JP2006226655A - Compression type heat pump system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compression type heat pump system capable of suppressing deterioration of COP following dropping of a heat source temperature of an evaporator while generating sufficient heat to suppress heat shortage. <P>SOLUTION: The compression type heat pump system is provided with a refrigerant circuit 1 circulating a refrigerant X comprised of carbon dioxide through each of a compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4, and the evaporator 5 in this order. A prime mover 10 is provided for driving the compressor 2, and an exhaust heat recovery part 20 is provided for recovering heat from combustion exhaust gas E exhausted from the prime mover 10. It is composed to supply combustion exhaust gas E' exhausted from the exhaust heat recovery part 20 as a heat source for the evaporator 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、二酸化炭素からなる冷媒が、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒から放熱させる凝縮器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒に吸熱させる蒸発器との順に夫々を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムに関する。   According to the present invention, a refrigerant composed of carbon dioxide includes a compressor that compresses the refrigerant, a condenser that dissipates heat from the refrigerant, an expansion valve that expands the refrigerant, and an evaporator that absorbs heat from the refrigerant. The present invention relates to a compression heat pump system including a circulating refrigerant circuit.

上記のような圧縮式ヒートポンプシステムとしては、近年、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、フロンのような人工冷媒ではなく、二酸化炭素のような自然冷媒を用い、圧縮機の動作圧(即ち、冷媒の吐出圧力)を自然冷媒の超臨界圧力として、二酸化炭素を気相状態と気液2相状態との間で状態変化させる際の吸熱・放熱を利用して、上記蒸発器から凝縮器側に熱を強制的に移動させる超臨界ヒートポンプサイクルで作動する圧縮式ヒートポンプ装置が実用化されている(例えば、特許文献1を参照。)。   As a compression heat pump system as described above, in recent years, from the viewpoint of protecting the ozone layer and preventing global warming, a natural refrigerant such as carbon dioxide is used instead of an artificial refrigerant such as Freon, and the operating pressure of the compressor ( That is, the refrigerant discharge pressure) is set to the supercritical pressure of the natural refrigerant, and the carbon dioxide is condensed from the evaporator by utilizing heat absorption / radiation when changing the state between the gas phase and the gas-liquid two-phase state. A compression heat pump apparatus that operates in a supercritical heat pump cycle that forcibly moves heat to the vessel side has been put into practical use (see, for example, Patent Document 1).

かかる二酸化炭素を冷媒とした従来の圧縮式ヒートポンプ装置は、蒸発器に熱源として大気を供給して、凝縮器において湯水を比較的高温(80℃〜95℃)に加熱することができ、給湯装置として広く販売されている。   A conventional compression heat pump apparatus using carbon dioxide as a refrigerant can supply air to the evaporator as a heat source, and can heat the hot and cold water to a relatively high temperature (80 ° C. to 95 ° C.) in the condenser. As widely sold.

一方、発電機を駆動して発電を行う内燃機関などの原動機を備え、その原動機から排出された比較的高温の燃焼排ガスとの熱交換により湯水を加熱する湯水加熱部等のように、その原動機から排出された燃焼排ガスの熱を回収する排熱回収部を備えて、その原動機による発電に伴って発生された熱を、給湯用や暖房用の湯水加熱用として有効利用するように構成したコージェネレーションシステムが知られている(例えば、特許文献2を参照。)。   On the other hand, a prime mover such as an internal combustion engine that drives a generator to generate electric power, such as a hot water heating section that heats hot water by heat exchange with a relatively high-temperature combustion exhaust gas discharged from the prime mover. A waste heat recovery unit that recovers the heat of the combustion exhaust gas discharged from the engine, and is configured to effectively use the heat generated by the power generation by the prime mover for hot water heating for hot water supply or heating. A generation system is known (see, for example, Patent Document 2).

特開2004−132606号公報JP 2004-132606 A 特開2004−263589号公報JP 2004-263589 A

コージェネレーションシステムにおいて、原動機は、発電部における発電効率の向上を目指して、その効率の向上が図られているが、高効率のものほど総合効率(発電効率と熱回収効率の和)が低下する傾向にある。
従って、場合によっては、熱需要に対して排熱回収部で発生し得る発生熱量が不足する所謂熱不足が生じるが、その場合、新たにボイラ等により燃料を燃焼して熱を補えば、発電部における発電効率の向上効果がそのボイラにおける燃料消費により低減してしまう場合がある。
In the cogeneration system, the prime mover aims to improve the power generation efficiency in the power generation unit, and the efficiency is improved. However, the higher the efficiency, the lower the overall efficiency (the sum of power generation efficiency and heat recovery efficiency). There is a tendency.
Therefore, in some cases, there is a so-called heat shortage in which the amount of heat that can be generated in the exhaust heat recovery unit is insufficient with respect to the heat demand. In this case, if the fuel is newly burned by a boiler or the like to compensate for the heat, In some cases, the effect of improving the power generation efficiency in the section is reduced by the fuel consumption in the boiler.

そこで、このようなコージェネレーションシステムでは、例えば圧縮機を原動機の発電出力により駆動するように構成された圧縮式ヒートポンプシステムを備え、排熱回収部で回収した熱に対して、凝縮器で発生した熱を補うように構成する場合がある。   Therefore, in such a cogeneration system, for example, a compressor is provided with a compression heat pump system configured to drive the compressor with the power generation output of the prime mover, and the heat recovered in the exhaust heat recovery unit is generated in the condenser. It may be configured to compensate for heat.

しかしながら、従来の大気を蒸発器の熱源として供給する圧縮式ヒートポンプ装置では、その効率性の指標である成績係数(圧縮機に加えられた仕事量に対する加熱熱量の比で示される。以下、「COP」と呼ぶ。)は、熱源である大気の温度に依存し、その温度が低下すればCOPが低下する関係にある。さらに、大気の温度が低い場合には蒸発器における除霜も必要になり、COPがさらに低下する要因となっている。
よって、コージェネレーションシステムにおいて、このような圧縮式ヒートポンプシステムを備えたとしても、上記のようなCOP低下の問題のため、総合効率を十分に向上することができない場合がある。
However, in a conventional compression heat pump apparatus that supplies atmospheric air as a heat source for an evaporator, a coefficient of performance (indicated by a ratio of heating heat to work applied to the compressor is shown. ")" Depends on the temperature of the atmosphere as a heat source, and the COP decreases as the temperature decreases. Furthermore, when the temperature of the atmosphere is low, defrosting in the evaporator is also necessary, which is a factor that further reduces COP.
Therefore, even if such a compression heat pump system is provided in the cogeneration system, the total efficiency may not be sufficiently improved due to the above-described problem of COP reduction.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な熱を発生して熱不足の発生を抑制しならが、蒸発器の熱源温度の低下に伴うCOPの低下を抑制し得る圧縮式ヒートポンプシステムを提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to generate sufficient heat to suppress the occurrence of heat shortage, but to reduce the COP accompanying the decrease in the heat source temperature of the evaporator. It is in the point which provides the compression type heat pump system which can be suppressed.

上記目的を達成するための本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムは、二酸化炭素からなる冷媒が、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒から放熱させる凝縮器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒に吸熱させる蒸発器との順に夫々を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムであって、その第1特徴構成は、燃料を燃焼させて前記圧縮機の駆動力を出力する原動機と、
前記原動機から排出された燃焼排ガスから熱を回収する排熱回収部とを備えると共に、
前記排熱回収部から排出された燃焼排ガスを、前記蒸発器の熱源として供給するように構成された点にある。
尚、本願において、原動機は、燃料の燃焼エネルギを圧縮機の駆動力とされる機械的エネルギや電気的エネルギに変換するものを示す。
In order to achieve the above object, a compression heat pump system according to the present invention comprises a compressor in which carbon dioxide refrigerant compresses the refrigerant, a condenser that radiates heat from the refrigerant, and an expansion valve that expands the refrigerant. , A compression heat pump system provided with a refrigerant circuit that circulates in the order of the evaporator that absorbs heat into the refrigerant, the first feature of which is a prime mover that burns fuel and outputs the driving force of the compressor When,
An exhaust heat recovery unit that recovers heat from the combustion exhaust gas discharged from the prime mover,
The combustion exhaust gas discharged from the exhaust heat recovery unit is configured to be supplied as a heat source of the evaporator.
In the present application, the prime mover refers to one that converts combustion energy of fuel into mechanical energy or electrical energy that is used as a driving force of the compressor.

上記第1特徴構成によれば、燃料を燃焼させて圧縮機の駆動力を出力する原動機を設けることで、凝縮器における冷媒からの放熱に加えて、排熱回収部においてその燃焼排ガスから回収した熱を発生させることができ、熱不足の発生を抑制することができる。   According to the first characteristic configuration, by providing a prime mover that burns the fuel and outputs the driving force of the compressor, in addition to the heat radiation from the refrigerant in the condenser, the exhaust heat recovery unit recovered from the combustion exhaust gas. Heat can be generated and generation of heat shortage can be suppressed.

また、排熱回収部から排出された比較的低温の燃焼排ガスは、排熱回収部において熱を回収されたものの、大気よりも高温に維持されていることから、その燃焼排ガスを蒸発器における熱源として供給することにより、蒸発器における冷媒の蒸発温度が高くなって、COPが向上し、更には、冬季等における除霜の必要も無くなる。   In addition, although the relatively low-temperature combustion exhaust gas discharged from the exhaust heat recovery unit has recovered heat in the exhaust heat recovery unit but is maintained at a higher temperature than the atmosphere, the combustion exhaust gas is used as a heat source in the evaporator. As a result, the evaporating temperature of the refrigerant in the evaporator is increased, the COP is improved, and further, there is no need for defrosting in winter.

また、このような排熱回収部から排出された燃焼排ガスには、燃料が燃焼して生成された水蒸気が多く含まれており、更に、その水蒸気の露点が蒸発器における冷媒の沸点よりも高いことから、蒸発器において、その燃焼排ガスと比較的低温の冷媒との間で熱交換を行うことで、燃焼排ガスの顕熱に加えて水蒸気の凝縮潜熱が冷媒側に吸熱されるので、一層COPが向上し、更には、燃料の発熱量に対する熱回収効率が向上する。
更に、蒸発器において、燃焼排ガス側は凝縮伝熱、冷媒側は蒸発伝熱の形態を取るため、総括の伝熱係数も高く保つことができ、さらに温度差も比較的大きく取ることができるため、蒸発器は大気を熱源として供給した場合に比べてかなり小さくすることができる。
In addition, the combustion exhaust gas discharged from such an exhaust heat recovery unit contains a large amount of water vapor generated by burning the fuel, and the dew point of the water vapor is higher than the boiling point of the refrigerant in the evaporator. Therefore, in the evaporator, heat exchange between the combustion exhaust gas and the relatively low temperature refrigerant absorbs the latent heat of condensation of the water vapor to the refrigerant side in addition to the sensible heat of the combustion exhaust gas. In addition, the heat recovery efficiency with respect to the calorific value of the fuel is improved.
Furthermore, in the evaporator, the combustion exhaust gas side is in the form of condensation heat transfer, and the refrigerant side is in the form of evaporation heat transfer, so the overall heat transfer coefficient can be kept high, and the temperature difference can be relatively large. The evaporator can be made considerably smaller than when the atmosphere is supplied as a heat source.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、前記原動機が、燃料を空気過剰状態で希薄燃焼させるように構成されている点にある。   A second characteristic configuration of the compression heat pump system according to the present invention is that, in addition to the first characteristic configuration, the prime mover is configured to perform lean combustion in an excess air state of fuel.

原動機において、例えば高熱効率及び低NOxを図るため、燃料を空気過剰状態で希薄燃焼させる場合には、その原動機から排出された燃焼排ガスに含まれる水蒸気の露点は、例えば40℃程度にまで低下するため、排熱回収部において水蒸気の凝縮潜熱を回収することは困難である。そこで、上記第2特徴構成によれば、排熱回収部から排出された燃焼排ガスが蒸発器の熱源として供給されることで、このような低い露点の水蒸気の凝縮潜熱をも冷媒に吸熱させて回収することができる。   In a prime mover, for example, in order to achieve high thermal efficiency and low NOx, when the fuel is lean-burned in an excess air state, the dew point of water vapor contained in the combustion exhaust gas discharged from the prime mover decreases to about 40 ° C., for example. Therefore, it is difficult to recover the latent heat of condensation of water vapor in the exhaust heat recovery unit. Therefore, according to the second characteristic configuration, the combustion exhaust gas discharged from the exhaust heat recovery unit is supplied as a heat source of the evaporator, so that the refrigerant also absorbs the condensation latent heat of water vapor with such a low dew point. It can be recovered.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第3特徴構成は、上記第1乃至第2特徴構成の何れかに加えて、前記排熱回収部として、前記燃焼排ガスとの熱交換により湯水を加熱する湯水加熱部を備え、
前記凝縮器が、前記冷媒との熱交換により前記湯水加熱部に供給される湯水を加熱するように構成されている点にある。
尚、本願において、湯水は、比較的温暖な湯であっても、比較的低温の水であっても構わない。
The third characteristic configuration of the compression heat pump system according to the present invention includes hot water that heats hot water by heat exchange with the combustion exhaust gas as the exhaust heat recovery unit in addition to any of the first to second characteristic configurations. With a heating section,
The condenser is configured to heat hot water supplied to the hot water heater by heat exchange with the refrigerant.
In the present application, the hot water may be a relatively warm water or a relatively low temperature water.

上記第3特徴構成によれば、凝縮器で加熱した湯水を、湯水加熱部で高温の燃焼排ガスとの熱交換により更に高温に加熱することができ、給湯用及び暖房用として有効利用しえる高温の湯水を生成することができる。また、上記凝縮機における湯水の加熱温度を比較的低く抑えることができるので、二酸化炭素を冷媒として利用した圧縮式ヒートポンプシステムにおいては圧縮機の動作圧を比較的低くすることができ、圧縮機として小型且つ安価なものを利用することができ、更には、圧縮機の動力を削減して省エネルギ性の向上を図ることができる。   According to the third characteristic configuration, the hot water heated by the condenser can be heated to a higher temperature by heat exchange with the hot combustion exhaust gas in the hot water heating section, and can be effectively used for hot water supply and heating. Can produce hot and cold water. In addition, since the heating temperature of the hot water in the condenser can be kept relatively low, the operating pressure of the compressor can be made relatively low in a compression heat pump system using carbon dioxide as a refrigerant. A small and inexpensive one can be used, and further, the power of the compressor can be reduced to improve energy saving.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第4特徴構成は、上記第1乃至第3特徴構成の何れかに加えて、前記排熱回収部として、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原動機に供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱部を備えた点にある。   According to a fourth feature of the compression heat pump system of the present invention, in addition to any of the first to third features, the exhaust heat recovery unit is supplied to the prime mover by heat exchange with the combustion exhaust gas. It is in the point provided with the air preheating part which preheats the combustion air.

上記第4特徴構成によれば、上記空気予熱部を設けて、燃焼排ガスとの熱交換により原動機に供給される燃焼用空気を予熱する所謂熱再生を行うことで、原動機の出力を向上させることができる。   According to the fourth characteristic configuration, the output of the prime mover is improved by providing the air preheating part and performing so-called heat regeneration for preheating combustion air supplied to the prime mover by heat exchange with the combustion exhaust gas. Can do.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第5特徴構成は、上記第1乃至第4特徴構成の何れかに加えて、前記原動機が、内燃機関からなり、
前記圧縮機が、前記内燃機関の軸出力又は発電出力により駆動される点にある。
According to a fifth feature of the compression heat pump system according to the present invention, in addition to any of the first to fourth features, the prime mover comprises an internal combustion engine.
The compressor is driven by shaft output or power generation output of the internal combustion engine.

上記第5特徴構成によれば、上記原動機として、往復動式エンジンやガスタービン式エンジンのような内燃機関を備えた場合には、その内燃機関の軸出力により圧縮機を駆動する形態、又は、内燃機関の軸出力により発電する発電機の発電出力で圧縮機の駆動用モータを作動させる形態で、圧縮機を駆動させることができる。   According to the fifth characteristic configuration, when the engine is provided with an internal combustion engine such as a reciprocating engine or a gas turbine engine, the compressor is driven by the shaft output of the internal combustion engine, or The compressor can be driven in such a form that the motor for driving the compressor is operated by the power generation output of the generator that generates power by the shaft output of the internal combustion engine.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第6特徴構成は、上記第1乃至第4特徴構成の何れかに加えて、前記原動機が、ゼーベック効果を利用して熱電発電を行う熱発電素子を加熱する燃焼器からなり、
前記圧縮機が、前記熱発電素子の発電出力により駆動される点にある。
In a sixth feature configuration of the compression heat pump system according to the present invention, in addition to any of the first to fourth feature configurations, the prime mover heats a thermoelectric generator that performs thermoelectric generation using the Seebeck effect. Consisting of a combustor,
The compressor is driven by the power generation output of the thermoelectric generator.

上記第6特徴構成によれば、上記原動機として、熱発電素子を加熱する燃焼器を備えた場合には、その熱発電素子の発電出力で圧縮機の駆動用モータを作動させる形態で、圧縮機を駆動させることができる。   According to the sixth characteristic configuration, when the combustor for heating the thermoelectric generator is provided as the prime mover, the compressor driving motor is operated by the power generation output of the thermoelectric generator. Can be driven.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図1,2,3に示す圧縮式ヒートポンプシステムは、公知の如く、自然冷媒としての二酸化炭素である冷媒Xが、冷媒Xを圧縮する圧縮機2と、冷媒Xを放熱させて凝縮させる凝縮器3と、冷媒Xを膨張させて減圧させる膨張弁4と、冷媒Xに吸熱させて蒸発させる蒸発器5との順に夫々を循環する冷媒回路1を備えて構成されている。
An embodiment of a compression heat pump system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As is well known, the compression heat pump system shown in FIGS. 1, 2, and 3 includes a compressor 2 that compresses the refrigerant X by a refrigerant X that is carbon dioxide as a natural refrigerant, and a condenser that radiates and condenses the refrigerant X. 3, an expansion valve 4 that expands and depressurizes the refrigerant X, and an evaporator 5 that absorbs the refrigerant X to absorb heat and evaporate the refrigerant circuit 1.

このような二酸化炭素を冷媒Xとして用いた圧縮式ヒートポンプシステムは、圧縮機2の動作圧(即ち、冷媒Xの吐出圧力)を自然冷媒の超臨界圧力とし、冷媒Xを気相状態と気液2相状態との間で状態変化させる際の吸熱・放熱を利用して、蒸発器5から凝縮器3側に熱を強制的に移動させる超臨界ヒートポンプサイクルで作動するものである。詳しくは、冷媒回路1において、気相状態の冷媒Xを圧縮機2で圧縮して高温高圧とし、この高温高圧の冷媒Xを凝縮器3で放熱させることで冷却し、その冷却した冷媒Xを膨張弁4で減圧させて気液2相状態とし、その気液2相状態の冷媒Xを蒸発器5で吸熱させることで加熱して気相状態とするように構成されており、以上のような構成については、公知の超臨界ヒートポンプサイクルで作動する圧縮式ヒートポンプシステムと同様の構成を採用することができる。   In such a compression heat pump system using carbon dioxide as the refrigerant X, the operating pressure of the compressor 2 (that is, the discharge pressure of the refrigerant X) is set to the supercritical pressure of the natural refrigerant, and the refrigerant X is in a gas phase state and a gas-liquid state. It operates in a supercritical heat pump cycle in which heat is forcibly transferred from the evaporator 5 to the condenser 3 side by utilizing heat absorption / radiation when changing the state between the two-phase states. Specifically, in the refrigerant circuit 1, the refrigerant X in a gas phase is compressed by the compressor 2 to high temperature and high pressure, and the high temperature and high pressure refrigerant X is cooled by dissipating heat in the condenser 3. The pressure is reduced by the expansion valve 4 to make a gas-liquid two-phase state, and the refrigerant X in the gas-liquid two-phase state is absorbed by the evaporator 5 to be heated to a gas phase state. As for this configuration, a configuration similar to a compression heat pump system that operates in a known supercritical heat pump cycle can be employed.

圧縮機2の駆動力を出力する原動機10と、その原動機10から排出された燃焼排ガスEから熱を回収する排熱回収部20とが設けられている。よって、凝縮器3における冷媒Xからの放熱に加えて、排熱回収部20においてその燃焼排ガスEから回収した熱が発生される。
尚、この原動機10としては、詳細については後述するが、図1に示すように燃料Gを空気Aにより燃焼させて軸出力を発生する内燃機関であるガスタービン式エンジン11(第1実施形態)、若しくは、図2に示すような燃料Gを空気Aにより燃焼させて軸出力を発生する内燃機関である往復動式エンジン12(第2実施形態)、又は、図3に示すような燃料Gを空気Aにより燃焼させて熱発電素子13aを加熱する燃焼器13(第3実施形態)が採用される。
また、上記原動機10は、軸出力により駆動する発電機16や熱発電素子13aにより発電を行うように構成されており、この発電出力を、駆動用モータ2’に供給して、冷媒回路1に設けられた圧縮機2の駆動用に利用することができる。
尚、十分な発電出力がある場合には、上記駆動用モータ2’で利用される以外の電力を、他の電力消費部で利用しても構わない。
A prime mover 10 that outputs the driving force of the compressor 2 and an exhaust heat recovery unit 20 that recovers heat from the combustion exhaust gas E discharged from the prime mover 10 are provided. Therefore, in addition to heat radiation from the refrigerant X in the condenser 3, heat recovered from the combustion exhaust gas E is generated in the exhaust heat recovery unit 20.
The prime mover 10 will be described in detail later, but as shown in FIG. 1, a gas turbine engine 11 that is an internal combustion engine that generates shaft output by burning fuel G with air A (first embodiment). 2 or a reciprocating engine 12 (second embodiment) that is an internal combustion engine that generates shaft output by burning fuel G with air A as shown in FIG. 2, or fuel G as shown in FIG. A combustor 13 (a third embodiment) that heats the thermoelectric generator 13a by burning with air A is employed.
Further, the prime mover 10 is configured to generate power by a generator 16 or a thermoelectric generator 13a driven by a shaft output, and this generated output is supplied to the drive motor 2 ′ to be supplied to the refrigerant circuit 1. It can be used for driving the provided compressor 2.
When there is a sufficient power generation output, power other than that used by the drive motor 2 ′ may be used by another power consumption unit.

更に、その排熱回収部20から排出された大気よりも高温の燃焼排ガスE’が、蒸発器5の熱源として供給されるように構成されている。
即ち、原動機10から排出された燃焼排ガスEは、排熱回収部20に供給されて高温側の熱が回収され、その後に、冷媒回路1の蒸発器5に供給されて低温側の熱が回収され、その後に、煙突などから排出される。
Further, the combustion exhaust gas E ′ having a temperature higher than that of the air discharged from the exhaust heat recovery unit 20 is supplied as a heat source of the evaporator 5.
That is, the combustion exhaust gas E discharged from the prime mover 10 is supplied to the exhaust heat recovery unit 20 to recover the high temperature side heat, and then supplied to the evaporator 5 of the refrigerant circuit 1 to recover the low temperature side heat. And then discharged from the chimney.

そして、排熱回収部20において高温側の熱が回収された後の燃焼排ガスE’には、燃料Gの発熱量の10%余り(総発熱量基準)が含まれており、その燃焼排ガスE’が蒸発器5に熱源として供給されることで、蒸発器5における冷媒Xの蒸発温度が高くなって、圧縮式ヒートポンプシステムにおけるCOPが向上し、更には冬季等における除霜の必要も無くなる。   The combustion exhaust gas E ′ after the high-temperature side heat is recovered in the exhaust heat recovery unit 20 contains more than 10% of the calorific value of the fuel G (total calorific value reference). Since 'is supplied to the evaporator 5 as a heat source, the evaporation temperature of the refrigerant X in the evaporator 5 is increased, the COP in the compression heat pump system is improved, and further, there is no need for defrosting in winter.

また、このように排熱回収部20から排出され蒸発器5に熱源として供給される燃焼排ガスE’には、燃料Gが燃焼して生成された水蒸気が多く含まれており、更に、その水蒸気の露点が蒸発器における冷媒の沸点よりも高いことから、蒸発器5において、その燃焼排ガスE’と比較的低温の冷媒Xとの間で熱交換が行われると、燃焼排ガスE’の顕熱に加えて水蒸気の凝縮潜熱が冷媒X側に吸熱されることになり、一層COPが向上し、更には、燃料Gの発熱量に対する熱回収効率が向上する。   In addition, the combustion exhaust gas E ′ discharged from the exhaust heat recovery unit 20 and supplied to the evaporator 5 as a heat source in this manner contains a large amount of water vapor generated by the combustion of the fuel G. Since the dew point of the refrigerant is higher than the boiling point of the refrigerant in the evaporator, when heat exchange is performed between the combustion exhaust gas E ′ and the relatively low-temperature refrigerant X in the evaporator 5, the sensible heat of the combustion exhaust gas E ′ In addition to this, the latent heat of condensation of water vapor is absorbed by the refrigerant X, which further improves COP and further improves the heat recovery efficiency with respect to the heat generation amount of the fuel G.

また、上記蒸発器5において燃焼排ガスE’中の水蒸気が凝縮して発生する凝縮水Cは酸性で腐食性を有するため、蒸発器5には耐食材料(例えばステンレス鋼(SUS316L等)やチタン等)を用いることが望ましい。なお、蒸発器5の熱源として燃焼排ガスE’だけでは熱量が不足する場合には、例えば、蒸発器5を二分割して直列に接続し、冷媒Xの流れ方向において上流側の蒸発器5には熱源として大気を供給し、下流側の蒸発器5には熱源として燃焼排ガスE’を供給するように構成することも可能である。   Further, since the condensed water C generated by condensation of water vapor in the combustion exhaust gas E ′ in the evaporator 5 is acidic and corrosive, the evaporator 5 has a corrosion resistant material (for example, stainless steel (SUS316L, etc.), titanium, etc. ) Is desirable. When the amount of heat is insufficient with only the combustion exhaust gas E ′ as the heat source of the evaporator 5, for example, the evaporator 5 is divided into two parts and connected in series, and is connected to the upstream evaporator 5 in the flow direction of the refrigerant X. It is also possible to supply the atmosphere as a heat source and supply the combustion exhaust gas E ′ as a heat source to the evaporator 5 on the downstream side.

このように排熱回収部20と蒸発器5とにおいて、その順に原動機10から排出された燃焼排ガスEの熱を回収するすることで、総発熱量基準で燃料Gの発熱量の98%程度までを回収することができ、省エネルギーが図れる。
排熱回収部20から排出された低温の燃焼排ガスE’の保有熱を、その燃焼排ガスE’が従来においては廃棄されていたことから外気保有熱同様無価値なものと考えれば、非常に高いCOP(例えば5〜8)を実現することができる。
In this way, the exhaust heat recovery unit 20 and the evaporator 5 recover the heat of the combustion exhaust gas E discharged from the prime mover 10 in that order, so that the heat generation amount of the fuel G can be reduced to about 98% on the basis of the total heat generation amount. Can be recovered and energy saving can be achieved.
It is very high if the retained heat of the low-temperature combustion exhaust gas E ′ discharged from the exhaust heat recovery unit 20 is considered as valuable as the heat stored in the outside air because the combustion exhaust gas E ′ has been discarded in the past. COP (for example, 5 to 8) can be realized.

また、原動機10を、例えば高熱効率及び低NOxを図るために燃料Gを空気過剰状態(例えば空気比1.4以上)で希薄燃焼させるように構成した場合には、その原動機10から排出される燃焼排ガスEに含まれる水蒸気の露点は、比較的低く(例えば40℃程度)なる。よって、排熱回収部20においてその水蒸気の凝縮潜熱を回収することは困難であるが、蒸発器5において、冷媒Xの沸点がその露点よりも低い(臨界温度で約30℃)ので、その比較的低温の冷媒Xにより燃焼排ガスEの凝縮潜熱を効率良く回収することができる。   Further, when the prime mover 10 is configured so that the fuel G is lean burned in an excess air state (for example, an air ratio of 1.4 or more) in order to achieve, for example, high thermal efficiency and low NOx, the prime mover 10 is discharged from the prime mover 10. The dew point of water vapor contained in the combustion exhaust gas E is relatively low (for example, about 40 ° C.). Therefore, it is difficult to recover the condensing latent heat of the water vapor in the exhaust heat recovery unit 20, but in the evaporator 5, the boiling point of the refrigerant X is lower than its dew point (the critical temperature is about 30 ° C.). The latent heat of condensation of the combustion exhaust gas E can be efficiently recovered by the low-temperature refrigerant X.

排熱回収部20としては、燃焼排ガスEとの熱交換により湯水Wを加熱する湯水加熱部としての湯水加熱用熱交換器21が設けられており、更に、凝縮器3が、冷媒Xとの熱交換により湯水加熱用熱交換器21に供給される湯水Wを加熱するように構成されている。
即ち、湯水Wは、凝縮器3で加熱された後に湯水加熱用熱交換器21で高温の燃焼排ガスEとの熱交換により一層高温に加熱されることになり、このような高温の湯水を貯湯タンク6に一旦貯留した後に、給湯用及び暖房用として有効利用することができる。
The exhaust heat recovery unit 20 is provided with a hot water heating heat exchanger 21 as a hot water heating unit that heats the hot water W by heat exchange with the combustion exhaust gas E, and the condenser 3 is connected to the refrigerant X. The hot water W supplied to the hot water heating heat exchanger 21 is heated by heat exchange.
That is, the hot water W is heated to a higher temperature by heat exchange with the hot combustion exhaust gas E in the hot water heating heat exchanger 21 after being heated in the condenser 3, and such hot hot water is stored in the hot water. Once stored in the tank 6, it can be effectively used for hot water supply and heating.

また、上記貯湯タンク6は、温度成層を形成する状態で湯水Wを貯湯するように構成されている。即ち、貯湯タンク6の下方に低温の上水W0(水道水)が供給される状態で、循環ポンプ7を作動させてその貯湯タンク6の下方から取り出した湯水Wを凝縮器3及び湯水加熱用熱交換器21で加熱して貯湯タンク6の上方に再度供給すると共に、貯湯タンク6の上方に供給される湯水Wの温度が例えば80℃〜90℃程度になるように上記循環ポンプ7により湯水Wの循環量を制御することで、貯湯タンク6には、上方ほど高温の湯水Wが存在し下方ほど低温の湯水Wが存在する所謂温度成層を形成する形態で湯水Wを貯留されることになる。   The hot water storage tank 6 is configured to store hot water W in a state where temperature stratification is formed. That is, the hot water W taken out from below the hot water storage tank 6 by operating the circulation pump 7 in a state where the low temperature clean water W0 (tap water) is supplied below the hot water storage tank 6 is used for heating the condenser 3 and hot water. Heated by the heat exchanger 21 and supplied again above the hot water storage tank 6, and hot water is supplied by the circulation pump 7 so that the temperature of the hot water W supplied above the hot water storage tank 6 is about 80 ° C. to 90 ° C., for example. By controlling the circulating amount of W, the hot water storage tank 6 stores hot water W in a form that forms a so-called temperature stratification in which hot water W is present in the upper part and hot water W is present in the lower part. Become.

また、この貯湯タンク6の上方に貯留されている高温の湯水Wは、混合弁8により適宜設定温度となるように低温の上水W0と混合した後に給湯部9に供給する形態で、給湯用に利用される。
また、図示は省略するが、風呂の追焚き用又は暖房用の循環水を、この貯湯タンク6に貯留されている高温の湯水Wとの熱交換により加熱する形態で、貯湯タンク6の上方に貯留されている高温の湯水Wを風呂の追焚き用及び暖房用に利用することもできる。
Further, the hot water W stored above the hot water storage tank 6 is mixed with the low temperature water W0 so as to be appropriately set by the mixing valve 8 and then supplied to the hot water supply section 9 for hot water supply. Used for
Although not shown in the drawing, the circulating water for bath reheating or heating is heated above the hot water storage tank 6 in such a form that it is heated by heat exchange with the hot water W stored in the hot water storage tank 6. The stored hot water W can be used for bathing and heating.

次に、主に原動機10の詳細構成について主に異なる第1,第2及び第3実施形態について、説明を加える。   Next, the first, second, and third embodiments that are mainly different in the detailed configuration of the prime mover 10 will be described.

〔第1実施形態〕
図1に示す第1実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムは、原動機10として、ガスタービン式エンジン11を備える。
かかるガスタービン式エンジン11は、軸出力の一部を利用して駆動する空気圧縮機11aで空気Aを圧縮し、燃焼器11bでその圧縮空気Aを利用して燃料Gを空気過剰状態で希薄燃焼させ、膨張タービン11cをその燃焼ガスにより駆動させて軸出力を発生し、その軸出力により発電機16を駆動して、発電を行うように構成されている。
[First Embodiment]
The compression heat pump system of the first embodiment shown in FIG. 1 includes a gas turbine engine 11 as a prime mover 10.
Such a gas turbine engine 11 compresses air A with an air compressor 11a driven by utilizing a part of shaft output, and uses the compressed air A with a combustor 11b to dilute fuel G in an excess air state. Combustion is performed, the expansion turbine 11c is driven by the combustion gas to generate a shaft output, and the generator 16 is driven by the shaft output to generate power.

また、このガスタービンエンジン11は、膨張タービン11cの入り口燃焼ガス温度(TIT)が、膨張タービン11c翼の耐熱温度(約900℃)以下に抑制する必要があるため、燃焼器11bにおいて燃料Gを空気過剰状態で希薄燃焼させると共に、その燃焼ガスを空気圧縮機11aから燃焼器11bの周囲に形成された冷却通路11dに供給された空気Aにより希釈することによって、燃焼ガス温度が上記耐熱温度以下に抑えられている。   Further, the gas turbine engine 11 needs to suppress the inlet combustion gas temperature (TIT) of the expansion turbine 11c below the heat resistance temperature (about 900 ° C.) of the blades of the expansion turbine 11c. The combustion gas temperature is equal to or lower than the heat-resistant temperature by dilute combustion in an excess air state and diluting the combustion gas with air A supplied from the air compressor 11a to the cooling passage 11d formed around the combustor 11b. Is suppressed.

また、ガスタービン式エンジン11から排出された燃焼排ガスEから熱を回収する排熱回収部20として、燃焼排ガスEとの熱交換によりエンジン11の燃焼器11bに供給される燃焼用空気Aを予熱する空気予熱部としての再生熱交換器22が設けられており、このような熱再生を行うことで、軸出力の向上が図られている。   Further, as the exhaust heat recovery unit 20 that recovers heat from the combustion exhaust gas E exhausted from the gas turbine engine 11, the combustion air A supplied to the combustor 11b of the engine 11 by pre-heat exchange with the combustion exhaust gas E is preheated. A regenerative heat exchanger 22 is provided as an air preheating unit that performs such heat regeneration, thereby improving the shaft output.

よって、このガスタービン式エンジン11から排出された燃焼排ガスEは、先ず、排熱回収部20としての再生熱交換器22において燃焼用空気Aとの間で熱交換されることで300℃〜400℃程度となり、更に、排熱回収部20としての湯水加熱用熱交換器21において湯水Wとの間で熱交換されることで150℃程度となる。
そして、このように排熱回収部20としての再生熱交換器22及び湯水加熱用熱交換器21から排出された比較的低温の燃焼排ガスE’でも、その燃焼排ガスE’を蒸発器5の熱源として供給して燃焼排ガスE’の保有熱を効率良く回収し、高い総合効率(総発熱量基準で90%以上も可能)を得ることができる。
Therefore, the combustion exhaust gas E exhausted from the gas turbine engine 11 is first subjected to heat exchange with the combustion air A in the regenerative heat exchanger 22 as the exhaust heat recovery unit 20, thereby causing 300 ° C. to 400 ° C. It becomes about 150 ° C. by heat exchange with the hot water W in the hot water heating heat exchanger 21 as the exhaust heat recovery unit 20.
And even in the comparatively low-temperature combustion exhaust gas E ′ discharged from the regenerative heat exchanger 22 and the hot water heating heat exchanger 21 as the exhaust heat recovery unit 20, the combustion exhaust gas E ′ is used as a heat source for the evaporator 5. As a result, it is possible to efficiently recover the retained heat of the combustion exhaust gas E ′ and obtain a high overall efficiency (90% or more based on the total calorific value).

尚、ガスタービン式エンジン11としては、上記のような無冷却ガスタービン以外に、MGT:マイクロガスタービン、UMGT:ウルトラマイクロガスタービン等を採用することができる。   As the gas turbine engine 11, in addition to the uncooled gas turbine as described above, MGT: micro gas turbine, UMGT: ultra micro gas turbine, or the like can be adopted.

〔第2実施形態〕
図2に示す第2実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムは、原動機10として、往復動式エンジン12を備える。
かかる往復動式エンジン12は、燃料Gと空気Aの混合気を燃焼室において空気過剰状態で希薄燃焼させ、その燃焼により生成された燃焼排ガスEを排出し、クランク軸から出力される軸出力により発電機16を駆動して、発電を行うように構成されている。
[Second Embodiment]
The compression heat pump system of the second embodiment shown in FIG. 2 includes a reciprocating engine 12 as the prime mover 10.
Such a reciprocating engine 12 performs lean combustion of an air-fuel mixture of fuel G and air A in an excess air state in a combustion chamber, discharges combustion exhaust gas E generated by the combustion, and generates a shaft output from a crankshaft. The generator 16 is driven to generate power.

また、このエンジン12には、冷却水(ジャケット水)を循環させる循環ポンプ24と、その冷却水と湯水Wとの間で熱交換を行って、冷却水を冷却すると共に湯水Wを加熱する冷却水放熱用熱交換器23とが設けられている。
更に、上記冷却水放熱用熱交換器23は、凝縮器3から排出され湯水加熱用熱交換器21に流入する湯水Wを加熱するように配置されているが、この湯水Wの流通順序は、その取り出し温度によって変更することも可能である。
The engine 12 has a circulation pump 24 that circulates cooling water (jacket water) and heat exchange between the cooling water and the hot water W to cool the cooling water and heat the hot water W. A water heat dissipating heat exchanger 23 is provided.
Further, the cooling water radiating heat exchanger 23 is disposed so as to heat the hot water W discharged from the condenser 3 and flowing into the hot water heating heat exchanger 21. It is also possible to change depending on the take-out temperature.

〔第3実施形態〕
図3に示す第3実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムは、原動機10として、ゼーベック効果を利用して熱電発電を行う熱発電素子13aを加熱する燃焼器13を備える。
かかる燃焼器13は、上記第2実施形態と同様に、燃料Gを再生熱交換器22で予熱された空気Aにより燃焼させ、燃焼排ガスEを排出するように構成されている。
[Third Embodiment]
The compression heat pump system of the third embodiment shown in FIG. 3 includes a combustor 13 that heats a thermoelectric generator 13a that performs thermoelectric generation using the Seebeck effect as a prime mover 10.
Similar to the second embodiment, the combustor 13 is configured to combust the fuel G with the air A preheated by the regenerative heat exchanger 22 and discharge the combustion exhaust gas E.

更に、この熱発電素子13aの燃焼器13とは反対側の面を冷却するための冷却器13bが設けられており、この冷却器13bは、凝縮器3から排出され湯水加熱用熱交換器21に流入する湯水Wとの熱交換により、熱発電素子13aを冷却するように構成されている。   Further, a cooler 13b for cooling the surface of the thermoelectric generator 13a opposite to the combustor 13 is provided. The cooler 13b is discharged from the condenser 3 and is a hot water heating heat exchanger 21. The thermoelectric generator 13a is cooled by exchanging heat with the hot water W flowing in.

即ち、熱発電素子13aは、片面が燃焼器13に面して燃料Gの燃焼熱で加熱されると共に、他面が冷却器13bにより冷却されることで、温度差を発生させ、ゼーベック効果にて発電する。   That is, the thermoelectric generator 13a faces one side of the combustor 13 and is heated by the combustion heat of the fuel G, and the other side is cooled by the cooler 13b, thereby generating a temperature difference and increasing the Seebeck effect. To generate electricity.

また、熱発電素子13aの材料の温度制約から、高温側の温度の上限が決められているので、その温度以下になるように、燃焼器13は、燃料Gを空気過剰状態で希薄燃焼させるように構成されている。   Moreover, since the upper limit of the temperature on the high temperature side is determined from the temperature restriction of the material of the thermoelectric generator 13a, the combustor 13 causes the fuel G to perform lean combustion in an excess air state so that the temperature is lower than that temperature. It is configured.

尚、この燃焼器13は、燃料Gを触媒燃焼させるように構成することもできる。
また、燃焼器13を、再生熱交換器22とを組み合わせた形態で、燃料Gと空気Aとの混合気が流通する流路と燃焼排ガスEが流通する流路とを隣接させて相互の熱交換を可能とすることで再生熱交換器22として機能させ、更に、その隣接された一対の流路が旋回する状態で配置された所謂スイスロールバーナ等として構成しても構わない。
The combustor 13 can also be configured to catalytically burn the fuel G.
Further, in the form in which the combustor 13 is combined with the regenerative heat exchanger 22, the flow path through which the mixture of the fuel G and the air A flows and the flow path through which the combustion exhaust gas E flow are adjacent to each other to heat each other. It may be configured as a so-called Swiss roll burner or the like that is arranged in a state in which the adjacent pair of flow paths swivel by functioning as a regenerative heat exchanger 22 by enabling exchange.

本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムは、十分な熱を発生して熱不足の発生を抑制しならが、蒸発器の熱源温度の低下に伴うCOPの低下を抑制し得る圧縮式ヒートポンプシステムとして利用可能である。   The compression heat pump system according to the present invention can be used as a compression heat pump system that can suppress the occurrence of insufficient heat by generating sufficient heat, but can suppress the decrease in COP accompanying the decrease in the heat source temperature of the evaporator. It is.

第1実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムの概略構成図Schematic block diagram of the compression heat pump system of the first embodiment 第2実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムの概略構成図Schematic configuration diagram of the compression heat pump system of the second embodiment 第3実施形態の圧縮式ヒートポンプシステムの概略構成図Schematic configuration diagram of a compression heat pump system of a third embodiment

符号の説明Explanation of symbols

1:冷媒回路
2:圧縮機
3:凝縮器
4:膨張弁
5:蒸発器
10:原動機
11:ガスタービン式エンジン
12:往復動式エンジン
13:燃焼器
13a:熱発電素子
20:排熱回収部
21:湯水加熱用熱交換器(湯水加熱部)
22:再生熱交換器(空気予熱部)
C:凝縮水
E,E’:燃焼排ガス
G:燃料
X:冷媒
1: Refrigerant circuit 2: Compressor 3: Condenser 4: Expansion valve 5: Evaporator 10: Motor 11: Gas turbine engine 12: Reciprocating engine 13: Combustor 13a: Thermoelectric generator 20: Waste heat recovery unit 21: Heat exchanger for hot water heating (hot water heating section)
22: Regenerative heat exchanger (air preheater)
C: Condensate E, E ′: Combustion exhaust gas G: Fuel X: Refrigerant

Claims (6)

二酸化炭素からなる冷媒が、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒から放熱させる凝縮器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒に吸熱させる蒸発器との順に夫々を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムであって、
燃料を燃焼させて前記圧縮機の駆動力を出力する原動機と、
前記原動機から排出された燃焼排ガスから熱を回収する排熱回収部とを備えると共に、
前記排熱回収部から排出された燃焼排ガスを、前記蒸発器の熱源として供給するように構成された圧縮式ヒートポンプシステム。
A refrigerant circuit in which a refrigerant composed of carbon dioxide circulates in order of a compressor that compresses the refrigerant, a condenser that dissipates heat from the refrigerant, an expansion valve that expands the refrigerant, and an evaporator that absorbs heat from the refrigerant. A compression heat pump system comprising:
A prime mover that burns fuel and outputs the driving force of the compressor;
An exhaust heat recovery unit that recovers heat from the combustion exhaust gas discharged from the prime mover,
A compression heat pump system configured to supply combustion exhaust gas discharged from the exhaust heat recovery unit as a heat source of the evaporator.
前記原動機が、燃料を空気過剰状態で希薄燃焼させるように構成されている請求項1に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。   The compression heat pump system according to claim 1, wherein the prime mover is configured to perform lean burn of fuel in an excess air state. 前記排熱回収部として、前記燃焼排ガスとの熱交換により湯水を加熱する湯水加熱部を備え、
前記凝縮器が、前記冷媒との熱交換により前記湯水加熱部に供給される湯水を加熱するように構成されている請求項1又は2に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
As the exhaust heat recovery unit, a hot water heating unit for heating hot water by heat exchange with the combustion exhaust gas,
The compression heat pump system according to claim 1 or 2, wherein the condenser is configured to heat hot water supplied to the hot water heater by heat exchange with the refrigerant.
前記排熱回収部として、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原動機に供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱部を備えた請求項1〜3の何れか一項に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。   The compression heat pump system according to any one of claims 1 to 3, further comprising an air preheating unit that preheats combustion air supplied to the prime mover by heat exchange with the combustion exhaust gas as the exhaust heat recovery unit. . 前記原動機が、内燃機関からなり、
前記圧縮機が、前記内燃機関の軸出力又は発電出力により駆動される請求項1〜4の何れか一項に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
The prime mover comprises an internal combustion engine;
The compression heat pump system according to any one of claims 1 to 4, wherein the compressor is driven by a shaft output or a power generation output of the internal combustion engine.
前記原動機が、ゼーベック効果を利用して熱電発電を行う熱発電素子を加熱する燃焼器からなり、
前記圧縮機が、前記熱発電素子の発電出力により駆動される請求項1〜4の何れか一項に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
The prime mover comprises a combustor that heats a thermoelectric generator that performs thermoelectric generation using the Seebeck effect,
The compression heat pump system according to any one of claims 1 to 4, wherein the compressor is driven by a power generation output of the thermoelectric generator.
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