JP2014222128A - 空気圧縮機の吸気冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より低いランニングコストで空気圧縮機の吸気を冷却する。【解決手段】高炉１を冷却することで排熱回収した排熱回収用流体Ｌ５を、熱音響機関２１の排熱回収機構部１２の加熱熱交換器１２ａに導き、熱音響機関２１での熱エネルギ変換により、冷熱発生機構部１３の冷熱発生熱交換器１３ｂの温度をより低くする。低温になった冷熱発生熱交換器１３ｂに、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を導入することにより、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を冷却し、この冷却された吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を吸気冷却設備２２に導入することにより、タービン空気圧縮機３の吸気配管３ａに導入された、タービン空気圧縮機３用の吸気Ｇ１を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉送風機、ガスタービン、酸素・窒素製造用原料空気圧縮機、工場内プロセス空気圧縮機などの、外気を吸入して昇圧させる空気圧縮機の吸気冷却装置およびその冷却方法に関する。

一般に、空気圧縮機の圧縮効率は、吸気温度の絶対値に依存するため、吸気温度を下げることで省エネルギ化を図ることができることが知られている。
吸気温度を下げるための冷却方法として、例えば、空気圧縮機の入力側で空気を冷水散布冷却流路や氷蓄熱水槽内を通過させることにより、冷却する方法（例えば、特許文献１参照）、あるいは、氷水スラリー中を通過させることで空気を冷却する方法（例えば、特許文献２参照）、空気圧縮機の吸気口に冷水を散布することにより、空気圧縮機に冷却空気を供給する方法（例えば、特許文献３）、などが提案されている。

特開平７−１９０６７号公報 特開平９−３１０８９２号公報 特開２００６−１３８２６３号公報

しかしながら、上述のように、冷水散布や氷水スラリーを通過させることで吸気を冷却する方法にあっては、冷却水を貯水する貯水設備や製氷設備などが必要であり、これら貯水設備や製氷設備の保守や、これら設備の消費電力によるランニングコストがかかるといった問題がある。
そこで、本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであり、より低いランニングコストで空気圧縮機の吸気を冷却することの可能な、空気圧縮機の吸気冷却装置およびその冷却方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、空気圧縮機の吸気を冷却する空気圧縮機の吸気冷却装置において、熱源から排出される熱エネルギを、より低温の熱エネルギとして回収する熱音響機関を備え、当該熱音響機関で回収した前記低温の熱エネルギを用いて、前記空気圧縮機の吸気を冷却することを特徴とする空気圧縮機の吸気冷却装置、である。
前記空気圧縮機は、前記吸気となる空気が供給される吸気配管を冷却する吸気冷却設備を有し、前記熱音響機関で回収した前記低温の熱エネルギを、前記吸気冷却設備における前記吸気配管冷却用のエネルギとして用いるものであってよい。

前記熱音響機関は、前記熱源から排出される熱エネルギを回収する排熱回収機構部と、前記排熱回収機構部で回収した熱エネルギを、より低温の熱エネルギとして排出する冷熱発生機構部と、を備え、前記冷熱発生機構部は、前記空気圧縮機の吸気となる空気を入力し、当該空気を前記低温の熱エネルギで冷却し、冷却後の空気を前記空気圧縮機用の吸気として排出するものであってよい。

前記熱源は、鉄鋼製造設備内の高温設備による排熱であってよい。
前記空気圧縮機はインタークーラーを有し、前記熱源は、前記インタークーラーによる排熱であってよい。
本発明の他の態様は、空気圧縮機の吸気を冷却する空気圧縮機の吸気冷却方法であって、熱源から排出される熱エネルギを、熱音響機関によって、より低温の熱エネルギとして回収し、回収された前記低温の熱エネルギを、前記空気圧縮機の吸気を冷却する冷却用エネルギとして用いることを特徴とする空気圧縮機の吸気冷却方法、である。

本発明の一態様によれば、高炉などの熱源から排出される熱エネルギを、熱音響機関を用いて、より低温の熱エネルギとして回収し、この低温の熱エネルギを用いて空気圧縮機の吸気を冷却するため、冷却用の、製氷設備などを設ける必要はなく、その分ランニングコストを低減することができる。

本発明の空気圧縮機の吸気冷却装置を適用した設備の一例を示す全体構成図である。 熱音響機関の排熱回収機構部の一例を示す部分切欠き平面図である。 熱音響機関の冷熱発生機構部の一例を示す部分切欠き平面図である。 図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 吸気冷却設備の一例を示す概略構成図である。 吸気冷却装置のその他の例を示す全体構成図である。 吸気冷却装置のその他の例を示す全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用した空気圧縮機の吸気冷却装置を用いた設備の全体構成の一例を示す概略構成図である。
この設備では、排熱を回収する設備高温部を高炉とし、且つ排熱により熱音響機関を作動させて、タービン空気圧縮機の吸気を冷却するものである。
図１において、１は設備高温部としての高炉、２は吸気冷却装置、３はタービン空気圧縮機である。

また、図１中、５は、高炉１の炉壁に設置される炉壁冷却用のステーブである。ステーブ５は鋳鉄、銅、銅合金などの金属材料で構成されるもので、炉壁の外殻を構成する鉄皮の内側に固定される。このステーブ５は、内部に冷媒（水）用の流路５ａを有しており、外部から配管５ｂを通じて供給される排熱回収用流体Ｌ５を、流路５ａに流すことで冷却される。ステーブ５内の流路５ａを通過した排熱回収用流体Ｌ５は、配管５ｃを通じて系外に排出される。

なお、ここでは、設備高温部を高炉１とした場合について説明するが、これに限るものではなく、スラグ冷却設備や、加熱炉などの排熱を利用することも可能である。また、必ずしもステーブ５を介して排熱回収を行う必要はなく、排熱回収を行うことができれば排熱回収方法は限定されない。
また、タービン空気圧縮機３に限らず、高炉送風機、ガスタービン、酸素・窒素製造用現用空気圧縮機、工場内プロセス空気圧縮機など、圧縮空気を生成する装置であれば適用することができる。

吸気冷却装置２は、熱音響機関２１とタービン空気圧縮機３の吸気配管３ａに配設された吸気配管３ａ冷却用の吸気冷却設備２２とを備える。
熱音響機関２１は、環状に形成されたループ管１１を備えており、このループ管１１の内部には作動ガス（例えば、空気、アルゴン、ヘリウムなど）が所定の圧力で充填されている。このループ管１１の途中には、排熱回収機構部１２と冷熱発生機構部１３とが配設される。

排熱回収機構部１２は、図２に示すように、配管５ｃを通じてステーブ５内の流路５ａを通過した排熱回収用流体Ｌ５が供給される加熱熱交換器１２ａと、基準温度に保たれた放熱用流体Ｌ１２が供給される放熱熱交換器１２ｂと、蓄熱器としてのスタック１２ｃと、を備え、加熱熱交換器１２ａおよび放熱熱交換器１２ｂによりスタック１２ｃの上下が挟まれてなる。

冷熱発生機構部１３は、図３に示すように、基準温度に保たれた放熱用流体Ｌ１３が供給される放熱熱交換器１３ａと、タービン空気圧縮機３の吸気配管冷却用の流体Ｌ２２が供給される冷熱発生熱交換器１３ｂと、蓄熱器としてのスタック１３ｃとを備え、放熱熱交換器１３ａおよび冷熱発生熱交換器１３ｂによりスタック１３ｃの上下が挟まれてなる。
スタック１２ｃ、１３ｃは、図４に示すように、微小間隔の格子状またはハニカム状にループ管１１側面に平行して配置されるステンレス綱やセラミックによって、形成される。なお、図４は、図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。なお、図３に示す、冷熱発生機構部１３も同様の構成を有する。

図５は、吸気冷却設備２２の一例を示す構成図である。
図５において、３ａは、タービン空気圧縮機３の吸気Ｇ１となる空気が導入されるタービン空気圧縮機３の吸気配管、２２ａは、熱音響機関２１の冷熱発生機構部１３の冷熱発生熱交換器１３ｂから排出された吸気配管冷却用の流体Ｌ２２が導入される冷却用流体導入配管、２２ｂは、吸気配管冷却用のＬ２２が排出される冷却用流体排出配管である。

図１に示す構成の設備において、設備高温部としての高炉１を冷却することで排熱回収した排熱回収用流体Ｌ５を、熱音響機関２１の排熱回収機構部１２の加熱熱交換器１２ａに導くことにより、加熱熱交換器１２ａを加熱するとともに、排熱回収機構部１２の放熱熱交換器１２ｂに放熱用流体Ｌ１２を導くことにより、排熱回収機構部１２のスタック１２ｃ内に急激な温度勾配が形成され、これにより熱音響自励振動によりスタック１２ｃ内の作動ガスが自励発振する。

その振動波が熱音響機関２１のループ管１１内の作動ガスにより伝搬し、熱音響機関２１の冷熱発生機構部１３に伝達され、そのスタック１３ｃ内の作動ガスに圧力変動を生じさせ、冷熱発生機構部１３内のスタック１３ｃ内に温度勾配が形成される。このとき、冷熱発生機構部１３の放熱熱交換器１３ａに放熱用流体Ｌ１３を導くことにより、冷熱発生機構部１３の冷熱発生熱交換器１３ｂの温度をより低くすることができる。

その低温になった冷熱発生熱交換器１３ｂに、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を導入することによって、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２が冷却され、この冷却された吸気配管冷却用の流体Ｌ２２が、吸気冷却設備２２の冷却用流体導入配管２２ａに供給される。そして、この吸気配管冷却用の流体Ｌ２２により、タービン空気圧縮機３の吸気配管３ａに導入された、タービン空気圧縮機３用の吸気Ｇ１が冷却されてタービン空気圧縮機３本体に供給される。
ここで、例えば、設備高温部としての高炉１から排熱量Ｑａ（Ｊ／ｓ）を回収した場合、熱音響機関２１において回収エネルギの５〜１０％を冷却に再利用することができる。そのため、冷却熱量Ｑｂ（Ｊ／ｓ）＝（０．０５〜０．１）×Ｑａが吸気配管冷却用の流体Ｌ２２と熱交換を行うことになる。

このとき、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２の冷熱発生熱交換器１３ｂへの入り口温度をＴ１（Ｋ）、冷熱発生熱交換器１３ｂからの出口温度をＴ１′（Ｋ）、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２の冷熱発生熱交換器１３ｂとの接触面積をＡ１（ｍ^２）、熱伝達率をｈ１（Ｊ／Ｋ・ｍ^２・ｓ）とすると、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２の冷熱発生熱交換器１３ｂの出口温度Ｔ１′は、次式（１）で表すことができる。
Ｔ１′＝−〔（Ｑｂ／ｈ１）×Ａ１〕＋Ｔ１ ……（１）

このように、高温設備の排熱を有効利用することで、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を冷却することができるため、タービン空気圧縮機３の吸気冷却装置２の冷媒を冷却するランニングコストの低減を図ることができる。
また、従来のように、製氷設備が必要ないため、製氷の保守や消費電力相当だけランニングコストを低減することができる。
また、工場内の、高炉、スラグ冷却設備、加熱炉などの高熱設備の排熱を利用することができるため、排熱を有効利用することができる。

また、これら高熱設備はもともと冷却を必要としている設備であって、このように、冷却を必要としている設備高温部から排熱回収を行い、排熱回収に用いた流体の熱で、熱音響機関２１により冷熱を得ることができるため、冷熱源となる製氷装置などが不要となるため、安定的に稼動させることができる。また、電力を用いて吸気を冷却するのではなく排熱を利用して吸気を冷却しているため、低いランニングコストでタービン空気圧縮機３の吸気を冷却することができる。
なお、上記実施形態では、熱音響機関２１を用いて吸気冷却設備２２の冷媒を冷却する吸気冷却装置について説明したが、これに限るものではない。例えば図６に示すように、熱音響機関２１の冷熱発生熱交換器１３ｂとタービン空気圧縮機３との間で、直接熱交換することによって吸気Ｇ１を冷却するようにしてもよい。

つまり、図６に示すように、冷熱発生熱交換器１３ｂに、吸気配管冷却用の流体Ｌ２２を供給する代わりに、タービン空気圧縮機３用の吸気Ｇ１となる空気を供給し、冷熱発生熱交換器１３ｂで冷却した空気をタービン空気圧縮機３用の吸気Ｇ１として、直接タービン空気圧縮機３に供給するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、排熱回収の熱源として、高炉１などの設備高温部を用いているが、例えば図７に示すように、タービン空気圧縮機３のインタークーラー３ｂの排熱を利用してもよい。

つまり、図７に示すように、インタークーラー３ｂの排熱を回収するための排熱回収配管３ｃを設け、排熱回収用の流体を排熱回収配管３ｃに通すことによりインタークーラー３ｂの排熱を回収し、この排熱回収用の流体を熱音響機関２１の加熱熱交換器１２ａに供給する。そして、冷熱発生熱交換器１３ｂで冷却したタービン空気圧縮機３用の吸気Ｇ１としての空気を、直接タービン空気圧縮機３に供給する。
なお、排熱回収の熱源としては、より高温である方が好ましい。
ここで、上記実施形態において、タービン空気圧縮機３が空気圧縮機に対応し、高炉１が熱源および鉄鋼製造設備内の高温設備に対応している。

１ 高炉
２ 吸気冷却装置
３ タービン空気圧縮機
１１ ループ管
１２ 排熱回収機構部
１２ａ 加熱熱交換器
１２ｂ 放熱熱交換器
１３ 冷熱発生機構部
１３ａ 放熱熱交換器
１３ｂ 冷熱発生熱交換器
２１ 熱音響機関
２２ 吸気冷却設備

Claims (6)

1. 空気圧縮機の吸気を冷却する空気圧縮機の吸気冷却装置において、
   熱源から排出される熱エネルギを、より低温の熱エネルギとして回収する熱音響機関を備え、
   当該熱音響機関で回収した前記低温の熱エネルギを用いて、前記空気圧縮機の吸気を冷却することを特徴とする空気圧縮機の吸気冷却装置。
2. 前記空気圧縮機は、前記吸気となる空気が供給される吸気配管を冷却する吸気冷却設備を有し、
   前記熱音響機関で回収した前記低温の熱エネルギを、前記吸気冷却設備における前記吸気配管冷却用のエネルギとして用いることを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機の吸気冷却装置。
3. 前記熱音響機関は、前記熱源から排出される熱エネルギを回収する排熱回収機構部と、前記排熱回収機構部で回収した熱エネルギを、より低温の熱エネルギとして排出する冷熱発生機構部と、を備え、
   前記冷熱発生機構部は、前記空気圧縮機の吸気となる空気を入力し、当該空気を前記低温の熱エネルギで冷却し、冷却後の空気を前記空気圧縮機用の吸気として排出することを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機の吸気冷却装置。
4. 前記熱源は、鉄鋼製造設備内の高温設備による排熱であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空気圧縮機の吸気冷却装置。
5. 前記空気圧縮機はインタークーラーを有し、
   前記熱源は、前記インタークーラーによる排熱であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空気圧縮機の吸気冷却装置。
6. 空気圧縮機の吸気を冷却する空気圧縮機の吸気冷却方法であって、
   熱源から排出される熱エネルギを、熱音響機関によって、より低温の熱エネルギとして回収し、回収された前記低温の熱エネルギを、前記空気圧縮機の吸気を冷却する冷却用エネルギとして用いることを特徴とする空気圧縮機の吸気冷却方法。

Images