JP2010038391A - ヒートポンプ式蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排温水等に残留する熱を吸収し、所要温度の蒸気を効率よく安定して生成することができて省エネルギー化、二酸化炭素排出量の削減に寄与できるようにする。
【解決手段】圧縮機１の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気発生器５、冷媒用受液器６、第１熱交換器７、膨張弁９、第２熱交換器１０を順に介して圧縮機１の吸入側に接続された冷媒回路を備え、第２熱交換器１０にて外部熱源からの熱を吸収して蒸気発生器５にて蒸気を生成し、第１熱交換器７にて温水を生成するように構成してなるヒートポンプ式蒸気発生装置において、第１熱交換器７を蒸気用の温水を生成する蒸気給水加熱専用熱交換器としてなるヒートポンプ式蒸気発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式蒸気発生装置に関するものであり、特に、食品工場等の蒸気を必要とする施設において、ヒートポンプシステムによって排温水や空気から熱を吸収し、蒸気を発生させるヒートポンプ式蒸気発生装置に関するものである。

従来、食品工場等においては、蒸気や温水を必要とする一方で排温水が排出されているケースが多い。特に、食品加工工場では蒸気殺菌や加熱及び洗浄の工程で、多量の低圧蒸気や９５℃程度の温水を使用しており、これら各工程からは５０〜９５℃程度の排温水が多量に排出される。

これら排温水を低圧蒸気や温水生成のための給水と単に熱交換させて熱回収を行う方法も知られているが、排温水を低圧蒸気や温水生成のための給水と単に熱交換させて熱回収するのみでは、得られる温水の温度が低いため、従来より、この排温水を熱源として蒸気や温水にすることができる熱回収式のヒートポンプ装置が各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載される従来のヒートポンプ式蒸気発生装置は、圧縮機、凝縮器として作用する蒸気発生用の熱交換器、冷媒用の受液器、温水発生用の熱交換器、減圧装置として作用する膨張弁、蒸発器として作用する排熱回収用熱交換器等が、上記圧縮機から蒸気発生用の熱交換器に至る冷媒吐出配管と、排熱回収用の熱交換器から圧縮機に至る冷媒吸入配管、及び、その他の冷媒配管で環状に接続されて冷媒回路を構成した構造になっている。

そして、この従来装置では、例えば５０〜９５℃の排温水を利用して１００〜１２０℃の蒸気を得る場合(熱回収運転時)、圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒蒸気は、冷媒吐出管を経て蒸気発生用熱交換器に送られ、該蒸気発生用熱交換器において１３０℃で凝縮して該蒸気発生用熱交換器内の２次側流路を通過する温水に熱を与えて１００〜１２０℃の水蒸気を発生させる。

該蒸気発生用熱交換器で発生された蒸気は気液分離器に送られ、蒸気中に含まれる水等の液分は分離され、気相の高温蒸気だけが蒸気供給管によって外部に送り出され、液相の温水は温水戻し管によって蒸気発生用熱交換器に戻され、再び加熱されて蒸気となり、気液分離器へと送り出される。

一方、温水発生用熱交換器においては、ポンプの駆動により供給管から供給される例えば２５℃の水が、該温水発生用熱交換器の１次側を通過する冷媒との熱交換により６０〜９５℃に加熱されて温水となり、温水供給管により給湯用として外部に送り出される。

また、冷媒は温水発生用熱交換器で水を加熱した後、膨張弁で減圧され、例えば蒸発温度が５０℃の低圧の冷媒となり、排熱回収器で５０〜９５℃の排温水と熱交換して蒸発し、冷媒吸入管を経て圧縮機に帰り、該圧縮機で圧縮されて再び高温高圧蒸気となるサイクルを繰り返す。

なお、気液分離器において該気液分離器内の液相の量が不足すると、蒸気発生用熱交換器に温水発生用熱交換器で加熱された６０〜９５℃の温水が外部への給湯から切り替わり、蒸気発生用熱交換器に供給され、該蒸気発生用熱交換器でさらに加熱されて蒸気とされ、該蒸気が気液分離器へと送り出されて該気液分離器内の液が一定に維持されるようにしてある。
特開２００７−２３２３５７号公報。

上述した特許文献１に記載の従来装置では、蒸気と温水を同時に発生することが可能な構造となっており、蒸気系統給水時には温水方向が外部への給湯方向から蒸気系統の給水方向へ切り替わる。このとき、蒸気系統への給湯量は蒸気出力や冷凍サイクルの高圧圧力の安定性を乱さずに行うことが好ましいことから外部への給湯と比較して少量とする場合が多い。このため、冷凍サイクルの高圧側冷媒過冷却度は、外部への給湯時と比較して小さくなり、ヒートポンプの加熱能力並びに熱回収能力は減少し、装置性能はこの間低下することになる。

また、冷媒過冷却度の変化は膨張弁の開度制御の外乱となり、冷凍サイクルの安定性を一時乱す場合があり、再度安定するまで性能低下や、出力の不安定を生じる原因となる。

そこで、排温水等の熱を吸収し、所要温度の蒸気を安定して効率よく生成することができて省エネルギー化、二酸化炭素排出量の削減に寄与できるヒートポンプ式蒸気発生装置を提供するために解決すべき技術課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気発生器、冷媒用受液器、第１熱交換器、膨張弁、第２熱交換器を順に介して前記圧縮機の吸入側に接続された冷媒回路を備え、前記第２熱交換器にて外部熱源からの熱を吸収して前記蒸気発生器にて蒸気を生成し、前記第１熱交換器にて温水を生成するように構成してなるヒートポンプ式蒸気発生装置において、前記第１熱交換器を蒸気用の温水を生成する蒸気給水加熱専用熱交換器とするヒートポンプ式蒸気発生装置を提供する。

この構成によれば、排温水等の残留熱を吸収して蒸気発生器で蒸気を発生させると同時に、蒸気給水加熱専用熱交換器で温水を生成することができ、蒸気発生と外部への給湯運転の切り替えが不要のため安定した運転で蒸気を多く発生させることができる。

請求項１記載の発明は、排温水等の残留熱を吸収して蒸気発生器で蒸気を発生させると同時に、蒸気給水加熱専用熱交換器で温水を同時に生成することができるので、所要温度の蒸気を安定して効率よく生成することができ省エネルギー化、二酸化炭素排出量の削減に寄与できる。

本発明は、排温水に残留する熱等を熱源として回収し、所要温度の蒸気と温水とを同時に効率よく生成することができて省エネルギー化、二酸化炭素排出量の削減に寄与できるヒートポンプ式蒸気発生装置を提供するという目的を達成するために、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気発生器、冷媒用受液器、第１熱交換器、膨張弁、第２熱交換器を順に介して前記圧縮機の吸入側に接続された冷媒回路を備え、前記第２熱交換器にて外部熱源からの熱を吸収して前記蒸気発生器にて蒸気を生成し、前記第１熱交換器にて温水を生成するように構成してなるヒートポンプ式蒸気発生装置において、前記第１熱交換器を蒸気用の温水を生成する蒸気給水加熱専用熱交換器で構成したことにより実現した。

以下、本発明に係るヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す図であり、ヒートポンプ式蒸気発生装置は、圧縮機１を有している。該圧縮機１の吐出側には冷媒往管２の一端側が接続され、吸入側には冷媒復管３の一端側が接続されている。該冷媒往管２の他端側は、油分離器４、第１熱交換器たる凝縮器である蒸気発生器５、冷媒用気液分離器たる受液器(レシーバ)６、蒸気給水加熱専用熱交換器７、膨張弁９を経て蒸発器である熱交換器１０の１次側入口に接続され、冷媒復管３の他端側は、排熱回収器１０の１次側出口に接続されている。そして、これら圧縮機１、冷媒往管２、油分離器４、蒸気発生器５、受液器６、蒸気給水加熱専用熱交換器７、膨張弁９、熱交換器１０，冷媒復管３により冷媒回路を構成している。

前記蒸気発生器５は、高温・高圧下での信頼性の高い使用を可能にするプレート熱交換器で構成してあり、２次側流路であるプレート内に水（温水）を流通させ、１次側流路であるプレート内を流れる冷媒の熱により蒸気を発生させ、発生した蒸気はプレート間をスムーズに流通して送り出される。

前記蒸気発生器５の２次側出口は、蒸気送出管１１を介して蒸気を必要とする設備、例えば食品工場であれば殺菌装置等に導かれる。なお、蒸気送出管１１の途中には弁１４が設けられ、該弁１４で蒸気圧力を調整して上記蒸気を必要とする設備に供給することができるようになっている。

前記蒸気発生器５の２次側入口には、前記蒸気給水加熱専用熱交換器７の２次側流路内を通る蒸気用温水供給管１７が逆止弁２０を介して接続されている。なお、蒸気用温水供給管１７には、蒸気給水加熱専用熱交換器７の２次側入口の上流にポンプ１８が接続されており、蒸気給水加熱専用熱交換器７で加熱された温水を逆止弁２０を通して蒸気発生器５の２次側入口に供給することができるようになっている。

熱交換器１０の２次側には排温水等の供給管２５と排水管２６が接続されていて、排温水の熱が熱交換器１０の１次側を流通する冷媒に吸収される。

図２は本装置による動作状態を示したモリエル線図であり、縦軸に圧力Ｐ(MPa)、横軸にエンタルピh(kJ/kg)を示している。そこで、次に、図１に示した本発明の装置における冷媒サイクルの作用を図２に示すモリエル線図と共に説明する。

まず、本実施例における圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（図２中、符号ａの状態）は油分離器４を経て蒸気発生器５に送られ、該蒸気発生器５においてプレート内を流通する温水と熱交換して１３０℃で凝縮する。また、凝縮した冷媒（図２中、符号ｂの状態）は受液器６に向けて送り出され、該受液器６に貯留される。該受液器６に貯留された冷媒の温度は約１２０℃である。

前記受液器６に貯留された冷媒は、液冷媒だけが蒸気給水加熱専用熱交換器７に向けて送り出される。該蒸気給水加熱専用熱交換器７では１次側流路を通る冷媒がポンプ１８の駆動により外部から該蒸気給水加熱専用熱交換器７の２次側流路内に送られて来る、例えば２５℃の水と顕熱交換して過冷却される。この顕熱交換により、該蒸気給水加熱専用熱交換器７では、外部より約２５℃で送られて来た水を約１１０℃まで加熱させて蒸気発生器５に送ることができる。

このように蒸気給水加熱専用熱交換器７にて過冷却された冷媒（図２中、符号ｃの状態）は膨張弁９を経て熱交換器１０に送られ（図２中、符号ｅの状態）、該熱交換器１０内にて排温水等の外部熱源からの熱を吸収してこの排温水を冷却するとともに冷媒自身は気化し、冷媒復管３によって圧縮機１の吸入側（図２中、符号ｆの状態）に戻される。

一方、蒸気発生器５では、１次側流路を流れる約１１０〜１３０℃の冷媒の熱により、２次側流路であるプレートまわりを流通する水が加熱されて蒸気を発生させ、ここで発生した蒸気が蒸気供給管１３によって外部に送り出される。その蒸気の送出量は弁１４によって調節される。

したがって、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置では、排温水等の残留熱を吸収して蒸気発生器５で蒸気を発生させると同時に、蒸気給水加熱専用熱交換器７で温水を同時に生成することができるので、所要温度の蒸気を効率よく安定して生成することができ省エネルギー化、二酸化炭素排出量の削減に寄与できる。

なお、上記実施例では、蒸気発生器５に給水を行うのに、蒸気用温水供給管１７の途中にポンプ１８を設けて該ポンプ１８の駆動で給水する構成を開示したが、給水管の途中に開閉制御弁を設けて該開閉制御弁を開放したときにおける水道の水圧で供給するようにしてもよいものである。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明に係るヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例を示す構成図。 本発明の装置による作用の一例を示すモリエル線図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 冷媒往管
３ 冷媒復管
４ 油分離器
５ 蒸気発生器
６ 受液器(レシーバ)
７ 蒸気給水加熱専用熱交換器(第１熱交換器)
９ 膨張弁
１０ 熱交換器(第２熱交換器)
１１ 蒸気送出管
１４ 弁
１７ 蒸気用温水供給管
１８ ポンプ
２０ 逆止弁
２１ 液位検出器
２５ 供給管
２６ 配水管

Claims (1)

1. 圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気発生器、冷媒用受液器、第１熱交換器、膨張弁、第２熱交換器を順に介して前記圧縮機の吸入側に接続された冷媒回路を備え、前記第２熱交換器にて外部熱源からの熱を吸収して前記蒸気発生器にて蒸気を生成し、前記第１熱交換器にて温水を生成するように構成してなるヒートポンプ式蒸気発生装置において、
   前記第１熱交換器を蒸気用の温水を生成する蒸気給水加熱専用熱交換器とすることを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。

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