JP2013124846A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】良好なＣＯＰを維持しつつ、被加熱物を約２００℃以上に加熱することのできるヒートポンプシステムを提供することを課題とする
【解決手段】工場から排出される温排水を利用するヒートポンプシステムであって、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、蒸発器２４がこの順で環状に接続されており、臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒が内部を循環するヒートポンプユニット２と、ヒートポンプユニット２の蒸発器２４に温排水を供給する温排水供給ユニット１と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。

ヒートポンプは、環境への負荷の低さやエネルギー効率の高さなどから、空気調和装置や給湯機など種々の分野で利用されている。このヒートポンプは、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を閉回路で接続し、その内部を冷媒が循環するような構成としている。

特開２００３−１５６２６５号公報

上述したヒートポンプでは一般的にフロン系ガスや二酸化炭素などが冷媒として使用されるが、このような冷媒の臨界温度は約２０〜１５４℃程度である。このため、凝縮器においては被加熱物を１２０℃程度に加熱するのが限界であり、被加熱物を例えば約２００℃以上に加熱することはそのＣＯＰ（Coefficient Of Performance、成績係数）を低下させてしまうために、通常は行われない。そこで本発明は、良好なＣＯＰを維持しつつ、被加熱物を約２００℃以上に加熱することのできるヒートポンプシステムを提供することを課題とする。

本発明に係るヒートポンプシステムは、工場から排出される温排水を利用するヒートポンプシステムであって、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器がこの順で環状に接続されており、臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒が内部を循環するヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットの蒸発器に前記温排水を供給する温排水供給手段と、を備えている。

上述したように構成されたヒートポンプシステムによれば、ヒートポンプユニットの冷媒として、臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒を使用するため、凝縮器において被加熱物を約２００℃以上に加熱しても良好なＣＯＰを維持することができる。なお、このような臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒としては、ｎ−ヘキサン、２−メチルペンタン、２，２−ジメチルブタン、２，３−ジメチルブタン、ｎ−ヘプタン、２−メチルヘキサン、３−メチルヘキサン、３−エチルペンタン、２，２−ジメチルペンタン、２，３−ジメチルペンタン、２，４−ジメチルペンタン、３，３−ジメチルペンタン、２，２，３−トリメチルブタン、２，２，４−トリメチルペンタン、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、１，１−ジメチルシクロペンタン、１−ｃｉｓ−２−ジメチルシクロペンタン、１−ｔｒａｎｓ−２−ジメチルシクロペンタン、１−ｃｉｓ−３−ジメチルシクロペンタン、１−ｔｒａｎｓ−３−ジメチルシクロペンタン等のアルカン（パラフィン）；１−ペンチン、ｃｉｓ−２−ペンテン、ｔｒａｎｓ−２−ペンテン、２−メチル−１−プテン、３−メチル−１−プテン、２−メチル−２−プテン、ｃｉｓ−２−ヘキセン、ｔｒａｎｓ−２−ヘキセン、ｃｉｓ−３−ヘキセン、ｔｒａｎｓ−３−ヘキセン、２−メチル−２−ペンテン、３−メチル−ｃｉｓ−２−ペンテン、３−メチル−ｔｒａｎｓ−２−ペンテン、２，３−ジメチル−１−プテン、３，３−ジメチル−２−プテン、２，３−ジメチル−２−プテン、１−ヘプチン、４，４−ジメチル−１−ペンテン、２，３−ジメチル−２−ペンテン、２，３，３−トリメチル−１−プテン等のアルケン；シクロペンテン、シクロヘキセンなどのシクロアルケン；１，２−ブタジエン、１−ｃｉｓ−３−ペンタジエン、１−ｔｒａｎｓ−３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、３−メチル−１，２−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン、１，５−ヘキサジエンなどのアレン；２−プチン、１−ペンチン、２−ペンチン、１−ヘキシン、３−ヘキシン、１−ヘプチン、５−メチル−１−ヘキシンなどのアルキン；ベンゼン、トルエンなどのアロマチック；フロン１１４−ｂ−２、φ−ｎ−ヘプタン、φ−メチルシクロヘキサンなどのハロゲン化物；メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール；アセトン、メチルエチルケトンなどのアルデヒド・ケトン；エチルプロピルエーテル、アリルエチルエーテルなどのエーテルなどを挙げることができ、これらを単体で、若しくは２種以上を混合して使用することができる。また、ヒートポンプユニットの冷媒として、臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒を使用するため、蒸発器において５０〜１５０℃程度の工場の温排水を送って冷媒と熱交換させても良好なＣＯＰを維持することができる。

上記温排水供給手段は、工場から排出された温排水を貯溜する貯溜タンクと、貯溜タンク内の温排水を取り出し蒸発器に送るとともに蒸発器において冷媒に放熱した温排水を再度貯溜タンク内に戻す循環流路と、を有するような構成とすることができる。このように貯溜タンクを設けることで、必要時に温排水を利用することができる。また、この循環流路が貯溜タンクから温排水を取り出し、これを再度貯溜タンクに戻すことで、貯溜タンクの温排水を攪拌させることができ、貯溜タンク内の温排水の温度を均一化することができる。

また、ヒートポンプユニットの凝縮器に水又は温水を送り、過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成手段をさらに備えた構成とすることができる。ヒートポンプユニット内を流れる冷媒として臨界温度が２００℃以上であるハイドロカーボン系冷媒を用いているために、凝縮器において１２０〜２２０℃程度の過熱蒸気を効率よく生成することができる。

本発明によれば、良好なＣＯＰを維持しつつ、被加熱物を約２００℃以上に加熱することのできるヒートポンプシステムを提供することができる。

図１は本実施形態に係るヒートポンプシステムの概略図である。 図２は本実施形態に係るヒートポンプシステムの変形例を示す概略図である。

以下、本発明に係るヒートポンプシステムの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中の矢印は、温排水や冷媒、水（又は温水）、過熱蒸気の流れ方向を示している。

図１に示すように、本実施形態に係るヒートポンプシステムは、温排水供給ユニット（温排水供給手段）１と、ヒートポンプユニット２と、過熱蒸気生成ユニット（過熱蒸気生成手段）３とから主に構成されている。

［温排水供給ユニット］
温排水供給ユニット１は、工場から排水される温排水を貯溜する貯溜タンク１１と、貯溜タンク１１の上部及び下部に両端が接続されている循環配管１２とを備えている。貯溜タンク１１は、排熱を確保するために必要であり、この貯溜タンク１１の一例として大気開放タンクを挙げることができる。また、貯溜タンク１１は、内部に貯溜する温排水の温度を保温できるような材質で構成することが好ましい。

循環配管１２は、その両端部が貯溜タンク１１の上部及び下部に接続され、その途中において後述するヒートポンプユニット２の蒸発器２が接続されており、貯溜タンク１１内の温排水を蒸発器２４へと送るように循環ポンプ１３が設置されている。なお、この循環配管１２による具体的な温排水の流れは、貯溜タンク１１の下部に貯溜する温排水を抜き取り、蒸発器２４へ送ってヒートポンプユニット２内を循環する冷媒に放熱して加熱し、蒸発器２４を出た温排水は循環排水１２を経由して貯溜タンク１１へと戻される。このように貯溜タンク１１内の温排水は、循環配管１２によって循環するため、貯溜タンク１１内では対流が発生し、貯溜タンク１１内の温排水の温度が均一化される。

［ヒートポンプユニット］
ヒートポンプユニット２は、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、蒸発器２４が冷媒配管によってこの順で環状に接続されている。ヒートポンプユニット２内を循環する冷媒としては、その臨界温度が約２００℃以上のハイドロカーボン（HC）系冷媒を使用し、例えば、ｎ−ヘキサン、２−メチルペンタン、２，２−ジメチルブタン、２，３−ジメチルブタン、ｎ−ヘプタン、２−メチルヘキサン、３−メチルヘキサン、３−エチルペンタン、２，２−ジメチルペンタン、２，３−ジメチルペンタン、２，４−ジメチルペンタン、３，３−ジメチルペンタン、２，２，３−トリメチルブタン、２，２，４−トリメチルペンタン、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、１，１−ジメチルシクロペンタン、１−ｃｉｓ−２−ジメチルシクロペンタン、１−ｔｒａｎｓ−２−ジメチルシクロペンタン、１−ｃｉｓ−３−ジメチルシクロペンタン、１−ｔｒａｎｓ−３−ジメチルシクロペンタン等のアルカン（パラフィン）；１−ペンチン、ｃｉｓ−２−ペンテン、ｔｒａｎｓ−２−ペンテン、２−メチル−１−プテン、３−メチル−１−プテン、２−メチル−２−プテン、ｃｉｓ−２−ヘキセン、ｔｒａｎｓ−２−ヘキセン、ｃｉｓ−３−ヘキセン、ｔｒａｎｓ−３−ヘキセン、２−メチル−２−ペンテン、３−メチル−ｃｉｓ−２−ペンテン、３−メチル−ｔｒａｎｓ−２−ペンテン、２，３−ジメチル−１−プテン、３，３−ジメチル−２−プテン、２，３−ジメチル−２−プテン、１−ヘプチン、４，４−ジメチル−１−ペンテン、２，３−ジメチル−２−ペンテン、２，３，３−トリメチル−１−プテン等のアルケン；シクロペンテン、シクロヘキセンなどのシクロアルケン；１，２−ブタジエン、１−ｃｉｓ−３−ペンタジエン、１−ｔｒａｎｓ−３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、３−メチル−１，２−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン、１，５−ヘキサジエンなどのアレン；２−プチン、１−ペンチン、２−ペンチン、１−ヘキシン、３−ヘキシン、１−ヘプチン、５−メチル−１−ヘキシンなどのアルキン；ベンゼン、トルエンなどのアロマチック；フロン１１４−ｂ−２、φ−ｎ−ヘプタン、φ−メチルシクロヘキサンなどのハロゲン化物；メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール；アセトン、メチルエチルケトンなどのアルデヒド・ケトン；エチルプロピルエーテル、アリルエチルエーテルなどのエーテルを挙げることができ、これらを単独で使用しても良いし、２種以上の冷媒を混合して使用してもよい。

圧縮機２１は、駆動装置（図示省略）によって駆動され、吸引した冷媒を内部で圧縮して高圧・高温とし凝縮器２２側へと吐出するように構成されている。

凝縮器２２は、その内部において、冷媒と、後述する過熱蒸気生成ユニット３によって送られてくる水とを熱交換させるように構成されており、例えば、内部に冷媒用の流路と水用の流路とが形成された熱交換器によって構成することができる。この凝縮器２２は、圧縮機２１の下流側に配管を介して接続されるとともに、後述する過熱蒸気生成ユニット３が接続されている。なお、凝縮器２２内では、過熱蒸気生成ユニット３から送られてくる水が、冷媒と熱交換することによって加熱される。

膨張弁２３は、冷媒を急激に減圧して温度を下げるとともに圧力も下げるように構成されており、凝縮器２２の下流側に配管を介して接続されている。

蒸発器２４は、その内部において、冷媒と、上述した温排水供給ユニット１の貯溜タンク１１から送られてくる温排水とを熱交換させるように構成されており、例えば、内部に冷媒用の流路と、温排水用の流路とが形成された熱交換器（プレート式熱交換器など）によって構成することができる。この蒸発器２４は、膨張弁２３の下流側に配管を介して接続されるとともに、後述する温排水供給ユニット１の貯溜タンク１１が循環配管１２を介して接続されている。この蒸発器２４では、冷媒が、温排水と熱交換することによって加熱される。

［過熱蒸気生成ユニット］
過熱蒸気生成ユニット３は、給水源（図示省略）から水（被加熱物）を上記凝縮器２２に供給し、凝縮器２２において加熱されて生成された過熱蒸気を取り出し、この過熱蒸気をプロセス蒸気系統等に供給するユニットである。

［作動方法］
次に、上述したヒートポンプユニットの作動方法について説明する。

まず、温排水供給ユニット１において、工場より排出された５０〜１５０℃程度、好ましくは、８０〜１５０℃程度の温排水を貯溜タンク１１に貯溜する。そして、貯溜タンク１１内に所定量の温排水が溜まると、循環ポンプ１３を作動させて、貯溜タンク１１と蒸発器２４との間で循環配管１２を介して温排水を循環させる。

ヒートポンプユニット２においては、圧縮機２１で冷媒を圧縮して高温高圧の状態（１４０〜２４０℃程度）とし、これを凝縮器２２へと送る。凝縮器２２には過熱蒸気生成ユニット３によって常温の水が送られてくるため、この水と高温高圧の冷媒とが熱交換を行い、水を加熱することで１２０〜２２０℃程度の過熱蒸気とする。このように生成された過熱蒸気は、例えば、プロセス蒸気等に使用することができる。

凝縮器２２において熱交換することにより凝縮した冷媒は、８０〜１８０℃程度まで温度が下がり、続いて膨張弁２３に送られて減圧されることで約３０〜１００℃程度までさらに温度が下がり、蒸発器２４へと送られる。

蒸発器２４に送られた冷媒は、上述したように温排水供給ユニット１によって蒸発器２４へと送られてくる温排水と熱交換し、この温排水から受熱することで５０〜１５０℃程度の温度となって蒸発して再度圧縮機２１に送られる。また、冷媒に放熱することで温度が低下した温排水は、循環配管１２を介して貯溜タンク１１内に戻される。このように冷媒に対して放熱を繰り返すことで、貯溜タンク１１内の温排水は徐々に温度が低下してくるが、一旦貯溜タンク１１内の温排水を外部へと排出し、新たに工場からの温排水を貯溜し直すことにより熱量を確保する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、工場から温排水が排出される度に貯溜タンク１１へと温排水を供給し、貯溜タンク１１内の温排水の量がある一定量以上になると、自動的に貯溜タンク１１内から外部へと温排水が排出されるような構成とすることができる。また、貯溜タンク１１は、上述した大気開放型に限定されず、密閉型のタンクとすることもできる。

また、図２に示すように、貯溜タンク１１内に熱交換器１１１を設け、この熱交換器１１１内を流れることで１０〜１００℃程度に予熱された水又は温水を、過熱蒸気生成ユニット３ひいては凝縮器２２に送る構成とすることもできる。

１ 温排水供給ユニット（温排水供給手段）
１１ 貯溜タンク
１２ 循環配管（循環流路）
２ ヒートポンプユニット
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
３ 過熱蒸気生成ユニット

Claims (3)

1. 工場から排出される温排水を利用するヒートポンプシステムであって、
   圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器がこの順で環状に接続されており、臨界温度が２００℃以上のハイドロカーボン系冷媒が内部を循環するヒートポンプユニットと、
   前記ヒートポンプユニットの蒸発器に前記温排水を供給する温排水供給手段と、
   を備えた、ヒートポンプシステム。
2. 前記温排水供給手段は、前記工場から排出された温排水を貯溜する貯溜タンクと、前記貯溜タンク内の温排水を取り出し前記蒸発器に送るとともに前記蒸発器において前記ハイドロカーボン系冷媒に放熱した温排水を再度貯溜タンク内に戻す循環流路と、を有する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記ヒートポンプユニットの凝縮器に水を送り、過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成手段をさらに備えた、請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。

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