JP2010164258A - 蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を用いずに蒸気を発生することができるエネルギ効率の高い蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】蒸気発生装置１は、第１圧縮機４、第１凝縮器５、第１膨張弁６および第１蒸発器７を介設してなり、第１冷媒を封入した第１冷媒循環流路８を構成する第１ヒートポンプ２と、第２圧縮機１０、第２凝縮器１１、第２膨張弁１２および第２蒸発器１３を介設してなり、第２冷媒を封入した第２冷媒循環流路１４を構成する第２ヒートポンプ３と、第１凝縮器５および第２蒸発器１３を介して中間流体を循環させる中間流体循環流路１９とを有し、第１蒸発器７において熱源流体で第１冷媒を加熱し、第１凝縮器５において第１冷媒で中間流体を加熱し、第２蒸発器１３において中間流体で第２冷媒を加熱し、第２凝縮器１１において第２冷媒で水を加熱して蒸発させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気発生装置に関する。

蒸気発生装置としては、燃料を燃焼させて水を沸騰させるボイラが広く用いられている他、特許文献１および２に記載されているように、電気加熱によるものも知られている。

電気加熱方式の蒸気発生装置は、燃料を用いないので操作が容易で安全であるが、電気加熱では消費電力以上の熱を発生することができない。このため、燃料を用いる場合に比べて発生熱量当たりのエネルギコスト（原単位）が高く、小型小容量のものに用途が限られている。

特開平１０−９５０６号公報 特開２００２−１０６８０１号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、燃料を用いずに蒸気を発生することができるエネルギ効率の高い蒸気発生装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による蒸気発生装置は、中間流体を介して直列に接続した複数のヒートポンプによって、熱源流体から前記中間流体を介して所定の液体に熱を伝達して蒸気を発生させるものとする。

この構成によれば、中間流体を介して複数のヒートポンプを接続して、各ヒートポンプの吸熱温度および放熱温度を段階的に高くするので、各ヒートポンプの圧縮比を抑えて圧縮機の過熱を防止でき、低温の温熱源から取り出した熱エネルギを液体の蒸発温度よりも高温の熱エネルギに変換して蒸気を発生させることができる。これにより、蒸気発生装置は、その消費電力を上回る熱エネルギを液体に供給して原単位の低い蒸気を発生させられる。

また、本発明による蒸気発生装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁および第１蒸発器を介設してなり、第１冷媒を封入した第１冷媒循環流路を構成する第１ヒートポンプと、第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁および第２蒸発器を介設してなり、第２冷媒を封入した第２冷媒循環流路を構成する第２ヒートポンプと、前記第１凝縮器および前記第２蒸発器を介して中間流体を循環させる中間流体循環流路とを有し、前記第１蒸発器において熱源流体によって前記第１冷媒を加熱し、前記第１凝縮器において前記前記第１冷媒によって前記中間流体を加熱し、前記第２蒸発器において前記前記中間流体によって前記第２冷媒を加熱し、前記第２凝縮器において前記第２冷媒によって所定の液体を加熱して蒸発させるものとしてもよい。

この構成によれば、ヒートポンプの段数を２段に留めることで、動力エネルギのロスを最小限度にして、低温の熱源から高温の蒸気を効率よく発生させることができる。

また、本発明による蒸気発生装置において、前記第１蒸発器から流出する前記熱源流体の温度を一定に保つように前記第１圧縮機の出力を調節し、前記第２蒸発器に流入する前記中間流体の温度を一定に保つように前記第２圧縮機の出力を調節し、前記第２凝縮器から流出する前記第２冷媒の温度を一定に保つように前記第２凝縮器に流入する前記液体の流量を調節してもよい。

この構成によれば、熱源流体の供給温度が変動しても、冷媒や中間流体の温度条件を一定に保ち、発生させる蒸気の温度を一定に維持することができる。

また、本発明による蒸気発生装置において、前記中間流体循環流路に、前記中間流体の温度変化による体積変化を吸収するブリーザ管またはリザーバを備えてもよい。

この構成によれば、中間流体循環流路の内圧上昇を防止できるので、第１凝縮器および第２蒸発器並びに中間流体循環流路の管路に過度の耐圧性が要求されず、設備が高価にならない。

また、本発明による蒸気発生装置において、加熱される前記液体は、温水であってもよい。

この構成によれば、第２凝縮器における液体の温度変化が小さいので交換熱量を安定させることができる。また、スチームドレンや他の温排水を過熱して蒸気を発生させるようにすれば、それらの熱を回収することができ、蒸気をより安価に発生させられる。

本発明によれば、ヒートポンプを用いて消費電力を上回る熱エネルギを温水に供給して、蒸気を得るので、効率よく蒸気を発生させられる。

本発明の１つの実施形態の蒸気発生装置の概略構成図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の１つの実施形態である蒸気発生装置１の構成を示す。蒸気発生装置１は、熱源流体となる例えば５５℃の温水から吸熱し、中間流体（水）に放熱する第１ヒートポンプ２と、中間流体から吸熱し、例えば２０℃の給水に放熱して例えば１２０℃まで加熱して蒸気を発生させる第２ヒートポンプ３とを有する。

第１ヒートポンプ２は、第１冷媒を封入し、第１冷媒を圧縮する容積形圧縮装置の一種であるスクリュ圧縮機からなる第１圧縮機４と、第１圧縮機４で圧縮された第１冷媒を中間流体で冷却して凝縮させる第１凝縮器５と、凝縮した第１冷媒を減圧する第１膨張弁６と、減圧された第１冷媒を温水で加熱して気化させる第１蒸発器７とを介設してなる第１冷媒循環流路８を構成する。また、第１ヒートポンプ２は、第１蒸発器７から流出する温水の温度を検出する熱源流体流出温度検出器９を有する。

第２ヒートポンプ３は、第２冷媒を封入し、第２冷媒を圧縮するスクリュ圧縮機からなる第２圧縮機１０と、第２圧縮機１０で圧縮された第２冷媒を給水で冷却して凝縮させる第２凝縮器１１と、凝縮した第２冷媒を減圧する第２膨張弁１２と、減圧された第２冷媒を中間流体で加熱して気化させる第２蒸発器１３とを介設してなる第２冷媒循環流路１４を構成する。また、第２ヒートポンプ３は、第２蒸発器に流入する中間流体の温度を検出する中間流体流入温度検出器１５と、第２凝縮器から流出する第２冷媒の温度を検出する第２冷媒流出温度検出器１６と、第２凝縮器１０に流入給水の流量を調節可能な給水調節弁１７とを有する。

また、中間流体は、第１凝縮器５の２次側流路と、第２蒸発器１３の１次側流路とを介設してなり、中間流体を循環させる循環ポンプ１８を有する中間流体循環流路１９の中に封入されている。また、中間流体循環流路１９は、先端が下向きに曲げられて大気開放した立ち上がり配管からなるブリーザ管２０を有する。ブリーザ管２０は、その内部で中間流体の液面が上下することにより、中間流体循環流路１９内の圧力をバランスさせる。

ブリーザ管２０は、液面の高さの変化によって、中間流体の温度変化による体積変化を吸収し、中間流体の熱膨張によって中間流体循環流路１９の内圧が異常に上昇することを防止する。これにより、第１凝縮器５や第２蒸発器１１、その他の構成要素に過剰な耐圧性能が要求されず、蒸気発生装置１が高価にならない。中間流体循環流路１９内の水量が多い場合は、中間流体循環流路１９への空気の混入を防止するために、ブリーザ管２０に換えて容積のあるリザーバを設けてもよい。

蒸気発生装置１において、第１蒸発器７における第１冷媒の蒸発温度は、例えば約４５℃であり、第１冷媒は、第１圧縮機４で約３分の１の容積に圧縮されてさらに高温に昇温する。第１圧縮機４で圧縮された第１冷媒の凝縮温度は、約９０℃であり、第１凝縮器５において、２次側に約８０℃で供給される中間流体を約８５℃まで昇温させる。

第１凝縮器５において、約８５℃に加熱された中間流体は、第２蒸発器１３で第２冷媒に熱を奪われて約８０℃に戻る。ここで、第２蒸発器１３における第２冷媒の蒸発温度は、約７５℃であるが、第２冷媒は、第２圧縮機１０において約３分の１の容積に圧縮されて温度上昇する。この第２冷媒は、第２凝縮器１１において、約１３０℃で凝縮する。このとき、第２凝縮器１１では、約２０℃で供給される給水が加熱され、約１２０℃の水蒸気になる。

蒸気発生装置１において、第１ヒートポンプ２は、熱源流体流出温度検出器１０の検出温度を所定の目標温度（例えば５０℃）に維持するように、第１圧縮機４の回転数（出力）を例えばＰＩＤコントローラによって制御する。つまり、第１ヒートポンプ２は、第１蒸発器７に供給される温水の持つ熱エネルギが大きい場合は、第１冷媒の循環量を増加して熱源流体である温水からより多くの熱エネルギを取り込む。

第２ヒートポンプ２は、中間流体流入温度検出器１５の検出温度が一定になるように、第２圧縮機２０の回転数を調節する。つまり、第１ヒートポンプ２が温水から吸収する熱量が増加して第１冷媒の循環量が増加した場合、第２冷媒の循環量を増加し、中間流体の第２蒸発器１３の出口温度、つまり、第１凝縮器５の中間流体入口温度を低下させることで、中間流体が第１ヒートポンプ２から受け取り、第２ヒートポンプ３に受け渡す熱量を増加させる。

また、第２ヒートポンプ３は、第２冷媒の第２凝縮器１１の出口における温度を所定の目標値に維持するように、給水調節弁１７の開度を、例えばＰＩＤコントローラによって制御する。このように、第２冷媒の第２凝縮器１１の出口における温度を一定に保つことで、第２冷媒が中間流体から受け取った熱エネルギを余すことなく給水に伝達して、最大量の蒸気を発生できる。

蒸気発生装置１において、第１ヒートポンプ２および第２ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が共に約３であるとすると、蒸気発生装置１全体の成績係数は、約１．５となり、消費電力を上回る蒸気エネルギを生成できることになる。

さらに、蒸気発生装置１において、給水をスチームドレン等の排温水とすれば、排温水の熱エネルギを蒸気エネルギとして回収し、より多くの蒸気を発生できる。

本実施形態の蒸気発生装置１では、中間流体を介して２つのヒートポンプ２，３を直列に接続したが、温熱源となる流体の温度と所望の蒸気温度（水以外の蒸気であってもよい）との差に応じて、各ヒートポンプの圧縮機に要求される圧縮比を適切な範囲とするように、それぞれ中間流体を介して３つ以上のヒートポンプを直列に接続してもよい。

１…蒸気発生装置
２…第１ヒートポンプ
３…第２ヒートポンプ
４…第１圧縮機
５…第１凝縮器
６…第１膨張弁
７…第１蒸発器
８…第１冷媒循環流路
９…熱源流体流出温度検出器
１０…第２圧縮機
１１…第２凝縮器
１２…第２膨張弁
１３…第２蒸発器
１４…第２冷媒循環流路
１５…中間流体流入温度検出器
１６…第２冷媒流出温度検出器
１７…給水調節弁
１８…循環ポンプ
１９…中間流体循環流路
２０…ブリーザ管

Claims (5)

1. 中間流体を介して直列に接続した複数のヒートポンプによって、熱源流体から前記中間流体を介して所定の液体に熱を伝達して蒸気を発生させることを特徴とする蒸気発生装置。
2. 第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁および第１蒸発器を介設してなり、第１冷媒を封入した第１冷媒循環流路を構成する第１ヒートポンプと、
   第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁および第２蒸発器を介設してなり、第２冷媒を封入した第２冷媒循環流路を構成する第２ヒートポンプと、
   前記第１凝縮器および前記第２蒸発器を介して中間流体を循環させる中間流体循環流路とを有し、
   前記第１蒸発器において熱源流体によって前記第１冷媒を加熱し、前記第１凝縮器において前記前記第１冷媒によって前記中間流体を加熱し、前記第２蒸発器において前記前記中間流体によって前記第２冷媒を加熱し、前記第２凝縮器において前記第２冷媒によって所定の液体を加熱して蒸発させることを特徴とする蒸気発生装置。
3. 前記第１蒸発器から流出する前記熱源流体の温度を一定に保つように前記第１圧縮機の出力を調節し、
   前記第２蒸発器に流入する前記中間流体の温度を一定に保つように前記第２圧縮機の出力を調節し、
   前記第２凝縮器から流出する前記第２冷媒の温度を一定に保つように前記第２凝縮器に流入する前記液体の流量を調節することを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生装置。
4. 前記中間流体循環流路に、前記中間流体の温度変化による体積変化を吸収するブリーザ管またはリザーバを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の蒸気発生装置。
5. 加熱される前記液体は、温水であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蒸気発生装置。

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