JP2009103422A

JP2009103422A - ヒートポンプシステム及びその運用方法並びに蒸気蒸発器システム

Info

Publication number: JP2009103422A
Application number: JP2007278285A
Authority: JP
Inventors: Tadaharu Kishibe; 忠晴岸部; Susumu Nakano; 晋中野; Takanori Shibata; 貴範柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: EP2136039A2; JP5017057B2; US7981254B2; EP2136039A3; US20090107156A1

Abstract

【課題】
純水製造装置を有する、供給水を蒸発器で蒸発させ蒸気を生成するヒートポンプシステムにおいて、噴霧冷却に使用する水を有効利用すること、あるいは噴霧冷却に使用する純水の生成効率を増加すること。
【解決手段】
純水製造装置を用いて噴霧冷却に使用する水を生成する際に排出される排水を蒸発器に供給する。または逆浸透膜方式の純水製造装置は供給される水温が高いほうが純水生成能力は高くなることを活用し、温度の高い蒸発器ドレンを純水製造装置に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステム及びその運用方法並びに蒸気蒸発器システムに関する。

ヒートポンプ技術，ＶＲＣ（Vapor Re-Compression：蒸気再圧縮）技術利用に関しては、近年、工場や発電機器などの排熱をヒートポンプで回収することで省エネルギ化を図ったり、産業用の乾燥プロセスにＶＲＣを利用し乾燥に必要なエネルギを大幅に削減することが行われるようになってきた。

ヒートポンプやＶＲＣシステムには様々なタイプがあるが、供給水を蒸発器によりシステムの作動蒸気とし、また圧縮動力を低減しさらに省エネルギ化を図るため、圧縮機の上流や下流で水を噴霧し作動蒸気を冷却するシステムが考えられる。

このヒートポンプやＶＲＣシステムへの供給水としては、水道水，工業用水，工場温排水などがある。システムに含まれる遠心圧縮機のような圧縮機器のエロージョンや汚れを回避したり、噴霧水ノズルを長寿命化することなどの目的で、これらの供給水を純水製造装置を用いて純水に転換することが考えられる。

ところが、純水製造装置に供給された水のうち、純水に転換されるのは半分程度であり、残りの半分は純水製造装置から排水として排出されるという問題があった。

この純水製造装置からの排水の有効利用に関しては、例えば特許文献１に記載のように、排水を純水製造装置の原水に混合しこの混合水を原水として使用する技術が開示されている。

特開平９−２４８５７１号公報

特許文献１に記載の技術では、純水製造装置の排水を原水に戻して再利用しているが、排水が循環することにより、水の中に汚れが濃縮してしまうので有効利用率はあまり高くできない。

本発明の目的は、蒸発器と純水製造装置とを備えたシステムにおいて、水を有効利用することにある。

本発明は、純水製造装置と、供給水を蒸発させ蒸気を生成する蒸発器とを備え、前記純水製造装置の排水を該蒸発器に供給する供給系統又は前記蒸発器のドレンを該純水製造装置に供給する供給系統を備えることを特徴とする。

本発明によると、蒸発器と純水製造装置とを備えたシステムにおいて、水を有効利用することができる。

本発明の最良の形態として、蒸発器の水系統と純水製造装置の水系統の２つの水利用ラインにおいて、お互いにその排水を利用しあうことがあげられる。

例えば、純水製造装置の排水を蒸発器に供給すること、蒸発器ドレンを純水製造装置に供給することが考えられる。これにより、水の有効利用が図れる。

以下、本発明の実施の一形態にかかる蒸気圧縮機、ヒートポンプシステムについて説明する。はじめに、図５を用い蒸気圧縮機を利用するヒートポンプシステムの構成について説明する。図５は、ヒートポンプシステムのシステム構成図を示す。図５のヒートポンプシステムは、排熱５０を熱源とする蒸発器２を備え、蒸発器２で生成した蒸気１２を圧縮機３０ａ，３０ｂで昇温昇圧し、この高温高圧蒸気を需要先へ供給するよう構成されている。具体的には、供給水１０と外部熱源である排熱５０とを熱交換することで飽和蒸気１２を生成する蒸発器２と、生成された飽和蒸気１２を圧縮する蒸気圧縮機３０ａ，３０ｂと、蒸気圧縮機３０ａ，３０ｂを駆動する駆動装置３１とを備えている。

本例における蒸気圧縮機３０ａ，３０ｂは、第１段圧縮機３０ａ，第２段圧縮機３０ｂの２段の圧縮機から構成されているが、所定の圧力比を満足する仕様であれば、段数は２段である必要はなく、所定の圧力比を満足するためさらに段数を増加することが必要になる場合もある。

蒸発器２で生成された蒸気１２は加湿装置４１ａに供給される。供給水１０の一部が純水製造装置１を通してポンプ４０により加湿装置４１ａに噴霧冷却水１１ａとして供給され、蒸気圧縮機３０ａの作動流体である蒸気１２が吸気冷却される。第１段圧縮機３０ａ，第２段圧縮機３０ｂの段間では、供給水１０の一部が純水製造装置１を通してポンプ４０により第一段と第二段の段間に設置された加湿装置４１ｂに噴霧冷却水１１ｂとして供給される。加湿装置４１ｂからの水噴霧により圧縮機３０ｂの作動流体である蒸気が中間冷却される。なお、ターボ機械の圧縮動力は、圧縮過程にある作動媒体の温度が低ければ低いほど、少ない圧縮動力で高圧力比化を達成することができる。従って、圧縮機導入前の作動流体である蒸気１２を加湿する加湿装置４１によって、このように吸気冷却や中間冷却を行うことにより、ヒートポンプシステムの熱効率を向上することができる。

純水製造装置１に供給された水のうち、純水に転換され噴霧冷却水１１として利用できるのは半分程度であり、残りの半分は純水製造装置排水２１として排出される。また、蒸発器２に供給する純水製造装置１の排水２１の不純物を除去するトラップ手段を備えることが望ましい。すなわち、供給系統又は蒸発器２に、蒸気圧縮機システムに対し有害な不純物を分離排出するトラップ手段を設置して、蒸発器２のドレン２２を通して外部に排出されるようになっている。これにより、圧縮機に対する損傷を抑制したりすることができる。

次に、ヒートポンプシステム内の作動流体の流れについて説明する。供給された水１０は、液体の状態で蒸発器２に供給される。蒸発器２で水１０は工場排熱などの外部熱源である排熱５０と熱交換し、飽和温度まで昇温され、その一部は蒸発して蒸気１２となる。熱交換により生成された蒸気１２は、加湿装置４１ａで吸気冷却されたあと飽和蒸気６０として蒸気圧縮機第１段圧縮機３０ａへ流入する。飽和蒸気６０は、蒸気圧縮機第１段圧縮機３０ａで昇温昇圧され高温・高圧の過熱蒸気６１となる。過熱蒸気６１は第１段圧縮機３０ａと第２段圧縮機３０ｂの間に設けられた加湿装置４１ｂで加湿されることにより冷却され、第２段圧縮機３０ｂへ導入される。導入された蒸気は第２段圧縮機３０ｂでさらに昇温昇圧され、過熱蒸気５１となる。この過熱蒸気５１は工業用熱源として、製紙会社，食品工場，地域冷暖房，化学工場などの熱利用施設で利用される。

次に、図１を用い具体的に説明する。蒸気蒸発器システムとして、主に、蒸気を生成する蒸発器２と、純水を製造する純水製造装置１とを備えている。ヒートポンプシステムとして、蒸気を生成する蒸発器２と、蒸発器１からの蒸気を圧縮する圧縮機３０ａ，３０ｂと、純水を製造する純水製造装置１と、純水製造装置１からの純水を用いて圧縮機３０ａ，３０ｂに供給する蒸気を加湿する加湿装置４１ａ，４１ｂと、純水製造装置１の排水２１を蒸発器２に供給する供給系統とを備える。つまり、本実施例では、水利用ラインとして、純水製造装置１の水系統と、供給水を蒸発させ蒸気を生成する蒸発器２との水系統を２系統を備える。純水製造装置１に供給された水のうち、純水に転換され噴霧冷却水１１として利用できるのは半分程度であり、残りの半分は純水製造装置排水２１として排出される。

純水製造装置１の排水２１を蒸発器２に供給する供給系統とを備えることにより、水の有効利用が図れる。すなわち、この純水製造装置の排水２１を蒸発器２に供給するように配管接続することで、蒸発器２に供給される供給水１０の量を低減することができ、純水製造装置排水２１を有効利用できる。

蒸発器２の中の圧力は、排温水からの熱回収の場合、大気圧より０.０２ＭＰａ程度負圧になる。純水製造装置１の排水２１をフィルタに通す場合で、フィルタの抵抗が大きい場合は、純水製造装置排水２１と蒸発器２の間の配管にポンプを設置することが必要になる場合もある。純水製造装置１の排水２１をフィルタに通す必要がない場合は、純水製造装置排水２１と蒸発器２の間の差圧分で、排水２１は蒸発器２まで流れる。

なお、純水製造装置１に供給された水のうち、純水に転換された分は噴霧冷却水１１をして利用されるので、純水製造装置排水２１には供給水１０に含まれていた無機物，有機物，不純物などのほぼ全てが含有されている。これを蒸発器２に供給するため、蒸発器２には蒸気圧縮機システムに対し有害な不純物を分離排出するトラップが設置されており、さらに、蒸発器２から生成される蒸気１２は、蒸発器２内の水が蒸発して生成されるので、有害な不純物はほとんど含有されていない。

以上のように、本実施例では、ヒートポンプシステムの熱効率を向上しつつ、噴霧冷却に使用する水を純水製造装置で生成し、その純水製造装置の排水を、水を利用する別系統の装置に導入して有効利用することができる。そして、噴霧冷却水ラインに純水製造装置を設置することで圧縮機や噴霧水ノズルの長寿命化を図り、水消費量の低減効果がある。

実施例２を図２を用いて説明する。実施例２は、蒸発器２のドレンを純水製造装置１に供給する供給系統を備えている。つまり、蒸発器２のドレン２２を純水製造装置１に供給することにより、噴霧冷却に使用する純水の生成効率の増加を図る例である。蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の圧力差によっては、蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の間の配管にポンプを設置することが必要になる場合もある。

蒸発器２のドレン２２を純水製造装置１に供給することにより、純水製造装置１に供給される水温を高めることができる。逆浸透膜方式の純水製造装置１については、供給される水温が高いほうが純水製造装置１の純水生成能力は高くなり、５℃と２０℃で約１０〜１５％程度の差がある。このように、蒸発器ドレン２２の排熱回収の効果を得ることができる。つまり、純水生成効率の増加，蒸発器ドレンからの熱回収の効果が得られる。

実施例３を図３を用いて説明する。実施例３は、実施例２と同様に蒸発器２のドレン２２を純水製造装置１に供給するように配管接続することで、蒸発器ドレン２２を有効利用し、噴霧冷却に使用する純水の生成効率の増加を図る例であり、ここでは純水製造装置１に必要な供給水の量が蒸発器ドレン２２だけでは不足するため、水道水，工業用水，工場温排熱などの外部から供給される供給水１０も純水製造装置１に供給する例である。なお、実施例２と同様に、蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の圧力差によっては、蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の間の配管にポンプを設置することが必要になる場合もある。

実施例を図４を用いて説明する。実施例４は、実施例２と同様に蒸発器２のドレン２２を純水製造装置１に供給するように配管接続することで、蒸発器ドレン２２を有効利用し、噴霧冷却に使用する純水の生成効率の増加を図る例である。ここでは実施例１と同様に純水製造装置排水２１を蒸発器２に供給するように配管接続することで、純水製造装置排水２１を有効利用する。

実施例１と同様に、純水製造装置１の排水２１をフィルタに通す場合で、フィルタの抵抗が大きい場合は、純水製造装置排水２１と蒸発器２の間の配管にポンプを設置することが必要になる場合もある。純水製造装置１の排水２１をフィルタに通す必要がない場合は、純水製造装置排水２１と蒸発器２の間の差圧分で、排水２１は蒸発器２まで流れる。また、実施例２と同様に、蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の圧力差によっては、蒸発器２のドレン２２と純水製造装置１の間の配管にポンプを設置することが必要になる場合もある。

なお、純水製造装置１に供給された水のうち、純水に転換された分は噴霧冷却水１１をして利用されるので、純水製造装置排水２１に供給された水に含まれていた無機物，有機物，不純物などのほぼ全てが含有されている。これを蒸発器に供給するため、蒸発器には蒸気圧縮機システムに対し有害な不純物を分離排出するトラップが設置されており、さらに、蒸発器２から生成される蒸気１２は、蒸発器２内の水が蒸発して生成されるので、有害な不純物はほとんど含有されていない。

蒸発器と純水製造装置の配管接続構成の実施方法を示した説明図（実施例１）。蒸発器と純水製造装置の配管接続構成の実施方法を示した説明図（実施例２）。蒸発器と純水製造装置の配管接続構成の実施方法を示した説明図（実施例３）。蒸発器と純水製造装置の配管接続構成の実施方法を示した説明図（実施例４）。ヒートポンプシステムのシステム構成図。

符号の説明

１純水製造装置
２蒸発器
１０供給水
１１噴霧冷却水
１２，６０，６１，６２蒸気
２１排水
２２ドレン
３０ａ，３０ｂ圧縮機
３１駆動装置
４０ポンプ
４１ａ，４１ｂ加湿装置
５０排熱
５１過熱蒸気

Claims

純水製造装置と、供給水を蒸発させ蒸気を生成する蒸発器と、前記純水製造装置の排水を該蒸発器に供給する供給系統とを備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
純水製造装置と、供給水を蒸発させ蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器のドレンを該純水製造装置に供給する供給系統を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項２に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記蒸発器のドレンのほかにシステム外部から供給水を該純水製造装置に供給することを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項２に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記純水製造装置の排水を蒸発器に供給する供給系統を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器からの蒸気を圧縮する圧縮機と、純水を製造する純水製造装置と、該純水製造装置からの純水を用いて該圧縮機に供給する蒸気を加湿する加湿装置と、前記純水製造装置の排水を前記蒸発器に供給する供給系統とを備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項５に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記蒸発器に供給する前記純水製造装置の排水の不純物を除去するトラップ手段を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器からの蒸気を圧縮する圧縮機と、純水を製造する純水製造装置と、該純水製造装置からの純水を用いて該圧縮機に供給する蒸気を加湿する加湿装置と、前記蒸発器のドレンを該純水製造装置に供給する供給系統を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
蒸発器で生成した蒸気を圧縮機により圧縮する工程と、純水製造装置で製造した純水を用いて該圧縮機に供給する蒸気を加湿する工程と、前記純水製造装置の排水を前記蒸発器に供給する工程を含むことを特徴とするヒートポンプシステムの運用方法。
蒸発器で生成した蒸気を圧縮機により圧縮する工程と、純水製造装置で製造した純水を用いて該圧縮機に供給する蒸気を加湿する工程と、前記蒸発器のドレンを該純水製造装置に供給する工程を含むことを特徴とするヒートポンプシステムの運用方法。
純水製造装置と、供給水を蒸発させ蒸気を生成する蒸発器とを備え、前記純水製造装置の排水を該蒸発器に供給する供給系統又は前記蒸発器のドレンを該純水製造装置に供給する供給系統を備えることを特徴とする蒸気蒸発器システム。