JP2011242018A - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性に優れ、蒸気の安定供給可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ循環経路２０と、媒体凝縮器３に被加熱水を導入する給水経路Ｌ３と、媒体凝縮器３で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、蒸気と温水とに分離する気液分離装置７と、気液分離器７の気相部に設けられた蒸気回収経路Ｌ４と、気液分離器７の液相部と給水経路Ｌ３とを接続する水循環経路Ｌ６とを備え、水循環経路Ｌ６又は、水循環経路の接続部より下流側の給水経路Ｌ３ａに、送液ポンプＰ１が配置されているヒートポンプ式蒸気生成装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、工場排水などから排熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

蒸気発生装置の一つとして、ヒートポンプを利用したヒートポンプ式蒸気発生装置がある。ヒートポンプ式蒸気発生装置は、工場排水など排熱を回収して蒸気を生成するものであって、燃焼系蒸気発生装置に比べて、ランニングコストが低く、ＣＯ_２の排出量を低減できるなどのメリットがある。

特許文献１には、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気生成用熱交換器、温水生成用熱交換器、膨張弁、熱回収器を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、熱回収器において外部熱源からの熱を回収し、蒸気生成用熱交換器で蒸気を生成し、温水生成用熱交換器で温水を生成するように構成されたヒートポンプ式蒸気・温水発生装置が開示されている。そして、特許文献１のヒートポンプ式蒸気・温水発生装置では、給水用気液分離器を蒸気生成用熱交換器よりも高い位置に設け、給水用気液分離器内の温水を、重力により蒸気生成用熱交換器に送り、給水用気液分離器内の温水を自然循環している。

特開２００７−２３２３５７号公報（請求項１、９、１１）

しかしながら、気液分離器内の温水を重力の作用により自然循環を行う場合、液落差を確保するためには装置の高さを高くする必要があるので、装置が大型化する問題があった。

また、蒸気取り出し量が急増すると、気液分離器内の圧力が低下し、気液分離器から蒸気生成用熱交換器（本発明の媒体凝縮器に相当）への温水の供給量が減少する。気液分離器からの温水の供給量が不足すると、熱交換効率が低下する上、供給水に含まれる塩類の析出量が多くなって、配管内にスケールなどの異物が付着し、熱交換性能が低下する問題があった。

さらに、従来技術では、気液分離器内の水位検出器の検出値に基づいて内部の水位を一定に維持するように、外部から蒸気生成用熱交換器の温水側を経由して気液分離器へ供給する水の流量制御を行っているが、気液分離器からの蒸気の取出し量等の変動により気液分離器内の圧力が変動して気液分離器内の水面が波立つと、水位検出値が振動して、蒸気生成用熱交換器の温水側への適正な給水制御が困難になっていた。

よって、本発明の目的は、メンテナンス性に優れ、蒸気の安定供給可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、
外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を減圧して温度を下げる膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、蒸気と温水とに分離する気液分離装置と、
前記気液分離器の気相部に設けられた蒸気取出し経路と、
前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記水循環経路又は、前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に、送液ポンプが配置されていることを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記送液ポンプが、前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に配置されていることが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記気液分離器が、内部に貯留された温水を系外に排水する排水経路を備えることが好ましい。また、この態様では、前記排水経路に開閉弁が配置され、前記気液分離器内の水位及び／又は水温が所定の範囲となるように前記開閉弁の開閉が制御されることが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、水循環経路又は、水循環経路の接続部より下流側の給水経路に、送液ポンプが配置されているので、蒸気の需要に応じて、媒体凝縮器への被加熱水の流量を調整でき、媒体凝縮器における熱交換効率の最適化を図ることができる。このため、蒸気の取出し量が急激に変動した場合であっても、媒体凝縮器における熱交換性能のバラつきを抑えることができ、蒸気を安定して取り出すことができる。

そして、水循環経路の接続部より下流側の給水経路内の水温は、水循環経路内の水温よりも低いので、送液ポンプを水循環経路の接続部より下流側の給水経路に配置することで、キャビテーションによる送液ポンプの故障の発生を効果的に抑制できる。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の概略構成図である。

図１は、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の概略図である。

図１に示すように、このヒートポンプ式蒸気生成装置は、第１排熱回収器１の出口側から伸びた配管Ｌ１が、圧縮機２、媒体凝縮器３、媒体冷却器４、膨張機５の順に経由して、第１排熱回収器１の入り口側に接続したヒートポンプ循環経路２０を備える。

ヒートポンプ循環経路２０では、媒体（以下、ヒートポンプ媒体という）が循環流通しており、ヒートポンプ媒体を介して外部熱源から送られてくる排温水（この実施形態では、熱媒体として排温水を使用している）の熱を回収するとともに、給水源から送られてくる供給水にヒートポンプ媒体の熱を伝熱して蒸気を生成するように構成されている。

ヒートポンプ媒体としては、臨界温度が高く、地球温暖化係数が低く、オゾン破壊係数の低いものが好ましく用いられる。このような媒体としては、Ｒ２４５ｆａ、ハイドロフルオロエーテル系媒体、自然媒体であるペンタン等が好ましく用いることができる。

外部熱源から伸びた、排温水が流通する配管Ｌ２は、第１排熱回収器１、第２排熱回収器６の順に経由して系外に接続している。

給水源から伸びた、供給水が流通する配管Ｌ３は、第２排熱回収器６、媒体冷却器４、媒体凝縮器３の順に経由して、気液分離器７の気相部に接続している。

気液分離器７は、気相部に蒸気取出し用の配管Ｌ４が設けられている。また、液相部に、系外の排水系へと伸びる開閉弁Ｖ１を介装した配管Ｌ５と、媒体冷却器４と媒体凝縮器３との間の配管Ｌ３ａに接続する配管Ｌ６が設けられている。

そして、この実施形態のヒートポンプ式蒸気生成装置では、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも下流側に、送液ポンプＰ１が配置されている。

次に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の動作について、熱の流れに沿って説明する。

（排温水）
工場排水系等の外部熱源から送られる排温水等の排温水は、配管Ｌ２を流通し、第１排熱回収器１、第２排熱回収器６の順に通過して系外へと送られる。

第１排熱回収器１では、排温水の熱を、配管Ｌ１を流通するヒートポンプ媒体に伝熱してヒートポンプ媒体を加温する。

第２排熱回収器６では、ヒートポンプ媒体を加温後の排温水の余熱を、配管Ｌ３を流通する供給水に伝熱して供給水を一次予備加熱する。

（ヒートポンプ媒体）
第１排熱回収器１にて、排温水との熱交換により加温されたヒートポンプ媒体は、圧縮機２にて所定の圧力まで圧縮して高温高圧媒体とする。この高温高圧媒体は、媒体凝縮器３、媒体冷却器４の順に通過して、配管Ｌ３を流通する供給水との熱交換に利用される。

媒体凝縮器３では、高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を、配管Ｌ３を流通する被加熱水（後述する二次予備加熱された供給水と、配管Ｌ６から送られてくる気液分離器７内の温水との混合水）に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する。

媒体冷却器４では、第１媒体凝縮器３を通過後のヒートポンプ媒体の余熱を、前述した排温水との熱交換により一次予備加熱された、配管Ｌ３を通る供給水に伝熱して二次予備加熱する。

媒体冷却器４を通過したヒートポンプ媒体は、膨張機５にて所定圧力まで膨張して温度を下げ、第１排熱回収器１に再び導入して、配管Ｌ２を流通する排温水の熱回収に用いられる。

（供給水）
給水源から図示しないポンプ等で供給される供給水は、前述したように第２排熱回収器６、媒体冷却器４でそれぞれ予備加熱される。そして、配管Ｌ６から送られてくる、気液分離器７内の温水（以下、循環水という）と合流して、循環水と供給水との混合水（被加熱水）が形成され、この混合水が送液ポンプＰ１の駆動により設定流量で媒体凝縮器３に送液される。そして、混合水は、媒体凝縮器３にて、前述したように高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を回収し、温水及び蒸気の気液二相流を生成して、気液分離器７に送られる。

気液分離器７では、温水及び蒸気の気液二相流を蒸気と温水とに分離する。そして、気液分離器７の気相部に貯留された蒸気は、外部の需要に応じて配管Ｌ４から取出される。また、気液分離器７の液相部に貯留された温水は、配管Ｌ６を通して配管Ｌ３ａ内を流通する供給水と混合して循環利用される。また、気液分離器７内の水位及び水温に応じて開閉弁Ｖ１を開弁し、内部に貯留された温水の一部を、配管Ｌ５を通して系外に排水し、気液分離器７内の水位及び水温を所定範囲となるように制御すると共に塩類の濃縮による蓄積を防止しスケールの発生を防止する。

この実施形態のヒートポンプ式蒸気生成装置は、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも下流側に、送液ポンプＰ１が配置されているので、蒸気の需要に応じて、媒体凝縮器３への被加熱水の流量を調整でき、媒体凝縮器３における熱交換効率の最適化を図ることができる。

例えば、蒸気の取出し量が増加すると、気液分離器７の圧力が減少して、水位が下がってくるので、給水源から供給される供給水の流量を増加させて、水位を維持すると共に、蒸気発生量を増加させる必要が生じる。このため、図示していない供給水ポンプにより供給水の流量を増加させると共に、送液ポンプＰ１の駆動力を高めて配管Ｌ６を流れる循環水の流量も増加させる。これによって、媒体凝縮器３を通過する混合水の流速が高まり、媒体凝縮器３における熱交換効率が高まるので、水蒸気発生量を増加させることができる。また、気液分離器７内における水位を安定させることができる。

また、蒸気の取出し量が減少した場合には、気液分離器７の圧力が増加し、水位も上昇してくるので、給水源から供給される供給水の流量を減少させて、水位の上昇を防ぐと共に、蒸気発生量を減少させる必要が生じる。このため、図示していない供給水ポンプにより供給水の流量を減少させると共に、送液ポンプＰ１の駆動力を低下させて配管Ｌ６を流れる循環水の流量も減少させる。これによって、媒体凝縮器３を通過する混合水の流速が低下し、媒体凝縮器３における熱交換効率が低下するので、水蒸気発生量を減少させることができる。また、気液分離器７内における水位を安定させることができる。

このように、送液ポンプＰ１を設けたことにより、循環水の流量を調整して、媒体凝縮器３における熱交換効率を変化させることができ、それによって、気液分離器７における、圧力や、蒸気や水の温度や、水位が著しく変動することを抑制することができる。

また、この実施形態では、配管Ｌ３ａの配管Ｌ６との接続部よりも下流側に、送液ポンプＰ１を配置したことにより、沸点近い高温になりやすい循環水を、比較的低温の供給水と混合してから送液ポンプＰ１に送ることができ、送液ポンプＰ１におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。

更に、循環水中には、供給水に含まれる塩分が次第に蓄積してくるため、媒体凝縮器３等を通る経路内でスケールが発生しやすくなるが、この実施形態では、開閉弁Ｖ１を開閉して、気液分離器７内の循環水を所定量ずつ排水し、その量に応じて供給水を流入させることにより、塩分の蓄積を抑制し、スケールの発生を防止することができる。

１：第１排熱回収器
２：圧縮機
３：媒体凝縮器
４：媒体冷却器
５：膨張機
６：第２排熱回収器
７：気液分離器
２０：ヒートポンプ循環経路
Ｌ１〜Ｌ６：配管
Ｐ１：送液ポンプ
Ｖ１：開閉弁

Claims (4)

1. 外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を減圧して温度を下げる膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
   前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
   前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、蒸気と温水とに分離する気液分離装置と、
   前記気液分離器の気相部に設けられた蒸気取出し経路と、
   前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記水循環経路又は、前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に、送液ポンプが配置されていることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 前記送液ポンプが、前記水循環経路の接続部より下流側の前記給水経路に配置されている請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
3. 前記気液分離器が、内部に貯留された温水を系外に排水する排水経路を備える請求項１又は２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 前記排水経路に開閉弁が配置され、前記気液分離器内の水位及び／又は水温が所定の範囲となるように前記開閉弁の開閉が制御される、請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。