JP2009085540A - Steam generation device and steam generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気を供給するのに好適なヒートポンプを用いた蒸気発生装置および蒸気生成方法に関する。 The present invention relates to a steam generation apparatus and a steam generation method using a heat pump suitable for supplying steam.
近年、空気調和装置や給湯設備等において冷却または加熱手段としてヒートポンプを用いたものが一般的になってきている。ヒートポンプとしては、蒸気圧縮サイクルを用いたものや、二酸化炭素を冷媒として用いた超臨界サイクルを用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
このように、加熱手段としてヒートポンプを用いることにより、従来の油やガスを燃焼させて熱を供給する方法と比較して、二酸化炭素の排出量削減が可能とされている。
In recent years, it has become common to use a heat pump as a cooling or heating means in an air conditioner, a hot water supply facility, or the like. As heat pumps, those using a vapor compression cycle and those using a supercritical cycle using carbon dioxide as a refrigerant are known (for example, see Patent Document 1).
Thus, by using a heat pump as the heating means, it is possible to reduce the amount of carbon dioxide emission compared to the conventional method of supplying heat by burning oil or gas.
その一方で、蒸気を供給するためには、油やガスの燃焼熱を利用して蒸気を発生させる貫流蒸気ボイラ等が一般的に用いられている。蒸気を供給する場合には、蒸気の液化防止等のために過熱蒸気、例えば120℃の過熱蒸気として供給されている。
蒸気圧縮サイクルを用いたヒートポンプの場合、水との間で熱交換を行う熱交換器に高圧側の冷媒の過熱蒸気領域から気液二相領域に遷移し主に凝縮熱伝達により冷媒と熱交換を行うことで過熱蒸気を生成している。
過熱蒸気を生成する場合には、過熱蒸気は温水よりも温度が高いため、高圧側の気液気液二相領域の冷媒に要求される飽和温度も高くなり、高圧側の気液気液二相領域における冷媒の飽和圧力も高くなる。このことから、冷媒と蒸気との間で熱交換を行う熱交換器に高い耐圧性が求められ、装置が高価になることから、過熱蒸気の供給コストが高くなるという問題があった。
In the case of a heat pump using a vapor compression cycle, the heat exchanger that exchanges heat with water transitions from the superheated steam region of the refrigerant on the high-pressure side to the gas-liquid two-phase region, and exchanges heat with the refrigerant mainly through condensation heat transfer. Is used to generate superheated steam.
When superheated steam is generated, since the temperature of superheated steam is higher than that of hot water, the saturation temperature required for the refrigerant in the high-pressure side gas-liquid gas-liquid two-phase region also increases, and the high-pressure side gas-liquid gas-liquid The saturation pressure of the refrigerant in the phase region also increases. For this reason, high pressure resistance is required for the heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and the steam, and the apparatus becomes expensive, so that there is a problem that the supply cost of the superheated steam increases.
二酸化炭素を冷媒とする超臨界サイクルのヒートポンプの場合、過熱蒸気を生成するために必要な温度における超臨界状態の冷媒圧力が高圧になるため、熱交換により過熱蒸気を生成する熱交換器に高い耐圧性が求められている。すると、熱交換器が高価なものになり、装置全体が高価になるという問題があった。 In the case of a supercritical cycle heat pump that uses carbon dioxide as the refrigerant, the supercritical refrigerant pressure at the temperature required to generate superheated steam is high, so the heat exchanger that generates superheated steam by heat exchange is high. Pressure resistance is required. Then, there was a problem that the heat exchanger becomes expensive and the entire apparatus becomes expensive.
一方、貫流蒸気ボイラ等を用いた蒸気の供給場合、ヒートポンプを用いた場合と比較して、ボイラの効率は1以下と低く過熱蒸気を効率よく供給できないという問題があった。
さらに、油やガスの燃焼により排出される排気ガス等には二酸化炭素が含まれ、環境負荷が高いという問題があった。
On the other hand, when steam is supplied using a once-through steam boiler or the like, there is a problem that the efficiency of the boiler is as low as 1 or less compared to the case where a heat pump is used, and superheated steam cannot be supplied efficiently.
Furthermore, the exhaust gas discharged by the combustion of oil or gas contains carbon dioxide, which has a problem of high environmental load.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、過熱蒸気の供給コスト低減を図るとともに、環境負荷の増加を抑制することができる蒸気発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a steam generator capable of reducing the supply cost of superheated steam and suppressing an increase in environmental load. .
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の蒸気発生装置は、冷媒であるR134aを超臨界状態に圧縮するターボ圧縮機と、超臨界状態のR134aとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、該蒸気生成部から流出したR134aの圧力を減圧する高圧側減圧部と、該高圧側減圧部により減圧されたR134aを気相および液相に分離し、気相のR134aを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、該中間部から流出した液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、該低圧側減圧部により減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、が設けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The steam generator of the present invention includes a turbo compressor that compresses R134a, which is a refrigerant, into a supercritical state, a steam generation unit that generates superheated steam by exchanging heat between the supercritical state R134a, and the steam A high-pressure side decompression unit that decompresses the pressure of R134a that has flowed out of the generation unit; and R134a decompressed by the high-pressure side decompression unit is separated into a gas phase and a liquid phase; The intermediate portion supplied in the middle, the low pressure side pressure reducing portion for further reducing the pressure of the liquid phase R134a flowing out from the intermediate portion, and the liquid phase R134a reduced by the low pressure side pressure reducing portion were evaporated and evaporated. And an evaporator for supplying R134a to the turbo compressor.
本発明によれば、臨界点の温度が100℃近傍のR134a(HFC134a)を冷媒として用いることで、超臨界状態のR134aを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。つまり、超臨界状態のR134aの温度を、水を加熱して過熱蒸気を生成するのに適した温度、具体的には、生成する過熱蒸気の温度より数十度高い温度に容易にすることができ、過熱蒸気を効率よく生成することができる。 According to the present invention, by using R134a (HFC134a) having a critical point temperature near 100 ° C. as a refrigerant, superheated steam can be efficiently generated using R134a in a supercritical state. That is, the temperature of R134a in the supercritical state can be easily set to a temperature suitable for generating superheated steam by heating water, specifically, a temperature several tens of degrees higher than the temperature of the generated superheated steam. And superheated steam can be generated efficiently.
一方、上述の温度における超臨界状態のR134aの圧力は4MPa程度であり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成部に供給されるR134aの圧力が低くなる。そのため、蒸気生成部に求められる耐圧性が低くなり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルに用いられる熱交換器と比較して、安価な熱交換器を用いることができる。つまり、蒸気生成部の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。 On the other hand, the pressure of R134a in the supercritical state at the above-described temperature is about 4 MPa, and the pressure of R134a supplied to the steam generation unit is lower than that in the supercritical cycle using carbon dioxide. Therefore, the pressure resistance required for the steam generation unit is reduced, and an inexpensive heat exchanger can be used as compared with a heat exchanger used in a supercritical cycle using carbon dioxide. That is, since the manufacturing cost of a steam generation part can be suppressed, the supply cost of superheated steam can be suppressed.
冷媒としてR134aを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなる。
さらに、ターボ圧縮機を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少できる。
Since the superheated steam is generated by the heat pump using R134a as the refrigerant, the generation efficiency of the superheated steam is higher than that of the superheated steam using a boiler such as a once-through boiler. Moreover, compared with the case where a boiler is used, the quantity of the carbon dioxide released when producing | generating superheated steam decreases.
Furthermore, the amount of carbon dioxide released when superheated steam is generated can be further reduced by driving the turbo compressor with system power that emits less carbon dioxide.
上記発明においては、前記蒸気生成部には、過熱蒸気を生成するための水を供給する給水ポンプが設けられ、前記給水ポンプにより過熱蒸気の供給が制御されることが望ましい。 In the above invention, it is desirable that the steam generating unit is provided with a feed water pump for supplying water for generating superheated steam, and the supply of superheated steam is controlled by the feed water pump.
本発明によれば、給水ポンプの運転を制御することにより蒸気生成部への水の供給が制御される。蒸気生成部への水の供給が制御されると、蒸気生成部における過熱蒸気の生成も制御されるため、過熱蒸気の供給が制御される。 According to the present invention, the supply of water to the steam generation unit is controlled by controlling the operation of the feed water pump. When the supply of water to the steam generation unit is controlled, the generation of superheated steam in the steam generation unit is also controlled, so the supply of superheated steam is controlled.
例えば、要求される蒸気量に対して、ヒートポンプ圧縮機を制御しR134aの熱量を調整する。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはR134aの調整だけでは十分でなく給水ポンプの水量を適切に調整する。つまり過熱蒸気の温度が低下すると蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が減らされる。
一方、過熱蒸気の温度が上昇すると、蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて増やし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が増やされる。
For example, the heat pump compressor is controlled to adjust the heat amount of R134a with respect to the required steam amount. However, in order to keep the output steam in the overheated region of the specification, adjustment of R134a is not sufficient, and the amount of water in the feed pump is appropriately adjusted. That is, when the temperature of the superheated steam is lowered, the amount of water supplied to the steam generating unit is reduced according to the temperature of the superheated steam, the temperature of the superheated steam is kept at a predetermined temperature, and the amount of supplied superheated steam is reduced.
On the other hand, when the temperature of the superheated steam rises, the amount of water supplied to the steam generator is increased in accordance with the temperature of the superheated steam, the temperature of the superheated steam is kept at a predetermined temperature, and the amount of supplied superheated steam is increased.
上記発明においては、前記中間部から流出した液相のR134aと、前記蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることが望ましい。 In the above-mentioned invention, it is desirable that an intermediate heat exchanging section for exchanging heat between R134a in the liquid phase flowing out from the intermediate section and R134a evaporated in the evaporating section is provided.
本発明によれば、相対的に温度の高い中間部から流出した液相のR134aと、相対的に温度の低い蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機における吸入冷媒温度が上昇すると、吐出される冷媒温度も上昇するため、蒸気発生部に供給される超臨界状態のR134aの温度を高くすることができる。 According to the present invention, by performing heat exchange between the liquid phase R134a flowing out from the relatively high temperature intermediate portion and the R134a evaporated in the relatively low temperature evaporation portion, the turbo compressor can be The temperature of R134a to be inhaled can be increased. When the intake refrigerant temperature in the turbo compressor rises, the discharged refrigerant temperature also rises, so that the temperature of the supercritical state R134a supplied to the steam generation unit can be increased.
上記発明においては、前記中間部には、R134aの液面の位置を検出する液面検出部が設けられ、前記低圧側減圧部は、前記液面検出部の検出結果に基づいて制御されることが望ましい。 In the above invention, the intermediate part is provided with a liquid level detecting part for detecting the position of the liquid level of R134a, and the low pressure side pressure reducing part is controlled based on the detection result of the liquid level detecting part. Is desirable.
本発明によれば、低圧側減圧部は中間部から流出するR134aの流量を制御することができるため、液面検出部の検出結果に基づいて制御されることにより、中間部のR134aの液面の位置を制御することができる。言い換えると、中間部に常に液相のR134aが存在する状態に制御でき、中間熱交換器に安定して液相のR134aを供給することができる。
そのため、中間部から中間熱交換器に供給されるR134a流量を安定させ、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定させることができる。
According to the present invention, since the low pressure side pressure reducing unit can control the flow rate of R134a flowing out from the intermediate part, the liquid level of R134a in the intermediate part is controlled by being controlled based on the detection result of the liquid level detecting part. Can be controlled. In other words, the liquid phase R134a can be controlled to be always present in the intermediate portion, and the liquid phase R134a can be stably supplied to the intermediate heat exchanger.
Therefore, the flow rate of R134a supplied from the intermediate part to the intermediate heat exchanger can be stabilized, and the temperature of R134a sucked into the turbo compressor can be stabilized.
上記発明においては、前記中間熱交換部に供給されるR134aの一部を、前記低圧側減圧部と前記蒸発部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるR134aの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、前記バイパス制御部を流れるR134aの流量は、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて制御され、前記低圧側減圧部を流れるR134aの流量は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることが望ましい。 In the above invention, a bypass flow path for guiding a part of R134a supplied to the intermediate heat exchange section between the low pressure side decompression section and the evaporation section, and a flow rate of R134a flowing through the bypass flow path are controlled. And a suction temperature detection unit that detects the temperature of R134a sucked into the turbo compressor, and the flow rate of R134a flowing through the bypass control unit depends on the detection result of the suction temperature detection unit. It is desirable that the flow rate of R134a flowing through the low pressure side pressure reducing unit is controlled based on the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path.
本発明によれば、バイパス流路を流れるR134aの流量を制御することにより、中間熱交換器に流入する液相のR134aの流量が制御される。そのため、中間熱交換器において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度が制御される。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
According to the present invention, by controlling the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path, the flow rate of the liquid phase R134a flowing into the intermediate heat exchanger is controlled. Therefore, the amount of heat exchanged in the intermediate heat exchanger is controlled, and the temperature of R134a sucked into the turbo compressor is controlled.
That is, the temperature of R134a sucked into the turbo compressor can be controlled by controlling the bypass control unit based on the detection result of the suction temperature detection unit.
一方、低圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、中間部から流出する液相のR134aの流量が制御される。そのため、中間部にR134aの液面を保持することができ、中間熱交換器に液相のR134aを安定して供給することができる。
つまり、バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて、低圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、中間熱交換器に液相のR134aを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
On the other hand, by controlling the flow rate of R134a flowing through the low pressure side decompression unit, the flow rate of R134a in the liquid phase flowing out from the intermediate unit is controlled. Therefore, the liquid level of R134a can be held in the intermediate portion, and the liquid phase R134a can be stably supplied to the intermediate heat exchanger.
That is, by controlling the flow rate of R134a flowing through the low pressure side decompression unit based on the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path, the liquid phase R134a can be stably supplied to the intermediate heat exchanger. Thereby, the temperature of R134a sucked into the turbo compressor can be stably controlled.
上記発明においては、前記蒸気生成部から流出したR134aと、前記蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることが望ましい。 In the said invention, it is desirable to provide the intermediate heat exchange part which performs heat exchange between R134a which flowed out from the said steam production | generation part, and R134a evaporated in the said evaporation part.
本発明によれば、相対的に温度の高い蒸気発生部から流出した液相のR134aと、相対的に温度の低い蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機における吸入冷媒温度が上昇すると、吐出される冷媒温度も上昇するため、蒸気発生部に供給される超臨界状態のR134aの温度を高くすることができる。 According to the present invention, by performing heat exchange between the R134a in the liquid phase flowing out from the steam generation section having a relatively high temperature and the R134a evaporated in the evaporation section having a relatively low temperature, the turbo compressor The temperature of R134a sucked in can be increased. When the intake refrigerant temperature in the turbo compressor rises, the discharged refrigerant temperature also rises, so that the temperature of the supercritical state R134a supplied to the steam generation unit can be increased.
上記発明においては、前記中間熱交換部に供給されるR134aの一部を、前記高圧側減圧部と前記中間部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるR134aの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて、前記バイパス制御部が制御され、前記高圧側減圧部は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることが望ましい。 In the above-described invention, a part of R134a supplied to the intermediate heat exchange part is led between the high-pressure side pressure reducing part and the intermediate part, and the flow rate of R134a flowing through the bypass channel is controlled. And a bypass temperature detection unit that detects the temperature of R134a sucked into the turbo compressor, and the bypass control unit is controlled based on the detection result of the suction temperature detection unit, The high pressure side decompression unit is preferably controlled based on the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path.
本発明によれば、バイパス流路を流れるR134aの流量を制御することにより、中間熱交換器に流入する液相のR134aの流量が制御される。そのため、中間熱交換器において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度が制御される。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
According to the present invention, by controlling the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path, the flow rate of the liquid phase R134a flowing into the intermediate heat exchanger is controlled. Therefore, the amount of heat exchanged in the intermediate heat exchanger is controlled, and the temperature of R134a sucked into the turbo compressor is controlled.
That is, the temperature of R134a sucked into the turbo compressor can be controlled by controlling the bypass control unit based on the detection result of the suction temperature detection unit.
一方、高圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気発生部から流出する液相のR134aの流量が制御され、流出するR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて、高圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気生成部から流出するR134aの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
On the other hand, by controlling the flow rate of R134a flowing through the high pressure side decompression unit, the flow rate of the liquid phase R134a flowing out from the steam generation unit is controlled, and the temperature of R134a flowing out can be controlled.
That is, by controlling the flow rate of R134a flowing through the high pressure side decompression unit based on the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path, the temperature of R134a flowing out from the steam generation unit can be stabilized. Thereby, the temperature of R134a sucked into the turbo compressor can be stably controlled.
本発明の蒸気生成方法は、冷媒であるR134aを超臨界状態に圧縮する圧縮工程と、超臨界状態のR134aとの熱交換により過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、熱交換した後のR134aの圧力を減圧する高圧側減圧工程と、減圧され気相および液相に分離されたR134aのうち、気相のR134aを前記圧縮工程の途中に供給する中間工程と、分離されたR134aのうちの液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧工程と、さらに減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記圧縮工程に供給する蒸発工程と、が設けられていることを特徴とする。 The steam generation method of the present invention includes a compression step of compressing R134a, which is a refrigerant, into a supercritical state, a steam generation step of generating superheated steam by heat exchange with the supercritical state R134a, and the R134a after the heat exchange. A high pressure side pressure reducing step for reducing the pressure, an intermediate step for supplying the gas phase R134a in the middle of the compression step among the reduced pressure R134a separated into the gas phase and the liquid phase, and a liquid in the separated R134a A low-pressure side pressure reducing step for further reducing the pressure of the phase R134a, and an evaporation step for evaporating the pressure-reduced liquid phase R134a and supplying the evaporated R134a to the compression step. And
本発明によれば、臨界点の温度が100℃近傍のR134a(HFC134a)を冷媒として用いることで、超臨界状態のR134aを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。 According to the present invention, by using R134a (HFC134a) having a critical point temperature near 100 ° C. as a refrigerant, superheated steam can be efficiently generated using R134a in a supercritical state.
一方、上述の温度における超臨界状態のR134aの圧力は、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成工程に供給されるR134aの圧力が低く、蒸気生成工程に用いられる熱交換器の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。 On the other hand, the pressure of R134a in the supercritical state at the above-described temperature is lower than the pressure of R134a supplied to the steam generation process compared to the supercritical cycle using carbon dioxide, and the heat exchanger used in the steam generation process Since the manufacturing cost of can be suppressed, the supply cost of superheated steam can be suppressed.
冷媒としてR134aを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなる。 Since the superheated steam is generated by the heat pump using R134a as the refrigerant, the generation efficiency of the superheated steam is higher than that of the superheated steam using a boiler such as a once-through boiler. Moreover, compared with the case where a boiler is used, the quantity of the carbon dioxide released when producing | generating superheated steam decreases.
本発明の蒸気発生装置によれば、臨界点の温度が100℃近傍のR134a(HFC134a)を冷媒として用いることで、過熱蒸気を効率よく生成することができ、過熱蒸気の供給コストを抑制することができるという効果を奏する。さらに、上述の温度における超臨界状態のR134aの圧力は4MPa程度であるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができるという効果を奏する。
冷媒としてR134aを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなり、環境負荷の増加を抑制することができるという効果を奏する。
According to the steam generator of the present invention, the superheated steam can be efficiently generated by using R134a (HFC134a) having a critical point temperature near 100 ° C. as a refrigerant, and the supply cost of the superheated steam can be suppressed. There is an effect that can be. Furthermore, since the pressure of R134a in the supercritical state at the above-described temperature is about 4 MPa, there is an effect that the supply cost of the superheated steam can be suppressed.
Since superheated steam is generated by a heat pump using R134a as a refrigerant, the amount of carbon dioxide released when generating superheated steam is reduced compared with the case where a boiler is used, thereby suppressing an increase in environmental load. There is an effect that can be.
〔第1の実施形態〕
以下、本発明の第1の実施形態について図1および図2を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
本実施形態の蒸気発生装置1は、冷媒としてR134a(HFC134a)を用いた超臨界サイクルのヒートポンプを熱源として過熱蒸気を供給するものである。超臨界サイクルとしては、2段圧縮2段膨張を行う超臨界サイクルが用いられている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the outline of the steam generator according to the present embodiment.
The
蒸気発生装置1には、図1に示すように、ターボ圧縮機2と、蒸気生成部3と、高圧膨張弁(高圧側減圧部)4Hと、中間冷却部(中間部)5と、低圧膨張弁(低圧側膨張部)4Lと、蒸発部7とが設けられ、これらの順にR134aが流れるヒートポンプが構成され、過熱蒸気は上述の蒸気生成部3により生成されている。
As shown in FIG. 1, the
ターボ圧縮機2は、蒸発器51から低圧のR134aを吸入して高圧(HP)に圧縮した後、蒸気発生器23に超臨界状態のR134aを吐出する圧縮機である。
ターボ圧縮機2には、吸入する気相のR134aの流量を制御する入口ベーン部11と、吸入したR134aを圧縮する低圧羽根車12Lおよび高圧羽根車12Hと、両羽根車12L,12Hを回転駆動するモータ13およびインバータ部14とが設けられている。
The
The
入口ベーン部11は低圧羽根車12Lの上流側に配置され、低圧羽根車12Lに流入する気相のR134aの流量を制御するものである。
低圧羽根車12Lは、蒸発器51から低圧のR134aを吸入し中間圧(MP)に昇圧するものである。低圧羽根車12Lは、入口ベーン部11と高圧羽根車12Hとの間に配置され、モータ13により回転可能に支持されている。
高圧羽根車12Hは、低圧羽根車12Lおよび中間冷却部5から中間圧のR134aを吸入し、高圧に昇圧するものである。高圧羽根車12Hは、低圧羽根車12Lの下流側に配置され、低圧羽根車12Lと同様に、モータ13により回転可能に支持されている。
The
The low-
The high-
モータ13は回転軸15を介して高圧羽根車12Hおよび低圧羽根車12Lに接続され、両羽根車12H,12Lを回転駆動するものである。本実施形態においてはモータ13として、密閉型モータを用いる場合に適用して説明する。
モータ13には、インバータ部14から電力が供給され、その回転数が制御される。
インバータ部14はモータ13に供給する電力を制御することによりモータ13の回転数を制御するものである。インバータ部14には、系統電力が供給されている。
The
Electric power is supplied to the
The
蒸気生成部3は、ターボ圧縮機2により圧縮された超臨界状態のR134aと熱交換することにより過熱蒸気を生成するものである。本実施形態では、過熱蒸気が供給される蒸気供給対象20との間で蒸気または蒸気が凝縮した温水を循環する実施例に適用して説明する。
蒸気生成部3には、給水ポンプ21と、給水温度センサ22と、蒸気発生器23と、蒸気温度センサ24と、が設けられている。さらに、蒸気生成部3には、過熱蒸気を生成する温水を軟水化する軟水化装置(図示せず)が設けられている。
The
The
給水ポンプ21は、蒸気供給対象20において使用され、凝縮した温水を蒸気発生器23に送り出すポンプである。給水ポンプ21にはインバータ部25が設けられ、インバータ部25により給水ポンプ21は回転制御される。
The
給水温度センサ22は、給水ポンプ21と蒸気発生器23との間に配置され、蒸気発生器23に供給される温水の温度を計測するものである。
蒸気温度センサ24は、蒸気発生器23と蒸気供給対象20との間に配置され、蒸気発生器23において生成された過熱蒸気の温度を計測するものである。
The feed
The
蒸気発生器23は、超臨界状態および液相のR134aと温水および蒸気との間で熱交換を行い、過熱蒸気を生成する熱交換器である。蒸気発生器23は、R134aの流れ方向と、温水および蒸気の流れ方向とが対向して構成されている。言い換えると、温水および蒸気が流れる配管は、R134a流れの下流側から蒸気発生器23の容器内に入り、上流側から容器外へ出るように配置されている。
なお、蒸気発生器23内の上流側は、超臨界状態で気相のR134aが存在する領域であり、下流側は、液相のR134aが存在する領域である。温水および蒸気が流れる配管は、両領域にわたって配置されている。
The
The upstream side in the
蒸気発生器23には、内部のR134aの圧力を計測する蒸気発生器圧力センサ26Hと、蒸気発生器23内のR134aを蒸発器51にバイパスさせるホットガスバイパス部27が設けられている。
ホットガスバイパス部27には、バイパスされるR134aの流量を制御するホットガス弁28が設けられている。
The
The hot
高圧膨張弁4Hは、蒸気発生器23から流出した高圧のR134aを中間圧に減圧する圧力調節弁であって、蒸気発生器23と中間冷却部5との間に配置されている。高圧膨張弁4Hは、蒸気発生器23から流出したR134aの温度を計測する高圧温度センサ31Hの出力に基づいて、高圧膨張弁4Hを通過するR134aの流量を制御している。
The high-
中間冷却部5は、中間圧に減圧されたR134aを気相と液相に分離し、気相のR134aをターボ圧縮機2に供給し、液相のR134aを蒸発部7に供給するものである。中間冷却部5には、分離部41と、液面検出センサ42と、ガス供給部43と、液供給部44と、が設けられている。
The
分離部41は、供給された中間圧に減圧されたR134aを気相と液相とに分離する容器である。
分離部41には、高圧膨張弁4Hにより中間圧に減圧されたR134が供給される配管が接続されているとともに、ターボ圧縮機2に気相のR134a供給するガス供給部43および蒸発器51に液相のR134aを供給する液供給部44が接続されている。
The
The
液面検出センサ42は、分離部41において分離された液相のR134aの液面の位置を検出するセンサである。液面検出センサ42の出力は、低圧膨張弁4Lに入力されている。
The liquid
ガス供給部43は、ターボ圧縮機2の高圧羽根車12Hに気相のR134a供給する配管である。ガス供給部43は、分離部41における上端(図1の上側端部)近傍に接続されている。言い換えると、分離部41における気相のR134aが存在する領域に接続されている。
The
液供給部44は、蒸発器51に液相のR134aを供給する配管である。液供給部44は、分離部41の下端に接続されている。言い換えると、分離部41における液相のR134aが存在する領域内に接続されている。
液供給部44には、内部を流れる液相のR134aの圧力を計測する中間冷却部圧力センサ45が設けられている。
The
The
低圧膨張弁4Lは、中間冷却部5から流出した液相のR134aの圧力を低圧(LP)に減圧する圧力調整弁であって、中間冷却部5と蒸発部7との間に配置されている。低圧膨張弁4Lは、液面検出センサ42の出力に基づいて、低圧膨張弁4Lを通過するR134aの流量を制御している。
The low-
蒸発部7は、液相のR134aと熱源50から供給された温水との間で熱交換を行い、R134aを蒸発させるものである。本実施形態では、液相のR134aを蒸発させる温水を熱源50との間で循環させる実施形態に適用して説明する。
蒸発部7には、蒸発器51と、蒸発部圧力センサ52Lと、流入温度センサ53と、流出温度センサ54と、が設けられている。
The evaporating
The
蒸発器51は、液相のR134aと温水との間で熱交換を行い、液相のR134aを蒸発させる熱交換器である。蒸発器51の内部は液相のR134aが存在する領域(図1の下側の領域)と、気相のR134aが存在する領域(図1の上側の領域)とが存在し、熱源50から供給された温水が流れる配管は、液相のR134aが存在する領域のみに配置されている。
蒸発部圧力センサ52Lは、蒸発部7内の内部のR134aの圧力を計測するセンサである。
The
The evaporation
熱源50は、液相のR134aとの間で熱交換を行う温水を供給する熱源であり、例えば、空冷ヒートポンプなどを用いることができる。本実施形態では約50℃の温水を受け取り、約55℃の温水を供給するチラーに適用して説明する。なお、供給する温水の温度は約40℃から約55℃の範囲であればよく、特に限定するものではない。
流入温度センサ53は、熱源50から蒸発器51に向かって流れる温水の温度を計測するセンサであり、流出温度センサ54は、蒸発器51から熱源50に向かって流れる温水の温度を計測するセンサである。
The
The
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置1における蒸気の生成方法について説明する。
蒸気発生装置1により過熱蒸気が生成する場合には、ターボ圧縮機2等から構成されるヒートポンプが運転され、当該ヒートポンプから供給された熱により過熱蒸気が生成される。
以下に、上記ヒートポンプの動作を説明しつつ、過熱蒸気の生成について説明する。
Next, the vapor | steam production | generation method in the
When superheated steam is generated by the
Hereinafter, generation of superheated steam will be described while explaining the operation of the heat pump.
ターボ圧縮機2のモータ13には、図1に示すように、インバータ部14から電力が供給され、モータ13が回転駆動される。モータ13の回転駆動力は、回転軸15を介して低圧羽根車12Lおよび高圧羽根車12Hに伝達され、R134aが超臨界状態まで圧縮される(圧縮工程)。
As shown in FIG. 1, electric power is supplied to the
図2は、図1の蒸気発生装置におけるR134aの状態変化を説明するモリエル線図である。
具体的には、低圧羽根車12Lは、回転駆動されることにより気相のR134aを吸入し、中間圧まで圧縮する(図2におけるA→B)。高圧羽根車12Hは、回転駆動されることにより、低圧羽根車12Lに圧縮されたR134a、および、分離部41から供給される気相のR134aを吸入し、高圧まで圧縮する(図2におけるC→D)。
高圧羽根車12Hから吐出されたR134aは、図2に示すように超臨界状態にあり、その温度は約150℃、圧力は約5MPaである。
FIG. 2 is a Mollier diagram for explaining the state change of R134a in the steam generator of FIG.
Specifically, the low-
R134a discharged from the high-
ターボ圧縮機2により超臨界状態に圧縮されたR134aは、図1に示すように、蒸気生成部3に供給される。蒸気生成部3では、高温のR134aと、蒸気および温水との間で熱交換が行われ、過熱蒸気が生成される(蒸気生成工程)。
R134a compressed to the supercritical state by the
具体的には、蒸気発生器23に流入した約140℃のR134aは、すでに蒸発した蒸気と熱交換を行い120℃の過熱蒸気を生成する。生成された過熱蒸気は、蒸気発生器23から蒸気供給対象20に供給される。
超臨界状態のR134aは、蒸気発生器23の上流側から下流側に向かって流れつつ、蒸気および温水と熱交換を行い、その温度が低下する(図2のD→E)。このとき、蒸気発生器23等の流動抵抗によりR134aの圧力も若干低下する。
蒸気発生器23内を流れるR134aは、臨界点の温度を下回る近傍領域において、気相に近い超臨界状態から液相に相変化する。そのため、蒸気発生器23の下流側領域では、約95℃の液相のR134aとなっている。
Specifically, about 140 ° C. R134a flowing into the
R134a in the supercritical state flows from the upstream side to the downstream side of the
R134a flowing in the
上述のように蒸気供給対象20に供給された約120℃の過熱蒸気は、蒸気供給対象20において使用されることにより、凝縮液化してさらに冷やされ約90℃の温水となり、蒸気供給対象20から蒸気発生器23に戻ってくる。
蒸気発生器23に戻ってきた約90℃の温水は、最初に、約100℃の液相のR134aが存在する領域に流入し、熱交換される。その後、温水は、蒸気発生器23の上流側に向かって流れる伴い、より高温のR134aと熱交換され昇温され、蒸発して蒸気となる。最終的には、上述のように約120℃の過熱蒸気となり再び蒸気供給対象20に供給される。
The superheated steam of about 120 ° C. supplied to the
The hot water of about 90 ° C. returning to the
例えば、要求される蒸気量に対して、ヒートポンプ圧縮機を制御しR134aの熱量を調整する。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはR134aの調整だけでは十分でなく給水ポンプの水量を適切に調整する。つまり過熱蒸気の温度が低下すると蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が減らされる。
蒸気発生器23に供給される温水の流量は、蒸気供給対象20に対して過熱蒸気を供給するように給水ポンプ21により制御される。
例えば、蒸気生成部3において蒸気供給対象20に対して超臨界状態のR134aの熱量が不足している場合には、ヒートポンプ圧縮機2を制御し熱力を増加させる。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはR134aの調整だけでは十分でなく給水ポンプ21の水量を適切に調整する。熱交換される熱量に合わせて蒸気生成部3への給水量を減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、蒸気供給対象20に供給される過熱蒸気の量が減らされる。
For example, the heat pump compressor is controlled to adjust the heat amount of R134a with respect to the required steam amount. However, in order to keep the output steam in the overheated region of the specification, adjustment of R134a is not sufficient, and the amount of water in the feed pump is appropriately adjusted. That is, when the temperature of the superheated steam is lowered, the amount of water supplied to the steam generating unit is reduced according to the temperature of the superheated steam, the temperature of the superheated steam is kept at a predetermined temperature, and the amount of supplied superheated steam is reduced.
The flow rate of the hot water supplied to the
For example, when the amount of heat of R134a in the supercritical state is insufficient with respect to the
一方、蒸気供給対象20に対して超臨界状態のR134aの熱量が過多の場合には、ヒートポンプ圧縮機2を制御し熱力を減少させる。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはR134aの調整だけでは十分でなく給水ポンプ21の水量を適切に調整する。過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、蒸気供給対象20に供給される過熱蒸気の量が増やされる。
蒸気生成部3において超臨界状態のR134aと熱交換される熱量は、例えばターボ圧縮機2にかかる負荷や回転数等から推定することができ、これらの値から給水ポンプ21を制御してもよい。
On the other hand, when the amount of heat of R134a in the supercritical state with respect to the
The amount of heat exchanged with the supercritical state R134a in the
蒸気発生器23から流出した液相のR134aは、図1に示すように、高圧膨張弁4Hにより中間圧にまで減圧される(高圧側減圧工程)。
具体的には、開度が調節可能な絞り弁である高圧膨張弁4Hを通過することにより、高圧のR134aは中間圧に減圧される(図2のE→F)。高圧膨張弁4Hの開度は、高圧温度センサ31Hにより検出されたR134aの温度に基づいて、当該温度が一定になるように制御される。
このように制御されることにより、蒸気発生器23内における液相のR134aの液面の位置が一定に保たれる。
As shown in FIG. 1, the liquid phase R134a flowing out of the
Specifically, the high-pressure R134a is reduced to an intermediate pressure by passing through the high-
By controlling in this way, the position of the liquid surface of the liquid phase R134a in the
減圧されたR134aは、図1に示すように、中間冷却部5の分離部41に流入する。分離部41では、R134aが気相および液相に分離され、気相のR134aは、ガス供給部43を介してターボ圧縮機2の高圧羽根車12Hに供給される(中間工程、図2のF→C)。高圧羽根車12Hに供給された気相のR134aは、図1に示すように、再び高圧羽根車12Hに圧縮され、上述のサイクルを繰り返す。
As shown in FIG. 1, the decompressed R134a flows into the
一方、液相のR134aは分離部41内で冷却された後(図2のF→G)、液供給部44を介して流出し、低圧膨張弁4Lにより低圧にまで減圧される(低圧側減圧工程、図2のG→H)。具体的には、低圧膨張弁4Lは、液面検出センサ42の検出信号に基づいて、分離部41内の液相のR134aの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
なお、上述のように、分離部41内の液相R134aの液面を略一定に保つように低圧膨張弁4Lをフィードバック制御してもよいし、予め設定したパラメータに基づいてフィードフォワード制御してもよく、特に限定するものではない。
On the other hand, the liquid-phase R134a is cooled in the separation unit 41 (F → G in FIG. 2), then flows out through the
As described above, the low
減圧されたR134aは、図1に示すように、蒸発器51に流入する。蒸発器51に流入した液相のR134aは、熱源50から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のR134aとなる(蒸発工程)。
The decompressed R134a flows into the
具体的には、液相のR134aは下端(図1の下側端部)の近傍から蒸発器51に流入し、蒸発器51の下側に液相のR134aが存在する領域を形成する。当該領域の液相のR134aは、熱源50から供給された約55℃の温水と熱交換して蒸発し、気相のR134aになる。気相のR134aは蒸発器51の上端の近傍から流出し、ターボ圧縮機2の低圧羽根車12Lに吸入され、上述のサイクルを繰り返す。
Specifically, the liquid-phase R134a flows into the evaporator 51 from the vicinity of the lower end (the lower end portion in FIG. 1), and forms a region where the liquid-phase R134a exists below the
液相のR134aと熱交換し、温度が約50℃に低下した温水は蒸発器51から熱源50に戻される。熱源50は、戻された約50℃の温水を再び約55℃の温水に加熱し、蒸発器51に供給する。
The hot water whose temperature has been reduced to about 50 ° C. by exchanging heat with the liquid phase R 134 a is returned from the
本実施形態における蒸気発生装置1の運転を開始する場合には、冷媒等の温度に応じて、停止状態から定常運転状態に至るまでの時間を変える制御が行われる。
When the operation of the
例えば、蒸気発生装置1の停止期間が比較的長く、冷媒や構成機器等の温度が常温(室温程度)になっている場合には、後述するホット運転よりも定常運転に至るまでの時間を長くしたコールド運転が行われる。
このように制御することで、蒸気発生装置1内の温度や圧力のバランスを取りながら、安全に蒸気発生装置1を起動することができる。
For example, when the stop period of the
By controlling in this way, the
一方、運転停止を繰り返す運転が行われ、蒸気発生装置1の停止期間が比較的短く、冷媒等の温度が定常運転時の温度に近い場合には、上述のコールド運転より定常運転に至るまでの時間を短くしたホット運転が行われる。
このように制御することで、蒸気発生装置1の起動に要する時間を短縮し、過熱蒸気を供給するまでに要する時間を短縮できる。
On the other hand, when the operation that repeats the operation stop is performed, the stop period of the
By controlling in this way, the time required for starting the
上記の構成によれば、臨界点の温度が100℃近傍のR134a(HFC134a)を冷媒として用いることで、超臨界状態のR134aを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。つまり、超臨界状態のR134aの温度を、水を加熱して過熱蒸気を生成するのに適した温度、具体的には、生成する過熱蒸気の温度(約120℃)より数十度高い温度(約150℃)に容易にすることができる。そのため、本実施形態の蒸気発生装置1は、過熱蒸気を効率よく生成することができ、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
According to said structure, supercritical steam can be efficiently produced | generated using R134a of a supercritical state by using R134a (HFC134a) whose temperature of a critical point is 100 degreeC vicinity as a refrigerant | coolant. That is, the temperature of R134a in the supercritical state is set to a temperature suitable for heating water to generate superheated steam, specifically, a temperature several tens of degrees higher than the temperature of the generated superheated steam (about 120 ° C.) ( About 150 ° C.). Therefore, the
一方、約150℃における超臨界状態のR134aの圧力は4MPa程度であり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成部3の蒸気発生器23に供給されるR134aの圧力を低くすることができる。そのため、蒸気発生器23に求められる耐圧性が低くなり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルに用いられる熱交換器と比較して、安価な熱交換器を用いることができる。つまり、蒸気生成部3の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
On the other hand, the pressure of R134a in the supercritical state at about 150 ° C. is about 4 MPa, and the pressure of R134a supplied to the
本実施形態の蒸気発生装置1は、冷媒としてR134aを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量を減少させることができる。
さらに、ターボ圧縮機2を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少することができる。
Since the
Furthermore, the amount of carbon dioxide released when superheated steam is generated can be further reduced by driving the
給水ポンプ21の運転を制御することにより蒸気生成部3への水の供給が制御される。蒸気生成部3への水の供給が制御されると、蒸気生成部3における過熱蒸気の生成も制御されるため、蒸気供給対象20に対して所定温度の過熱蒸気を供給することができる。
By controlling the operation of the
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について図3および図4を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、中間冷却器のR134aと蒸発部のR134aとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図3および図4を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図3は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3 and FIG.
The basic configuration of the steam generator of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but the first embodiment is an interface that performs heat exchange between R134a of the intercooler and R134a of the evaporation unit. The difference is that a cooler is provided. Therefore, in the present embodiment, the configuration around the intercooler will be described with reference to FIGS. 3 and 4 and description of other components and the like will be omitted.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the outline of the steam generator according to this embodiment.
In addition, about the component same as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
蒸気発生装置101には、図3に示すように、ターボ圧縮機2と、蒸気生成部3と、高圧膨張弁4Hと、中間冷却部5と、中間圧インタークーラ(中間熱交換部)110と、低圧膨張弁4Lと、蒸発部7とが設けられ、これらの順にR134aが流れるヒートポンプが構成されている。
As shown in FIG. 3, the
中間圧インタークーラ110は、中間冷却部5から流出した液相のR134aと、蒸発部7において蒸発したR134aとの間で熱交換を行い、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定の温度にするものである。
中間圧インタークーラ110には、熱交換部111と、バイパス流路112と、バイパス膨張弁(バイパス制御部)113と、が設けられている。
The
The
熱交換部111は、中間冷却部5から流出した液相のR134aと、蒸発部7において蒸発したR134aとの間で熱交換を行うものである。熱交換部111は、蒸発器51の内部における気相のR134aが存在する領域(図3の上側の領域)に配置されている。熱交換部111としては、液-ガス式の熱交換器、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器や、積層熱交換器を用いることができる。
The
バイパス流路112およびバイパス膨張弁113は、熱交換部111に流入する液相のR134aの流量を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定の温度に制御するものである。
The bypass passage 112 and the
バイパス流路112は、一方の端部が中間冷却部5と低圧膨張弁4Lとの間に接続され、他方の端部が低圧膨張弁4Lと蒸発器51との間に接続された配管である。
バイパス膨張弁113はバイパス流路112に設けられ、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。バイパス膨張弁113は、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を計測する吸入温度センサ114から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。
The bypass flow path 112 is a pipe having one end connected between the
The
低圧膨張弁4Lは、液面検出センサ42の出力とバイパス膨張弁113の開度と、に基づいて低圧膨張弁4Lを通過するR134aの流量を制御するものである。言い換えると、低圧膨張弁4Lの開度は、バイパス膨張弁113の開度に応じて制御され、中間冷却部5から流出する液相のR134aの全体流量を制御するものである。
The low
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置101における蒸気の生成方法について説明する。
図4は、図3の蒸気発生装置におけるR134aの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、中間圧インタークーラ110の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置101におけるヒートポンプの動作を説明する。
Next, a steam generation method in the
FIG. 4 is a Mollier diagram for explaining the state change of R134a in the steam generator of FIG.
First, the description starts with the operation of the
液相のR134aは分離部41内で所定温度(例えば約70℃)冷却された後、液供給部44を介して流出し、その一部は、中間圧インタークーラ110の熱交換部111に導かれる(図4のF→G)。
熱交換部111に流入した液相のR134aは、蒸発器51において蒸発したR134aと熱交換し、蒸発したR134aの温度を昇温させる(図4のO→A1)。一方で、熱交換後の液相のR134aの温度は低下する(図4のG→G1)。
The liquid phase R134a is cooled at a predetermined temperature (for example, about 70 ° C.) in the
The liquid-phase R134a flowing into the
熱交換部111から流出したR134aは、バイパス膨張弁113により低圧にまで減圧される(低圧側減圧工程、図4のG1→H1)。
バイパス膨張弁113は、吸入温度センサ114の検出信号に基づいて、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110に導かれる液相のR134aの流量を制御している。中間圧インタークーラ110に導かれる液相のR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110において熱交換される熱量を制御し、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定温度、例えば、約70℃に制御している。
R134a that has flowed out of the
The
一方、分離部41から流出した液相のR134aの残りは、低圧膨張弁4Lに導かれる(図4のF→G)。低圧膨張弁4Lにおいて液相のR134aは低圧にまで減圧され、バイパス膨張弁113を通過したR134aとともに蒸発器51に流入する(図4のG→H)。具体的には、低圧膨張弁4Lは、液面検出センサ42の検出信号およびバイパス膨張弁113の開度に基づいて、分離部41内の液相のR134aの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
On the other hand, the remainder of the liquid phase R134a that has flowed out of the
低圧膨張弁4Lおよびバイパス膨張弁113を通過したR134aは蒸発器51に流入し、熱源50から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のR134aとなる(図4のH→O)。
蒸発したR134aは、中間圧インタークーラ110において、上述のように分離部41から流出した液相のR134aと熱交換することにより、所定温度(例えば約70℃)に昇温される(図4のO→A1)。
R134a that has passed through the low-
The vaporized R134a is heated to a predetermined temperature (for example, about 70 ° C.) by exchanging heat with the liquid-phase R134a flowing out from the
昇温されたR134aは、ターボ圧縮機2の低圧羽根車12Lに吸入され、中間圧にまで昇圧される(図4のA1→B1)。中間圧にまで昇圧されたR134aは、高圧羽根車12Hに吸入され高圧にまで昇圧され(図4のC1→D1)、蒸気生成部3に供給される。
ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が約70℃にまで昇温されているため、吐出されるR134aの温度を容易に約140℃にすることができる。
以後のサイクルは、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
The heated R134a is sucked into the low-
Since the temperature of R134a sucked into the
Since the subsequent cycles are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
上記の構成によれば、相対的に温度の高い中間冷却部5から流出した液相のR134aと、相対的に温度の低い蒸発部7で蒸発したR134aとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が上昇すると、吐出されるR134aの温度も上昇するため、蒸気生成部3に供給される超臨界状態のR134aの温度を高くすることができる。
According to the above configuration, by performing heat exchange between the R134a in the liquid phase flowing out from the
低圧膨張弁4Lは中間冷却部5から流出するR134aの流量を制御することができるため、液面検出センサ42の検出結果およびバイパス膨張弁113の開度に基づいて制御されることにより、中間冷却部5のR134aの液面の位置を制御することができる。言い換えると、中間冷却部5に常に液相のR134aが存在する状態に制御でき、中間圧インタークーラ110に安定して液相のR134aを供給することができる。
そのため、中間冷却部5から中間圧インタークーラ110に供給されるR134a流量を安定させ、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定させることができる。
Since the low-
Therefore, the flow rate of R134a supplied from the
バイパス流路112を流れるR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110に流入する液相のR134aの流量が制御される。そのため、中間圧インタークーラ110において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が制御される。
つまり、吸入温度センサ114の検出結果に基づき、バイパス膨張弁113を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
By controlling the flow rate of R134a flowing through the bypass passage 112, the flow rate of the liquid phase R134a flowing into the
That is, by controlling the
一方、低圧膨張弁4Lを流れるR134aの流量を制御することにより、中間冷却部5から流出する液相のR134aの流量が制御される。そのため、中間冷却部5にR134aの液面を保持することができ、中間圧インタークーラ110に液相のR134aを安定して供給することができる。
つまり、バイパス流路112を流れるR134aの流量に基づいて、低圧膨張弁4Lを流れるR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110に液相のR134aを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
On the other hand, by controlling the flow rate of R134a flowing through the low
That is, by controlling the flow rate of R134a flowing through the low
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態について図5および図6を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、蒸気発生器のR134aと蒸発部のR134aとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図5および図6を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図5は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The basic configuration of the steam generator of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but the first embodiment is an interface that performs heat exchange between R134a of the steam generator and R134a of the evaporator. The difference is that a cooler is provided. Therefore, in the present embodiment, the configuration around the intercooler will be described with reference to FIGS. 5 and 6, and description of other components and the like will be omitted.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the outline of the steam generator according to this embodiment.
In addition, about the component same as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
蒸気発生装置201には、図5に示すように、ターボ圧縮機2と、蒸気生成部3と、高圧膨張弁4Hと、高圧インタークーラ(中間熱交換部)210と、中間冷却部5と、低圧膨張弁4Lと、蒸発部7とが設けられ、これらの順にR134aが流れるヒートポンプが構成されている。
As shown in FIG. 5, the
高圧インタークーラ210は、蒸気発生器23から流出した液相のR134aと、蒸発部7において蒸発したR134aとの間で熱交換を行い、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定の温度にするものである。
高圧インタークーラ210には、熱交換部211と、バイパス流路212と、バイパス膨張弁(バイパス制御部)213と、が設けられている。
The high-
The high-
熱交換部211は、蒸気発生器23から流出した液相のR134aと、蒸発部7において蒸発したR134aとの間で熱交換を行うものである。熱交換部211は、蒸発器51の内部における気相のR134aが存在する領域(図5の上側の領域)に配置されている。熱交換部211としては、液-ガス式の熱交換器、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器や、積層熱交換器を用いることができる。
The
バイパス流路212およびバイパス膨張弁213は、熱交換部211に流入する液相のR134aの流量を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定の温度に制御するものである。
The
バイパス流路212は、一方の端部が蒸気発生器23と高圧膨張弁4Hとの間に接続され、他方の端部が高圧膨張弁4Hと中間冷却部5との間に接続された配管である。
バイパス膨張弁213はバイパス流路212に設けられ、バイパス流路212を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。バイパス膨張弁213は、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を計測する吸入温度センサ114から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路212を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。
The
The
高圧膨張弁4Hは、高圧温度センサ31Hの出力とバイパス膨張弁213の開度と、に基づいて高圧膨張弁4Hを通過するR134aの流量を制御するものである。言い換えると、高圧膨張弁4Hの開度は、バイパス膨張弁213の開度に応じて制御されるものであって、高圧膨張弁4Hは、蒸気発生器23から流出する液相のR134aの全体流量を制御し、その温度を制御するものである。
The high
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置201における蒸気の生成方法について説明する。
図6は、図5の蒸気発生装置におけるR134aの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、高圧インタークーラ210の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置201におけるヒートポンプの動作を説明する。
Next, the vapor | steam production | generation method in the
FIG. 6 is a Mollier diagram for explaining the state change of R134a in the steam generator of FIG.
First, the description starts with the action of the high-
液相のR134aは蒸気発生器23内で所定温度(例えば約100℃)冷却された後、蒸気発生器23から流出し、その一部は、高圧インタークーラ210の熱交換部211に導かれる(図6のE→E1)。
熱交換部211に流入した液相のR134aは、蒸発器51において蒸発したR134aと熱交換し、蒸発したR134aの温度を昇温させる(図6のO→A1)。一方で、熱交換後の液相のR134aは約80℃まで温度が低下する(図6のE→E1)。
The liquid-phase R134a is cooled at a predetermined temperature (for example, about 100 ° C.) in the
The liquid phase R134a flowing into the
高圧インタークーラ210から流出したR134aは、バイパス膨張弁213により中間圧にまで減圧される(高圧側減圧工程、図6のE1→F1)。
一方、蒸気発生器23から流出した液相のR134aの残りは、高圧膨張弁4Hに導かれ、高圧膨張弁4Hにおいて液相のR134aは中間圧にまで減圧される(図6のE→F)。
R134a that has flowed out of the
On the other hand, the remainder of the liquid phase R134a flowing out of the
具体的には、高圧膨張弁4Hは、高圧膨張弁4Hの開度は、高圧温度センサ31Hにより検出されたR134aの温度、および、バイパス膨張弁213の開度に基づいて、蒸気発生器23から流出するR134aの温度が一定になるように制御される。
このように制御されることにより、蒸気発生器23内における液相のR134aの液面の位置が一定に保たれる。
減圧されたR134aは、バイパス膨張弁213を通過したR134aとともに分離部41に流入する。
Specifically, the opening of the high
By controlling in this way, the position of the liquid surface of the liquid phase R134a in the
The decompressed R134a flows into the
分離部41では、R134aが気相および液相に分離され、気相のR134aは、ガス供給部43を介してターボ圧縮機2の高圧羽根車12Hに供給される(中間工程、図6のF1→F→C1)。高圧羽根車12Hに供給された気相のR134aは、再び高圧羽根車12Hに圧縮される。
In the
一方、液相のR134aは分離部41内で冷却された後(図6のF→F1→G)、液供給部44を介して流出し、低圧膨張弁4Lにより低圧にまで減圧される(低圧側減圧工程、図6のG→H)。具体的には、低圧膨張弁4Lは、液面検出センサ42の検出信号に基づいて、分離部41内の液相のR134aの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
On the other hand, the liquid phase R134a is cooled in the separation unit 41 (F → F1 → G in FIG. 6), then flows out through the
減圧されたR134aは、図5に示すように、蒸発器51に流入する。蒸発器51に流入した液相のR134aは、熱源50から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のR134aとなる(蒸発工程、図6のH→O)。
蒸発したR134aは、高圧インタークーラ210において、上述のように蒸気発生器23から流出した液相のR134aと熱交換することにより、所定温度(例えば約70℃)に昇温される(図4のO→A1)。
The decompressed R134a flows into the
The vaporized R134a is heated to a predetermined temperature (for example, about 70 ° C.) by exchanging heat with the liquid-phase R134a flowing out of the
昇温されたR134aは、ターボ圧縮機2の低圧羽根車12Lに吸入され、中間圧にまで昇圧される(図6のA1→B1)。中間圧にまで昇圧されたR134aは、高圧羽根車12Hに吸入され高圧にまで昇圧され(図6のC1→D1)、蒸気生成部3に供給される。
ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が約70℃にまで昇温されているため、吐出されるR134aの温度を容易に約150℃にすることができる。
以後のサイクルは、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
The heated R134a is sucked into the low-
Since the temperature of R134a sucked into the
Since the subsequent cycles are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
上記の構成によれば、相対的に温度の高い蒸気発生部3から流出した液相のR134aと、相対的に温度の低い蒸発部7で蒸発したR134aとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が上昇すると、吐出されるR134aの温度も上昇するため、蒸気発生部3に供給される超臨界状態のR134aの温度を高くすることができる。
According to the above configuration, by performing heat exchange between the R134a in the liquid phase that has flowed out of the
バイパス流路212を流れるR134aの流量を制御することにより、高圧インタークーラ210に流入する液相のR134aの流量が制御される。そのため、高圧インタークーラ210において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が制御される。
つまり、高圧温度センサ31Hの検出結果に基づき、バイパス膨張弁213を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
By controlling the flow rate of R134a flowing through
That is, by controlling the
一方、高圧膨張弁4Hを流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気発生部3から流出する液相のR134aの流量が制御され、流出するR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路212を流れるR134aの流量に基づいて、高圧膨張弁4Hを流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気生成部3から流出するR134aの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
On the other hand, by controlling the flow rate of R134a flowing through the high-
That is, by controlling the flow rate of R134a flowing through the high-
1,101,210 蒸気発生装置
2 ターボ圧縮機
3 蒸気生成部
4H 高圧膨張弁(高圧側減圧部)
4L 低圧膨張弁(低圧側膨張部)
5 中間冷却部(中間部)
7 蒸発部
110 中間圧インタークーラ(中間熱交換部)
112,212 バイパス流路
113,213 バイパス膨張弁(バイパス制御部)
210 高圧インタークーラ(中間熱交換部)
1,101,210
4L low pressure expansion valve (low pressure side expansion part)
5 Intermediate cooling part (intermediate part)
7 Evaporating
112, 212
210 High pressure intercooler (intermediate heat exchanger)
Claims (8)
超臨界状態のR134aとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、
該蒸気生成部から流出したR134aの圧力を減圧する高圧側減圧部と、
該高圧側減圧部により減圧されたR134aを気相および液相に分離し、気相のR134aを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、
該中間部から流出した液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、
該低圧側減圧部により減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、
が設けられていることを特徴とする蒸気発生装置。 A turbo compressor that compresses the refrigerant R134a into a supercritical state;
A steam generator that generates superheated steam by exchanging heat with R134a in a supercritical state;
A high-pressure side decompression unit that decompresses the pressure of R134a flowing out of the steam generation unit;
An intermediate portion for separating R134a decompressed by the high-pressure side decompression unit into a gas phase and a liquid phase, and supplying the gas phase R134a during the compression process of the turbo compressor;
A low-pressure side decompression section for further decompressing the pressure of the liquid phase R134a flowing out from the intermediate section;
An evaporation section for evaporating R134a in the liquid phase decompressed by the low pressure side decompression section and supplying the evaporated R134a to the turbo compressor;
The steam generator characterized by being provided.
前記給水ポンプにより過熱蒸気の供給が制御されることを特徴とする請求項1記載の蒸気発生装置。 The steam generation unit is provided with a water supply pump that supplies water for generating superheated steam,
The steam generator according to claim 1, wherein supply of superheated steam is controlled by the feed water pump.
前記低圧側減圧部は、前記液面検出部の検出結果に基づいて制御されることを特徴とする請求項3記載の蒸気発生装置。 The intermediate part is provided with a liquid level detection unit for detecting the position of the liquid level of R134a,
4. The steam generator according to claim 3, wherein the low-pressure side decompression unit is controlled based on a detection result of the liquid level detection unit.
前記バイパス制御部を流れるR134aの流量は、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて制御され、
前記低圧側減圧部を流れるR134aの流量は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項3または4に記載の蒸気発生装置。 A bypass flow path for guiding a part of R134a supplied to the intermediate heat exchange section between the low pressure side decompression section and the evaporation section, and a bypass control section for controlling the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path; A suction temperature detection unit for detecting the temperature of R134a sucked into the turbo compressor,
The flow rate of R134a flowing through the bypass control unit is controlled based on the detection result of the suction temperature detection unit,
The steam generator according to claim 3 or 4, wherein the flow rate of R134a flowing through the low-pressure side decompression unit is controlled based on the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path.
前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて、前記バイパス制御部が制御され、
前記高圧側減圧部は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項6記載の蒸気発生装置。 A bypass flow path for guiding a part of R134a supplied to the intermediate heat exchange section between the high pressure side pressure reduction section and the intermediate section; a bypass control section for controlling the flow rate of R134a flowing through the bypass flow path; A suction temperature detection unit for detecting the temperature of R134a sucked into the turbo compressor,
Based on the detection result of the suction temperature detection unit, the bypass control unit is controlled,
The steam generation apparatus according to claim 6, wherein the high pressure side decompression unit is controlled based on a flow rate of R134a flowing through the bypass flow path.
超臨界状態のR134aとの熱交換により過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、
熱交換した後のR134aの圧力を減圧する高圧側減圧工程と、
減圧され気相および液相に分離されたR134aのうち、気相のR134aを前記圧縮工程の途中に供給する中間工程と、
分離されたR134aのうちの液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧工程と、
さらに減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記圧縮工程に供給する蒸発工程と、
が設けられていることを特徴とする蒸気生成方法。 A compression step of compressing the refrigerant R134a into a supercritical state;
A steam generation step for generating superheated steam by heat exchange with R134a in a supercritical state;
A high pressure side pressure reducing step for reducing the pressure of R134a after the heat exchange;
Among R134a decompressed and separated into a gas phase and a liquid phase, an intermediate step of supplying gas phase R134a in the middle of the compression step;
A low pressure side pressure reducing step for further reducing the pressure of the liquid phase R134a of the separated R134a;
An evaporation step of evaporating R134a in the liquid phase further reduced in pressure and supplying the evaporated R134a to the compression step;
A steam generation method characterized in that is provided.
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