JP2018536794A - 高温ヒートポンプによるプロセス蒸気の発生 - Google Patents

高温ヒートポンプによるプロセス蒸気の発生 Download PDF

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Abstract

熱エネルギ供給装置（８）において、流入温度制御流体フロー（９）から結合され、熱キャリア流体回路（４）の熱キャリア流体に伝達される熱エネルギが熱キャリア流体を加熱し、圧縮機又はコンパクタが、この加熱された熱キャリア流体を、熱エネルギ放出装置（６）に入る前に一定の圧力まで加圧し、熱エネルギ放出装置（６）内の熱キャリア流体から結合され、水（１０）、特に、熱エネルギ放出装置（６）の中を流れる給水に伝達される熱エネルギが、水（１０）、特に給水を蒸発させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝達流体回路付き高温ヒートポンプを備えた蒸気発生システムに関し、熱伝達流体回路には、熱エネルギを熱伝達流体回路の熱伝達流体に導く熱エネルギ入力装置と、熱伝達流体回路の熱伝達流体から熱エネルギを取り出す熱エネルギ出力装置と、圧縮機と、膨張機または膨張タービンまたはスロットルまたはスクリュー膨張機とが配置される。
本発明は、さらに、蒸気発生システムを使用する蒸気発生の為の方法に関するが、蒸気発生システムは、熱伝達流体回路付き高温ヒートポンプを備え、熱伝達流体回路には、熱エネルギを熱伝達流体回路の熱伝達流体に導く熱エネルギ入力装置と、熱伝達流体回路の熱伝達流体から熱エネルギを取り出す熱エネルギ出力装置と、圧縮機と、膨張機または膨張タービンまたはスロットルまたはスクリュー膨張機とが配置される。
流体のような輸送可能媒体（例えば、液体、気体）に存在する熱エネルギを現場の近くで利用可能にすることが、しばしば必要になる。しばしば、これが失敗するのは、唯一の媒体、特に、液体またはガス状流体は、著しく高い温度レベルを有し、そのため、その大きさに近い、著しく高い熱エネルギ容量が必要になるからである。それにも拘わらず、利用可能な（残留）熱エネルギを利用可能にするため、残留熱が利用可能である流体は、しばしば、流体の直接加熱によって所望温度レベルまで引き上げられる。
しかしながら、他方で、取り付けられた流体回路を熱伝達媒体回路によって加熱する電動ヒートポンプが知られている。そのため、たとえば、ヒートポンプによって沸点の領域まで水の温度を高めることが知られている。
さらに、流体を所望の温度にするため、ときどき、様々な異なる熱源を利用可能にする必要がある。特に、例えば、工業プロセスから、地域暖房ネットワーク及び廃熱の（残留）熱を利用可能にする必要がある。
そのため、本発明は、局所的な熱、特に、地域暖房ネットワークの熱および／または工業プロセスからの廃熱から、蒸気を発生させることを可能にする解決策を提供することを目的とする。
この目的は、請求項１に記載の蒸気発生システムによって、請求項９に記載の蒸気発生の為の方法によって達成される。
有用な実施形態および有利な更なる本発明の展開は、それぞれの従属請求項の対称である。
冒頭でより詳細に説明した形式の蒸気発生システムにおいて、この目的は、流入する加熱流体蒸気から取り出され、熱伝達流体を加熱する熱エネルギ入力装置内の熱伝達流体回路の熱伝達流体に伝達される熱エネルギと、熱エネルギ出力装置に入る前に、この加熱される熱伝達流体を一定の圧力まで圧縮する圧縮機とによって達成されるが、熱エネルギ出力装置内の熱伝達流体から取り出され、水、特に、熱エネルギ出力装置の中を流れる給水に伝達される熱エネルギは、水、特に給水を蒸発させる。
冒頭でより詳細に説明した形式の方法において、上記目的は、流入する加熱流体上記から取り出され、熱伝達流体回路の熱伝達流体に伝達され、熱エネルギ入力装置内で熱伝達流体を加熱する熱エネルギと、熱エネルギ出力装置に入る前に一定の圧力まで圧縮機によって圧縮される、この加熱された熱伝達流体とによって同様に達成されるが、熱エネルギ出力装置内の熱伝達流体から取り出され、水、特に熱エネルギ出力装置の中を流れる給水に伝達される熱エネルギと共に熱伝達流体の熱エネルギ容量は、水、特に給水を蒸発させるのに十分である。
本発明は、蒸気発生システムを作り、提供し、利用するが、特に工業プロセスで使用されるプロセス蒸気および／または加熱蒸気は、高温ヒートポンプを備える蒸気発生システムによって発生可能であるが、ここで、高温ヒートポンプの熱伝達流体回路に一体化され、蒸発器／ガス冷却器の形式で構成される熱エネルギ出力装置は、蒸気を発生させる。この熱エネルギ出力装置は、特に、電動過熱器および／または少なくとも一つの蒸気圧縮機によって発生される蒸気の流れる方向に追従されるのが好ましい。化石燃料または電力を利用する慣例的な蒸気発生システムとは対照的に、蒸気発生の為に、本発明の蒸気発生システムおよび本発明の方法は、電力、局所的に利用化膿な熱、地域暖房ネットワークからの熱、例えば工業プロセスからの廃熱のような様々なエネルギ源を利用できる。高温ヒートポンプは、熱伝達流体回路に熱エネルギを導入する熱エネルギ入力装置によって、流入側に設けられる熱エネルギ又は熱源の温度を、蒸発器（熱エネルギ出力装置）内の低圧蒸気製造に適した温度まで上げる為に使用される。高温ヒートポンプの熱伝達流体回路の熱伝達流体又は動作媒体は、ＣＯ2によって形成されるのが好ましいが、アンモニア（ＮＨ3）も使用可能である。蒸発器内の低圧蒸気の形成後、この蒸気は、設けられた電気過熱によって、特に、設けられた少なくとも一つの蒸気圧縮機によって、所望の蒸気圧まで圧縮される。これは、中間冷却、好ましくは、吹出冷却を伴う蒸気の多段圧縮の形式で生じ、圧縮蒸気が所望の温度を有することが確保されるのが好ましい。これは、蒸気が、後に、工業プロセス内でプロセス蒸気として使用されるとき、特に重要である。
発生された蒸気をプロセス蒸気としての使用において有利にするため、本発明は、更なる実施形態において、少なくとも一つの、発生された蒸気の流れる方向において、熱エネルギ出力装置の下流に配置される特に電動過熱器および／または蒸気加圧蒸気圧縮機を備える。
蒸気圧縮機および過熱器の組み合わせも本書では可能であり、本発明は、発生された蒸気の流れる方向において、少なくとも一つの蒸気圧縮機の下流に配置される過熱器を更に備える。
蒸気圧縮機を、特に、水の噴射による中間冷却を伴う多段圧縮機にすることは有利である。更なる実施形態において、本発明は、少なくとも一つの蒸気圧縮機が、特に、好ましくは吹出冷却を備えた中間冷却を伴う蒸気の多段圧縮を有することも特徴とする。
本発明の特に有用かつ有利な実施形態において、熱伝達流体回路の圧縮機、発生される蒸気の蒸気圧を高める圧縮機の少なくとも一部と、熱伝達流体回路の膨張機とが、ギヤシステムで配置される。このギヤシステムがブルギヤシステムとして構成されることが有利であり、その理由から、本発明は、ブルギヤシステムとして構成され、好ましくは単一モータによって駆動されるギヤシステムを更に備える。ギヤシステム上の膨張機および様々な圧縮機の本発明による配置のため、これらの要素を駆動する為に物理的に単一のユニットを備えることが可能である。このユニットは、その時、たった一つのモータによって更に駆動可能である。各々が圧縮機を駆動し、又は、膨張機によって駆動される全ての駆動輪が、遊星歯車システムに幾分類似し、ブルギヤシステムの場合のように、太陽歯車の周りに配置されるとき、各々が駆動輪に配置され、一つの駆動輪に割り当てられる様々な要素またはコンポーネント（熱伝達流体回路の圧縮機、発生された蒸気の蒸気圧を高める圧縮機、熱伝達流体回路の膨張機）は、たとえ、それらが、たった一つのモータに任意で結合されるにも拘わらず、異なる回転速度で駆動または操作可能である。
熱伝達流体回路における好ましい熱伝達流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）であるが、アンモニア（ＮＨ3）も使用可能であり、この理由から、本発明は、熱伝達流体が二酸化炭素（ＣＯ2）又はアンモニア（ＮＨ3）であることを特徴とする。
有利な方法で必要な熱入力および熱出力を実現するため、熱エネルギ出力装置および熱エネルギ入力装置を熱交換器として構成することが有用である。そのため、本発明は、熱交換器、特に、液体／気体熱交換器として構成される熱エネルギ入力装置、および／または、熱交換器、特に、蒸気／ガス冷却器として構成される熱エネルギ出力装置を更に備える。
本発明に従って提供されるような蒸気を発生できるようにするため、本発明の方法の実施形態によると、熱伝達流体が二酸化炭素（ＣＯ2）であり、熱エネルギ出力装置に入る前に１９０℃以上の温度で１９０バール以上の圧力まで圧縮されることが有利である。
同様に、本発明が方法の実施形態において同様に提供する有利な方法において、熱伝達流体がアンモニア（ＮＨ3）であり、熱エネルギ出力装置（６）に入る前に１６０℃以上の温度で８０バール以上の圧力まで圧縮されることも可能である。
本発明の更なる実施形態において、発生された蒸気が、プロセス蒸気として使用するのに必要な圧力および温度レベルにされることが有利である。そのため、本発明は、熱エネルギ出力装置内で発生される蒸気が、少なくとも一つの蒸気加圧蒸気圧縮機および／または特に電動過熱器であって、蒸気の流れる方向において熱エネルギ出力装置の下流に配置されるものに導入されることを更に特徴とする。
最後に、異なる装置を使用して、所望のレベルに従い、所望のプロセス蒸気圧および温度レベルを達成することが有利である。そのため、本発明は、最終的に、過熱器内で１〜５バールの範囲内の圧力にされるように熱エネルギ出力装置内で発生される蒸気と、蒸気加圧用蒸気圧縮機内で２〜２０バールの範囲の圧力にされるように熱エネルギ出力装置内で発生される蒸気とを提供する。
以下、図面を参照して、実施例で本発明を説明する。
図１は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する本発明に従う蒸気発生システムの第１実施例の概略プロセスフローダイアグラムを示す。 図２は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する本発明に従う蒸気発生システムの第２実施例の概略プロセスフローダイアグラムを示す。 図３は、蒸気発生の為に本発明の方法を使用するときの種々の蒸気パラメータのＣＯＰ曲線を示す。 図４は、使用される具体的なプロセスパラメータを持つ図１の実施形態を示す。 図５は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する本発明に従う蒸気発生システムの第３実施例の概略プロセスフローダイアグラムを示す。 図６は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する本発明に従う蒸気発生システムの第４実施例の概略プロセスフローダイアグラムを示す。 図７は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する蒸気発生システムにブルギヤシステムを一体化する概略図を示す。 図８は、熱伝達流体としてＣＯ2を使用する第５実施例において、本発明に従う蒸気発生システムを使用する概略図を示す。 図９は、熱伝達流体としてアンモニアを使用する第６実施例において、本発明に従う蒸気発生システムを使用する概略図を示す。
詳細な説明
全体的に記載された蒸気発生システムの重要コンポーネント及び蒸気発生の為の方法の重要コンポーネントは、高温ヒートポンプ１であり、実施例によると、これは、ＣＯ2またはＮＨ3を作動媒体及び熱伝達流体として利用する。圧縮蒸気の発生のため、図１に従う実施形態における蒸気圧縮機２および図２に従う実施形態における過熱器３は、比較的高圧で圧縮蒸気を発生させる為に蒸気発生システムの本質的な構成要素である。慣例的な熱伝達流体と比較すると、ＣＯ2は、環境に対する影響は少ない。
最高及び高温側で１００℃、低温側で３０℃未満の温度で動作する慣例的なヒートポンプと比較すると、１９０℃以上、好ましくは２２０℃以上、最高で２６０℃の温度が、本書で使用される高温ヒートポンプを使用して高温側で発生可能である。低温側では、１１０℃〜１８０℃の範囲の入口温度が、高温ポンプ１を用いて使用可能である。
高温ヒートポンプ１は、熱伝達流体回路４を有し、熱伝達流体回路４において、熱伝達流体としてＣＯ2を用い、熱伝達リュ津合いの流れ方向において、連続して、圧縮機５，熱エネルギ出力装置６，膨張タービン又は膨張機７，熱エネルギ入力装置８が配置される。
熱伝達流体回路４の区域IVから区域Iまで移るとき、１１０℃から１８０℃の温度を有する流入流体ストリーム９は、熱伝達流体回路４に組み込まれた熱エネルギ入力装置８内で４５℃から７０℃の温度まで冷却される。流入流体ストリーム９は、例えば、特に、地域暖房用流体であるので、熱エネルギ入力装置８は、地域暖房用直交流式熱交換器と呼べる。熱エネルギ入力装置８において、流体ストリーム９の冷却によって得られた熱エネルギは、熱伝達流体回路４のＣＯ2熱伝達流体に伝達される。流体ストリーム９の温度及びピンチ温度、例えば、１０Ｋによると、可能なＣＯ2の最低温度は１００℃（熱伝達流体）であり、ＣＯ2の最高温度は１３０℃（熱伝達流体）である。１３０℃に対する限度は、熱伝達流体回路４の区域ＩＶにおける膨張ステップ後、熱伝達流体のサーマル二酸化炭素特性の限度によるものであり、これによって決定される。
熱伝達流体回路４の区域Ｉから区域ＩＩにおいて、熱伝達流阿智は、圧縮機５の中を流れ、この圧縮機５によって、図１に従う実施例では１９０バールを超える圧力まで、図２に従う実施例では２００バールまで圧縮される。これは、対応する温度増加に関連するものであり、熱伝達流体回路４の区域ＩＩにおけるＣＯ2熱伝達流体は、２２０℃の２００バールにおける実施例において、１９０℃以上の温度を有する。５０−１１０バールから１９０バールを超える圧力までの圧縮を達成するため、０．５から５０ＭＷの範囲の機械動力が圧縮機５に加えられなければならない。プロセスによるが、これは、導入された電気エネルギによって部分的に加えることができる。
ＣＯ2熱伝達流体の流れる方向において、熱エネルギ出力装置６は、区域ＩＩから区域ＩＩＩまでの熱伝達流体回路４に配置され、熱伝達流体回路４に一体化される。熱エネルギ出力装置６は、直交流式熱交換器として、実施例においては直交流式蒸発器として、同様に構成される。淡水、プロセスによって必要であれば給水も導入される熱エネルギ出力装置６において、いずれの場合でも、水１０は、飽和蒸気１１を与えるように蒸発される。水１０の流れる方向において熱エネルギ出力装置６の上流には、２０℃の温度で１バールの圧力を有する淡水として実施例で導入される水１０は、蒸気圧または飽和蒸気圧にされ、直交流式予熱機として構成される任意の熱交換器１２内で蒸発温度まで予熱される。熱エネルギ出力装置６において、水１０は、その後、飽和蒸気１１を形成する為に蒸発される。熱エネルギ出力装置６において、それぞれの圧力において、熱伝達流体回路４の熱伝達流体に存在する熱エネルギは、熱伝達流体から少なくとも部分的に取り出され、水１０から構成される流入流体ストリームに伝達される。そのため、圧縮機５は、熱エネルギ出力装置６に入る前に熱エネルギ入力装置８内で加熱された、熱伝達流体回路４の熱伝達流体を一定の圧力まで圧縮するので、熱エネルギ出力装置６内の熱伝達流体から取り出され水１０に伝達された熱エネルギは、熱エネルギ出力装置６の中を流れる水１０を蒸発させ、熱伝達流体は、このために必要な温度を有する。
熱エネルギ出力装置６内で形成された飽和蒸気１１は、その後、図１に従う実施形態において、蒸気圧縮機２に送られ、２−２０バールの圧力まで圧縮される。蒸気圧縮機２は、一段圧縮機でもよい。しかしながら、蒸気圧縮機２は、水噴射１３による中間冷却を伴う多段蒸気圧縮機２ａ、２ｂとして構成されるのが好ましい。この場合、蒸気圧縮機２ａ、２ｂは、吹出冷却（水噴射１３）を伴う蒸気１１の多段圧縮を有するのが好ましい。図２に従う実施形態において、熱エネルギ出力装置６内で発生される飽和蒸気１１は、電気過熱器３によって１−５バールの蒸気圧にされる。
熱エネルギ出力装置６の中を流れた後、熱伝達流体は、続けて高い温度及び圧力レベルを有する。この熱エネルギを回復させ、再び熱伝達又は熱交換に適した温度レベルを達成するため、熱伝達流体回路４内の熱伝達流体は、その後、膨張タービン又は膨張機７を経て区域ＩＩＩから区域ＩＶに送られる。このＣＯ2膨張タービン７又はこのＣＯ2膨張機は、点線の矢印４によって示されるように、同時に圧縮機５を駆動する為に利用される。これが、圧縮機５を駆動する為に電気モータ１５，２０によって電気的に供給されなければならない機械的エネルギ又は機械動力の消費を著しく減少させる。熱エネルギ入力装置８における熱伝達流体（本書ではＣＯ2熱伝達流体）の特性、特に、その温度は、熱伝達流体の熱循環温度の達成可能性にとって重要である。１０Ｋというピンチ温度において、熱伝達流体の最低の熱エネルギ外部伝達温度は、４５℃から７０℃である。
図１及び図２の２つの実施形態間の差異は、蒸気圧範囲の形成にある。蒸気圧縮機２を備えた図１に従う変形例は、５バールを超える比較的高い望ましい蒸気圧の為に主に使用されるが、過熱器３を備えた図２に従う実施形態は、５バール以下の蒸気圧の為に主に使用される。しかしながら、蒸気１１の流れる方向において下流に配置された過熱器３と蒸気圧縮機２の組み合わせが可能でさえも、両方の変形例は全ての圧力で用いることができるといえる。
図３は、図１に従う実施形態の為の蒸気パラメータにおいて、変形例の為の全体の蒸気発生装置または全体の蒸気発生システムのＣＯＰ値（Coefficient Of Performanceor performance index：成績係数または成績指数）の変化を示す。ＣＯＰ値は、高温ヒートポンプ１のような機械的ヒートポンプの場合に用いられる電力に対して生み出される冷熱パワーの比を示す。図４は、図１の実施形態による本発明に従う蒸気発生システム１７の動作を示すが、これは、図３の表に示されるパラメータを使用して実行され、１３０℃の温度と７．４ｋｇ／ｓの質量流量を有する（地域暖房用）流体であり流体ストリーム９として熱エネルギ入力装置８に送られる熱源を持つ。本書では、６バール及び１７０℃のプロセス蒸気が発生される。それぞれの媒体の温度および圧力は、対応する媒体を導く導管において図４に示される。流体ストリーム９を供給する発電所の０．１２４の電力損失係数において、２．２９９のＣＯＰtotalが達成されることが分かる。
熱伝達流体として二酸化炭素を運ぶ熱伝達流体回路４は、二酸化炭素源１６に接続され、これを経て、ＣＯ2が、熱伝達流体として熱伝達流体回路４に導入可能である。
熱源、すなわち、導管または、中に送られる流体ストリーム９を通って導入される高温流体は、理論的には、どんな形式でも可能である。
高温の工業用（廃）水、地域暖房用水、工業蒸気加熱又は地熱高温水または廃熱であって、水から水素（Ｈ2）を生成する為の電気分解から６０℃〜９０℃の温度を有するものでもよい。理論的に、高温ヒートポンプ１で使用する為に考えられる全てが問題になる。
図４に示され、１７によって全体が図示される蒸気発生システムの、地域暖房用ネットワークへの一体化も、図４で蒸気発生システム１７の場合に使用される同一の蒸気パラメータを用いて図５に示される。さらに、熱エネルギ出力装置６が２つの熱交換器６ａ、６ｂを備えることが示される。さらに、蒸気圧縮機２は、複数の圧縮段２ａ、２ｂを備える蒸気圧縮機として構成される。
この例において、熱交換器１２は、流入水１０、特に、給水を加熱するが、同様に、熱源「地域暖房用ネットワーク」に接続される。これは、前述された任意の熱源に接続可能である。さらに、この実施例において、スロットル７ｂは、熱伝達流体回路４の熱伝達流体の流れる方向において、膨張機７の下流に配置される。
図６は、本発明に従う蒸気発生システム１７の更なる代替実施例を示し、これは、ガスタービン１８から排出ガスが供給される廃熱蒸気発生器１９の水／蒸気回路に一体化されている。図６による廃熱蒸気発生器１９は、実施例において、同様に、地域暖房用ネットワークに一体化されている。図６に示される実施例において、総燃料利用率は、８０％以上のレベルの高いＣＨＰ（Combined Heat and Power：熱電併給）になっており、最高１００ｋｍの長距離を越える熱移動が可能であり、これは、通常、そこで生じる配管内蒸気圧力降下のため、慣例的蒸気導管では不可能である。そのような慣例的な蒸気供給ネットワークにおいて、経済的理由から、最高で１−２ｋｍが最大可能距離である。
図７に示される実施形態が他の実施形態と主に異なる点は、この場合において、圧縮機５および熱伝達流体回路４の膨張タービンと、多段蒸気圧縮機２の蒸気圧縮機２ａ、２ｂの両方が、ブルギヤシステム２１による単一モータ２０によって駆動され、膨張機７がこれを駆動可能である点である。ブルギヤシステムにおいて、全ての駆動輪は、遊星歯車システムに類似した方法で、太陽歯車の周りに配置される。これは、様々な駆動輪による異なる回転速度で駆動されること又は動作することを可能にするので、たとえば、これら全ての要素またはコンポーネントアセンブリがたった一つのモータ２０に結合されるにも拘わらず、圧縮機５および２つの蒸気圧縮機２ａ、２ｂは、一つのモータ２０によって異なる回転速度で駆動可能になり、膨張機７は、駆動力を供給可能になる。ここで、駆動装置を与える膨張機７は、適切に駆動力を供給できる。
本発明に従う蒸気発生、すなわち、蒸気発生システム１７の使用および蒸気発生の為の本発明の方法は、比較的非効率および／または高価な、分散化された、比較的小規模の熱電併給ステーションを避けることができ、既存の大規模プラントの使用を支援することができ、さらに／または、多くの再生可能なエネルギ、特に、再生可能なエネルギ源から導かれる電力の使用を可能にし、その結果、分散化された用途におけるガス消費の増加が避けられる。再生可能なエネルギ源から得られた電力または化石燃料を燃料とする大型プラントから得られた電力を用いた高温ヒートポンプの組み合わせは、分散化された、そのような高い環境的基準を満たさない燃料ベースの熱電併給プラントの動作より経済的であり、環境にやさしい。
高温水貯蔵装置を備えた「熱に対する電力」の組み合わせ、例えば、電気抵抗加熱または過剰な熱／過剰な電気により熱電併給プラントから得られた温水において、蒸気発生システムの発明に従う構成は、比較的大量の過剰電気または過剰電力が、例えば、高温ヒートポンプに近い分散化された貯蔵装置または熱ネットワークの発熱に近く配置された集中化貯蔵装置によって、貯蔵されることを可能にする。このように、電気グリッドが柔軟性を伴って提供可能であり、同時に、蒸気消費者または熱消費者の要求は、依然として満足される。貯蔵効率は、この場合、蒸気または熱エネルギに基づき１００％に近い。このシステムは、今まで熱貯蔵の為に存在していたが、蒸気製造の為に、そのような貯蔵装置を使用することは、熱電併給ネットワークまたは熱電併給ステーションの動作の貴重なモードおよび有用な用途に相当する。
さらに、任意のソースからの低温廃熱を同時に利用できる可能性と、全エネルギ効率を高める可能性がある。これは、たとえば、一体化された化学プラントで可能であり、そのような廃熱ストリームの破棄またはそのような熱ストリームを環境に又は冷却塔に破棄することを避ける。さらに、同一の熱出力を維持しながら、再生可能なエネルギ源からの電力又は電気の利用可能性の関数として、又は、現行の優勢市場価格の関数として、既存の発電所の最小電気負荷を柔軟に低下させることができる。
特に、本発明の蒸気発生システム及び蒸気発生の為の本発明の方法も、高温水熱貯蔵装置またはルース（Ruths）蒸気アキュムレータと組み合わせて使用可能であり、また、高温流体蒸気９が提供される場所からの分散化蒸気利用とともに地熱ネットワークおよび地域暖房用ネットワークで実施可能である。
有利な実施は、同様に、凝縮液からの熱の回収の為の化学プラントのリボイラ２２と共に、本発明の蒸気発生システム１７および蒸気発生の為の本発明の方法の利用である。そのような使用が図８に示されている。リボイラ２２において、熱エネルギが、飽和蒸気１１から伝達されるが、これは、比較的高圧で加熱リアクタ２３の流体に導入される。リボイラ２２において、飽和蒸気１１は、凝縮液を形成し、これは、その後、導管２４を経て、流体ストリーム９として、高温ヒートポンプ１に運ばれる。ここで、飽和蒸気１１は、過熱器３を使用して、前述した方法で発生され、この蒸気１１は、その後、リボイラ２２に戻される。そのため、凝縮液の逆戻りは、化学工業及び地熱操作において、有用な熱源を形成する。
したがって、本発明の蒸気発生システム１７及び蒸気発生の為の本発明の方法は、プロセス蒸気を地域暖房および電力（ここでは、例えば、再生エネルギからの電力）から発生させる。同様に、たとえば、化学処理において、又は、製鉄工場処理において、形成される工業廃熱からプロセス蒸気を発生させることも可能である。地域暖房ネットワークにおいて、例えば、ルール地域の地域暖房ネットワークにおいて、本発明の蒸気発生システム１７および蒸気発生の為の本発明の方法は、中規模サイズの産業（例えば、ヨーグルト工場、病院）において蒸気を発生させる為に用いることができる。
たとえ上記実施例が、熱伝達流体回路４の熱伝達流体としてのＣＯ2に基づくとしても、アンモニア（ＮＨ3）は同様に使用可能であるが、その場合、図９から分かるように、膨張機７の代わりにスロットル７ａが熱伝達流体回路に配置される。
そのような例が図９に示されている。熱源として、ここでは、前述された同一の熱源を、図１から図８の実施例と組み合わせて使用することが可能である。そこで示された組み合わせ又は使用は、図９の実施形態に対し、同様に可能である。
図９の実施例は、まず、アンモニア回路が示されている点で異なるが、アンモニア回路では、熱伝達流体回路４に配置された圧縮機５によって、アンモニアが８０バール以上の圧力に圧縮され、１６０℃以上に加熱される。このアンモニア熱伝達流体は、その後、熱エネルギ出力装置６に導入されるが、熱エネルギ出力装置６は、２つの熱交換器６ａ、６ｂから成り、そこで、送られる水１０は、新たな蒸気１１を与える為に蒸発される。熱エネルギ出力装置６の下流で、熱伝達流体は、９４℃の温度、８６バールの圧力を有し、これは、熱伝達流体が熱エネルギ出力装置の入口側で既に有する圧力でもある。その後、熱伝達流体は、スロットル７ａ又は代わりのスクリュー膨張機（図示せず）の中を流れ、７５℃において３７バールの圧力まで減圧される。この熱伝達流体は、その後、熱エネルギ入力装置８まで流れ、ここで、熱源（高温流体ストリーム９）からの熱伝達によって小量の熱を取り上げるが、中を流れた後、熱エネルギ入力装置は、依然として、３７バールの圧力において７５℃の温度を本質的に有する。流入する高温流体ストリーム９（熱源）、例えば、高温水は、９５℃の温度を持つ実施例において、熱エネルギ入力装置に流れ、この装置に８０℃の温度で残る。
熱エネルギ出力装置６内に形成される蒸気は、その後、多段蒸気圧縮機２ａ−２ｄに送られ、そこで、蒸気１１は、７バール、１７５℃の温度のプロセス蒸気を与える為に最初の３段２ａ−２ｃで圧縮される。導入された噴射水２５による吹出冷却は、各々の場合、個々の圧縮機段の間に配置される。このプロセス蒸気は、その後、圧縮段２ｃの下流に、更なる圧縮段２ｄに運ばれるが、このプロセス蒸気には、圧縮段２ｃから圧縮段２ｄの途中で、補助の蒸気噴射２６を経て、７バールの圧力、１７４℃の温度を有する蒸気が加えられる。その後、この混合されたプロセス蒸気は、１５バールの圧力、２０８℃の温度を有するプロセス蒸気を与える為に、最後の圧縮段２ｄで圧縮される。
さらに、蒸気発生システム１７の為の全ての実施例において、それぞれの高温ヒートポンプ１が、水として蒸気発生システム１７に導入される関連付けられた蒸気原動所の水／蒸気回路から生じる給水によって関連付けられた蒸気原動所の水／蒸気回路に一体化されることも可能である。

Claims (13)

  1. 熱伝達流体回路（４）付き高温ヒートポンプ（１）を備えた蒸気発生システム（１７）であって、
    前記熱伝達流体回路（４）の前記熱伝達流体に熱エネルギを導入する熱エネルギ入力装置（８）、前記熱伝達流体回路（４）の前記熱伝達流体から熱エネルギを取り出す熱エネルギ出力装置（６）、圧縮機（５）及び膨張機（７）又は膨張タービン又はスロットル（７ａ）又はスクリュー膨張機が配置され、流入する加熱流体ストリーム（９）から取り出され、前記熱伝達流体回路（４）の熱伝達流体に伝達される熱エネルギは、前記熱エネルギ入力装置（８）内で前記熱伝達流体を加熱し、前記圧縮機（５）は、この加熱された熱伝達流体を、前記熱エネルギ出力装置（６）に入る前に一定の圧力まで圧縮し、前記熱エネルギ出力装置（６）内の前記熱伝達流体から取り出され、水（１０）、特に前記熱エネルギ出力装置（６）の中を流れる給水に伝達される熱エネルギは、前記水（１０）、特に給水を蒸発させる、蒸気発生システム（１７）。
  2. 少なくとも一つの蒸気加圧用蒸気圧縮機（２；２ａ、２ｂ；２ａ−２ｄ）および／または特に電動過熱器（３）が、発生される蒸気（１１）の前記流れる方向において、前記熱エネルギ出力装置（６）の下流に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸気発生システム（１７）。
  3. 前記過熱器（３）は、発生される前記蒸気（１１）の前記流れる方向において、前記少なくとも一つの蒸気圧縮機（２；２ａ、２ｂ；２ａ−２ｄ）の下流に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の蒸気発生システム（１７）。
  4. 少なくとも一つの蒸気圧縮機（２）は、前記蒸気（１１）の複数段の圧縮（２ａ、２ｂ；２ａ−２ｄ）、特に、好ましくは吹出冷却部を備えた中間冷却部（１３）を有することを特徴とする、請求項２または３に記載の蒸気発生システム（１７）。
  5. 前記熱伝達流体回路（４）、発生される蒸気（１１）の前記蒸気圧を高める前記圧縮機（２，２ａ、２ｂ）の少なくとも一部、前記熱伝達流体回路（４）の前記膨張機（７）は、ギヤシステム（２１）に配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気発生システム（１７）。
  6. 前記ギヤシステム（２１）は、ブルギヤシステムとして構成され、好ましくは、単一モータ（２０）によって駆動されることを特徴とする、請求項５に記載の蒸気発生システム（１７）。
  7. 前記熱伝達流体回路（４）の前記熱伝達流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）またはアンモニア（ＮＨ3）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蒸気発生システム（１７）。
  8. 前記熱エネルギ入力装置（８）は、熱交換器、特に、液体／気体熱交換器として構成され、さらに／または、前記熱エネルギ出力装置（６）は、熱交換器、特に、蒸発器／ガス冷却器として構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸気発生システム（１７）。
  9. 熱伝達流体回路（４）付きヒートポンプ（１）を備えた蒸気発生システム（１７）を使用する蒸気発生の為の方法であって、
    熱エネルギを前記熱伝達流体回路（４）の前記熱伝達流体に導入する熱エネルギ入力装置（８）、前記熱伝達流体回路（４）の前記熱伝達流体から熱エネルギを取り出す熱エネルギ出力装置（６）、圧縮機（５）及び膨張機（７）又は膨張タービン又はスロットル（７ａ）又はスクリュー膨張機が配置され、熱エネルギは、流入する加熱流体ストリーム（９）から取り出され、前記熱伝達流体回路（４）の熱伝達流体に伝達され、前記熱エネルギ入力装置（８）内で前記熱伝達流体を加熱し、この加熱された熱伝達流体が、前記熱エネルギ出力装置（８）に入る前に前記圧縮機（５）によって一定圧力まで圧縮され、前記熱エネルギ出力装置（６）内の前記熱伝達流体から取り出され、水（１０）、特に、前記熱エネルギ出力装置（６）の中を流れる給水に伝達される熱エネルギと共に前記熱伝達流体の熱エネルギ容量は、前記水（１０）、特に給水を蒸発させるのに十分である、方法。
  10. 前記熱伝達流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）であり、前記熱エネルギ出力装置（６）に入る前に、１９０℃以上の温度で１９０バール以上の圧力まで圧縮されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  11. 前記熱伝達流体は、アンモニア（ＮＨ3）であり、前記熱エネルギ出力装置（６）に入る前に、１６０℃以上の温度で８０バール以上の圧力まで圧縮されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  12. 前記熱エネルギ出力装置（６）内で発生される蒸気（１１）は、少なくとも一つの蒸気加圧用蒸気圧縮機（２；２ａ、２ｂ；２ａ−２ｄ）及び／又は特に電動過熱器（３）に導入され、これらは、前記蒸気の前記流れる方向において、前記熱エネルギ出力装置（６）の下流に配置されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記熱エネルギ出力装置（６）内で発生される前記蒸気は、前記過熱器（３）内で１〜５バールの範囲内の圧力にされ、更に／又は、
    前記熱エネルギ出力装置（６）内で発生された前記蒸気は、前記蒸気加圧用蒸気圧縮機（２；２ａ、２ｂ；２ａ−２ｄ）内で２〜２０バールの範囲内の圧力にされることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
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