JP6861965B2 - Solar heat collector - Google Patents
Solar heat collector Download PDFInfo
- Publication number
- JP6861965B2 JP6861965B2 JP2016238620A JP2016238620A JP6861965B2 JP 6861965 B2 JP6861965 B2 JP 6861965B2 JP 2016238620 A JP2016238620 A JP 2016238620A JP 2016238620 A JP2016238620 A JP 2016238620A JP 6861965 B2 JP6861965 B2 JP 6861965B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refrigerant
- heat
- heat exchanger
- heat collector
- inlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/44—Heat exchange systems
Landscapes
- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Description
本発明は、超臨界流体からなる冷媒を用いた自然循環式の太陽熱集熱装置に関するものである。 The present invention relates to a natural circulation type solar heat collector using a refrigerant composed of a supercritical fluid.
従来技術においては、超臨界CO2からなる冷媒を用いた太陽熱集熱装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この太陽熱集熱装置は、冷媒の入口および出口を有し、太陽の照射を受ける集熱器と、冷媒の吸入口および吐出口を有する伝熱管を備えた熱交換器と、集熱器の出口と熱交換器の吸入口を接続し、冷媒が内部を流れる第1の管路と、熱交換器の吐出口と集熱器の入口を接続し、冷媒が内部を流れる第2の管路と、を備えており、集熱器、第1の管路、熱交換器および第2の管路からなる冷媒の閉回路を形成している。
In the prior art, a solar heat collector using a refrigerant composed of supercritical CO 2 is known (see, for example, Patent Document 1).
This solar heat collector has a refrigerant inlet and outlet and is exposed to the sun, a heat exchanger having a heat transfer tube having a refrigerant inlet and outlet, and a heat collector outlet. And the first pipeline through which the refrigerant flows inside, and the second conduit through which the refrigerant flows inside by connecting the heat exchanger's inlet and the heat exchanger's outlet and the heat exchanger inlet. , And forms a closed circuit of the refrigerant consisting of a collector, a first conduit, a heat exchanger and a second conduit.
また、熱交換器の伝熱管の吸入口側が吐出口側よりも高くなるように高低差が設けられ、集熱器の集熱管のうち少なくとも、当該集熱管に流入した液相のCO2の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分が、超臨界CO2の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置される。
さらに、集熱器内の超臨界CO2の超臨界状態の有無を検出する検出器が設けられ、閉回路に流量調節弁が設けられ、検出器の検出値に基づいて流量調節弁を制御するコントローラが備えられる。
Further, a height difference is provided so that the suction port side of the heat transfer tube of the heat exchanger is higher than the discharge port side, and at least of the heat collector tubes of the heat collector, the CO 2 of the liquid phase flowing into the heat collector tube is heated. The portion from the start to the supercritical state is arranged so as to have an upward gradient toward the downstream side in the flow direction of the supercritical CO 2.
Further, a detector for detecting the presence or absence of the supercritical state of supercritical CO 2 in the heat collector is provided, a flow rate control valve is provided in the closed circuit, and the flow rate control valve is controlled based on the detection value of the detector. A controller is provided.
そして、超臨界CO2が、集熱器内を流れる間に、太陽熱によって液相から超臨界状態に相変化する一方、熱交換器の伝熱管内を流れる間に、熱回収流体によって冷却されて超臨界状態から液相に相変化する。そして、この場合、超臨界CO2の密度は超臨界状態では液相の状態よりも1/5程度小さくなるので、超臨界CO2は、集熱器側では入口側から出口側に向かって自然に上昇する一方、熱交換器の伝熱管内では吸入口側から吐出口側に向かって下降する。こうして、超臨界CO2が、集熱器と熱交換器との間において超臨界状態および液相間で相変化しながら自然循環する。 Then, while the supercritical CO 2 flows in the heat collector, the phase changes from the liquid phase to the supercritical state due to solar heat, while it is cooled by the heat recovery fluid while flowing in the heat transfer tube of the heat exchanger. The phase changes from the supercritical state to the liquid phase. In this case, the density of supercritical CO 2 in the supercritical state is about 1/5 smaller than that in the liquid phase state, so that the supercritical CO 2 naturally flows from the inlet side to the outlet side on the collector side. On the other hand, in the heat transfer tube of the heat exchanger, it descends from the suction port side toward the discharge port side. In this way, supercritical CO 2 naturally circulates between the collector and the heat exchanger while changing the phase between the supercritical state and the liquid phase.
こうして、集熱器において超臨界CO2によって吸収、保持された太陽熱が、熱交換器において熱回収流体によって回収される。
この太陽熱集熱装置によれば、コンプレッサ等のような外部電力を用いて冷媒を強制的に循環させる手段が不要であり、装置の簡素化、低コスト化を図ることができ、省エネルギーが達成できる。
しかしその一方で、この太陽熱集装置においては、冷媒の十分な循環流量が得られず、そのため装置の熱回収率が低いという問題があった。
In this way, the solar heat absorbed and retained by the supercritical CO 2 in the heat collector is recovered by the heat recovery fluid in the heat exchanger.
According to this solar heat collector, there is no need for a means for forcibly circulating the refrigerant using external electric power such as a compressor, the device can be simplified and the cost can be reduced, and energy saving can be achieved. ..
However, on the other hand, in this solar heat collector, there is a problem that a sufficient circulating flow rate of the refrigerant cannot be obtained, and therefore the heat recovery rate of the device is low.
したがって、本発明の課題は、超臨界流体を用いた自然循環式の太陽熱集熱装置の熱回収率を向上させることにある。 Therefore, an object of the present invention is to improve the heat recovery rate of a natural circulation type solar heat collector using a supercritical fluid.
上記課題を解決するため、本発明によれば、超臨界流体からなる冷媒の入口および出口を有し、太陽照射を受ける集熱器と、冷媒供給口、および冷媒吸入口、および冷媒吐出口を有するエジェクタと、前記集熱器の出口と前記エジェクタの冷媒供給口を接続し、前記冷媒が内部を流れる第1の管路と、前記集熱器の入口と前記エジェクタの冷媒吐出口を接続し、前記冷媒が内部を流れる第2の管路と、冷媒流入口および冷媒流出口を有する伝熱管を含み、前記伝熱管を流れる前記冷媒から熱を回収する熱交換器と、前記第1の管路と前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流入口を接続する第3の管路と、前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流出口と前記エジェクタの前記冷媒吸入口を接続する第4の管路と、前記第1〜第4の管路のうちの少なくとも1つに配置された流量制御弁と、前記第1〜第4の管路のうちの少なくとも1つに配置され、前記冷媒の相変化の状態を検出する検出器と、前記流量制御弁を制御する制御部と、を備え、前記集熱器の前記出口が前記入口よりも高い位置に配置され、かつ前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流入口が前記冷媒流出口よりも高い位置に配置されるとともに、前記第1および第3の管路が前記第2の管路よりも高い位置に配置されており、前記冷媒の流れが前記エジェクタによって付勢されるとともに、前記流量制御弁が前記検出器の検出値に基づいて制御されて、前記冷媒が、前記集熱器内を流れる間に、太陽熱によって加熱されて液相から超臨界状態になる一方、前記熱交換器の前記伝熱管内を流れる間に冷却されて超臨界状態から液相になるように前記集熱器と前記熱交換器との間を相変化しながら自然循環するものであることを特徴とする太陽熱集熱装置が提供される。 In order to solve the above problems, according to the present invention, a heat collector having a refrigerant inlet and outlet made of a supercritical fluid and receiving solar irradiation, a refrigerant supply port, a refrigerant suction port, and a refrigerant discharge port are provided. The ejector, the outlet of the heat collector, and the refrigerant supply port of the ejector are connected, the first pipeline through which the refrigerant flows, and the inlet of the heat collector and the refrigerant discharge port of the ejector are connected. A heat exchanger that includes a second conduit through which the refrigerant flows, a heat transfer tube having a refrigerant inlet and a refrigerant outlet, and recovers heat from the refrigerant flowing through the heat transfer tube, and the first tube. A third conduit connecting the path and the refrigerant inlet of the heat transfer tube of the heat exchanger, and a third conduit connecting the refrigerant outlet of the heat transfer tube of the heat exchanger and the refrigerant inlet of the ejector . 4 conduits, a flow control valve arranged in at least one of the first to fourth conduits, and at least one of the first to fourth conduits, said. A detector for detecting the phase change state of the refrigerant and a control unit for controlling the flow control valve are provided, the outlet of the heat collector is arranged at a position higher than the inlet, and the heat exchanger is provided. The refrigerant inlet of the heat transfer tube is arranged at a position higher than the refrigerant outlet, and the first and third conduits are arranged at a position higher than the second conduit. The flow of the refrigerant is urged by the ejector, the flow control valve is controlled based on the detection value of the detector, and the refrigerant is heated by solar heat while flowing in the collector. While flowing from the liquid phase to the supercritical state, it is cooled while flowing in the heat transfer tube of the heat exchanger, and the space between the heat collector and the heat exchanger is changed so as to change from the supercritical state to the liquid phase. A solar heat collector is provided, which is characterized in that it naturally circulates while changing its phase.
本発明の好ましい実施例によれば、前記集熱器内の冷媒流路が、前記入口側から前記出口側に向かって傾斜してのび、または前記入口側から前記出口側に向かって垂直にのび、前記熱交換器の前記伝熱管が、前記冷媒流入口側から前記冷媒流出口側に向かって傾斜してのび、または前記冷媒流入口側から前記冷媒流出口側に向かって垂直にのびている。 According to a preferred embodiment of the present invention, the refrigerant flow path in the heat collector extends inclined from the inlet side toward the outlet side, or extends vertically from the inlet side toward the outlet side. The heat transfer tube of the heat exchanger extends inclined from the refrigerant inlet side toward the refrigerant outlet side, or extends vertically from the refrigerant inlet side toward the refrigerant outlet side.
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記太陽熱集熱装置は、さらに、前記第1および第2の管路を接続するバイパス管路と、前記バイパス管路に配置されたヒータと、前記バイパス管路における前記ヒータの上流側および下流側にそれぞれ配置された別の流量制御弁と、を備え、前記別の流量制御弁が前記制御部によって制御される。 According to another preferred embodiment of the present invention, the solar heat collector further comprises a bypass line connecting the first and second lines, a heater arranged in the bypass line, and the above. The bypass pipeline includes another flow rate control valve arranged on the upstream side and the downstream side of the heater, respectively, and the other flow rate control valve is controlled by the control unit.
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記太陽熱集熱装置は、さらに、前記第2および第4の管路を接続する別のバイパス管路と、前記別のバイパス管路に配置されたさらに別の流量制御弁と、を備え、前記さらに別の流量制御弁が前記制御部によって制御される。 According to yet another preferred embodiment of the present invention, the solar heat collector is further arranged in another bypass line connecting the second and fourth lines and in the other bypass line. Further, another flow rate control valve is provided, and the further flow rate control valve is controlled by the control unit.
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記検出器が、前記第1および第2の管路のそれぞれに配置された温度検出器と圧力検出器からなっている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記超臨界流体が超臨界CO2である。
According to yet another preferred embodiment of the present invention, the detector comprises a temperature detector and a pressure detector respectively arranged in the first and second pipelines.
According to yet another preferred embodiment of the present invention, the supercritical fluid is supercritical CO 2 .
本発明によれば、集熱器の出口とエジェクタの冷媒供給口を第1の管路によって接続し、集熱器の入口とエジェクタの冷媒吐出口を第2の管路によって接続するとともに、熱交換器の伝熱管の冷媒流入口と第1の管路を第3の管路によって接続し、伝熱管の冷媒流出口とエジェクタの冷媒吸入口を第4の管路によって接続し、さらに、集熱器の出口を入口よりも高い位置に配置し、熱交換器の伝熱管の冷媒流入口を冷媒流出口よりも高い位置に配置するとともに、第1および第3の管路を第2の管路よりも高い位置に配置している。また、第1〜第4の管路のうちの少なくとも1つに流量制御弁と冷媒の相変化の状態を検出する検出器を配置し、検出器の検出値に基づいて流量制御弁を制御する。 According to the present invention, the outlet of the heat collector and the refrigerant supply port of the ejector are connected by the first pipeline, the inlet of the heat collector and the refrigerant discharge port of the ejector are connected by the second pipeline, and heat is generated. The refrigerant inlet of the heat transfer tube of the exchanger and the first conduit are connected by the third conduit, the refrigerant outlet of the heat transfer tube and the refrigerant inlet of the ejector are connected by the fourth conduit, and further, the collection is performed. The outlet of the heat exchanger is located higher than the inlet, the refrigerant inlet of the heat transfer tube of the heat exchanger is located higher than the refrigerant outlet, and the first and third conduits are arranged in the second tube. It is located higher than the road. Further, a flow control valve and a detector for detecting the phase change state of the refrigerant are arranged in at least one of the first to fourth pipelines, and the flow control valve is controlled based on the detection value of the detector. ..
そして、超臨界流体からなる冷媒を、集熱器内を通過させる間に、太陽熱によって液相から超臨界状態に相変化させ、超臨界状態の冷媒の一部を第1の管路を通じてエジェクタの冷媒供給口に流入させる一方、残りの部分を第3の管路を通じて熱交換器の伝熱管の冷媒流入口に流入させる。 Then, while the refrigerant composed of the supercritical fluid is passed through the heat collector, the phase is changed from the liquid phase to the supercritical state by the solar heat, and a part of the refrigerant in the supercritical state is passed through the first conduit of the ejector. While flowing into the refrigerant supply port, the remaining portion is allowed to flow into the refrigerant inlet of the heat transfer tube of the heat exchanger through the third conduit.
熱交換器(伝熱管)に流入させた冷媒は、熱交換器(伝熱管)を通過させる間に冷却して超臨界状態から液相に相変化させる。一方、エジェクタの冷媒供給口に流入させた冷媒を、エジェクタのノズルから混合部に噴出させ、減圧膨張させることによって超臨界状態から液相に相変化させる。それと同時に、エジェクタの混合部には、冷媒吸入口から伝熱管内の液相の冷媒を第4の管路を通じて吸入し、エジェクタの冷媒吐出口(ディフューザ)から液相の冷媒を第2の管路に吐出させる。エジェクタから吐出させた液相の冷媒は第2の管路を通じて集熱器の入口に流入させる。 The refrigerant flowing into the heat exchanger (heat transfer tube) is cooled while passing through the heat exchanger (heat transfer tube) to change the phase from the supercritical state to the liquid phase. On the other hand, the refrigerant flowing into the refrigerant supply port of the ejector is ejected from the nozzle of the ejector to the mixing portion and expanded under reduced pressure to change the phase from the supercritical state to the liquid phase. At the same time, the liquid phase refrigerant in the heat transfer tube is sucked into the mixing portion of the ejector through the fourth conduit, and the liquid phase refrigerant is sucked from the refrigerant discharge port (diffuser) of the ejector into the second pipe. Discharge to the road. The liquid phase refrigerant discharged from the ejector flows into the inlet of the heat collector through the second pipeline.
この場合、超臨界流体の密度は超臨界状態では液相の状態よりも1/5程度小さくなるので、超臨界流体は、集熱器内では入口側から出口側に向かって自然に上昇する一方、熱交換器の伝熱管内では冷媒流入口側から冷媒流出口側に向かって自然に下降し、冷媒が集熱器と熱交換器との間において超臨界状態および液相間で相変化しながら自然に循環する。こうして、集熱器において超臨界CO2に吸収、保持された太陽熱が、熱交換器において回収される。
さらに、この循環する冷媒の流れをエジェクタによって付勢し、それによって、装置内を循環する冷媒の流量を増大させ、熱回収率を大幅に向上させることができる。
In this case, the density of the supercritical fluid in the supercritical state is about 1/5 smaller than that in the liquid phase state, so that the supercritical fluid naturally rises from the inlet side to the outlet side in the heat collector. In the heat transfer tube of the heat exchanger, the refrigerant naturally descends from the refrigerant inlet side toward the refrigerant outlet side, and the refrigerant undergoes a phase change between the supercritical state and the liquid phase between the collector and the heat exchanger. However, it circulates naturally. In this way, the solar heat absorbed and retained in the supercritical CO 2 in the heat collector is recovered in the heat exchanger.
Further, the flow of the circulating refrigerant can be urged by the ejector, thereby increasing the flow rate of the circulating refrigerant in the apparatus and greatly improving the heat recovery rate.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明の1実施例による太陽熱集熱装置の基本構成を示す概略図である。
図1を参照して、本発明によれば、冷媒の入口1aおよび出口1bを有し、太陽光の照射を受ける集熱器1が備えられる。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, based on preferred embodiments.
FIG. 1 is a schematic view showing a basic configuration of a solar heat collector according to an embodiment of the present invention.
With reference to FIG. 1, according to the present invention, a
図2は、集熱器の斜視図である。図2を参照して、集熱器1は、この実施例では、公知の真空管式ソーラーコレクタからなっている。集熱器1は、一端面が開口した中空直方体形状のケーシング2を有し、ケーシング2は、一端面開口が上向きになり、かつ一対の対向する側壁のうちの一方が他方よりも高くなるように配置される。
FIG. 2 is a perspective view of the heat collector. With reference to FIG. 2, the
集熱器1は、また、ケーシング2の内部の上下端にそれぞれ設けられた上部および下部ヘッダ3a、3bと、ケーシング2の内部に互いに間隔をあけて平行に配置され、上部および下部ヘッダ3a、3bを接続する複数の集熱管4を有している。
The
集熱管4の外周は密封構造の透明ガラス管4aによって囲まれ、ガラス管4aの内部は真空状態に保持され、集熱管4からの熱伝導、熱対流による熱の放射が防止されるようになっている。また、ガラス管4aの下側に放物面状の反射板5が配置される。
そして、ケーシング2の開口が太陽照射を受けるとともに、太陽光が反射板5によって反射されて集熱管4に集光されるようになっている。
図示はしないが、反射板5の下側にはグラスウール等からなる断熱材が配置されている。
The outer periphery of the
Then, the opening of the
Although not shown, a heat insulating material made of glass wool or the like is arranged under the
集熱器1は、さらに、一端が下部ヘッダ3bに接続されるとともに、ケーシング2の下側壁を貫通して下向きにのびる下部集合管6aと、一端が上部ヘッダ3aに接続されるとともに、ケーシング2の上側壁を貫通して上向きにのびる上部集合管6bを有している。そして、下部集合管6aの他端開口が集熱器1の入口1aをなし、上部集合管6bの他端が集熱器1の出口1bをなしている。
The
本発明によれば、また、ノズル7aと、混合部7bと、ディフューザ7cとから構成されたエジェクタ7を備えている。そして、エジェクタ7のノズル7aの基端開口が冷媒供給口7dをなし、ディフューザ7cの先端開口が冷媒吐出口7eをなしており、混合部7dには冷媒吸入口7fが連通している。
According to the present invention, it also includes an
そして、集熱器1の出口1bとエジェクタ7の冷媒供給7dが、第1の管路8によって接続され、集熱器1の入口1aとエジェクタ7の冷媒吐出口7eが、第2の管路9によって接続されている。
この場合、第1の管路8は第2の管路9よりも高い位置に配置される。
Then, the
In this case, the
本発明によれば、また、冷媒流入口10aおよび冷媒流出口10bを有する伝熱管10を含み、伝熱管10を流れる冷媒から熱を回収する熱交換器11が備えられる。
この実施例では、熱交換器11は垂直方向にのび、伝熱管10の冷媒流入口10aが熱交換器11の上端に位置し、冷媒流出口10bが熱交換器11の下端に位置する。
そして、伝熱管10の外周が熱回収流体の流路12によって包囲され、流路12の下部に熱回収流体の入口12aが設けられる一方、流路12の上部に熱回収流体の出口12bが設けられている。
According to the present invention, there is also provided a
In this embodiment, the
The outer periphery of the
また、第1の管路8と熱交換器11の伝熱管10の冷媒流入口10aが第3の管路13によって接続され、熱交換器11の伝熱管10の冷媒流出口10bとエジェクタ7の冷媒吸入口7fが第4の管路14によって接続されている。
この場合、第3の管路13は第2の管路9よりも高い位置に配置される。
Further, the
In this case, the
さらに、第1の管路8の集熱器1および第3の管路13との接続部間にのびる部分には、第1の流量制御弁15と、第1の温度検出器16と、第1の圧力検出器17と、第1の質量流量計18とが配置される。また、第2の管路9に、第2の温度検出器19と、第2の圧力検出器20とが配置される。
Further, a first flow
第1および第2の温度検出器16、19、および第1および第2の圧力検出器17、20は、冷媒の相変化の状態を検出する検出器として機能する。
そして、第1の流量制御弁15が、第1および第2の温度検出器16、19、および第1および第2の圧力検出器、および第1の質量流量計18の計測値に基づき、制御部28によって制御される。
第1の質量流量計18は必要に応じて配置される。
The first and
Then, the first
The first
また、熱交換器11の熱回収流体の流路12の入口12aに熱回収流体供給管21が接続され、出口12bに熱回収流体排出管22が接続される。さらに、熱回収流体供給管21にポンプ23が配置され、熱回収流体供給管21におけるポンプ23の下流側には、第3の温度検出器24および第2の質量流量計25が配置され、熱回収流体排出管22に第2の流量制御弁26が配置され、熱回収流体排出管22における第2の流量制御弁26の下流側には第4の温度検出器27が配置される。
ポンプ23および第2の流量制御弁26は、第3および第4の温度検出器24、27、および第2の質量流量計25の計測値に基づき、制御部28によって制御される。
Further, the heat recovery
The
こうして、集熱器1、第1の管路8、エジェクタ7、第2の管路9、第3の管路13、熱交換器11の伝熱管11、および第4の管路14から形成された閉管路系に、超臨界流体からなる冷媒が充填される。
この場合、超臨界流体としては、公知の種々のものが適宜使用可能であるが、取扱いの容易さ、安全性および環境保護等の観点から、CO2(臨界温度=31.1℃、臨界圧力=7.38MPa)を使用することが好ましい。
In this way, it is formed from the
In this case, various known supercritical fluids can be appropriately used, but from the viewpoint of ease of handling, safety, environmental protection, etc., CO 2 (critical temperature = 31.1 ° C., critical pressure) = 7.38 MPa) is preferably used.
また、熱回収流体が熱回収流体供給管21を通じて熱交換器11の流路12に供給され、流路12内を対向流をなして流れた後、熱回収流体排出管22を通じて流路12から排出される。
この実施例では、熱回収流体として水が使用される。
Further, the heat recovery fluid is supplied to the
In this embodiment, water is used as the heat recovery fluid.
そして、冷媒が、集熱器1(集熱管4)内を流れる間に、太陽熱によって加熱されて液相から超臨界状態に相変化する。そして、超臨界状態の冷媒の一部が第1の管路8を通じてエジェクタ7の冷媒供給口7dに流入する一方、残りの部分は第3の管路13を通じて熱交換器11の伝熱管10の冷媒流入口10aに流入する。
Then, while the refrigerant flows through the heat collector 1 (heat collector tube 4), it is heated by the solar heat and the phase changes from the liquid phase to the supercritical state. Then, a part of the refrigerant in the supercritical state flows into the
熱交換器11(伝熱管10)に流入した冷媒は、熱交換器11(伝熱管10)を通過する間に水(熱回収流体)によって冷却されて超臨界状態から液相に相変化する(水(熱回収流体)は加熱されて湯水となる)。一方、エジェクタ7の冷媒供給口7dに流入した冷媒は、エジェクタ7のノズル7aから混合部7bに噴出し、そのとき減圧膨張することによって超臨界状態から液相に相変化する。それと同時に、エジェクタ7の混合部7bには、冷媒吸入口7fから伝熱管10内の液相の冷媒が第4の管路14を通じて吸入され、エジェクタ7の冷媒吐出口7e(ディフューザ7c)から液相の冷媒が第2の管路9に吐出する。エジェクタ7から吐出した液相の冷媒は第2の管路9を通じて集熱器1の入口1aに流入する。
The refrigerant that has flowed into the heat exchanger 11 (heat transfer tube 10) is cooled by water (heat recovery fluid) while passing through the heat exchanger 11 (heat transfer tube 10), and the phase changes from a supercritical state to a liquid phase ( Water (heat recovery fluid) is heated to become hot water). On the other hand, the refrigerant flowing into the
この場合、超臨界流体の密度は超臨界状態では液相の状態よりも1/5程度小さくなるので、超臨界流体は、集熱器1内では入口1a側から出口1b側に向かって自然に上昇する一方、熱交換器11の伝熱管10内では冷媒流入口10a側から冷媒流出口10b側に向かって自然に下降し、冷媒が集熱器1と熱交換器11との間において超臨界状態および液相間で相変化しながら自然に循環する。こうして、集熱器1において冷媒に吸収、保持された太陽熱が、熱交換器11において水(熱回収流体)に回収される。
さらには、この循環する冷媒の流れがエジェクタ7によって付勢され、それによって、装置内を循環する冷媒の流量が増大して、熱回収率が大幅に向上する。
In this case, the density of the supercritical fluid in the supercritical state is about 1/5 smaller than that in the liquid phase state, so that the supercritical fluid naturally flows from the inlet 1a side to the
Further, the flow of the circulating refrigerant is urged by the
なお、この実施例において、熱交換器11の熱回収流体供給管21と熱回収流体排出管22を給湯タンクに接続し、給湯タンク、熱回収流体供給管、熱交換器、および熱回収流体排出管からなる閉じた管路系を形成すれば、太陽熱給湯器として使用することができる。
In this embodiment, the heat recovery
次に、本発明の太陽熱集熱装置の実際の集熱効率および熱回収効率を調べるべく、シミュレーションを行った。シミュレーションの内容は次のとおりである。 Next, a simulation was performed in order to investigate the actual heat collection efficiency and heat recovery efficiency of the solar heat collector of the present invention. The contents of the simulation are as follows.
(シミュレーション1)
図1に示した管路系から第1の流量制御弁15を除去した装置構成において、集熱器1に対する日射量(入熱量)を1300Wとし、超臨界状態のCO2の圧力を7.5MPaとし、さらに、集熱器1から流出する超臨界CO2の質量流量(第1の質量流量計18の計測値)が、エジェクタ7を備えない場合の1.2倍に増大するとして、集熱器1から流出する超臨界CO2の質量流量(第1の質量流量計18の計測値)を複数段階に変化させ、質量流量毎に集熱器1の集熱効率を算出した。結果を図3のグラフに示した。
(Simulation 1)
In the device configuration in which the first
図3のグラフ中、縦軸は集熱効率を表し、横軸は超臨界CO2の質量流量(kg/h)を表している。また、”□”で示した点を結んだグラフが、エジェクタ7を備えた装置構成のものであり、破線で示したグラフは、エジェクタ7を備えない装置構成のものである。
図3のグラフから、エジェクタ7を備えたことによって、集熱効率が向上することが確認できた。
In the graph of FIG. 3, the vertical axis represents the thermal collection efficiency, and the horizontal axis represents the mass flow rate (kg / h) of supercritical CO 2. Further, the graph connecting the points indicated by "□" is for the device configuration including the
From the graph of FIG. 3, it was confirmed that the heat collection efficiency was improved by providing the
(シミュレーション2)
シミュレーション1の場合と同様にして、集熱器1から流出する超臨界CO2の質量流量(第1の質量流量計18の計測値)を複数段階に変化させ、質量流量毎に熱交換器10の熱回収率を算出した。結果を図4のグラフに示した。
(Simulation 2)
Similar to the case of the
図4のグラフ中、縦軸は熱回収率を表し、横軸は超臨界CO2の質量流量(kg/h)を表している。また、”□”で示した点を結んだグラフが、エジェクタを備えた装置構成のものであり、破線で示したグラフは、エジェクタを備えない装置構成のものである。 In the graph of FIG. 4, the vertical axis represents the heat recovery rate, and the horizontal axis represents the mass flow rate (kg / h) of supercritical CO 2. Further, the graph connecting the points indicated by "□" is for the device configuration including the ejector, and the graph shown by the broken line is for the device configuration without the ejector.
図4のグラフから、超臨界CO2の質量流量が10〜18kg/hの範囲内では、エジェクタ7を備えたことで、熱回収率が向上することが確認された。なお、エジェクタ7を備えた場合に、超臨界CO2の質量流量が18kg/hを超えると熱回収効率が増大しなくなるのは、第1の管路8および第3の管路13間の分流が影響しているものと考えられる。
From the graph of FIG. 4, it was confirmed that the heat recovery rate was improved by providing the
図5は、本発明の別の実施例による太陽熱集熱装置の基本構成を示す図1に類似の図である。
図5の実施例は、図1の実施例に、さらに、別の構成要件を付加したものである。よって、図5中、図1に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下では、それらの詳細な説明を省略する。
FIG. 5 is a diagram similar to FIG. 1 showing a basic configuration of a solar heat collector according to another embodiment of the present invention.
The embodiment of FIG. 5 is obtained by adding another configuration requirement to the embodiment of FIG. Therefore, in FIG. 5, the same components as those shown in FIG. 1 are assigned the same number, and detailed description thereof will be omitted below.
図5を参照して、この実施例では、まず、第1および第2の管路8、9を接続する第1のバイパス管路29と、第1のバイパス管路29に配置されたヒータ30と、第1のバイパス管路29におけるヒータ30の上流側および下流側にそれぞれ配置された第3および第4の流量制御弁31、32とが備えられる。
ヒータ30、および第3および第4の流量制御弁31、32は制御部28によって制御される。
With reference to FIG. 5, in this embodiment, first, a
The
この付加された構成によれば、例えば、本発明の太陽熱集熱装置を太陽熱給湯器として使用した場合に、雨天や曇天のために太陽照射量が少なくなったときや、夜間に太陽照射量がゼロとなったときでも、ヒータ30を動作させて第3および第4の流量制御弁31、32の開度を調節し、冷媒をヒータ30によって加熱することで、一定の出湯温度が得られる。
また、ヒータ30を動作させて第3および第4の流量制御弁31、32の開度を調節し、冷媒を加熱してその液相から臨界状態への相変化を促進することで、ヒータ30を一種のポンプとして機能させて装置内の冷媒の流れを付勢することができる。
また、気象ビッグデータに基づいて日々の太陽照射量および気温等を予測し、この予測値に基づいてヒータ30の制御を行うことによって、本発明の太陽熱集熱装置をより効率的に動作させることができる。
According to this added configuration, for example, when the solar heat collector of the present invention is used as a solar water heater, the solar irradiation amount is reduced due to rainy or cloudy weather, or the solar irradiation amount is increased at night. Even when it becomes zero, a constant hot water temperature can be obtained by operating the
Further, the
In addition, the solar heat collector of the present invention can be operated more efficiently by predicting the daily solar irradiation amount, temperature, etc. based on meteorological big data and controlling the
さらに、第2および第4の管路9、13を接続する第2のバイパス管路33と、第2のバイパス管路33に配置された第5の流量制御弁34とが備えられる。第5の流量制御弁34は制御部28によって制御される。
この付加された構成によれば、第5の流量制御弁34の開度を調節することで、集熱器1の入口1aへの冷媒の流入量を迅速に増減させることができる。
Further, a
According to this added configuration, the amount of refrigerant flowing into the inlet 1a of the
以上、本発明の構成をいくつかの好ましい実施例に基づいて説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されず、本願の特許請求の範囲に記載した構成の範囲内で種々の変形例を案出できることは言うまでもない。
例えば、上記実施例では、第1の管路8の第3の管路13との接続部の下流側に流量制御弁を1つだけ配置したが、それに加えて、第1の管路8の第3の管路13との接続部の上流側に別の流量制御弁を配置してもよいし、それに加えて、第3の管路13にさらに別の流量制御弁を配置してもよいし、それに加えて、第4の管路14にさらに別の流量制御弁を配置してもよい。
また、例えば、上記実施例では、熱交換器11を、伝熱管10と、伝熱管10の外周を包囲する熱回収流体の流路12とから構成したが、熱交換器11を、伝熱管10、および伝熱管10を直接空冷する送風機から構成することもできる。
Although the configuration of the present invention has been described above based on some preferred examples, the configuration of the present invention is not limited to the above examples, and various modifications are made within the scope of the configuration described in the claims of the present application. Needless to say, we can come up with an example.
For example, in the above embodiment, only one flow control valve is arranged on the downstream side of the connection portion of the
Further, for example, in the above embodiment, the
1 集熱器
1a 入口
1b 出口
2 ケーシング
3a 上部ヘッダ
3b 下部ヘッダ
4 集熱管
4a ガラス管
5 反射板
6a 下部集合管
6b 上部集合管
7 エジェクタ
7a ノズル
7b 混合部
7c ディフューザ
7d 冷媒供給口
7e 冷媒吐出口
7f 冷媒吸入口
8 第1の管路
9 第2の管路
10 伝熱管
10a 冷媒流入口
10b 冷媒流出口
11 熱交換器
12 熱回収流体の流路
12a 入口
12b 出口
13 第3の管路
14 第4の管路
15 第1の流量制御弁
16 第1の温度検出器
17 第1の圧力検出器
18 第1の質量流量計
19 第2の温度検出器
20 第2の圧力検出器
21 熱回収流体供給管
22 熱回収流体排出管
23 ポンプ
24 第3の温度検出器
25 第2の質量流量計
26 第2の流量制御弁
27 第4の温度検出器
28 制御部
29 第1のバイパス管路
30 ヒータ
31 第3の流量制御弁
32 第4の流量制御弁
33 第2のバイパス管路
34 第5の流量制御弁
1 Heat
Claims (6)
冷媒供給口、および冷媒吸入口、および冷媒吐出口を有するエジェクタと、
前記集熱器の出口と前記エジェクタの冷媒供給口を接続し、前記冷媒が内部を流れる第1の管路と、
前記集熱器の入口と前記エジェクタの冷媒吐出口を接続し、前記冷媒が内部を流れる第2の管路と、
冷媒流入口および冷媒流出口を有する伝熱管を含み、前記伝熱管を流れる前記冷媒から熱を回収する熱交換器と、
前記第1の管路と前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流入口を接続する第3の管路と、
前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流出口と前記エジェクタの前記冷媒吸入口を接続する第4の管路と、
前記第1〜第4の管路のうちの少なくとも1つに配置された流量制御弁と、
前記第1〜第4の管路のうちの少なくとも1つに配置され、前記冷媒の相変化の状態を検出する検出器と、
前記流量制御弁を制御する制御部と、を備え、
前記集熱器の前記出口が前記入口よりも高い位置に配置され、かつ前記熱交換器の前記伝熱管の前記冷媒流入口が前記冷媒流出口よりも高い位置に配置されるとともに、前記第1および第3の管路が前記第2の管路よりも高い位置に配置されており、
前記冷媒の流れが前記エジェクタによって付勢されるとともに、前記流量制御弁が前記検出器の検出値に基づいて制御されて、前記冷媒が、前記集熱器内を流れる間に、太陽熱によって加熱されて液相から超臨界状態になる一方、前記熱交換器の前記伝熱管内を流れる間に冷却されて超臨界状態から液相になるように前記集熱器と前記熱交換器との間を相変化しながら自然循環するものであることを特徴とする太陽熱集熱装置。 A heat collector that has an inlet and an outlet for a refrigerant composed of supercritical fluid and receives solar irradiation,
An ejector having a refrigerant supply port, a refrigerant suction port, and a refrigerant discharge port,
A first pipeline that connects the outlet of the heat collector and the refrigerant supply port of the ejector and allows the refrigerant to flow inside, and
A second pipeline that connects the inlet of the heat collector and the refrigerant discharge port of the ejector and allows the refrigerant to flow inside, and
A heat exchanger that includes a heat transfer tube having a refrigerant inlet and a refrigerant outlet and recovers heat from the refrigerant flowing through the heat transfer tube.
A third line connecting the first line and the refrigerant inlet of the heat transfer tube of the heat exchanger, and a third line.
A fourth pipeline connecting the refrigerant outlet of the heat transfer tube of the heat exchanger and the refrigerant suction port of the ejector, and
A flow control valve arranged in at least one of the first to fourth pipelines,
A detector arranged in at least one of the first to fourth pipelines to detect the phase change state of the refrigerant, and
A control unit that controls the flow control valve is provided.
The outlet of the heat collector is arranged at a position higher than the inlet, and the refrigerant inlet of the heat transfer tube of the heat exchanger is arranged at a position higher than the refrigerant outlet, and the first. And the third conduit is located higher than the second conduit.
The flow of the refrigerant is urged by the ejector, the flow control valve is controlled based on the detection value of the detector, and the refrigerant is heated by solar heat while flowing in the collector. While flowing from the liquid phase to the supercritical state, the heat exchanger is cooled between the heat exchanger and the heat exchanger so that the heat exchanger changes from the supercritical state to the liquid phase. A solar heat collector characterized by naturally circulating while changing phases.
前記熱交換器の前記伝熱管が、前記冷媒流入口側から前記冷媒流出口側に向かって傾斜してのび、または前記冷媒流入口側から前記冷媒流出口側に向かって垂直にのびているものであることを特徴とする請求項1に記載の太陽熱集熱装置。 The refrigerant flow path in the heat collector extends inclined from the inlet side toward the outlet side, or extends vertically from the inlet side toward the outlet side.
The heat transfer tube of the heat exchanger extends inclined from the refrigerant inlet side toward the refrigerant outlet side, or extends vertically from the refrigerant inlet side toward the refrigerant outlet side. The solar heat collector according to claim 1, wherein the solar heat collector is provided.
前記バイパス管路に配置されたヒータと、
前記バイパス管路における前記ヒータの上流側および下流側にそれぞれ配置された別の流量制御弁と、を備え、
前記別の流量制御弁が前記制御部によって制御されるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の太陽熱集熱装置。 Bypass pipelines connecting the first and second pipelines,
With the heater arranged in the bypass pipeline,
It is provided with separate flow control valves arranged on the upstream side and the downstream side of the heater in the bypass pipeline, respectively.
The solar heat collector according to claim 1 or 2, wherein the other flow rate control valve is controlled by the control unit.
前記別のバイパス管路に配置されたさらに別の流量制御弁と、を備え、
前記さらに別の流量制御弁が前記制御部によって制御されるものであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。 With another bypass line connecting the second and fourth lines,
With yet another flow control valve located in the other bypass line,
The solar heat collecting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the further flow rate control valve is controlled by the control unit.
前記第1および第2の管路のそれぞれに配置された温度検出器と圧力検出器からなっていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。 The detector
The solar heat collector according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature detector and the pressure detector are arranged in each of the first and second pipelines.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016238620A JP6861965B2 (en) | 2016-12-08 | 2016-12-08 | Solar heat collector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016238620A JP6861965B2 (en) | 2016-12-08 | 2016-12-08 | Solar heat collector |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018096558A JP2018096558A (en) | 2018-06-21 |
JP6861965B2 true JP6861965B2 (en) | 2021-04-21 |
Family
ID=62632778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016238620A Active JP6861965B2 (en) | 2016-12-08 | 2016-12-08 | Solar heat collector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6861965B2 (en) |
-
2016
- 2016-12-08 JP JP2016238620A patent/JP6861965B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2018096558A (en) | 2018-06-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Diallo et al. | Energy performance analysis of a novel solar PVT loop heat pipe employing a microchannel heat pipe evaporator and a PCM triple heat exchanger | |
CN101793421B (en) | hydronic heating system | |
US4552208A (en) | Heat actuated system for circulating heat transfer fluids | |
CN102803742B (en) | Heated liquid self-driven pump and heat-driven liquid self-circulation system using it | |
KR101058575B1 (en) | Solar Heating System | |
JP2019534442A (en) | Sub-atmospheric heating and cooling system | |
WO2017027857A1 (en) | Hot water heating system and related methods | |
JP6861965B2 (en) | Solar heat collector | |
CN104780746A (en) | Water-cooled cabinets and underwater water-cooled system with same | |
KR101090376B1 (en) | Solar heating system | |
CN106152562A (en) | A kind of phase-transition heat-storage, efficiently take pattern of fever solar water and heating system | |
CN107178903A (en) | Solar heat pump water heating apparatus and its control method | |
CN204598554U (en) | A kind of water-cooled cabinet and the underground water cooled system containing this rack | |
CN106066100A (en) | Thermal-arrest storage integrated solar hot water device | |
CN209512315U (en) | Integrated module type solar water heating system | |
CN104864612A (en) | Superconductive flat plate solar water heater | |
CN206469495U (en) | A kind of heat riser | |
CN110400644A (en) | A kind of passive containment heat discharge structure | |
CN113701142B (en) | System for heating condensation water by using waste heat of heat medium water of tubular heat exchanger and control mode | |
CN203286776U (en) | Water tank floor type liquid pipe bottomless vacuum tube solar water heater | |
KR101092495B1 (en) | Waste Heat Utilization Device of Solar System | |
KR100696869B1 (en) | Pumping method of water or liquid by thermal expansion of water or liquid using solar heat and device therefor | |
FI66079C (en) | FOER FARING FOER UTNYTTJANDE AV JORDVAERME OCH SOLVAERME | |
CN105157209A (en) | Natural convection type heater based on phase-change heat storage materials | |
KR101333563B1 (en) | Heating method by solar energy with heat pipe |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191108 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210127 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210210 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210317 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210323 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6861965 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |