JP2018009728A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再蒸発タンクのドレンを排出するためのポンプを備えた廃熱回収装置において、ポンプ内でキャビテーションの発生を防止すること。【解決手段】廃熱回収装置１は、ドレン流入管１１と、ドレン流入管１１が接続され、該ドレン流入管１１からドレンが流入する再蒸発タンク１０と、再蒸発タンク１０の上部に連通し、吸引作用によって再蒸発タンク１０内を所定の真空圧状態にしてドレンを再蒸発させるエゼクタ１３と、再蒸発タンク１０よりも低い位置に設けられるポンプ２０を有すると共に、再蒸発タンク１０の液層部１０ｂにおいてドレン流入管１１の接続位置よりも高い位置に接続され、再蒸発タンク１０のドレンをポンプ２０によって排出するドレン排出系統１５とを備える。【選択図】図１

Description

本願は、高温のドレンを再蒸発タンクで再蒸発させて再利用する蒸気の廃熱回収装置に関するものである。

高温ドレンを再蒸発タンクで再蒸発させて再利用する蒸気の廃熱回収装置が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の廃熱回収装置は、ドレン供給管（復水供給管）が接続された再蒸発タンクと、蒸気用のエゼクタと、ドレン用のエゼクタとを有している。蒸気用のエゼクタは管路を介して再蒸発タンクの上面に接続され、ドレン用のエゼクタは連通管を介して再蒸発タンクの下面に接続されている。この廃熱回収装置では、蒸気用のエゼクタの吸引作用によって再蒸発タンク内の上部が真空圧状態となる。ドレン供給管から再蒸発タンクに流入したドレンは、一部が再蒸発して蒸気用のエゼクタに吸引される。蒸気用のエゼクタに吸引された再蒸発蒸気（フラッシュ蒸気）は、蒸気使用箇所に供給され再利用される。一方、再蒸発タンクに流入したドレンの残りは、ドレン用のエゼクタに吸引されて排出される。

特開２００９−３０００１１号公報

ところで、上述したような廃熱回収装置では、ドレン用のエゼクタに代えて、ポンプを設けて再蒸発タンクのドレンを排出することも行われる。しかしながら、その場合、ポンプの必要吸込ヘッド（ＮＰＳＨ：Net Positive Suction Head）が満たされず、ポンプ内でキャビテーションが発生する虞があった。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、再蒸発タンクのドレンを排出するためのポンプを備えた廃熱回収装置において、ポンプ内でキャビテーションの発生を防止することにある。

本願の廃熱回収装置は、ドレン流入管と、再蒸発タンクと、吸引機構と、ドレン排出系統とを備えている。上記再蒸発タンクは、上記ドレン流入管が接続され、該ドレン流入管からドレンが流入するものである。上記吸引機構は、上記再蒸発タンクの上部に連通し、吸引作用によって上記再蒸発タンク内を所定の真空圧状態にして上記ドレンを再蒸発させるものである。上記ドレン排出系統は、上記再蒸発タンクよりも低い位置に設けられるポンプを有すると共に、上記再蒸発タンクの液層部において上記ドレン流入管の接続位置よりも高い位置に接続され、上記再蒸発タンクのドレンを上記ポンプによって排出するものである。

本願の廃熱回収装置によれば、ドレン排出系統を再蒸発タンクの液層部においてドレン流入管の接続位置よりも高い位置に接続するようにしたため、ドレン流入管から再蒸発タンクに流入するドレンよりも、温度および圧力が低いドレンが再蒸発タンクから流出する。そして、ドレン排出系統のポンプを再蒸発タンクよりも低い位置に設けるようにしたため、再蒸発タンクから流出したドレンを、温度は変化させることなく圧力だけ加圧した状態でポンプに吸い込ませることができる。つまり、飽和温度よりも低い温度のドレンをポンプに流入させることができる。これにより、ポンプにおいてドレンの再蒸発によって引き起こされるキャビテーションを防止することができる。

図１は、実施形態に係る廃熱回収装置の概略構成を示す配管系統図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態の廃熱回収装置１は、例えば蒸気システムで蒸気が凝縮して発生した高温のドレンを再蒸発させて再利用し、蒸気の廃熱を回収するものである。図１に示すように、廃熱回収装置１は、再蒸発タンク１０（フラッシュタンクともいう。）と、エゼクタ１３と、ドレン排出系統１５とを備えている。

再蒸発タンク１０は、上下に延びる縦長の密閉容器であり、ドレン流入管１１が接続されている。蒸気システムで蒸気の凝縮により発生した高温のドレンは、ドレン流入管１１を介して再蒸発タンク１０に流入する。ドレン流入管１１は、再蒸発タンク１０の下方に設けられており、再蒸発タンク１０の底部（下面）に接続されている。

再蒸発タンク１０には、蒸気排出管１２を介してエゼクタ１３が接続されている。蒸気排出管１２は、再蒸発タンク１０の上面に接続されている。エゼクタ１３は、蒸気システムにおける蒸気配管１４に設けられている。エゼクタ１３は、蒸気配管１４を流れる蒸気が通過することにより、吸引部１３ａにおいて吸引作用が生じるように構成されている。蒸気排出管１２は、エゼクタ１３の吸引部１３ａに接続されている。再蒸発タンク１０内の上部は、エゼクタ１３（吸引部１３ａ）の吸引作用によって減圧され所定の真空圧状態となる。エゼクタ１３は、本願の請求項に係る吸引機構に相当する。

再蒸発タンク１０では、ドレン流入管１１から流入したドレンが貯留される。ここで、エゼクタ１３の吸引作用が生じていない場合、即ち再蒸発タンク１０内が大気圧状態である場合、再蒸発タンク１０におけるドレンの水面は図１に示す「基準水面（大気圧時）」にある。そして、エゼクタ１３の吸引作用が生じて再蒸発タンク１０内の上部が真空圧状態になると、再蒸発タンク１０におけるドレンの水面は図１に示す「通常水面（真空圧時）」まで引き上げられる。

こうしてドレンの水面が引き上げられた再蒸発タンク１０では、ドレンの水面においてドレンが減圧により再蒸発（フラッシュ）して蒸気（フラッシュ蒸気）となる。こうして、再蒸発タンク１０内は蒸気の気層部１０ａとドレンの液層部１０ｂとに分かれる。

ドレン排出系統１５は、再蒸発タンク１０のドレンを排出するためのものである。ドレン排出系統１５は、加圧タンク１７と、連通管１６と、ドレン排出管１９と、ポンプ２０とを有している。加圧タンク１７は、本願の請求項に係る下流側タンクに相当する。

加圧タンク１７は、上下に延びる縦長の密閉容器であり、大きさおよび形状が再蒸発タンク１０と略同じである。また、加圧タンク１７は再蒸発タンク１０と同じ高さに設けられている。連通管１６は、再蒸発タンク１０と加圧タンク１７とに接続されており、再蒸発タンク１０のドレンが加圧タンク１７に流入するように構成されている。加圧タンク１７の上面には、蒸気排出管１８が接続されており、蒸気排出管１８は蒸気排出管１２の途中に接続されている。つまり、加圧タンク１７内の上部は、エゼクタ１３の吸引部１３ａに連通しており、再蒸発タンク１０と同じ真空圧状態になる。

加圧タンク１７では、再蒸発タンク１０のドレンが連通管１６から流入して貯留され、そのドレンの水面は図１に示す「通常水面（真空圧時）」となる。加圧タンク１７内では、ドレンの水面において一部のドレンは再蒸発して蒸気となる。こうして、加圧タンク１７内は蒸気の気層部１７ａとドレンの液層部１７ｂとに分かれる。連通管１６の両端は、再蒸発タンク１０の液層部１０ｂと加圧タンク１７の液層部１７ｂとに連通している。具体的に、連通管１６の両端は、互いに同じ高さに位置している。つまり、連通管１６の一端（流入端）は、再蒸発タンク１０においてドレン流入管１１の接続位置よりも高い位置に接続され、再蒸発タンク１０における気層部１０ａと液層部１０ｂの界面よりやや下方の位置に連通している。一方、連通管１６の他端（流出端）は加圧タンク１７における気層部１７ａと液層部１７ｂの界面よりやや下方の位置に連通している。

このように、ドレン排出系統１５は、再蒸発タンク１０の液層部１０ｂにおいてドレン流入管１１の接続位置よりも高い位置に接続されている。加圧タンクでは、連通管１６から流入した再蒸発タンク１０のドレンが、加圧タンク１７内の水位の分だけ加圧された状態でドレン排出管１９に流出する。つまり、加圧タンク１７は、再蒸発タンク１０から流入したドレンを、温度は変化させずに加圧して流出させるものである。

加圧タンク１７には、ドレン排出管１９を介してポンプ２０が接続されている。具体的に、ドレン排出管１９は、一端が加圧タンク１７の底部（下面）に接続され、他端がポンプ２０の吸込み側に接続されている。ポンプ２０は、再蒸発タンク１０や加圧タンク１７、ドレン流入管１１よりも下方の位置に設けられている。つまり、ポンプ２０の吸込み側には、基準水面から通常水面までの高さに相当する水頭Ｈ１と、ポンプ２０から基準水面までの高さに相当する水頭Ｈ２とを合わせた水頭（Ｈ１＋Ｈ２）が押込み圧として作用している。加圧タンク１７のドレンは、ドレン排出管１９を介してポンプ２０に吸い込まれる。ポンプ２０に吸い込まれたドレンは、加圧されてドレン圧送管２１からドレン使用箇所に供給される。

〈運転動作〉
上述した廃熱回収装置１の運転動作について説明する。高温（例えば、１００℃）で大気圧状態のドレンが、ドレン流入管１１から再蒸発タンク１０に流入する。再蒸発タンク１０に流入したドレンは、上昇するにつれて減圧され、通常水面まで上昇すると、圧力が気層部１０ａの圧力である所定の真空圧（例えば、−２０ｋＰａＧ）になる。厳密には、ドレンは通常水面まで上昇する間も減圧によって蒸発しその圧力に相当する飽和温度になる。通常水面まで上昇したドレンは、蒸発して真空圧に相当する飽和温度（例えば、９４℃）の蒸気となる。一方、蒸発しきれなかったドレンは、真空圧に相当する飽和温度のドレンのままで存在する。つまり、液層部１０ｂの水面付近のドレンは、ドレン流入管１１から再蒸発タンク１０に流入するドレンよりも、圧力および温度が低い状態となっている。真空圧に相当する飽和温度（９４℃）のドレンは、連通管１６を介して加圧タンク１７に流入する。

加圧タンク１７に流入した真空圧に相当する飽和温度のドレンは、下方にいくにつれてその水位の分だけ加圧されていく。つまり、ドレンの圧力は所定の真空圧から上昇していく。そして、加圧タンク１７において、ドレンが基準水面までくると、そのドレンの圧力は大気圧まで上昇する。このとき、ドレンの温度は真空圧に相当する飽和温度（９４℃）のまま変化しない。したがって、再蒸発タンク１０から加圧タンク１７に流入したドレンは、圧力が大気圧状態まで加圧され、温度が真空圧に相当する飽和温度のままのドレンとなり、ドレン排出管１９に流出してポンプ２０に吸い込まれる。

ポンプ２０に吸い込まれたドレンは、圧力が大気圧状態であり、温度が大気圧に相当する飽和温度（１００℃）よりも低い９４℃であるため、ポンプ２０内でドレンが再蒸発することを確実に防止することができる。したがって、ポンプ２０においてドレンの再蒸発によって引き起こされるキャビテーションを防止することができる。

以上のように、上記実施形態の廃熱回収装置１によれば、ドレン排出系統１５を再蒸発タンク１０の液層部１０ｂにおいてドレン流入管１１の接続位置よりも高い位置に接続するようにした。そのため、ドレン流入管１１から再蒸発タンク１０に流入するドレンよりも、温度および圧力が低いドレンが再蒸発タンク１０からドレン排出系統１５に流出する。そして、上記実施形態の廃熱回収装置１では、ドレン排出系統１５のポンプ２０を再蒸発タンク１０よりも低い位置に設けるようにした。そのため、再蒸発タンク１０から流出したドレンを、温度は変化させることなく圧力だけ大気圧（ドレン流入管１１から再蒸発タンク１０に流入するドレンの圧力）以上に加圧した状態でポンプ２０に吸い込ませることができる。つまり、飽和温度よりも低い温度のドレンをポンプ２０に流入させることができる。これにより、ポンプ２０においてドレンの再蒸発によって引き起こされるキャビテーションを防止することができる。

また、上記実施形態の廃熱回収装置１では、ドレン排出系統１５において再蒸発タンク１０からドレンが流入する加圧タンク１７を備えるようにした。そのため、再蒸発タンク１０から流出したドレンを加圧タンク１７にて確実に貯留させることができる。これにより、加圧タンク１７において、ドレンの挙動を安定させることができ、貯留水位によって確実にドレンを加圧することができる。したがって、上述したキャビテーションをより確実に防止することができる。

また、上記実施形態の廃熱回収装置１では、ドレン流入管１１を再蒸発タンク１０の下面に接続し、連通管１６の一端（即ち、ドレン排出系統１５の一端）を再蒸発タンク１０における気層部１０ａと液層部１０ｂの界面近傍（即ち、再蒸発タンク１０内における水面近傍）に接続するようにした。これにより、再蒸発タンク１０における所定の真空圧に相当する飽和温度のドレン、即ち再蒸発タンク１０において最も低い温度のドレンを再蒸発タンク１０からドレン排出系統１５に流出させることができる。そのため、確実に飽和温度よりも低い温度のドレンをポンプ２０に吸い込ませることができる。

（その他の実施形態）
本願の廃熱回収装置１は、再蒸発タンク１０におけるドレン流入管１１および連通管１６（ドレン排出系統１５）の接続位置は上記実施形態で説明した位置に限られない。例えば、ドレン流入管１１は再蒸発タンク１０の下部側面に接続するようにしてもよいし、連通管１６は液層部１０ｂの中間位置に接続するようにしてもよい。つまり、本願の廃熱回収装置１では、再蒸発タンク１０の液層部１０ｂにおいて連通管１６（ドレン排出系統１５）の接続位置はドレン流入管１１の接続位置よりも高ければよい。

また、上記実施形態のドレン排出系統１５は、連通管１６および加圧タンク１７を省略して、ドレン排出管１９を延長して直接再蒸発タンク１０に接続するようにしてもよい。つまり、本願のドレン排出系統１５では、再蒸発タンク１０とポンプ２０とを通常の配管で接続するようにしてもよい。この場合、再蒸発タンク１０とドレン排出管１９との接続位置は、再蒸発タンク１０とドレン流入管１１との接続位置よりも高い。

また、上記実施形態の廃熱回収装置１では、エゼクタ１３以外の吸引機構を用いるようにしてもよい。

本願に開示の技術は、高温のドレンを再蒸発タンクで再蒸発させて再利用する蒸気の廃熱回収装置について有用である。

１ 廃熱回収装置
１０ 再蒸発タンク
１０ａ 気層部
１０ｂ 液層部
１１ ドレン流入管
１３ エゼクタ（吸引機構）
１５ ドレン排出系統
１６ 連通管
１７ 加圧タンク（下流側タンク）
１９ ドレン排出管
２０ ポンプ

Claims (3)

1. ドレン流入管と、
   上記ドレン流入管が接続され、該ドレン流入管からドレンが流入する再蒸発タンクと、
   上記再蒸発タンクの上部に連通し、吸引作用によって上記再蒸発タンク内を所定の真空圧状態にして上記ドレンを再蒸発させる吸引機構と、
   上記再蒸発タンクよりも低い位置に設けられるポンプを有すると共に、上記再蒸発タンクの液層部において上記ドレン流入管の接続位置よりも高い位置に接続され、上記再蒸発タンクのドレンを上記ポンプによって排出するドレン排出系統とを備えている
   ことを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１に記載の廃熱回収装置において、
   上記ドレン排出系統は、
   下流側タンクと、
   一端が上記再蒸発タンクの液層部において上記ドレン流入管の接続位置よりも高い位置に接続され、他端が上記下流側タンクに接続され、上記再蒸発タンクのドレンが上記下流側タンクに流入する連通管と、
   一端が上記下流側タンクの液層部に接続され、他端が上記ポンプに接続されるドレン排出管とを有している
   ことを特徴とする廃熱回収装置。
3. 請求項２に記載の廃熱回収装置において、
   上記ドレン流入管は、上記再蒸発タンクの下面に接続され、
   上記連通管の一端は、上記再蒸発タンクにおける気層部と液層部の界面近傍に接続されている
   ことを特徴とする廃熱回収装置。

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