JP2005195265A - 多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム及び圧縮排熱利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多段空気圧縮機の圧縮排熱を冷熱に変換して、これを空調機器等の冷熱負荷に利用することにより、省エネルギー化を図ることができる多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム及び圧縮排熱利用方法を提供する。
【解決手段】 圧縮排熱利用システム１０は、互いに直列に接続された複数の空気圧縮部１２ａ〜１２ｄと、該各空気圧縮部からの圧縮空気２と冷却水１６との間で熱交換を行わせることにより圧縮空気２を冷却する空気冷却手段とを備えた多段空気圧縮機１１と、前記空気圧縮部からの圧縮空気２と温水３０との間で熱交換を行わせることにより該温水３０を加熱する温水加熱手段２３と、該温水加熱手段２３により加熱された温水３０を作動用温水として冷水３６を生成する温水吸収冷凍機３３と、該温水吸収冷凍機３３により生成された冷水３６を利用し得る冷熱負荷３８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多段空気圧縮機からの圧縮排熱を回収し、利用し得るようにした多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム及び圧縮排熱利用方法に関する。

図３は、従来の多段空気圧縮機の概略構成図を示すものである。この図に示すように、多段空気圧縮機５１は、互いに直列に接続された空気圧縮部５２ａ〜５２ｄと、空気圧縮部間に設けられ空気圧縮部５２ａ〜５２ｃからの圧縮空気を冷却するインタークーラ５４ａ〜５４ｃと、空気圧縮部５２ｄからの圧縮空気を冷却するアフタークーラ５５とを備えている。インタークーラ５４ａ〜５４ｃ及びアフタークーラ５５には圧縮空気を冷却する冷却水５６を流通させる冷却水管５７が接続されており、冷却水管５７には冷却塔５８が接続されている。この多段空気圧縮機５１により、吸入口フィルタ５９から吸入した空気６０を、空気圧縮部５２ａにより圧縮し１４０℃に昇温した後、インタークーラ５４ａにより４０℃まで冷却し、以下同様にして空気圧縮部５２ｂ〜５２ｄによる圧縮と、インタークーラ５４ｂ，５４ｃ及びアフタークーラ５５による冷却とを繰り返しながら昇圧することで、圧縮効率を向上させながら所望の圧力の高圧空気を生成するようになっている。インタークーラ５４ａ〜５４ｃ及びアフタークーラ５５により昇温した冷却水５６は冷却水管５７を通り冷却塔５８に戻されて冷却され、再びインタークーラ５４ａ〜５４ｃ及びアフタークーラ５５において使用される。なお、このような多段空気圧縮機は、下記特許文献１〜３にも開示されている。

特開平５−１０６５６０号公報（図１〜図３） 特開平１０−８２３９１号公報（図１） 特開平１１−２０１０４２号公報（図１、図２）

ところで、上述した多段空気圧縮機におけるインタークーラ５４ａ〜５４ｃ及びアフタークーラ５５は、内部に高温の圧縮空気と低温の冷却水５６を流すことにより、これらの間で熱交換を行うようになっている。しかしながら、熱交換を終え温度の上昇した後の冷却水は、冷却塔５８に送給され、その熱エネルギーは大気に捨てられているのが現状である。つまり、多段空気圧縮機の圧縮排熱は有効利用されることなく、無駄に捨てられていたという問題があった。一方、多段空気圧縮機が使用される各種プラント設備では、空調機器等の冷熱負荷は電力を大量に消費する電動冷凍機などにより賄っていた。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、多段空気圧縮機の圧縮排熱を冷熱に変換して、これを空調機器等の冷熱負荷に利用することにより、省エネルギー化を図ることができる多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム及び圧縮排熱利用方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システムは、互いに直列に接続された複数の空気圧縮部と、該各空気圧縮部からの圧縮空気と冷却水との間で熱交換を行わせることにより圧縮空気を冷却する空気冷却手段とを備えた多段空気圧縮機と、前記空気圧縮部からの圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより該温水を加熱する温水加熱手段と、該温水加熱手段により加熱された温水を作動用温水として冷水を生成する温水吸収冷凍機と、該温水吸収冷凍機により生成された冷水を利用し得る冷熱負荷とを備えることを特徴としている（請求項１）。

本発明のこのような構成によれば、多段空気圧縮機の空気圧縮部により圧縮され高温となった圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより温水を加熱し、この温水を作動用温水とする温水吸収冷凍機により冷水を生成し、この冷水を冷熱負荷に利用することができるので、空調機器等の電力負荷を低減させ、省エネルギー化を図ることができる。これにより、電力料金の削減及び環境負荷の低減を図ることができるという効果が得られる。

また、上記多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システムにおいて、好ましくは、前記冷却手段は、最終段の空気圧縮部からの圧縮空気を冷却するアフタークーラと、前記最終段の空気圧縮部以外の空気圧縮部からの圧縮空気を冷却するインタークーラとから構成され、前記インタークーラ及び／又は前記アフタークーラは、内部に前記圧縮空気を流通させる圧縮空気流路と、内部に前記冷却水を流通させる冷却水流路と、内部に前記温水を流通させる温水流路とを有し、前記インタークーラ及び／又は前記アフタークーラと、前記温水加熱手段とが一体的に構成されている（請求項２）。

多段空気圧縮機のインタークーラ及び／又はアフタークーラと、温水吸収冷凍機の作動用温水を加熱する加熱手段とを一体的に構成することにより、温水加熱手段としての熱交換器を別途設ける必要がなく、設備の構成がシンプルとなる。

また、本発明の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用方法は、互いに直列に接続された複数の空気圧縮部を備えた多段空気圧縮機における前記空気圧縮部からの圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより該温水を加熱し、加熱された温水を作動用温水として温水吸収冷凍機により冷水を生成し、該冷水を冷熱負荷に利用する、ことを特徴とする（請求項３）。

本発明のこのような構成によれば、多段空気圧縮機の空気圧縮部により圧縮され高温となった圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより温水を加熱し、この温水を作動用温水とする温水吸収冷凍機により冷水を生成し、この冷水を冷熱負荷に利用することができるので、空調機器等の電力負荷を低減させ、省エネルギー化を図ることができる。これにより、電力料金の削減及び環境負荷の低減を図ることができるという効果が得られる。

以上説明したように、本発明の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム及び圧縮排熱利用方法によれば、多段空気圧縮機の圧縮排熱を冷熱に変換して、これを空調機器等の冷熱負荷に利用することにより、省エネルギー化を図ることができ、電力料金の削減及び環境負荷の低減を図ることができる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システムの概略構成図である。この圧縮排熱利用システム１０により本発明の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用方法を実施することができる。この図に示すように、圧縮排熱利用システム１０は、多段空気圧縮機１１と、温水加熱器２３と、温水吸収冷凍機３３と、冷熱負荷３８と、制御部４０とを備えている。

多段空気圧縮機１１は、互いに直列に接続された複数の空気圧縮部１２ａ〜１２ｄと、空気圧縮部１２ａ〜１２ｃからの圧縮空気２と冷却水１６との間で熱交換を行わせて圧縮空気２を冷却するインタークーラ１４ａ〜１４ｃと、空気圧縮部１２ｄからの圧縮空気２と冷却水１６との間で熱交換を行わせて圧縮空気２を冷却するアフタークーラ１５とを備えている。インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５は、シェルアンドチューブ式熱交換器であり、内部に圧縮空気を流通させる圧縮空気流路２１と、内部に冷却水１６を流通させる冷却水流路２２とを有している。インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５には、冷却水１６を流通させてこれらに冷却水１６を供給する冷却水管１７が接続されており、冷却水管１７には冷却塔１８が接続されている。冷却水管１７のインタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５の入側には冷却水１６の流量を調節する冷却水流量調節弁１９ａ〜１９ｄが配設されている。なお、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５は、本発明における空気冷却手段として機能する。

また、多段空気圧縮機１１には、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５により冷却された圧縮空気２の温度を検出する温度検出器２６ａ〜２６ｄが設けられている。

この多段空気圧縮機１１により、吸入口フィルタ７から吸入した空気１を、空気圧縮部１２ａにより圧縮して昇温（例えば１４０℃）した後、インタークーラ１４ａにより冷却（例えば４０℃）し、以下同様にして空気圧縮部１２ｂ〜１２ｄによる圧縮と、インタークーラ１４ｂ，１４ｃ及びアフタークーラ１５による冷却とを繰り返しながら昇圧することで、圧縮効率を向上させながら所望の圧力の高圧空気を生成するようになっている。インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５により昇温した冷却水１６は冷却水管１７を通り冷却塔１８に戻されて冷却され、再びインタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５において使用される。

なお、上記圧縮空気の温度は一例であって、多段空気圧縮機１１による圧縮空気の温度はこれに限定されることはない。

温水加熱器２３は、空気圧縮部１２ａ〜１２ｄからの圧縮空気２と温水３０との間で熱交換を行わせることにより、温水３０を加熱するものであり、内部に圧縮空気２を流通させる圧縮空気流路２４と、内部に温水３０を流通させる温水流路２５とを有している。この温水加熱器２３は、本発明における温水加熱手段を構成している。なお、本実施の形態では、温水加熱器２３は、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５のそれぞれの上流側に設けられているが、このような構成に代えて、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５のそれぞれの下流側に設ける構成としても良い。

温水吸収冷凍機３３は、温水加熱器２３により加熱された温水３０を熱源として冷水３６を生成する機能を有している。すなわち、温水３０は温水吸収冷凍機３３の作動用温水となる。温水吸収冷凍機３３と温水加熱器２３とは、温水３０を流通させる温水管３１で接続されている。また、温水管３１の温水加熱器２３のそれぞれの入側には温水３０の流量を調節する温水流量調節弁３４ａ〜３４ｄが配設されている。

温水吸収冷凍機３３を出た温水３０（例えば、約８３℃）は温水加熱器２３において空気圧縮部１２ａ〜１２ｄからの約１４０℃の圧縮空気２との間で熱交換を行って加熱（例えば、約８８℃）される。加熱された温水３０は、温水管３１を介して温水吸収冷凍機３３に熱源として供給される。そして、温水吸収冷凍機３３では、水３７が冷却され冷水３６（例えば、約８℃）を生成する。

冷熱負荷３８は、多段空気圧縮機１１が設置されたプラント設備の例えば冷房機器などの空調機器であり、温水吸収冷凍機３３により冷却された冷水３６を利用し、冷房等を行い得るようになっている。

制御部４０は、温度検出器２６ａ〜２６ｄの検出データに基づき、冷却水流量調節弁１９ａ〜１９ｄ及び温水流量調節弁３４ａ〜３４ｄの弁開度を制御することにより、圧縮空気２と冷却水１６及び温水３０との熱交換量を調節して、温水加熱器２３、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５により冷却した後の圧縮空気２の温度が所望の温度となるような制御を行う。

なお、温水吸収冷凍機３３には、冷却水管１７から分岐する分岐管２８が接続されており、冷熱負荷において要求される冷房負荷が減少した場合に、補助的に温水吸収冷凍機３３に冷却水１６を供給できるようになっている。この場合、制御部４０により分岐管２８に配設された冷却水流量調節弁２０の弁開度を制御することにより、冷却水１６の流量制御を行う。

本発明の第１の実施の形態によれば、多段空気圧縮機１１の空気圧縮部１２ａ〜１２ｄにより圧縮され高温となった圧縮空気２と温水３０とを熱交換させることにより温水３０を加熱し、この温水３０を作動用温水とする温水吸収冷凍機３３により冷水３６を生成し、この冷水３６を冷熱負荷３８に利用することができる。これにより、空調機器等の電力負荷を低減させ、省エネルギー化を図ることができ、電力料金の削減及び環境負荷の低減を図ることができるという効果が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態による多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システムの概略構成図であり、第１の実施の形態と同様に、本実施の形態によっても、本発明の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用方法を実施することができる。

本実施の形態においては、図２に示すように、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５には温水管３１が接続されており、更に、圧縮空気流路２１と冷却水流路２２に加え、温水流路２５を有している。このような構成により、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５において、圧縮空気２と冷却水１６との間で熱交換が行われると共に、圧縮空気２と温水３０との間で熱交換が行われる。すなわち、本実施形態では、圧縮空気２を冷却する冷却手段と、温水３０を加熱する温水加熱手段とが一体的に構成されている。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同様である。

なお、第２の実施の形態では、インタークーラ１４ａ〜１４ｃ及びアフタークーラ１５の全てにおいて圧縮空気２と温水３０との間で熱交換を行わせる構成としたが、必ずしもこれに限定されず、冷熱負荷において要求される冷房負荷の大小により、適宜その構成を変更するようにしても良い。例えば、アフタークーラ１５には、温水管３１を接続せず、インタークーラ１４ａ〜１４ｃにおいてのみ圧縮空気２と温水３０との間で熱交換を行わせる構成としても良い。

本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、多段空気圧縮機１１の空気圧縮部１２ａ〜１２ｄにより圧縮され高温となった圧縮空気２と温水３０とを熱交換させることにより温水３０を加熱し、この温水３０を作動用温水とする温水吸収冷凍機３３により冷水３６を生成し、この冷水３６を冷熱負荷３８に利用することができる。これにより、空調機器等の電力負荷を低減させ、省エネルギー化を図ることができ、電力料金の削減及び環境負荷の低減を図ることができるという効果が得られる。

また、多段空気圧縮機１１のインタークーラ及び／又はアフタークーラと、温水吸収冷凍機３３の作動用温水を加熱する温水加熱手段とが一体的に構成されることにより、温水加熱器２３を別途設ける必要がなく、設備の構成がシンプルとなる。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態では、多段空気圧縮機１１の空気圧縮部の段数は４段のものとして説明したが、これに限定されず、２段、３段もしくは５段以上であっても良い。

その他、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態の概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態の概略構成図である。 従来例の概略構成図である。

符号の説明

１ 空気
２ 圧縮空気
７ 吸入口フィルタ
１０ 圧縮排熱利用システム
１１ 多段空気圧縮機
１２ａ〜１２ｄ 空気圧縮部
１４ａ〜１４ｃ インタークーラ
１５ アフタークーラ
１６ 冷却水
１７ 冷却水管
１８ 冷却塔
１９ａ〜１９ｄ，２０ 冷却水流量調節弁
２１，２４ 圧縮空気流路
２２ 冷却水流路
２３ 温水加熱器
２５ 温水流路
２６ａ〜２６ｄ 温度検出器
２８ 分岐管
３０ 温水
３１ 温水管
３３ 温水吸収冷凍機
３４ａ〜３４ｄ 温水流量調節弁
３６ 冷水
３７ 水
３８ 冷熱負荷
４０ 制御部

Claims (3)

1. 互いに直列に接続された複数の空気圧縮部と、該各空気圧縮部からの圧縮空気と冷却水１６との間で熱交換を行わせることにより圧縮空気を冷却する空気冷却手段とを備えた多段空気圧縮機と、
   前記空気圧縮部からの圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより該温水を加熱する温水加熱手段と、
   該温水加熱手段により加熱された温水を作動用温水として冷水を生成する温水吸収冷凍機と、
   該温水吸収冷凍機により生成された冷水を利用し得る冷熱負荷と、を備える、ことを特徴とする多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム。
2. 前記冷却手段は、最終段の空気圧縮部からの圧縮空気を冷却するアフタークーラと、前記最終段の空気圧縮部以外の空気圧縮部からの圧縮空気を冷却するインタークーラとから構成され、
   前記インタークーラ及び／又は前記アフタークーラは、内部に前記圧縮空気を流通させる圧縮空気流路と、内部に前記冷却水を流通させる冷却水流路と、内部に前記温水を流通させる温水流路とを有し、
   前記インタークーラ及び／又は前記アフタークーラと、前記温水加熱手段とが一体的に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の多段空気圧縮機の圧縮排熱利用システム。
3. 互いに直列に接続された複数の空気圧縮部を備えた多段空気圧縮機における前記空気圧縮部からの圧縮空気と温水との間で熱交換を行わせることにより該温水を加熱し、加熱された温水を作動用温水として温水吸収冷凍機により冷水を生成し、該冷水を冷熱負荷に利用する、ことを特徴とする多段空気圧縮機の圧縮排熱利用方法。

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