JP2014206148A - 排熱回収装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が供給される蒸発器内で生じるウォータハンマ現象の顕在化を抑制すること。【解決手段】排熱回収装置であって、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路(10a)と作動媒体流路(10b)とを有する蒸発器(10)と、膨張機(12)と、回転機(14)と、凝縮器(16)と、ポンプ(18)と、加熱媒体流路に供給される加熱媒体の圧力、加熱媒体流路から流出した加熱媒体の圧力、作動媒体流路から流出した作動媒体の圧力、及び作動媒体流路に流入する作動媒体の圧力のうちの少なくとも1つを検出する圧力センサ(22)と、測定期間内において、予め取得した圧力センサの検出値に関連する代表値を基準とする変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたときに、作動媒体流路への作動媒体の流入量を減少させる制御部(24)と、を備えること。【選択図】図1

Description

本発明は、排熱回収装置に関するものである。
従来、工場等から排出される水蒸気あるいはガスの熱を回収する排熱回収装置が知られている。例えば、特許文献1には、蒸気からなる加熱媒体が供給される蒸発器と、蒸発器から流出した作動媒体が流入する膨張機と、膨張機に接続された発電機と、膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出した作動媒体を加圧して蒸発器へ送出するポンプと、を備えた排熱回収装置が開示されている。蒸発器は、作動媒体が流れる作動媒体流路と、加熱媒体が流れる加熱媒体流路とを有する。通常、加熱媒体流路内には、当該加熱媒体流路に供給された加熱媒体である蒸気が凝縮することにより生成された液体(ドレインやミスト)が存在する。また、作動媒体流路内には、液状の作動媒体が存在する。
特開2012−255400号公報
特許文献1に記載されるような排熱回収装置では、加熱媒体として工場等から排出される蒸気等が用いられており、加熱媒体の温度が急激に上昇する場合がある。この場合、蒸発器内でいわゆるウォータハンマ現象が生じ得ることが知られている。このウォータハンマ現象は、主に以下の原理で生じていると推測される。
(1)急激に温度上昇した加熱媒体(蒸気や高温ガス)が加熱媒体流路内に供給されると、この加熱媒体は、加熱媒体流路内の液体(ドレインもしくはミスト)に冷却されることにより凝縮し、これにより急激に加熱媒体の体積が小さくなる。そうすると、加熱媒体流路内に相対的に圧力の低い部分が発生する。この結果、その相対的に圧力の低い部分へ向かって加熱媒体流路内の液体が移動することによりこの液体が当該加熱媒体流路の内面に衝突する。
(2)急激に温度上昇した加熱媒体により作動媒体流路内の液状の作動媒体が暖められて急激に蒸発する。そうすると、ガス状の作動媒体にミスト状の作動媒体が随伴されることによって作動媒体流路内に相対的に圧力の低い部分が発生する。この結果、その相対的に圧力の低い部分へ向かって作動媒体流路内の液状またはミスト状の作動媒体が移動することによりこの作動媒体が当該作動媒体流路の内面に衝突する。
本発明の目的は、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が供給される蒸発器内で生じるウォータハンマ現象の顕在化を抑制することである。
本発明者らは、上記の原理から、ウォータハンマ現象は、加熱媒体流路内の加熱媒体の急激な圧力変化または作動媒体流路内の作動媒体の急激な圧力変化に起因して発生していると推測されるため、この圧力変化を監視することによりウォータハンマ現象の発生ないし顕在化を抑制可能であることに想到した。
本発明はこのような観点からなされたものであり、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路と作動媒体が流れる作動媒体流路とを有する蒸発器と、前記蒸発器から流出した前記作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続された回転機と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した前記作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、前記加熱媒体流路に供給される前記加熱媒体の圧力、前記加熱媒体流路から流出した前記加熱媒体の圧力、前記作動媒体流路から流出した前記作動媒体の圧力、及び前記作動媒体流路に流入する前記作動媒体の圧力のうちの少なくとも1つを検出する圧力センサと、測定期間内において、予め取得した前記圧力センサの検出値に関連する代表値を基準とする変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたときに、前記作動媒体流路への前記作動媒体の流入量を減少させる制御部と、を備える排熱回収装置を提供する。
本発明では、ウォータハンマ現象の発生原因と推測される加熱媒体流路内の加熱媒体の圧力変化または作動媒体流路内の作動媒体の圧力変化を監視するために、加熱媒体の圧力または作動媒体の圧力を検出する圧力センサが設けられている。そして、前記測定期間内において、前記変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたとき(変動許容範囲を超えて急激に上下に変動したとき)、すなわち、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部は、作動媒体流路への作動媒体の流入量を減少させる。これにより作動媒体流路における作動媒体の液面が低下するので、加熱媒体流路を流れる加熱媒体が作動媒体流路内の液状の作動媒体との熱交換によって失う熱量が減る。すなわち、加熱媒体を冷却する媒体量が減少するので、加熱媒体の急激な凝縮が抑制され、これにより、加熱媒体流路において相対的に圧力が低くなる部分が減少する。したがって、加熱媒体流路内の液体が当該加熱媒体流路の内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。また、蒸発器における作動媒体流路への作動媒体の流入量を減少させることにより作動媒体流路内の作動媒体の液面が低下し、これにより蒸発器全体の温度が上昇する。そうすると、作動媒体流路において相対的に圧力が低くなる部分が減少するので、液状またはミスト状の作動媒体が作動媒体流路の内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。
この場合において、前記制御部は、予め設定された設定期間内に複数回取得された前記検出値の移動平均値を前記代表値とすることが好ましい。
このようにすれば、前記代表値が、前記設定期間の各検出値に基づいて平滑化された移動平均値であることから、安定した制御が可能となる。
また、本発明において、前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記ポンプの回転数を低下させてもよい。
このようにすれば、前記条件を満たしたときにポンプの回転数が低下することにより作動媒体流路に流入する作動媒体の流量が減少するので、ウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。
あるいは、本発明において、前記ポンプから送出された前記作動媒体を前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す戻し流路と、前記戻し流路に設けられた戻し弁とをさらに備え、前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記戻し弁の開度を大きくしてもよい。
このようにしても、前記条件を満たしたときにポンプから送出された作動媒体の一部が当該ポンプと凝縮器との間に戻されることにより作動媒体流路に流入する作動媒体の流量が減少するので、ウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。
以上のように、本発明によれば、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が供給される蒸発器内で生じるウォータハンマ現象の顕在化を抑制することができる。
本発明の第一実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示す図である。 加熱媒体の温度が急上昇したときの加熱媒体の圧力変化及び作動媒体の圧力変化を示すグラフである。 制御部の制御内容の概略を示すフローチャートである。 第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。 第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。 第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。 本発明の第二実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示す図である。
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態の排熱回収装置について、図1から図3を参照しながら説明する。
図1に示されるように、この排熱回収装置は、蒸発器10と、蒸発器10から流出した作動媒体が流入する膨張機12と、膨張機12に接続された回転機14と、膨張機12から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器16と、凝縮器16から流出した作動媒体を加圧するポンプ18と、蒸発器10、膨張機12、凝縮器16及びポンプ18をこの順に直列に接続する循環流路20と、圧力センサ22と、蒸発器10への作動媒体の流入量を制御する制御部24とを備えている。
蒸発器10は、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路10aと、作動媒体が流れる作動媒体流路10bとを有している。作動媒体流路10b内を流れる作動媒体は、加熱媒体流路10a内を流れる加熱媒体と熱交換することにより蒸発する。作動媒体流路10bは、循環流路20に接続されている。通常、加熱媒体流路10a内には、当該加熱媒体流路10aに供給された加熱媒体(水蒸気あるいはガス)が凝縮することにより生成された液体(ドレインやミスト)が存在する。また、作動媒体流路10b内には、液状の作動媒体が存在する。
膨張機12は、循環流路20における蒸発器10の下流側に設けられている。本実施形態では、膨張機12として、蒸発器10から排出されたガス状の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるロータを有する容積式のスクリュー膨張機が用いられている。具体的には、この膨張機12は、内部にロータ室が形成されたケーシングと、ロータ室内に回転自在に支持された雌雄一対のスクリュロータ(ロータ)とを有している。膨張機12では、前記ケーシングに形成された吸気口から前記ロータ室に供給された作動媒体の膨張エネルギーによって前記スクリュロータが回転駆動される。そして、前記ロータ室内で膨張することにより圧力が低下した作動媒体は、前記ケーシングに形成された排出口から循環流路20に排出される。なお、膨張機12としては、容積式のスクリュー膨張機に限らず、遠心式のものやスクロールタイプのもの等が用いられてもよい。
回転機14は、膨張機12に接続されている。本実施形態では、回転機14として発電機14が用いられている。発電機14は、膨張機12の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有している。発電機14は、回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。
凝縮器16は、循環流路20における膨張機12の下流側に設けられている。凝縮器16は、膨張機12から排出されたガス状の作動媒体を凝縮させて液状の作動媒体とする。具体的には、凝縮器16に流入したガス状の作動媒体は、当該凝縮器16に外部から供給された冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。凝縮器16に供給される冷却媒体としては、例えば、冷却水や空気が挙げられる。
ポンプ18は、循環流路20における凝縮器16の下流側(蒸発器10と凝縮器16との間)に設けられている。ポンプ18は、凝縮器16で凝縮された作動媒体を所定の圧力まで加圧して循環流路20におけるポンプ18の下流側に送り出す。ポンプ18としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。このポンプ18は、任意の回転数で駆動されることが可能である。
圧力センサ22は、加熱媒体流路10aに加熱媒体を供給する流路に設けられており、加熱媒体流路10aに供給される加熱媒体の圧力を検出する。
制御部24は、圧力センサ22に接続されており、また、インバータ26を介してポンプ18に接続されている。制御部24の機能には、算出部24aと、回転数制御部24bとが含まれる。
算出部24aは、図2に示される圧力センサ22の複数の検出値を取得し、この取得した値に基づいて、加熱媒体の圧力(圧力センサ22の検出値)の移動平均値を算出する。本実施形態では、移動平均の設定期間は、1分〜10分程度に設定されている。
ここで、図2から、期間Aで加熱媒体流路10aに供給される加熱媒体の温度が急上昇していること、および、期間Aの後に、加熱媒体の圧力がその移動平均値に対して急激に上下に変動している期間Bが存在することが分かる。そして、この変動している期間Bにウォータハンマ現象が顕在化し得ることが確認されている。なお、図2には、加熱媒体の圧力及び作動媒体の圧力のそれぞれについて、移動平均値に加え、この移動平均値に対して5%高い値、5%低い値、10%高い値及び10%低い値が示されている。
本実施形態では、圧力センサ22の検出値が、前記移動平均値を基準とした上下への変動が許容される範囲(ウォータハンマ現象が顕在化しない範囲)として変動許容範囲が設定される。具体的に、変動許容範囲の上限値は、前記移動平均値に対して5%高い検出値に設定され、変動許容範囲の下限値は、前記移動平均値に対して5%低い検出値に設定されている。また、圧力センサ22の検出値を測定する期間として、設定期間と同じかそれよりも短い期間であり、10秒〜1分程度に設定された測定期間が設定されている。
回転数制御部24bは、設定期間後の測定期間内に、前記移動平均値に対して5%以上高い検出値と前記移動平均値から5%以上低い検出値とを取得したときに(移動平均値に対して急激に上下に変動する検出値を取得したときに)、インバータ26を介してポンプ18の回転数を減少させることによって作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる。
次に、図3を参照しながら、制御部24の制御内容について説明する。
まず、本排熱回収装置を起動する(ステップS10)。そうすると、算出部24aは、圧力センサ22の複数の検出値を定期的に取得する(ステップS11)。
そして、算出部24aは、順次更新される設定期間(1分〜10分程度)ごとに、上記複数の検出値の移動平均値を算出する(ステップS12)。
その後、回転数制御部24bは、測定期間(10秒〜1分程度)内に、上記移動平均値に対して5%以上高い検出値と上記移動平均値から5%以上低い検出値とを取得したかどうかを判断する(ステップS13)。
その結果、測定期間内に上記5%以上高い値と上記5%以上低い値とを取得したと判断したとき、回転数制御部24bは、インバータ26を介してポンプ18の回転数を減少させることによって作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる(ステップS14)。
以上説明したように、本実施形態の排熱回収装置では、ウォータハンマ現象の発生原因と推測される加熱媒体流路10a内の加熱媒体の圧力変化を監視するために、加熱媒体の圧力を検出する圧力センサ22が設けられている。そして、測定期間内において、前記移動平均値に対して5%以上高い値、および、5%以上低い値が取得されたとき、すなわち、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部24は、ポンプ18の回転数を減少させることによって作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる。これにより作動媒体流路10bにおける作動媒体の液面が低下するので、加熱媒体流路10aを流れる加熱媒体が作動媒体流路10b内の液状の作動媒体との熱交換によって失う熱量が減る。すなわち、加熱媒体を冷却する媒体量が減少するので、加熱媒体の急激な凝縮が抑制され、これにより、加熱媒体流路10aにおいて相対的に圧力が低くなる部分が減少する。したがって、加熱媒体流路10a内の液体が当該加熱媒体流路10aの内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。また、蒸発器10における作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させることにより作動媒体流路10b内の作動媒体の液面が低下し、これにより蒸発器10全体の温度が上昇する。そうすると、作動媒体流路10bにおいて相対的に圧力が低くなる部分が減少するので、液状またはミスト状の作動媒体が作動媒体流路10bの内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。
また、本実施形態では、変動許容範囲の基準として、設定期間に取得された各検出値に基づいて平滑化された値である移動平均値が用いられていることから、安定した制御が可能となる。
なお、本実施形態では、圧力センサ22が加熱媒体流路10aに加熱媒体を供給する流路に設けられた例が示されたが、図4に示されるように、圧力センサ22は、加熱媒体流路10aから流出した加熱媒体が流れる流路に設けられてもよい。この場合でも、圧力センサ22からは、図2に示される加熱媒体の圧力変化と同様の挙動を示す検出値が検出される。
あるいは、圧力センサ22は、図5に示されるように、循環流路20における作動媒体流路10bの上流側(作動媒体流路10bとポンプ18との間)に設けられてもよい。この場合、圧力センサ22で検出される作動媒体の圧力は、図2に示されるように、加熱媒体の圧力変化と同様の挙動を示す。具体的には、加熱媒体の圧力がその移動平均値に対して急激に上下に変動する期間Bと同じ期間に、この圧力センサ22の検出値(作動媒体の圧力)がその移動平均値に対して急激に上下に変動する。
なお、圧力センサ22は、図6に示されるように、循環流路20における作動媒体流路10bの下流側(作動媒体流路10bと膨張機12との間)に設けられてもよい。この場合でも、圧力センサ22からは、図2に示される作動媒体の圧力変化と同様の挙動を示す検出値が検出される。
また、圧力センサ22は、加熱媒体流路10aに加熱媒体を供給する流路、加熱媒体流路10aから流出した加熱媒体が流れる流路、循環流路20における作動媒体流路10bの上流側及び循環流路20における作動媒体流路10bの下流側のいずれか2箇所以上に設けられてもよい。この場合、回転数制御部24bは、測定期間内において、各センサの少なくとも一つから、当該センサの検出値に基づいて算出される移動平均値に対して5%以上高い検出値と前記移動平均値から5%以上低い検出値とを取得したときに、作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる。
また、本実施形態では、移動平均値に対して乗じる割合を10%に設定してもよい。これにより、回転数制御部24bの誤動作をより確実に防止することができる。
(第二実施形態)
図4は、本発明の第二実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示している。なお、第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。
本実施形態の排熱回収装置は、ポンプ18から送出された作動媒体を凝縮器16とポンプ18との間に戻す戻し流路28と、この戻し流路28に設けられた戻し弁30とを備えている。そして、制御部24は、第一実施形態の回転数制御部24bの代わりに戻し弁30の開度を制御する弁制御部24cを有している。
次に、本実施形態の制御部24の制御内容について、第一実施形態のそれと異なる箇所を説明する。
ステップS12の後、弁制御部24cは、測定期間(10秒〜1分程度)内に、上記移動平均値に対して5%以上高い検出値と上記移動平均値から5%以上低い検出値とを取得したかどうか(上記検出値が移動平均値に対して5%以上上下に急激に変動したかどうか)を判断する(ステップS13)。
その結果、測定期間内に上記5%以上高い値と上記5%以上低い値とを取得したと判断したとき、すなわち、ウォータハンマ現象が生じると推測される条件を満たしたとき、弁制御部24cは、戻し弁30の開度を大きくすることによって作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる(ステップS14)。なお、ステップS10〜ステップS12については、第一実施形態と同じである。
以上説明したように、本実施形態では、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部24は、戻し弁30の開度を大きくすることによって作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる。よって、本実施形態においても、蒸発器10内でのウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。圧力センサ22は、図4ないし図6と同様に、加熱媒体流路10aの下流側、循環流路20における作動媒体流路10bの上流側、または、下流側に設けられてもよい。また、加熱媒体流路10aの上流側、下流側、循環流路20の上流側、および、下流側のうち2以上の箇所に複数の圧力センサ22が設けられてもよい。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、回転機14として発電機14が例示されたが、回転機14はこれに限られない。
また、上記各実施形態では、変動許容範囲の基準である代表値として移動平均値が用いられたが、この代表値は、移動平均値に限られない。例えば、代表値は、設定期間内に取得された全検出値の最大値と最小値の中央の値である中央値等であってもよく、あるいは、経験や実験に基づいて導出された圧力センサ22の値である導出値であってもよい。つまり、代表値は、移動平均値、中央値、導出値などの圧力センサ22の検出値に関連する値であって、設定期間内における圧力レベルを代表する値であればよい。なお、代表値として導出値を用いる場合、この代表値は制御部24に予め記憶しておいてもよい。そして、回転数制御部24bまたは弁制御部24cは、その代表値を基準として上下への変動が許容される変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す検出値が取得されたときに、作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させればよい。また、変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値として、必ずしも圧力センサ22の検出値そのものを用いる必要はなく、当該検出値が前記上限値及び前記下限値をそれぞれ超えた回数など、圧力センサ22の検出値に基づく値を用いてもよい。この場合、回転数制御部24bまたは弁制御部24cは、測定期間内に、圧力センサ22の検出値が前記上限値及び前記下限値を所定回数超えたときに、作動媒体流路10bへの作動媒体の流入量を減少させる。
10 蒸発器
10a 加熱媒体流路
10b 作動媒体流路
12 膨張機
14 回転機
16 凝縮器
18 ポンプ
20 循環流路
22 圧力センサ
24 制御部
24a 算出部
24b 回転数制御部
24c 弁制御部
28 戻し流路
30 バイパス弁

Claims (4)

  1. 水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路と作動媒体が流れる作動媒体流路とを有する蒸発器と、
    前記蒸発器から流出した前記作動媒体が流入する膨張機と、
    前記膨張機に接続された回転機と、
    前記膨張機から流出した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
    前記凝縮器から流出した前記作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、
    前記加熱媒体流路に供給される前記加熱媒体の圧力、前記加熱媒体流路から流出した前記加熱媒体の圧力、前記作動媒体流路から流出した前記作動媒体の圧力、及び前記作動媒体流路に流入する前記作動媒体の圧力のうちの少なくとも1つを検出する圧力センサと、
    測定期間内において、予め取得した前記圧力センサの検出値に関連する代表値を基準とする変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたときに、前記作動媒体流路への前記作動媒体の流入量を減少させる制御部と、を備える排熱回収装置。
  2. 請求項1に記載の排熱回収装置において、
    前記制御部は、予め設定された設定期間内に複数回取得された前記検出値の移動平均値を前記代表値とする排熱回収装置。
  3. 請求項1又は2に記載の排熱回収装置において、
    前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記ポンプの回転数を低下させる排熱回収装置。
  4. 請求項1又は2に記載の排熱回収装置において、
    前記ポンプから送出された前記作動媒体を前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す戻し流路と、前記戻し流路に設けられた戻し弁とをさらに備え、
    前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記戻し弁の開度を大きくする排熱回収装置。
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