成分が水で、ガス成分がメタンで、添加剤がテトラヒドロフランであり、前記液体ラインで移送される水に含まれるテトラヒドロフランの濃度を１０体積％以上としたことを特徴とする。

請求項３に記載の冷却システムでは、昇圧された水と圧縮されたメタンがクラスレート生成装置へ供給されてクラスレートが生成され、クラスレート分解装置でクラスレートが水とメタンに分解される。

ここで、添加剤ラインによって液体ラインに、添加剤としてテトラヒドロフランが混入されるが、液体ラインで移送される液体中に含まれるテトラヒドロフランの濃度を１０体積％以上としている。即ち、移送される水の流量を９０とした場合に混入するテトラヒドロフランの流量を１０以上としている。

請求項４に記載の冷却システムは、請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却システムであって、前記液体ラインで移送される液体成分で前記クラスレートラインで移送されるクラスレートを冷却する冷却装置を有することを特徴とする。

請求項４に記載の冷却システムでは、冷却装置が、液体ラインで移送される液体成分によって、クラスレートラインで移送されるクラスレートを冷却する。これによって、クラスレート生成装置に移送されたクラスレートの温度が一層下がるので、クラスレートが液体成分とガス成分に分解される際の吸熱量が多くなり、冷却効果が向上する。

請求項５に記載の冷却システムは、請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却システムであって、前記クラスレートがハイドレートであり、前記クラスレート生成装置がハイドレート生成装置であり、前記クラスレート分解装置がハイドレート分解装置であることを特徴とする。

請求項５に記載の冷却システムでは、ハイドレートがハイドレート生成装置で生成され、ハイドレート分解装置でガス成分と液体成分に分解され、吸熱する。これによって冷却効果が発揮される。

本発明は上記構成にしたので、クラスレートを冷媒として利用する冷却システムで消費されるエネルギーを低減できる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示すように、冷凍システム１０では、冷媒としてメタン等の低級炭化水素のガス成分Ｇと水（又は油）等の液体成分Ｌからなりクラスレートの一種であるガスハイドレートＨ（気体包接化合物）を使用する。

このガスハイドレートＨを形成するガス成分Ｇとしては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の低級炭化水素の単一成分又はこれらの複数成分の混合ガス等を使用することができるが、本実施形態ではメタンを使用している。また、液体成分Ｌとしては、水や油等を使用することができるが、本実施形態では水を使用している。

更に、冷凍システム１０におけるガスハイドレートＨの生成及び分解条件を調整するために、添加剤Ａを使用することもできる。このガスハイドレートＨの液体成分Ｌに加える添加剤Ａとしては、水和包接促進剤、水和物安定剤、水和物分解剤と呼ばれるものがあるが、ここでは水和物の生成を促進する水和包接促進剤を使用する。この水和包接促進剤を使用することにより、ハイドレート生成時における圧力を低下させ、また、温度を上昇させることができる。

この水和包接促進剤Ａとしては、例えば、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、フラン、シクロブタノン、シクロペンタノン、特殊塩類、レシチン、ＰＶＡ、ＰＶＣａｐ、アセトン、メタノール、食塩、グリコール等を使用することができるが、本実施形態では、テトラヒドロフランを使用している。

そして、冷凍システム１０は、ハイドレート生成リアクタ１１、冷却器（クーラー）１２、冷熱回収装置１３、タービン１４、ハイドレート分解システム（チラー）１５、ポンプ１６、圧縮機（コンプレッサー）１７、及び動力変換手段１８を有して構成される。

そして、この冷凍システム１０は、ハイドレートライン３１、ガスライン３２、液体ライン３３、冷却ライン３４、添加剤用ライン３５により各機器を接続している。

ハイドレートライン３１は、ハイドレート生成リアクタ１１、冷熱回収装置１３、タービン１４、ハイドレート分解システム１５を順次接続し、ガスライン３２は、ハイドレート分解システム１５と圧縮機１７とハイドレート生成リアクタ１１を順次接続している。

また、液体ライン３３は、ハイドレート分解システム１５、ポンプ１６、冷熱回収装置１３、ハイドレート生成リアクタ１１を順次接続し、冷却ライン３４はハイドレート生成リアクタ１１とポンプ３６と冷却器１２とハイドレート生成リアクタ１１とを順次接続している。

また、添加剤用ライン３５は、ハイドレート生成リアクタ１１と添加剤受け容器２２と液体ライン３３とを順次接続している。

この冷凍システム１０において、ハイドレート生成リアクタ１１で生成されたスラリー状のガスハイドレートＨは、ハイドレートライン３１により、冷熱回収装置１３で、ポンプ１６からハイドレート生成リアクタ１１に加圧されて送られてくる液体成分Ｌで冷却されてから、タービン１４に入って減圧され、その下流のハイドレート分解システム１５で、周囲から熱を吸収してガス成分Ｇと液体成分Ｌに分解する。

このハイドレート分解システム１５は、ハイドレート分解リアクタ１５ａと液・ガス分離器１５ｂと受液器１５ｃとからなり、ガスハイドレートＨの分解に際して、ガスハイドレートＨの大きな分解熱を利用することにより効率的に周囲を冷却することができる。なお、冷熱回収装置１３でガスハイドレートＨを冷却し、ガスハイドレートＨの温度が一層下がったので、ガスハイドレートＨが分解される際の吸熱量が多くなり、冷却効果が向上する。

このガスハイドレートＨの分解熱の計算例を示すと、重量比でメタン：水が１：６．７５のメタンガスハイドレートの場合は、ＭＷ（分子量）＝１２５、モル分解熱が１２．９５ｋｃａｌ／ｍｏｌで、ハイドレート１ｋｇ当りの分解熱が１０３．６ｋｃａｌ／ｋｇとなる。

なお、ハイドレート分解リアクタ１５ａ、液・ガス分離器１５ｂ及び受液器１５ｃは、一体物としても、又は、吸熱量が大きい時は、吸熱器をその一体物の外部循環ラインに設けることもできるが、前記のように分離したそれぞれの容器で形成することもできる。

そして、このハイドレート分解リアクタ１５ａで分解した液体成分Ｌとガス成分Ｇは、液・ガス分離器１５ｂで分離され、受液器１５ｃに溜まった液体成分Ｌは、液体ライン３３により、ポンプ１６で加圧され、冷熱回収装置１３で減圧前のガスハイドレートＨを冷却した後、ハイドレート生成リアクタ１１に送られる。また、分離されたガス成分Ｇは、ガスライン３２により、圧縮機１７で加圧及び圧縮されてハイドレート生成リアクタ１１に送られる。

そして、ハイドレート生成リアクタ１１においては、高圧に維持されると共に、固体を含む混合液又は液体成分Ｌｈは冷却器１２で海水、冷却水、低温水、ブライン等で形成される外部冷却媒体と熱交換し、ガスハイドレートＨ側の熱を外部冷却媒体に放熱し、冷却されてハイドレート生成リアクタ１１に戻り、ガスハイドレートＨを冷却する。

また、ハイドレート生成リアクタ１１でガスハイドレートＨの生成時に分離された、ガスハイドレートＨの生成を促進する添加剤Ａを添加剤用ライン３５により、ポンプ１６の上流側に供給し、液体成分Ｌに混合する。

なお、液体ライン３３で移送される液体の全流量に対して添加剤用ライン３５により液体ライン３３に供給される添加剤Ａとしてのテトラヒドロフランの流量を１０％以上に設定し、液体ライン３３で移送される液体中のテトラヒドロフランの濃度を１０体積％以上としている。

これは、図２のグラフに示すように、テトラヒドロフランの濃度を１０体積％以上とした場合に、メタンガスハイドレートの生成圧力を低下させる効果が認められるためである。

そして、冷却器１２の冷却とポンプ１６と圧縮機１７の昇圧により、高圧低温状態で、ガス成分Ｇは液体成分Ｌに取り込まれてガスハイドレートＨが生成される。

この冷凍サイクルを繰り返すことにより、ハイドレート分解システム１５において冷凍機能を発揮する。

そして、このハイドレート生成リアクタ１１では、圧力が高いと容器の耐圧が問題になり、圧力が低いとガスハイドレートＨが生成しなくなり、又、温度が高いとガスハイドレートＨが分解したり、温度が０℃以下になると液体成分Ｌが氷結したりして、ガスハイドレートＨの生成効率が低下するので、適正な圧力及び温度に維持することが重要となる。

そのため、図示しないセンサや圧力制御装置により、ガスハイドレートＨ、液体成分Ｌ、ガス成分Ｇの循環量や、ハイドレート分解システム１５、冷熱回収装置１３、冷却器１２の熱交換量を制御し、各機器における圧力及び温度を調整制御する。

ここで、本実施形態では、液体成分Ｌである水に添加剤Ａとしてのテトラヒドロフランが上述した濃度で混入されており、メタンガスハイドレートの生成圧力が極力下げられているので、液体成分Ｌ及びガス成分Ｇの圧力を大きく下げることが可能となっている。このため、ハイドレート生成リアクタ１１の容器の耐圧性の問題が解消される。また、ポンプ１６、圧縮機１７の動力を大きく下げることができるので、消費エネルギーを低減できる。

この結果、ハイドレート生成リアクタ１１の圧力、温度を、５．０ＭＰａ、２５℃、ハイドレート分解システム１５の圧力、温度を０．６９ＭＰａ、温度１０℃と設定して、ハイドレート分解システム１５で冷却し外部に供給するブラインの温度１５℃を得ることが可能となっている。

ところで、ハイドレートライン３１で移送されるスラリー状のハイドレートＨは、タービン１４を圧力エネルギーで回転させる。タービン１４の回転軸と、ポンプ１６の駆動源の回転軸とは動力変換機構１８で連結されており、タービン１４の回転力がポンプ１６の動力に変換される。即ち、移送されるハイドレートＨの圧力エネルギーを回収して、回収したエネルギーをポンプ１６の駆動エネルギーとして使っている。

ここで、図３の表に示すように、冷凍能力６６００００ｋｃａｌ／Ｈｒ（２２０ＵＳＲＴ）を得るために圧縮機１７、ポンプ１６が消費するエネルギーは、タービン１４で動力の回収を行わない従来の冷凍システムでは、１４７ｋｗ（（圧縮機：１０２ｋｗ）＋（ポンプ：４５ｋｗ））となっているが、タービン１４で動力の回収を行う本実施形態の冷凍システム１０では、１１８ｋｗ（（圧縮機：１０２ｋｗ）＋（ポンプ：４５ｋｗ）−（タービン：２９ｋｗ））となっている。即ち、タービン１４によって動力を回収することで、冷凍システム１０全体の消費エネルギーを２０％程低減できる。

なお、本実施形態では、冷凍システム１０を例に取って本発明の冷却システムを説明したが、冷却対象物を冷凍させることは必須ではなく、単に冷却させるだけの場合でも、本発明を適用可能である。

また、本実施形態では、冷媒としてガスハイドレートを使用したが、これに限らず、他のクラスレートも冷媒として使用可能である。

さらに、本実施形態では、回転式の動力変換機構１８を例に取って本発明の動力変換手段を説明したが、図４に示すように、往復動式の動力変換機構５０も本発明に適用可能である。

本実施形態の冷却システムの概略構成を示す図である。 メタンガスハイドレートの生成平衡データを示すグラフである。 本実施形態の冷却システムと従来技術の冷却システムの消費エネルギーとの比較を示す表である。 本発明の冷却システムの変形例の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 冷却システム
１１ ハイドレート生成リアクタ（クラスレート生成装置）
１３ 冷熱回収装置（冷却装置）
１４ タービン
１５ ハイドレート分解システム（クラスレート分解装置）
１６ ポンプ
１７ 圧縮機
１８ 動力変換機構（動力変換手段）
３１ ハイドレートライン
３２ ガスライン
３３ 液体ライン
３５ 添加剤用ライン
Ｈ ハイドレート（クラスレート）
Ｇ ガス成分
Ｌ 液体成分
Ａ 添加剤

Claims (5)

1. クラスレート生成用の液体成分とクラスレート生成用のガス成分を供給されてクラスレートを生成するクラスレート生成装置と、
   前記クラスレート生成装置で生成されたクラスレートを液体成分とガス成分に分解し、吸熱するクラスレート分解装置と、
   前記クラスレート生成装置から前記クラスレート分解装置へクラスレートを移送するクラスレートラインと、
   前記クラスレート分解装置から前記クラスレート生成装置へ液体成分を移送する液体ラインと、
   前記クラスレート分解装置から前記クラスレート生成装置へガス成分を移送するガスラインと、
   前記液体ラインに設けられ、移送される液体成分を昇圧するポンプと、
   前記ガスラインに設けられ、移送されるガス成分を圧縮する圧縮機と、
   を備える冷却システムであって、
   前記クラスレートラインに設けられ、移送されるクラスレートを動力源として回転するタービンと、
   前記タービンの回転力を前記ポンプの動力に変換する動力変換手段と、
   を有することを特徴とする冷却システム。
2. 前記クラスレート生成装置でクラスレートから分離された添加剤を前記液体ラインに混入する添加剤ラインを有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記液体成分が水で、前記ガス成分がメタンで、添加剤がテトラヒドロフランであり、液体ラインで移送される水に含まれるテトラヒドロフランの濃度を１０体積％以上としたことを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記クラスレートラインで移送されるクラスレートを前記液体ラインで移送される液体成分によって冷却する冷却装置を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却システム。
5. 前記クラスレートがハイドレートであり、前記クラスレート生成装置がハイドレート生成装置であり、前記クラスレート分解装置がハイドレート分解装置であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却システム。

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