JP2007071419A - 蒸気発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー効率の高い蒸気発生システムを提供する。
【解決手段】 蒸気発生システムＳ１は、被加熱媒体の供給経路２０と、供給経路２０内の被加熱媒体を加熱するヒートポンプ１０と、供給経路２０上に配置され、ヒートポンプ１０で加熱された被加熱媒体を圧縮する圧縮機３０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気発生システムに関する。

蒸気発生システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱媒体を加熱する構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２４９４５０号公報

ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（８０％）である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気発生システムに関して、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高い蒸気発生システムを提供することにある。

本発明の蒸気発生システムは、被加熱媒体の供給経路と、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱するヒートポンプと、前記供給経路上に配置され、前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機と、を備えることを特徴とする。

この蒸気発生システムによれば、ヒートポンプを活用することにより、ボイラに比べてエネルギー効率が向上する。ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（約８０％）であり、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。ヒートポンプで加熱された被加熱媒体は、圧縮機による圧縮でさらに加熱される。蒸気発生のための加熱温度領域の一部を圧縮機が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプが使用される。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる、構成にできる。

また、本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱位置での内部圧力が大気圧に比べて低い、構成にできる。

また、本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での蒸気になる、構成にできる。

また、本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱位置での内部空間が、前記圧縮機によって減圧される、構成にできる。

また、本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路は、液状の前記被加熱媒体を貯留するタンクを有する、構成にできる。

この場合、前記タンク内の気相が前記圧縮機に吸引され、前記タンク内の液相が前記タンク内または前記タンク外で前記ヒートポンプによって加熱される、構成にできる。

またこの場合、前記タンク内の液面に基づいて、前記タンク内への前記被加熱媒体の供給量が制御される、構成にできる。

また、本発明の蒸気発生システムにおいて、前記被加熱媒体の蒸気に対して液状の前記被加熱媒体を供給するノズルを、さらに備える構成にできる。

この場合、前記ノズルが前記圧縮機の入口及び／又は出口に配置される、構成にできる。

またこの場合、前記ノズルが前記圧縮機の段間に配置される、構成にできる。

本発明の蒸気発生システムによれば、ヒートポンプを活用することにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る蒸気発生システムについて図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る蒸気発生システムの構成を示す概略図である。
図１において、蒸気発生システムＳ１は、ヒートポンプ１０と、被加熱媒体（例えば水）の供給経路２０と、圧縮機３０とを備えている。

ヒートポンプ１０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少なく、環境に優しいという利点を有する。

具体的に、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して順次接続されている。吸熱部１１は、吸熱機能を有し、熱媒体が吸熱する際、その吸収熱に相当する熱をサイクル外の熱源から吸収する。放熱部１３は、放熱機能を有し、熱媒体が放熱する際、その放出熱に相当する熱をサイクル外の熱源に与える。圧縮部１２は、圧縮機等によって熱媒体を圧縮する。この際、通常、熱媒体の温度が上がる。圧縮部１２には動力が供給される。膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって熱媒体を膨張させる。この際、通常、熱媒体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば上記圧縮部１２に供給してもよい。ヒートポンプ１０に使用される熱媒体としては、フロン系媒体、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が適用される。

供給経路２０は、液状の被加熱媒体を貯留するタンク２１と、タンク２１と圧縮機３０とを接続するダクト２２とを有する。

タンク２１には、供給口２５及び排出口２６が設けられている。液状の被加熱媒体が供給口２５を介してタンク２１に供給される。タンク２１内の液面が所定範囲内になるように、タンク２１への被加熱媒体の供給量が制御される。例えば、タンク２１内の液面を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて、被加熱媒体の供給動力源２７の出力が制御される。

タンク２１における液相位置には、ヒートポンプ１０の放熱部１３が配設されている。ヒートポンプ１０の放熱部１３がタンク２１内の液体と直接接してもよく直接接しなくてもよい。放熱部１３との熱交換により、タンク２１内の被加熱媒体の液相が加熱される。排出口２６の配設位置は、タンク２１における気相（蒸気相）位置である。タンク２１の内部空間は、排出口２６及びダクト２２を介して圧縮機３０によって吸引される。タンク２１内で発生した蒸気は、排出口２６を介して圧縮機３０に向けて、ダクト２２内を流れる。

圧縮機３０は、供給経路２０上に配設され、その配設位置はタンク２１に対して下流である。圧縮機３０としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するのが好ましい。圧縮機３０は、タンク２１からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。

また、圧縮機３０（または供給経路２０）には、蒸気に対して液状の被加熱媒体を供給するノズル３５が、必要に応じて配設されている。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び出口の少なくとも一方である。圧縮機３０が多段式である場合には、スプレーノズル３５を段間に配設することもできる。ノズル３５とタンク２１の液相位置とが配管３６を介して接続された配管構成にするこもでき、この配管構成では、比較的高温であるタンク２１内の液体が上記供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出には、ポンプなどの動力源を用いてもよく、配管の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

圧縮機３０による吸引作用により、供給経路２０におけるヒートポンプ１０による加熱位置での内部空間、すなわちタンク２１の内部空間が減圧される。タンク２１の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給経路２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）や圧縮機３０が制御される。この制御は、例えば、タンク２１の内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

また、タンク２１及びヒートポンプ１０は、タンク２１の内部空間が負圧状態において、液状の被加熱媒体が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。なお、ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱媒体の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ）が低下する場合がある。タンク２１の内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。

本例の蒸気発生システムＳ１では、供給経路２０内の被加熱媒体が、ヒートポンプ１０による加熱で比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ１０で加熱された被加熱媒体は、圧縮機３０による圧縮によってさらに加熱される。蒸気発生システムＳ１からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

蒸気発生のための加熱温度領域の一部を圧縮機３０が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプ１０が使用される。したがって、本例の蒸気発生システムＳ１では、ヒートポンプ１０と圧縮機３０とを用いた２段順次加熱により、ボイラに比べて高いエネルギー効率を得ることができる。また、加熱の２段目に圧縮機３０を使用するから、構成が比較的簡素である。

ここで、試算例を示す。水の加熱温度領域を２０℃〜１６１℃（０．８ＭＰａの飽和蒸気）とするとき、本例の蒸気発生システムＳ１では、ボイラに比べて、約１４％の一次投入エネルギーが低減される。一次投入エネルギーの低減は、工場などの施設からのＣＯ２排出量の削減に効果的である。なお、上記試算では、ボイラ効率を８０％、ヒートポンプのＣＯＰを４、発電効率（送電端、送電ロス含む）を３８％、とした。また、ボイラの一次投入エネルギーは燃料熱量から求め、ヒートポンプの一次投入エネルギーは電力を燃料換算して求めた。ヒートポンプのＣＯＰが３である場合、ボイラに対する、一次投入エネルギーの低減割合は約４％である。

図２は、本例の蒸気発生システムＳ１による水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。
図２に示すように、まず、水は、大気圧（Ｐ１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ０の状態において、ヒートポンプによる加熱で飽和蒸気ｄ０となる。飽和蒸気ｄ０の温度は標準沸点よりも低い、例えば９０℃である。

次に、その飽和蒸気ｄ０は、圧縮機による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気（過熱蒸気ｅ２）となる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気ｅ２の圧力Ｐ２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。

０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ２を定圧下で冷却することにより、約１６０℃の飽和蒸気を得ることができる（図２の破線ａ）。同様に、大気圧（約０．１ＭＰａ）の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約１００℃の飽和蒸気ｄ１を得ることができる。

上記の過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。

さらに、水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気ｄ０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ２への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機の入口及び／又は中間で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図２の破線ｂ）。すなわち、圧縮機による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、圧縮機から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。

このように、本例の蒸気発生システムＳ１では、ヒートポンプ１０と圧縮機３０とを用いた２段順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。すなわち、ヒートポンプ１０による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機３０による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。したがって、本例の蒸気発生システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

さらに、本例の蒸気発生システムＳ１は、１００℃を超える高温蒸気を得るのに適している。すなわち、被加熱媒体に対する比較的高温域の加熱に対して、圧縮機３０を利用するから、熱伝達による加熱に比べて、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制が可能である。

なお、上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

図３、図４、及び図５は、図１に示すタンク２１の構成例である。
図３の例では、タンク２１は、箱型の貯溜部４１を有している。貯溜部４１内の下部が被加熱媒体の液相であり、上部が被加熱媒体の気相（蒸気相）である。貯溜部４１の底面または側面に被加熱媒体の供給口２５が設けられ、貯溜部４１の上面（気相位置）に被加熱媒体の排出口２６が設けられている。また、貯溜部４１の内部における、液相位置にヒートポンプ１０の放熱部１３が配設されている。

図３のタンク２１では、貯溜部４１内の下部に液状の被加熱媒体が貯溜され、ヒートポンプ１０の放熱部１３との熱交換により、その被加熱媒体が加熱される。そして、発生した蒸気が貯溜部４１の排出口２６を介して圧縮機３０（図１参照）に吸引される。

図４の例では、タンク２１は、筒状の貯溜部４５を有している。筒状の貯溜部４５の軸方向は、重力方向に平行、あるいは重力方向に対して傾いている。貯溜部４５の下端に被加熱媒体の供給口２５が設けられ、上端（気相位置）に被加熱媒体の排出口２６が設けられている。また、貯溜部４５の内部に、その軸方向に沿ってヒートポンプ１０の放熱部１３が配設されている。ヒートポンプ１０の放熱部１３が、筒状の貯溜部４５の外周面かつ軸方向に沿って巻かれた構成でもよい。

図４のタンク２１では、筒状の貯溜部４５内に液状の被加熱媒体が貯溜され、ヒートポンプ１０の放熱部１３との熱交換により、その被加熱媒体が加熱される。そして、発生した蒸気が貯溜部４５の排出口２６を介して圧縮機３０（図１参照）に吸引される。また、貯溜部４５の軸方向に沿って下から上に向かって、被加熱媒体の温度が上昇する。

図５の例では、タンク２１は、貯溜部４７に加え、循環配管４８を有している。貯溜部４７または循環配管４８に被加熱媒体の供給口２５が設けられ、貯溜部４７の上面（気相位置）に排出口２６が設けられている。循環配管４８の入口端４８ａが貯溜部４７の底面に接続され、他方の出口端４８ｂが貯溜部４７の上面（気相位置）に接続されている。また、循環配管４８の外周面にヒートポンプ１０の放熱部１３が巻かれている。循環配管４８の出口端４８ｂに隣接して、気液分離器が配設された構成でもよい。ヒートポンプ１０の放熱部１３が、循環配管４８の内部に配設された構成でもよい。

図５のタンク２１では、貯溜部４７及び循環配管４８内に液状の被加熱媒体が貯溜され、ヒートポンプ１０の放熱部１３との熱交換により、その循環配管４８内の被加熱媒体が加熱される。この熱変化に伴い、入口端４８ａから出口端４８ｂに向かって、循環配管４８内を被加熱媒体が流れる。循環配管４８から排出された被加熱媒体のうち、蒸気が貯溜部４７の排出口２６を介して圧縮機３０（図１参照）に吸引され、液体が貯溜部４７に貯溜される。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

本発明に係る蒸気発生システムの構成を示す概略図である。 蒸気発生システムによる水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 タンクの構成例である。 タンクの他の構成例である。 タンクの別の構成例である。

符号の説明

Ｓ１…蒸気発生システムＳ１、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３…放熱部、１４…膨張部、２０…供給経路、２１…タンク、２２…ダクト、２５…供給口、２６…排出口、２７…供給動力源、３０…圧縮機、３５…ノズル、３６…配管、４１，４５，４７…貯溜部、４８ａ…入口端、４８ｂ…出口端、４８…循環配管。

Claims (11)

1. 被加熱媒体の供給経路と、
   前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱するヒートポンプと、
   前記供給経路上に配置され、前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機と、を備えることを特徴とする蒸気発生システム。
2. 前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
3. 前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱位置での内部圧力が大気圧に比べて低い、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気発生システム。
4. 前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での蒸気になる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の蒸気発生システム。
5. 前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱位置での内部空間が、前記圧縮機によって減圧される、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の蒸気発生システム。
6. 前記供給経路は、液状の前記被加熱媒体を貯留するタンクを有する、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の蒸気発生システム。
7. 前記タンク内の気相が前記圧縮機に吸引され、前記タンク内の液相が前記タンク内または前記タンク外で前記ヒートポンプによって加熱される、ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
8. 前記タンク内の液面に基づいて、前記タンク内への前記被加熱媒体の供給量が制御される、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の蒸気発生システム。
9. 前記被加熱媒体の蒸気に対して液状の前記被加熱媒体を供給するノズルを、さらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の蒸気発生システム。
10. 前記ノズルが前記圧縮機の入口及び／又は出口に配置される、ことを特徴とする請求項９に記載の蒸気発生システム。
11. 前記ノズルが前記圧縮機の段間に配置される、ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の蒸気発生システム。
    

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