JP2010036056A - 加熱モジュール及び冷却モジュール - Google Patents

加熱モジュール及び冷却モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】省エネルギー効果の高い加熱モジュール及び冷却モジュールを提供する。
【解決手段】加熱モジュール１０は、入力流体が入力される入力端Ｉと、入力流体が入力される単位操作部Ｘから出力される出力流体を出力する出力端Ｅと、単位操作部Ｘと入力端Ｉ及び出力端Ｅとの間に配置され、単位操作部Ｘに入力される入力流体と、単位操作部Ｘから出力される出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器Ｈ１と、単位操作部Ｘと第１熱交換器Ｈ１との間に配置され、気体の入力流体を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機Ｃ１と、第１熱交換器Ｈ１と入力端Ｉとの間に配置され、気体の入力流体を膨張させることによって降温させる膨張機Ｅ１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱モジュール及び冷却モジュールに関する。
ＮＧＬ（天然ガスコンデンセート）中の硫黄分を水素によって除去する水素化脱硫装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この水素化脱硫装置では、水素ガスをコンプレッサーで圧縮し、ＮＧＬと混合する。得られた混合流体は、熱交換器を経て加熱器で加熱された後、水素化脱硫反応器に入力される。水素化脱硫反応器から出力された脱硫ＮＧＬは、上記熱交換器に入力される。この熱交換器では、圧縮された水素ガスとＮＧＬとの混合流体と、脱硫ＮＧＬとの間で熱交換を行う。
特開２００７−２３８８３２号公報
しかしながら、上記水素化脱硫装置では、混合流体を加熱器で加熱しており、加熱器で混合流体に与えた熱量と同程度の熱量が系外に排出されている。よって、上記水素化脱硫装置の省エネルギー効果は不十分である。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、省エネルギー効果の高い加熱モジュール及び冷却モジュールを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の加熱モジュールは、入力流体が入力される入力端と、前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、前記第１熱交換器と前記入力端との間に配置され、気体の前記入力流体を膨張させることによって降温させる膨張機と、を備える。
本発明に係る加熱モジュールでは、膨張機によって入力流体を膨張させることにより、入力流体を降温させる。このとき、膨張機により、仕事としてエネルギーを回収することができる。
また、第１圧縮機を用いて入力流体又は出力流体に仕事を加えることにより、入力流体又は出力流体を所定温度まで昇温させる。このため、第１熱交換器に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器から出力される入力流体の温度及び圧力よりも高くすることができる。よって、第１熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。
この加熱モジュールでは、第１圧縮機によって入力流体又は出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になる。しかし、入力流体を第１熱交換器に入力する前に圧縮したり、第１熱交換器から出力された入力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。第１圧縮機により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーの一部は、膨張機により仕事として回収できる。このため、別途ボイラー等の加熱炉で加熱する際に必要なエネルギーに比べて、入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な正味のエネルギーは非常に小さい。
したがって、本発明の加熱モジュールでは、省エネルギー効果が大幅に高くなる。
また、本発明の加熱モジュールは、入力流体が入力される入力端と、前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記出力流体を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、前記第１熱交換器と前記出力端との間に配置され、気体の前記出力流体を膨張させることによって降温させる膨張機と、を備える。
本発明に係る加熱モジュールでは、膨張機によって出力流体を膨張させることにより、出力流体を降温させる。このとき、膨張機により、仕事としてエネルギーを回収することができる。
また、第１圧縮機を用いて出力流体に仕事を加えることにより、出力流体を所定温度まで昇温させる。このため、第１熱交換器に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器から出力される入力流体の温度及び圧力よりも高くすることができる。よって、第１熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。
この加熱モジュールでは、第１圧縮機によって出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になる。しかし、入力流体を第１熱交換器に入力する前に圧縮したり、第１熱交換器から出力された入力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。第１圧縮機により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーの一部は、膨張機により仕事として回収できる。このため、別途ボイラー等の加熱炉で加熱する際に必要なエネルギーに比べて、入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な正味のエネルギーは非常に小さい。
したがって、本発明の加熱モジュールでは、省エネルギー効果が大幅に高くなる。
また、本発明の加熱モジュールは、入力流体が入力される入力端と、前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、を備え、前記第１熱交換器は、液体の前記入力流体を気化させて気体の前記入力流体を出力すると共に、気体の前記出力流体を液化させて液体の前記出力流体を出力する。
本発明に係る加熱モジュールでは、液体の入力流体が第１熱交換器を通過することによって気体の入力流体となると共に、気体の出力流体が第１熱交換器を通過することによって液体の出力流体となる。このため、第１熱交換器において、気体の出力流体が液化する際の潜熱を、入力流体によって回収することができる。
また、本発明に係る加熱モジュールでは、第１圧縮機を用いて入力流体又は出力流体に仕事を加えることにより、入力流体又は出力流体を所定温度まで昇温させる。このため、第１熱交換器に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器から出力される入力流体の温度及び圧力よりも高くすることができる。よって、第１熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。
この加熱モジュールでは、第１圧縮機を用いて入力流体又は出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になる。しかし、第１熱交換器から出力された入力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。別途ボイラー等の加熱炉で加熱する際に必要なエネルギーは、第１圧縮機により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーに比べて非常に大きい。
したがって、本発明の加熱モジュールでは、省エネルギー効果が大幅に高くなる。
上記加熱モジュールは、前記単位操作部と前記第１圧縮機との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、前記単位操作部と前記第２熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮することによって昇温させる第２圧縮機と、を更に備えることが好ましい。
この場合、例えば第２圧縮機によって入力流体又は出力流体を僅かに圧縮して温度調整することができる。このため、第１熱交換器だけを用いた場合の熱交換効率に比べて、第１熱交換器及び第２熱交換器のトータルの熱交換効率を大きくすることができる。
また、前記出力端から出力される前記出力流体の温度が、前記入力端に入力される前記入力流体の温度と同じであり、前記出力端から出力される前記出力流体の圧力が、前記入力端に入力される前記入力流体の圧力と同じであることが好ましい。これにより、加熱モジュールを標準化されたモジュールとすることができる。
本発明の冷却モジュールは、入力流体が入力される入力端と、前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記第１熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を膨張させることによって降温させる膨張機と、を備える。
本発明に係る冷却モジュールでは、膨張機によって入力流体又は出力流体を膨張させることにより、降温させる。このため、第１熱交換器に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器から出力される入力流体の温度及び圧力よりも低くすることができる。よって、第１熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。また、膨張機により、仕事としてエネルギーを回収することができる。
さらに、第１圧縮機を用いて入力流体又は出力流体に仕事を加えることにより、入力流体又は出力流体を所定温度まで昇温させる。このとき、所定エネルギーの仕事が必要になる。しかし、入力流体又は出力流体を別途冷却する必要は殆どなくなる。第１圧縮機により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーの一部は、膨張機により仕事として回収できる。このため、別途冷却する際に必要なエネルギーに比べて、入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な正味のエネルギーは非常に小さい。
したがって、本発明の冷却モジュールでは、省エネルギー効果が大幅に高くなる。
本発明の冷却モジュールは、入力流体が入力される入力端と、前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記第１熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、前記単位操作部に入力される液体の前記入力流体を冷却する冷却器と、前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、液体の前記入力流体及び液体の前記出力流体の少なくとも一方を膨張させるバルブと、を備え、前記第１熱交換器は、気体の前記入力流体を液化させて液体の前記入力流体を出力すると共に、液体の前記出力流体を気化させて気体の前記出力流体を出力する。
本発明に係る冷却モジュールでは、気体の入力流体が第１熱交換器を通過することによって液体の入力流体となると共に、液体の出力流体が第１熱交換器を通過することによって気体の出力流体となる。このため、第１熱交換器において、気体の入力流体が液化する際の潜熱を、出力流体によって回収することができる。
また、本発明に係る冷却モジュールでは、バルブを用いて入力流体又は出力流体を膨張させ、冷却器を用いて、第１熱交換器から出力された入力流体を冷却する。このため、第１熱交換器に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器から出力される入力流体の温度及び圧力よりも小さくすることができる。よって、第１熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。
この冷却モジュールでは、第１圧縮機を用いて入力流体又は出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になる。しかし、入力流体又は出力流体を別途冷却する必要は殆どなくなる。別途冷却する際に必要なエネルギーは、第１圧縮機により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーに比べて非常に大きい。
したがって、本発明の冷却モジュールでは、省エネルギー効果が大幅に高くなる。
また、上記モジュールは、前記第１圧縮機と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記入力端に入力される前記入力流体と、前記第１熱交換器から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮することによって昇温させる第２圧縮機と、を更に備えることが好ましい。
この場合、例えば第２圧縮機によって入力流体又は出力流体を僅かに圧縮して温度調整することができる。このため、第１熱交換器だけを用いた場合の熱交換効率に比べて、第１熱交換器及び第２熱交換器のトータルの熱交換効率を大きくすることができる。
また、前記出力端から出力される前記出力流体の温度が、前記入力端に入力される前記入力流体の温度と同じであり、前記出力端から出力される前記出力流体の圧力が、前記入力端に入力される前記入力流体の圧力と同じであることが好ましい。これにより、冷却モジュールを標準化されたモジュールとすることができる。
なお、上記構成要素を任意に組み合わせてもよいし、本発明の表現を方法、コンピュータプログラム、当該コンピュータプログラムが記録された記録媒体としてもよい。
本発明によれば、省エネルギー効果の高い加熱モジュール及び冷却モジュールが提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
（気体を用いた加熱モジュール）
図１（ａ）は、第１実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１（ｂ）は、第１実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１（ａ）に示される加熱モジュール１０は、入力端Ｉ、単位操作部Ｘ、出力端Ｅ、第１熱交換器Ｈ１、圧縮機Ｃ１（第１圧縮機）及び膨張機Ｅ１を備える。第１熱交換器Ｈ１は、入力端Ｉ及び出力端Ｅと単位操作部Ｘとの間に配置される。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘと第１熱交換器Ｈ１との間に配置される。膨張機Ｅ１は、第１熱交換器Ｈ１と入力端Ｉとの間に配置される。
入力端Ｉには、入力流体が入力される。入力流体は、単一成分を含んでもよいし、複数の成分を含んでもよい。入力流体は、気体、気液混合物のいずれであってもよい。一実施例において、入力流体は気体のブタンである。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って膨張機Ｅ１に到達する。膨張機Ｅ１は、気体の入力流体を膨張させることによって降温させる。膨張機Ｅ１は、例えばパワーリカバリータービンである。膨張機Ｅ１の膨張比は１．５〜５であることが好ましい。膨張機Ｅ１は、入力流体の温度を１０〜５０℃低下させることが好ましい。膨張機Ｅ１は、入力流体を断熱膨張させることができる。膨張機Ｅ１によって膨張した入力流体は、配管２を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って圧縮機Ｃ１に到達する。
圧縮機Ｃ１は、気体の入力流体を圧縮させることによって昇温させる。圧縮機Ｃ１は、例えばターボ圧縮機である。圧縮機Ｃ１の圧縮比は１．５〜５であることが好ましい。圧縮機Ｃ１は、入力流体の温度を１０〜５０℃上昇させることが好ましい。圧縮機Ｃ１は、入力流体を断熱圧縮することができる。圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
単位操作部Ｘは、単位操作によって入力流体から生成される出力流体を出力する。単位操作部Ｘとしては、例えば反応器、分離器、膜分離器、蒸留塔、抽出装置、ガス吸収装置、吸着装置、乾燥機、加熱装置、フラッシュドラム等が挙げられる。単位操作部Ｘ中の温度は、例えば１００〜３００℃である。
単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１では、単位操作部Ｘに入力される入力流体と、単位操作部Ｘから出力される出力流体との間で熱交換を行う。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って冷却装置ＣＷに到達する。出力流体は、冷却装置ＣＷによって例えば標準温度（環境温度）まで冷却される。冷却装置ＣＷは、例えば冷却水により流体を冷却する。冷却装置ＣＷによって冷却された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。出力端Ｅは出力流体を出力する。
ここで、入力端Ｉに入力される入力流体のエネルギーと、出力端Ｅから出力される出力流体のエネルギーとは、略同じであることが好ましい。例えば、出力端Ｅから出力された出力流体の流量、温度、圧力は、入力端Ｉに入力される入力流体の流量、温度、圧力と略同じであることが好ましい。これにより、加熱モジュール１０を標準化されたモジュールとすることができる。
本実施形態に係る加熱モジュール１０では、図１（ｂ）に示されるように、温度Ｔ０の入力流体が入力端Ｉに入力される。その後、膨張機Ｅ１によって入力流体を膨張させることにより、入力流体を降温させる。このとき、膨張機Ｅ１により、仕事ＷＥ１としてエネルギーを回収することができる。例えば、膨張機Ｅ１としてパワーリカバリータービンを用いれば、電力を回収することができる。次に、入力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、昇温される。続いて、圧縮機Ｃ１を用いて入力流体に仕事Ｗｃ１を加えることにより、入力流体を温度Ｔｓまで昇温させる。このため、第１熱交換器Ｈ１に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器Ｈ１から出力される入力流体の温度及び圧力よりも高くすることができる。よって、第１熱交換器Ｈ１における熱交換効率を向上させることができる。さらに、出力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、降温される。続いて、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。その結果、出力流体は温度Ｔ０まで降温される。
上述のように、加熱モジュール１０では、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。しかし、入力流体を第１熱交換器Ｈ１に入力する前に圧縮したり、第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。
図２０（ａ）は、第１比較例に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図２０（ｂ）は、第１比較例に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図２０（ａ）に示される加熱モジュール１００は、圧縮機Ｃ１及び膨張機Ｅ１を備えず、加熱炉ＦＨを備える点で加熱モジュール１０と相違している。したがって、配管３を通った入力流体は、加熱炉ＦＨに到達し、加熱炉ＦＨにおいて加熱された入力流体が単位操作部Ｘに入力される。
加熱モジュール１００では、入力流体及び出力流体を圧縮せず、膨張させてもいない。このため、図２０（ｂ）に示されるように、入力流体を十分に昇温するために、加熱炉ＦＨにおいて入力流体に熱量ＱＦＨが加えられる。この熱量ＱＦＨと同程度の熱量ＱＣＷは冷却装置ＣＷにおいて放出される。加熱炉ＦＨで加熱する際に必要な熱量は、圧縮機Ｃ１により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な正味のエネルギー（Ｗｃ１―ＷＥ１）に比べて非常に大きい。
したがって、本実施形態に係る加熱モジュール１０では、省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール１０では、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図１（ｃ）は、第２実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１（ｄ）は、第２実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１（ｃ）に示される加熱モジュール１０Ａは、圧縮機Ｃ１及び膨張機Ｅ１の配置を変えたこと以外は加熱モジュール１０と同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘから出力された出力流体を圧縮する。膨張機Ｅ１は、第１熱交換器Ｈ１と出力端Ｅとの間に配置される。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１は、気体の出力流体を圧縮させることによって昇温させる。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管８を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って膨張機Ｅ１に到達する。膨張機Ｅ１は、気体の出力流体を膨張させることによって降温させる。膨張機Ｅ１によって膨張した出力流体は、配管９を通って冷却装置ＣＷに到達する。冷却装置ＣＷによって冷却された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。
加熱モジュール１０Ａでは、図１に示される加熱モジュール１０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール１０Ａでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図２（ａ）は、第３実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図２（ｂ）は、第３実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図２（ａ）に示される加熱モジュール１０Ｂは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は加熱モジュール１０と同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘから出力された出力流体を圧縮する。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管８を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。
加熱モジュール１０Ｂでは、図１に示される加熱モジュール１０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール１０Ｂでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも小さくすることができる。したがって、減圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図３（ａ）は、第４実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図３（ｂ）は、第４実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図３（ａ）に示される加熱モジュール１０Ｃは、加熱モジュール１０の構成に加えて、圧縮機Ｃ２及び膨張機Ｅ２を備える。加熱モジュール１０Ｃは、加熱モジュール１０と加熱モジュール１０Ａとを組み合わせたような構成を有している。圧縮機Ｃ２は、圧縮機Ｃ１と同様のものであり、出力流体を圧縮して昇温させる。膨張機Ｅ２は、膨張機Ｅ１と同様のものであり、第１熱交換器Ｈ１と出力端Ｅとの間に配置され、出力流体を膨張させて降温させる。
本実施形態に係る加熱モジュール１０Ｃでは、図３（ｂ）に示されるように、膨張機Ｅ１により仕事ＷＥ１としてエネルギーを回収すると共に膨張機Ｅ２により仕事ＷＥ２としてエネルギーを回収することができる。一方、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、圧縮機Ｃ２によって出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ２が必要になる。さらに、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。
加熱モジュール１０Ｃでは、図１に示される加熱モジュール１０と図１（ｃ）に示される加熱モジュール１０Ａの両方の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール１０Ｃでは、加熱モジュール１０，１０Ａと同様に、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図４は、第５実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図４に示される加熱モジュール１０Ｄは、加熱モジュール１０の構成に加えて、第２熱交換器Ｈ２及び圧縮機Ｃ３（第２圧縮機）を更に備える。圧縮機Ｃ３は、圧縮機Ｃ１と同様のものであり、入力流体を圧縮して昇温させる。
第２熱交換器Ｈ２は、単位操作部Ｘと圧縮機Ｃ１との間に配置され、単位操作部Ｘに入力される入力流体と、単位操作部Ｘから出力される出力流体との間で熱交換を行う。圧縮機Ｃ３は、単位操作部Ｘと第２熱交換器Ｈ２との間に配置され、気体の入力流体を圧縮することによって昇温させる。圧縮機Ｃ３を配管５の途中に配置して、気体の出力流体を圧縮することによって昇温させてもよい。
圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管４を通って第２熱交換器Ｈ２に入力される。第２熱交換器Ｈ２を通過した入力流体は、配管１１を通って圧縮機Ｃ３に入力される。圧縮機Ｃ３によって圧縮された入力流体は、配管１２を通って単位操作部Ｘに入力される。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第２熱交換器Ｈ２に入力される。第２熱交換器Ｈ２を通過した出力流体は、配管１３を通って第１熱交換器Ｈ１に入力される。
加熱モジュール１０Ｄでは、図１に示される加熱モジュール１０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、例えば圧縮機Ｃ３によって入力流体を僅かに圧縮して温度調整することができる。このため、第１熱交換器Ｈ１だけを用いた場合の熱交換効率に比べて、第１熱交換器Ｈ１及び第２熱交換器Ｈ２のトータルの熱交換効率を大きくすることができる。
より具体的には、図１（ｂ）において、第１熱交換器Ｈ１中で入力流体の温度が上昇するに連れて、入力流体と出力流体との温度差ΔＴが徐々に大きくなっていく場合に、圧縮機Ｃ３によって入力流体を圧縮すると、温度差ΔＴを小さくすることができる。そのため、第１熱交換器Ｈ１及び第２熱交換器Ｈ２中において、入力流体の温度上昇線と出力流体の温度下降線とを略平行にすることができる。よって、熱交換効率が向上する。
（気体を用いた冷却モジュール）
図５（ａ）は、第１実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図５（ｂ）は、第１実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図５（ａ）に示される冷却モジュール２０は、入力端Ｉ、単位操作部Ｘ、出力端Ｅ、第１熱交換器Ｈ１、圧縮機Ｃ１及び膨張機Ｅ１を備える。圧縮機Ｃ１は、入力端Ｉと第１熱交換器Ｈ１との間に配置される。膨張機Ｅ１は、第１熱交換器Ｈ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
入力端Ｉには、入力流体が入力される。入力流体は、単一成分を含んでもよいし、複数の成分を含んでもよい。入力流体は、気体、気液混合物のいずれであってもよい。一実施例において、入力流体は気体のブタンである。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管２を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って単位操作部Ｘに到達する。
単位操作部Ｘは、単位操作によって入力流体から生成される出力流体を出力する。単位操作部Ｘとしては、例えば反応器、分離器、膜分離器、抽出装置、ガス吸収装置、吸着装置、冷却器、フラッシュドラム等が挙げられる。
単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って膨張機Ｅ１に到達する。膨張機Ｅ１によって膨張した出力流体は、配管８を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って冷却装置ＣＷに到達する。冷却装置ＣＷによって冷却された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。出力端Ｅは出力流体を出力する。
ここで、入力端Ｉに入力される入力流体のエネルギーと、出力端Ｅから出力される出力流体のエネルギーとは、略同じであることが好ましい。例えば、出力端Ｅから出力された出力流体の流量、温度、圧力は、入力端Ｉに入力される入力流体の流量、温度、圧力と略同じであることが好ましい。これにより、冷却モジュール２０を標準化されたモジュールとすることができる。
本実施形態に係る冷却モジュール２０では、図５（ｂ）に示されるように、温度Ｔ０の入力流体が入力端Ｉに入力される。その後、圧縮機Ｃ１を用いて仕事Ｗｃ１を加えることにより、入力流体を圧縮する。これにより、入力流体を昇温させる。次に、入力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、降温される。続いて、膨張機Ｅ１を用いて出力流体を膨張させることにより、出力流体を温度Ｔｓまで降温させる。このため、第１熱交換器Ｈ１に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器Ｈ１から出力される入力流体の温度及び圧力よりも低くすることができる。よって、第１熱交換器Ｈ１における熱交換効率を向上させることができる。なお、膨張機Ｅ１により、仕事ＷＥ１としてエネルギーを回収することができる。さらに、出力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、昇温される。続いて、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。その結果、出力流体は温度Ｔ０まで降温される。
上述のように、冷却モジュール２０では、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。しかし、第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体を別途冷却器で冷却したり、第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体を別途冷却する必要は殆どなくなる。別途冷却する際に必要なエネルギーは、圧縮機Ｃ１により入力流体を圧縮する際に必要な正味のエネルギー（Ｗｃ１―ＷＥ１）に比べて非常に大きい。
したがって、冷却モジュール２０では、省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール２０では、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも大きくすることができる。したがって、昇圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図６（ａ）は、第２実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図６（ｂ）は、第２実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図６（ａ）に示される冷却モジュール２０Ａは、膨張機Ｅ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール２０と同様の構成を有する。膨張機Ｅ１は、単位操作部Ｘから出力された出力流体を膨張させる。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って膨張機Ｅ１に到達する。膨張機Ｅ１は、気体の入力流体を膨張させることによって降温させる。膨張機Ｅ１によって膨張した入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。
冷却モジュール２０Ａでは、図５（ａ）に示される冷却モジュール２０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール２０Ａでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図６（ｃ）は、第３実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図６（ｄ）は、第３実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図６（ｃ）に示される冷却モジュール２０Ｂは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール２０と同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、第１熱交換器Ｈ１と出力端Ｅとの間に配置される。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１は、気体の出力流体を圧縮することによって昇温させる。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管９を通って冷却装置ＣＷに到達する。
冷却モジュール２０Ｂでは、図５（ａ）に示される冷却モジュール２０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール２０Ｂでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図７（ａ）は、第４実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図７（ｂ）は、第４実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図７（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｃは、膨張機Ｅ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール２０Ｂと同様の構成を有する。膨張機Ｅ１は、第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体を膨張させる。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って膨張機Ｅ１に到達する。膨張機Ｅ１は、気体の入力流体を膨張させることによって降温させる。膨張機Ｅ１によって膨張した入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。
冷却モジュール２０Ｃでは、図５（ａ）に示される冷却モジュール２０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール２０Ｃでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも小さくすることができる。したがって、減圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図８（ａ）は、第５実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図８（ｂ）は、第５実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図８（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｄは、冷却モジュール２０Ａの構成に加えて、圧縮機Ｃ２及び膨張機Ｅ２を備える。冷却モジュール２０Ｄは、冷却モジュール２０Ａと冷却モジュール２０Ｂとを組み合わせたような構成を有している。
本実施形態に係る冷却モジュール２０Ｄでは、図８（ｂ）に示されるように、膨張機Ｅ１により仕事ＷＥ１としてエネルギーを回収すると共に膨張機Ｅ２により仕事ＷＥ２としてエネルギーを回収することができる。一方、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、圧縮機Ｃ２によって出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ２が必要になる。さらに、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。
冷却モジュール２０Ｄでは、図６（ａ）に示される冷却モジュール２０Ａと図６（ｃ）に示される冷却モジュール２０Ｂの両方の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール２０Ｄでは、冷却モジュール２０Ａ，２０Ｂと同様に、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図９（ａ）は、第６実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図９（ｂ）は、第６実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図９（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｅは、冷却モジュール２０の構成に加えて、冷却器ＣＬを更に備え、冷却装置ＣＷを備えていない。冷却器ＣＬは、第１熱交換器Ｈ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬは、液体の入力流体を温度Ｔｓまで冷却する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って出力端Ｅに到達する。
冷却モジュール２０Ｅでは、図５（ａ）に示される冷却モジュール２０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。また、冷却装置ＣＷによる熱量ＱＣＷが放出されずに、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。さらに、冷却モジュール２０Ｅでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも大きくすることができる。したがって、昇圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図１０（ａ）は、第７実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１０（ｂ）は、第７実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１０（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｆは、冷却モジュール２０Ａの構成に加えて、冷却器ＣＬを更に備え、冷却装置ＣＷを備えていない。冷却器ＣＬは、膨張機Ｅ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
膨張機Ｅ１によって圧縮された入力流体は、配管１４を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬは、液体の入力流体を温度Ｔｓまで冷却する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
冷却モジュール２０Ｆでは、図６（ａ）に示される冷却モジュール２０Ａと同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。また、冷却装置ＣＷによる熱量ＱＣＷが放出されずに、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。さらに、冷却モジュール２０Ｆでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図１０（ｃ）は、第８実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１０（ｄ）は、第８実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１０（ｃ）に示される冷却モジュール２０Ｇは、冷却モジュール２０Ｂの構成に加えて、冷却器ＣＬを更に備え、冷却装置ＣＷを備えていない。冷却器ＣＬは、第１熱交換器Ｈ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬは、液体の入力流体を温度Ｔｓまで冷却する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
冷却モジュール２０Ｇでは、図６（ｂ）に示される冷却モジュール２０Ｂと同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。また、冷却装置ＣＷによる熱量ＱＣＷが放出されずに、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。さらに、冷却モジュール２０Ｇでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。したがって、略定圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
図１１（ａ）は、第９実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１１（ｂ）は、第９実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１１（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｈは、冷却モジュール２０Ｃの構成に加えて、冷却器ＣＬを更に備え、冷却装置ＣＷを備えていない。冷却器ＣＬは、膨張機Ｅ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
膨張機Ｅ１によって圧縮された入力流体は、配管１４を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬは、液体の入力流体を温度Ｔｓまで冷却する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
冷却モジュール２０Ｈでは、図７（ａ）に示される冷却モジュール２０Ｃと同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。また、冷却装置ＣＷによる熱量ＱＣＷが放出されずに、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。さらに、冷却モジュール２０Ｈでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも小さくすることができる。したがって、減圧状態で、単位操作部Ｘにおいて単位操作を行うことができる。
なお、図８に示される冷却モジュール２０Ｄの構成に冷却器ＣＬを加えて、冷却装置ＣＷを除去してもよい。この場合、冷却器ＣＬは、膨張機Ｅ１と単位操作部Ｘとの間に配置される。
（液体から気体への相変化を用いた加熱モジュール）
図１２（ａ）は、第６実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１２（ｂ）は、第６実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１２（ａ）に示される加熱モジュール３０は、入力端Ｉ、単位操作部Ｘ、出力端Ｅ、第１熱交換器Ｈ１及び圧縮機Ｃ１を備える。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘと第１熱交換器Ｈ１との間に配置される。
入力端Ｉには、入力流体が入力される。入力流体は、単一成分を含んでもよいし、複数の成分を含んでもよい。入力流体は、液体、気液混合物のいずれであってもよい。一実施例において、入力流体は液体のベンゼンである。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１は、気体の入力流体を圧縮させることによって昇温させる。圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通ってバルブＶ１に到達する。バルブＶ１は、第１熱交換器Ｈ１と出力端Ｅとの間に配置されており、液体の出力流体を膨張させる。バルブＶ１によって膨張した液体の出力流体は、配管９を通って冷却装置ＣＷに到達する。出力流体は、冷却装置ＣＷによって例えば標準温度（環境温度）まで冷却される。冷却装置ＣＷによって冷却された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。出力端Ｅは出力流体を出力する。
第１熱交換器Ｈ１は、液体の入力流体を気化させて気体の入力流体を出力すると共に、気体の出力流体を液化させて液体の出力流体を出力する。
ここで、入力端Ｉに入力される入力流体のエネルギーと、出力端Ｅから出力される出力流体のエネルギーとは、略同じであることが好ましい。例えば、出力端Ｅから出力された出力流体の流量、温度、圧力は、入力端Ｉに入力される入力流体の流量、温度、圧力と略同じであることが好ましい。これにより、加熱モジュール３０を標準化されたモジュールとすることができる。
本実施形態に係る加熱モジュール３０では、第６実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１２（ｂ）は、第６実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。（ｂ）に示されるように、温度Ｔ０の液体の入力流体が入力端Ｉに入力される。その後、入力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、沸点Ｔｂよりも高い温度まで昇温される。その結果、気体の入力流体が第１熱交換器Ｈ１から出力される。続いて、圧縮機Ｃ１を用いて入力流体に仕事Ｗｃ１を加えることにより、入力流体を温度Ｔｓまで昇温させる。このため、第１熱交換器Ｈ１に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器Ｈ１から出力される入力流体の温度及び圧力よりも高くすることができる。よって、第１熱交換器Ｈ１における熱交換効率を向上させることができる。さらに、出力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、沸点Ｔｂよりも低い温度まで降温される。その結果、液体の出力流体が第１熱交換器Ｈ１から出力される。続いて、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。その結果、出力流体は温度Ｔ０まで降温される。
上述のように、加熱モジュール３０では、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。しかし、入力流体を第１熱交換器Ｈ１に入力する前に圧縮したり、第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。さらに、加熱モジュール３０では、第１熱交換器Ｈ１において、気体の出力流体が液化する際の潜熱を、入力流体によって回収することができる。
図２１（ａ）は、第２比較例に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図２１（ｂ）は、第２比較例に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図２１（ａ）に示される加熱モジュール１００Ａは、圧縮機Ｃ１及びバルブＶ１を備えず、加熱炉ＦＨを備える点で加熱モジュール３０と相違している。したがって、配管３を通った入力流体は、加熱炉ＦＨに到達し、加熱炉ＦＨにおいて加熱された入力流体が単位操作部Ｘに入力される。
加熱モジュール１００Ａでは、入力流体及び出力流体を圧縮せず、膨張させてもいない。このため、図２１（ｂ）に示されるように、入力流体を十分に昇温するために、加熱炉ＦＨにおいて入力流体に熱量ＱＦＨが加えられる。この熱量ＱＦＨと同程度の熱量ＱＣＷは冷却装置ＣＷにおいて放出される。加熱炉ＦＨで加熱する際に必要な熱量は、圧縮機Ｃ１により入力流体又は出力流体を圧縮する際に必要な所定エネルギーの仕事Ｗｃ１に比べて非常に大きい。さらに、加熱モジュール１００Ａでは、第１熱交換器Ｈ１において、気体の出力流体が液化する際の潜熱を、殆ど回収することができない。
したがって、加熱モジュール３０では、省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール３０では、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ２よりも大きくすることができる。
図１３（ａ）は、第７実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１３（ｂ）は、第７実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１３（ａ）に示される加熱モジュール３０Ａは、バルブＶ１の配置を変えたこと以外は加熱モジュール３０と同様の構成を有する。バルブＶ１は、第１熱交換器Ｈ１と入力端Ｉとの間に配置される。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通ってバルブＶ１に到達する。バルブＶ１は、液体の入力流体を膨張させる。バルブＶ１から出力された入力流体は、配管２を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って冷却装置ＣＷに到達する。
加熱モジュール３０Ａでは、図１２（ａ）に示される加熱モジュール３０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール３０Ａでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図１３（ｃ）は、第８実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１３（ｄ）は、第８実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１３（ｃ）に示される加熱モジュール３０Ｂは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は加熱モジュール３０と同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘから出力された出力流体を圧縮する。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。
加熱モジュール３０Ｂでは、図１２（ａ）に示される加熱モジュール３０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール３０Ｂでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図１４（ａ）は、第９実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１４（ｂ）は、第９実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１４（ａ）に示される加熱モジュール３０Ｃは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は加熱モジュール３０Ａと同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、単位操作部Ｘから出力された出力流体を圧縮する。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って単位操作部Ｘに到達する。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管８を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。
加熱モジュール３０Ｃでは、図１３（ａ）に示される加熱モジュール３０Ａと同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール３０Ｃでは、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ２よりも小さくすることができる。
図１５（ａ）は、第１０実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。図１５（ｂ）は、第１０実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１５（ａ）に示される加熱モジュール３０Ｄは、加熱モジュール３０Ａの構成に加えて、圧縮機Ｃ２及びバルブＶ２を備える。加熱モジュール３０Ｄは、加熱モジュール３０Ａと加熱モジュール３０Ｂとを組み合わせたような構成を有している。バルブＶ２は、バルブＶ１と同様のものであり、出力流体を膨張させる。
本実施形態に係る加熱モジュール３０Ｄでは、図１５（ｂ）に示されるように、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、圧縮機Ｃ２によって出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ２が必要になる。さらに、冷却装置ＣＷによって熱量ＱＣＷが放出される。
加熱モジュール３０Ｄでは、図１３（ａ）に示される加熱モジュール３０Ａと図１３（ｃ）に示される加熱モジュール３０Ｂの両方の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール３０Ｄでは、加熱モジュール３０Ａ，３０Ｂと同様に、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
（気体から液体への相変化を用いた冷却モジュール）
図１６（ａ）は、第１０実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１６（ｂ）は、第１０実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１６（ａ）に示される冷却モジュール４０は、入力端Ｉ、単位操作部Ｘ、出力端Ｅ、第１熱交換器Ｈ１、圧縮機Ｃ１、冷却器ＣＬ及びバルブＶ１を備える。圧縮機Ｃ１は、入力端Ｉと第１熱交換器Ｈ１との間に配置される。冷却器ＣＬは、単位操作部Ｘと第１熱交換器Ｈ１との間に配置され、液体の入力流体を冷却する。バルブＶ１は、単位操作部Ｘと第１熱交換器Ｈ１との間に配置され、液体の出力流体を膨張させる。
入力端Ｉには、入力流体が入力される。入力流体は、単一成分を含んでもよいし、複数の成分を含んでもよい。入力流体は、気体、気液混合物のいずれであってもよい。一実施例において、入力流体は気体のベンゼンである。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１は、気体の入力流体を圧縮させることによって昇温させる。圧縮機Ｃ１によって圧縮された入力流体は、配管２を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬは、液体の入力流体を温度Ｔｓまで冷却する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに到達する。
単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通ってバルブＶ１に到達する。バルブＶ１によって膨張された液体の出力流体は、配管８を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って出力端Ｅに到達する。
第１熱交換器Ｈ１は、気体の入力流体を液化させて液体の入力流体を出力すると共に、液体の出力流体を気化させて気体の出力流体を出力する。
ここで、入力端Ｉに入力される入力流体のエネルギーと、出力端Ｅから出力される出力流体のエネルギーとは、略同じであることが好ましい。例えば、出力端Ｅから出力された出力流体の流量、温度、圧力は、入力端Ｉに入力される入力流体の流量、温度、圧力と略同じであることが好ましい。これにより、冷却モジュール４０を標準化されたモジュールとすることができる。
本実施形態に係る冷却モジュール４０では、図１６（ｂ）に示されるように、温度Ｔ０の気体の入力流体が入力端Ｉに入力される。その後、圧縮機Ｃ１を用いて入力流体に仕事Ｗｃ１を加えることにより、入力流体を昇温させる。さらに、入力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、沸点Ｔｂよりも低い温度まで降温される。その結果、液体の入力流体が第１熱交換器Ｈ１から出力される。第１熱交換器Ｈ１から出力された液体の入力流体は、冷却器ＣＬによって温度Ｔｓまで冷却される。このとき、熱量ＱＣＬが放出される。続いて、単位操作部Ｘから出力された液体の出力流体をバルブＶ１により膨張させる。このため、第１熱交換器Ｈ１に入力される出力流体の温度及び圧力を、第１熱交換器Ｈ１から出力される入力流体の温度及び圧力よりも低くすることができる。よって、第１熱交換器Ｈ１における熱交換効率を向上させることができる。さらに、出力流体が第１熱交換器Ｈ１を通過することによって、沸点Ｔｂよりも高い温度Ｔ０まで昇温される。その結果、気体の出力流体が第１熱交換器Ｈ１から出力される。
上述のように、加熱モジュール４０では、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。しかし、加熱モジュール４０では、第１熱交換器Ｈ１において、気体の入力流体が液化する際の潜熱を、出力流体によって回収することができる。
したがって、加熱モジュール４０では、省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、加熱モジュール４０では、単位操作部Ｘに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ２よりも大きくすることができる。
図１７（ａ）は、第１１実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１７（ｂ）は、第１１実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１７（ａ）に示される冷却モジュール４０Ａは、バルブＶ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール４０と同様の構成を有する。バルブＶ１は、第１熱交換器Ｈ１と冷却器ＣＬとの間に配置され、液体の入力流体を膨張させる。
第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体は、配管３を通ってバルブＶ１に到達する。バルブＶ１は、液体の入力流体を膨張させる。バルブＶ１から出力された入力流体は、配管１４を通って冷却器ＣＬに到達する。冷却器ＣＬによって冷却された入力流体は、配管４を通って単位操作部Ｘに入力される。単位操作部Ｘから出力された出力流体は、配管５を通って第１熱交換器Ｈ１に入力される。
冷却モジュール４０Ａでは、図１６（ａ）に示される冷却モジュール４０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール４０Ａでは、単位操作部Ｘに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図１７（ｃ）は、第１２実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１７（ｄ）は、第１２実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１７（ｃ）に示される冷却モジュール４０Ｂは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール４０と同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、第１熱交換器Ｈ１と出力端Ｅとの間に配置される。
入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。
冷却モジュール４０Ｂでは、図１６（ａ）に示される冷却モジュール４０と同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール４０Ｂでは、単位操作部Ｘに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
図１８（ａ）は、第１３実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１８（ｂ）は、第１３実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１８（ａ）に示される冷却モジュール４０Ｃは、圧縮機Ｃ１の配置を変えたこと以外は冷却モジュール４０Ａと同様の構成を有する。圧縮機Ｃ１は、第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体を圧縮する。
入力端Ｉから出力された入力流体は、配管１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体は、配管６を通って圧縮機Ｃ１に到達する。圧縮機Ｃ１によって圧縮された出力流体は、配管７を通って出力端Ｅに到達する。
冷却モジュール４０Ｃでは、図１７（ａ）に示される冷却モジュール４０Ａと同様の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール４０Ｃでは、単位操作部Ｘに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２よりも小さくすることができる。
図１９（ａ）は、第１４実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図である。図１９（ｂ）は、第１４実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。図１９（ａ）に示される冷却モジュール４０Ｄは、冷却モジュール４０Ａの構成に加えて、圧縮機Ｃ２及びバルブＶ２を備える。冷却モジュール４０Ｄは、冷却モジュール４０Ａと冷却モジュール４０Ｂとを組み合わせたような構成を有している。
本実施形態に係る冷却モジュール４０Ｄでは、図１９（ｂ）に示されるように、圧縮機Ｃ１によって入力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ１が必要になり、圧縮機Ｃ２によって出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事Ｗｃ２が必要になる。さらに、冷却器ＣＬによって熱量ＱＣＬが放出される。
冷却モジュール４０Ｄでは、図１７（ａ）に示される冷却モジュール４０Ａと図１７（ｃ）に示される冷却モジュール４０Ｂの両方の作用効果が得られるので省エネルギー効果が大幅に高くなる。さらに、冷却モジュール４０Ｄでは、冷却モジュール４０Ａ，４０Ｂと同様に、単位操作部Ｘに入力される液体の入力流体の圧力Ｐ１を、入力端Ｉに入力される気体の入力流体の圧力Ｐ２と略同じにすることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、加熱モジュール１０だけでなく、加熱モジュール１０Ａ〜１０Ｃ，３０，３０Ａ〜３０Ｄの構成に、第２熱交換器Ｈ２及び圧縮機Ｃ３を追加してもよい。また、冷却モジュール２０，２０Ａ〜２０Ｈ，４０，４０Ａ〜４０Ｄの構成に、第２熱交換器Ｈ２及び圧縮機Ｃ３を追加してもよい。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図１（ｃ）に示される加熱モジュール１０Ａについて、プロセスシミュレータ（ＰＲＯ／ＩＩＴＭ）を用いてシミュレーションを行った。全ての熱交換器内の最小近接温度差は１０度とした。実在気体の状態方程式として、Soave-Redlich-Kwong式を用いた。入力端Ｉに入力される入力流体として、気体のブタンを用いた。入力端Ｉ及び出力端Ｅにおけるブタンの流量を１００ｋｇ・ｍｏｌ／時間、温度（Ｔ０）を３００Ｋ、圧力を１００ｋＰａとした。単位操作部Ｘにおける温度（Ｔｓ）を４００Ｋとした。
シミュレーションの結果、圧縮機Ｃ１により圧縮された出力流体（配管８中）の圧力は１４４ｋＰａ、温度は４１０Ｋであった。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体（配管６中）の温度は３１３Ｋであった。膨張機Ｅ１により膨張した出力流体（配管９中）の圧力は１４４ｋＰａ、温度は３０３Ｋであった。
また、圧縮機Ｃ１において必要な仕事は３３．９ｋＷであった。また、膨張機Ｅ１により回収できる仕事は２５．４ｋＷであった。よって、実施例１の加熱モジュールに必要なエネルギー量は８．５ｋＷであった。
（比較例１）
図２０（ａ）に示される加熱モジュール１００について、プロセスシミュレータ（ＰＲＯ／ＩＩＴＭ）を用いて、実施例１と同様にシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果、配管３を通る入力流体の温度は３９０Ｋであり、配管６を通る出力流体の温度は３１３Ｋであった。加熱炉ＦＨにおいて必要な熱量は３４．６ｋＷであった。
実施例１の結果と比較例１の結果とを比較すると、実施例１では比較例１に比べて大幅な省エネルギーが実現されていることが分かる。
（実施例２）
図１３（ａ）に示される加熱モジュール３０Ａについて、プロセスシミュレータ（ＰＲＯ／ＩＩＴＭ）を用いて、入力端Ｉに入力される入力流体として液体のベンゼンを用いたこと以外は実施例１と同様にして、シミュレーションを行った。
シミュレーションの結果、バルブＶ１により膨張した入力流体（配管２中）の圧力は６４．７ｋＰａ、温度は３００Ｋであった。第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体（配管３中）の圧力は６４．７ｋＰａ、温度は３９０Ｋであった。圧縮機Ｃ１により圧縮された入力流体（配管４中）の圧力は１００ｋＰａ、温度は４００Ｋであった。第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体（配管６中）の圧力は１００ｋＰａ、温度は３１１Ｋであった。
また、圧縮機Ｃ１において必要な仕事は３８．９ｋＷであった。よって、実施例２の加熱モジュールに必要なエネルギー量は３８．９ｋＷであった。
（比較例２）
図２１（ａ）に示される加熱モジュール１００Ａについて、プロセスシミュレータ（ＰＲＯ／ＩＩＴＭ）を用いて、実施例２と同様にシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果、第１熱交換器Ｈ１から出力された入力流体（配管３中）の温度は３５３Ｋであり、第１熱交換器Ｈ１から出力された出力流体（配管６中）の温度は３５３Ｋであった。加熱炉ＦＨにおいて必要な熱量は８９７．３ｋＷであった。
実施例２の結果と比較例２の結果とを比較すると、実施例２では比較例２に比べて大幅な省エネルギーが実現されていることが分かる。
第１〜第２実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第１〜第２実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第３実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第３実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第４実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第４実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第５実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図である。 第１実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第１実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第２〜第３実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第２〜第３実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第４実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第４実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第５実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第５実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第６実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第６実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第７〜第８実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第７〜第８実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第９実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第９実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第６実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第６実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第７〜第８実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第７〜第８実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第９実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第９実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１０実施形態に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第１０実施形態に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１０実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第１０実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１１〜第１２実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第１１〜第１２実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１３実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第１３実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１４実施形態に係る冷却モジュールを模式的に示す図、及び第１４実施形態に係る冷却モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第１比較例に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第１比較例に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。 第２比較例に係る加熱モジュールを模式的に示す図、及び第２比較例に係る加熱モジュールにおける熱量Ｑと温度Ｔとの関係を示すグラフである。
符号の説明
Ｉ…入力端、Ｘ…単位操作部、Ｅ…出力端、Ｈ１…第１熱交換器、Ｃ１…第１圧縮機、Ｅ１…膨張機、１０，１０Ａ〜１０Ｄ，３０，３０Ａ〜３０Ｄ…加熱モジュール、Ｈ２…第２熱交換器、Ｃ３…第２圧縮機、２０，２０Ａ〜２０Ｈ，４０，４０Ａ〜４０Ｄ…冷却モジュール、ＣＬ…冷却器、Ｖ１…バルブ。

Claims (9)

  1. 入力流体が入力される入力端と、
    前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、
    前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、
    前記第１熱交換器と前記入力端との間に配置され、気体の前記入力流体を膨張させることによって降温させる膨張機と、
    を備える、加熱モジュール。
  2. 入力流体が入力される入力端と、
    前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、
    前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記出力流体を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、
    前記第１熱交換器と前記出力端との間に配置され、気体の前記出力流体を膨張させることによって降温させる膨張機と、
    を備える、加熱モジュール。
  3. 入力流体が入力される入力端と、
    前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、
    前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、
    を備え、
    前記第１熱交換器は、液体の前記入力流体を気化させて気体の前記入力流体を出力すると共に、気体の前記出力流体を液化させて液体の前記出力流体を出力する、加熱モジュール。
  4. 前記単位操作部と前記第１圧縮機との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
    前記単位操作部と前記第２熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮することによって昇温させる第２圧縮機と、
    を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
  5. 前記出力端から出力される前記出力流体の温度が、前記入力端に入力される前記入力流体の温度と同じであり、
    前記出力端から出力される前記出力流体の圧力が、前記入力端に入力される前記入力流体の圧力と同じである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
  6. 入力流体が入力される入力端と、
    前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、
    前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を膨張させることによって降温させる膨張機と、
    を備える、冷却モジュール。
  7. 入力流体が入力される入力端と、
    前記入力流体が入力される単位操作部から出力される出力流体を出力する出力端と、
    前記単位操作部と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記単位操作部に入力される前記入力流体と、前記単位操作部から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮させることによって昇温させる第１圧縮機と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、前記単位操作部に入力される液体の前記入力流体を冷却する冷却器と、
    前記単位操作部と前記第１熱交換器との間に配置され、液体の前記入力流体及び液体の前記出力流体の少なくとも一方を膨張させるバルブと、
    を備え、
    前記第１熱交換器は、気体の前記入力流体を液化させて液体の前記入力流体を出力すると共に、液体の前記出力流体を気化させて気体の前記出力流体を出力する、冷却モジュール。
  8. 前記第１圧縮機と前記入力端及び前記出力端との間に配置され、前記入力端に入力される前記入力流体と、前記第１熱交換器から出力される前記出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
    前記第２熱交換器と前記入力端及び前記出力端の少なくとも一方との間に配置され、気体の前記入力流体及び気体の前記出力流体の少なくとも一方を圧縮することによって昇温させる第２圧縮機と、
    を更に備える、請求項６又は７に記載の冷却モジュール。
  9. 前記出力端から出力される前記出力流体の温度が、前記入力端に入力される前記入力流体の温度と同じであり、
    前記出力端から出力される前記出力流体の圧力が、前記入力端に入力される前記入力流体の圧力と同じである、請求項６〜８のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
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