JP2020098037A - 蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給水流路を通じて下方循環流路部に空気が混入した場合にも被加熱水の循環効率が低下する事態を防止する。【解決手段】循環流路１２中に水蒸気分離器１０及びヒートポンプ部Ｂの凝縮器２３を設け、水蒸気分離器１０の下方部から凝縮器２３の下方部に至る下方循環流路部１２ａを通じて水蒸気分離器１０の被加熱水を凝縮器２３に供給するとともに、凝縮器２３で生成された蒸気を凝縮器２３の上方部から水蒸気分離器１０の上方部に至る上方循環流路部１２ｂを通じて水蒸気分離器１０に送出する蒸気生成装置であって、下方循環流路部１２ａには、下流に向けて上方に向かう立ち上がり部１２ａＡ１が設けられ、下方循環流路部１２ａにおいて立ち上がり部１２ａＡ１から凝縮器２３に至る間に給水流路３０が接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、循環流路中に貯留部及び加熱部を設け、サーモサイフォン現象を利用して貯留部の被加熱水を加熱部に供給するとともに加熱部で生成された蒸気を貯留部に送出する蒸気生成装置に関するものである。

この種の蒸気生成装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが提供されている。特許文献１に記載された蒸気生成装置では、循環流路中に貯留部として水蒸気分離器が配設され、加熱部としてヒートポンプ部の凝縮器が配設されている。水蒸気分離器の下方部から凝縮器の下方部に至る下方循環流路部には、循環流路中に給水を行う給水流路が接続されている。この蒸気生成装置では、サーモサイフォン現象を利用して水蒸気分離器の被加熱水が凝縮器に供給されることになる。従って、循環ポンプ等の駆動源が不要となる等の利点がある。

特開２０１７−４４３７７号公報

ところで、上述の蒸気生成装置では、給水流路を通じて下方循環流路部に空気が混入すると、気泡となって水蒸気分離器に到達することになる。つまり、下方循環流路部に混入した空気は、サーモサイフォン現象による被加熱水の循環方向とは逆向きに移動して水蒸気分離器に至るため、被加熱水の循環効率が低下し、ひいては蒸気の生成効率に影響を与えるおそれがある。特に、給水流路に過冷却器が設けられている場合、ヒートポンプ部の運転状況によっては過冷却器において被加熱水が沸騰する事態が生じ得るため、上述の問題を如何に解決するかが重要な課題となる。

本発明は、上記実情に鑑みて、給水流路を通じて下方循環流路部に空気が混入した場合にも被加熱水の循環効率が低下する事態を防止することのできる蒸気生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る蒸気生成装置は、循環流路中に貯留部及び加熱部を設け、前記貯留部の下方部から前記加熱部の下方部に至る下方循環流路部を通じて前記貯留部の被加熱水を前記加熱部に供給するとともに、前記加熱部で生成された蒸気を前記加熱部の上方部から前記貯留部の上方部に至る上方循環流路部を通じて前記貯留部に送出する蒸気生成装置であって、前記下方循環流路部には、下流に向けて上方に向かう立ち上がり部が設けられ、前記下方循環流路部において前記立ち上がり部から前記加熱部に至る間に給水流路が接続されていることを特徴とする。

また本発明は、上述した蒸気生成装置において、前記給水流路は前記立ち上がり部の途中となる部位に接続されていることを特徴とする。

また本発明は、上述した蒸気生成装置において、前記下方循環流路部には、前記加熱部との接続部よりも低い位置を通過する下方通過部が設けられ、前記下方通過部の下流端部に前記立ち上がり部が設けられていることを特徴とする。

また本発明は、上述した蒸気生成装置において、前記貯留部は、前記上方循環流路部との接続部よりも上方となる部位に蒸気の送出流路が接続された水蒸気分離器であることを特徴とする。

また本発明は、上述した蒸気生成装置において、蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張機構の間に順次冷媒が循環流通されるヒートポンプ部を備え、前記凝縮器を前記加熱部として被加熱水の加熱を行うことを特徴とする。

また本発明は、上述した蒸気生成装置において、前記ヒートポンプ部は、前記凝縮器と前記膨張機構との間に過冷却器を備え、前記給水流路は前記過冷却器において冷媒との熱交換を行った後の被加熱水を前記下方循環流路部に供給することを特徴とする。

本発明によれば、下方循環流路部において立ち上がり部から加熱部に至る間に給水流路を接続しているため、給水流路を通じて下方循環流路部に空気が混入したとしても、混入した空気が立ち上がり部を超えて下方循環流路部を逆流することがない。従って、被加熱水の循環効率が低下するおそれがなくなり、蒸気の生成効率を維持することができる等の利点がある。

図１は、本発明の実施の形態である蒸気生成装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示した蒸気生成装置の要部構成を模式的に示す図である。 図３は、本発明の変形例である蒸気生成装置の要部構成を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る蒸気生成装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施の形態である蒸気生成装置の構成を示すものである。ここで例示する蒸気生成装置は、排温水流路１を流通する工場排水等の熱源水から排熱を回収し、回収した排熱を利用して蒸気を生成するものである。なお、図１及び図２においては、紙面の下方が重力方向となっている。

図１及び図２に示すように、蒸気生成装置は、蒸気生成部Ａ及びヒートポンプ部Ｂを備えている。蒸気生成部Ａは、蒸気を生成するための被加熱水を流通するもので、水蒸気分離器（貯留部）１０、送出流路１１及び循環流路１２を備えている。水蒸気分離器１０は、鉛直方向に沿った円筒状を成す容器によって構成したものである。送出流路１１は、図示せぬ外部の蒸気利用設備との間を連通するための管路であり、水蒸気分離器１０の上端に接続してある。この送出流路１１には、送出弁１３が設けてある。送出弁１３は、送出流路１１の圧力を調整することのできる圧力調整弁である。循環流路１２は、一端が水蒸気分離器１０の下端に接続し、他端が水蒸気分離器１０の上部周面に接続したものである。

ヒートポンプ部Ｂは、冷媒循環流路２０において冷媒を循環することにより、排温水流路１を流通する熱源水の熱を蒸気生成部Ａの被加熱水に伝達するものである。本実施の形態では、冷媒循環流路２０に蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器（加熱部）２３、過冷却器２４、膨張機構２５を設けてヒートポンプ部Ｂを構成している。蒸発器２１は、排温水流路１において流通される熱源水との間で熱交換を行うことにより、流通する冷媒を蒸発させるものである。圧縮機２２は、蒸発器２１を通過した後の冷媒を圧縮するものである。凝縮器２３は、圧縮機２２から吐出された冷媒と、循環流路１２を流通する被加熱水との間で熱交換を行うものである。過冷却器２４は、凝縮器２３と膨張機構２５との間に設けた熱交換器である。膨張機構２５は、過冷却器２４を通過した後の冷媒を減圧するものである。本実施の形態では、膨張機構２５として、与えられた指令に応じて開度を変更することのできる電子膨張弁を適用している。

図２からも明らかなように、凝縮器２３は、水蒸気分離器１０よりも高さ方向で低位置となる部位に設置してある。より具体的に説明すると、凝縮器２３は、被加熱水の吐出口２３ａが、水蒸気分離器１０に貯留された被加熱水の水位Ｗ１よりも低位置となるように、水蒸気分離器１０との高さ方向の位置が規定された状態で設置してある。これにより、蒸気生成部Ａにおいては、水蒸気分離器１０の水位Ｗ１と、凝縮器２３の水位Ｗ２との間に水位差が形成され、サーモサイフォン現象により、別途循環ポンプを要することなく、水蒸気分離器１０の被加熱水を凝縮器２３に循環させることが可能である。

この蒸気生成装置では、循環流路１２において水蒸気分離器１０から凝縮器２３に至る下方循環流路部１２ａに下方通過部１２ａＡが設けてある。下方通過部１２ａＡは、図２に示すように、下方循環流路部１２ａにおいて下方循環流路部１２ａと凝縮器２３との接続部２３ｂよりも低い位置を通過する部分であり、その下流端部に立ち上がり部１２ａＡ１を有している。立ち上がり部１２ａＡ１は、鉛直上方に向けて延在する部分である。より詳細に説明すると、下方通過部１２ａＡにおいてほぼ水平に延在する部分１２ａＡ２は、立ち上がり部１２ａＡ１に含まれない。立ち上がり部１２ａＡ１は、水平に延在する部分１２ａＡ２よりも上方において鉛直上方に延在する部分である。立ち上がり部１２ａＡ１の上端部は、水平通路部１２ａＡ３を介して接続部２３ｂに接続してある。上記のように構成した下方循環流路部１２ａには、立ち上がり部１２ａＡ１から凝縮器２３の接続部２３ｂまでの間に下流に向けて低くなる部分が設けられていない。

この立ち上がり部１２ａＡ１の途中となる部位は、給水流路３０が接続してある。給水流路３０は、外部の給水源から循環流路１２に被加熱水を供給するものである。図１に示すように、本実施の形態では、ヒートポンプ部Ｂに設けた過冷却器２４において熱交換した後の被加熱水を下方循環流路部１２ａの立ち上がり部１２ａＡ１に供給するように給水流路３０が設けてある。

上記のように構成した蒸気生成装置では、循環流路１２に被加熱水が貯留された状態で圧縮機２２が運転されると、ヒートポンプ部Ｂにおいて高圧の気相冷媒が凝縮器２３に供給され、この気相冷媒と凝縮器２３の被加熱水との間において熱交換が行われる。この結果、被加熱水が加熱されて気液二相となるとともに、気相の冷媒が凝縮されて液相の冷媒となる。加熱された気液二相の被加熱水は、凝縮器２３と水蒸気分離器１０との間の上方循環流路部１２ｂを通じて水蒸気分離器１０に吐出され、水蒸気分離器１０において重力により液相部分と気相部分とに分離される。分離後の液相部分は、水蒸気分離器１０の下方部に貯留され、再び下方循環流路部１２ａを通じて凝縮器２３に供給される。一方、被加熱水から生成された気相部分、つまり蒸気は、水蒸気分離器１０において上方部に貯留された状態となる。従って、送出弁１３を適宜開閉すれば、送出流路１１を通じて蒸気利用設備に蒸気を供給することができる。

凝縮器２３を通過した高圧の液相冷媒は、過冷却器２４を通過する際に給水流路３０を通過する被加熱水との間において熱交換され、さらに膨張機構２５において減圧された後、蒸発器２１に供給される。蒸発器２１に供給された低圧冷媒は、熱源水との間の熱交換により蒸発し、圧縮機２２に供給される。

以降、この蒸気生成装置では、ヒートポンプ部Ｂにおいて冷媒が循環することにより、排温水流路１を流通する熱源水の熱が、蒸気生成部Ａの循環流路１２を流通する被加熱水に伝達され、被加熱水から順次蒸気が生成されることになる。

この間、蒸気生成部Ａの循環流路１２には、給水ポンプ３１の駆動により、過冷却器２４を通過した後の被加熱水が給水流路３０を通じて供給される。ここで、ヒートポンプ部Ｂの運転状況によっては、過冷却器２４において被加熱水が沸騰し、給水流路３０から循環流路１２に供給される被加熱水に気泡が混入している場合がある。また、過冷却器２４において被加熱水が沸騰しない状況であっても、外部の給水源から供給される被加熱水に気泡が混入している場合もある。このため、循環流路１２において循環している被加熱水には、給水流路３０から気泡が混入事態が生じ得る。

しかしながら、上述の蒸気生成装置によれば、下方循環流路部１２ａに立ち上がり部１２ａＡ１を設け、この立ち上がり部１２ａＡ１の途中となる部位に給水流路３０が接続してある。従って、給水流路３０から下方循環流路部１２ａに混入した気泡は、立ち上がり部１２ａＡ１を上方に向けて移動するため、換言すれば、被加熱水の循環方向に対して順方向に移動するため、被加熱水の循環効率が低下するおそれがなくなり、蒸気の生成効率に影響を与えることがない。

なお、上述した実施の形態では、ヒートポンプ部Ｂの凝縮器２３を加熱部としたヒートポンプ式の蒸気生成装置を例示しているが、必ずしもヒートポンプ部Ｂの凝縮器２３を加熱部とする必要はなく、ヒータ等のその他の加熱部を適用することも可能である。また、ヒートポンプ部Ｂを備える蒸気生成装置において上述した実施の形態では過冷却器２４を通過した被加熱水を循環流路１２に供給するようにしているが、必ずしもヒートポンプ部Ｂが過冷却器２４を備えている必要はなく、また給水流路３０が過冷却器２４において熱交換（予熱）する必要もない。さらに、貯留部として液層及び気相が貯留される水蒸気分離器１０を例示しているが、水蒸気分離器１０によって分離した液相を貯留する貯留部が別個に設けられていても構わない。

またさらに、上述した実施の形態では、下方循環流路部１２ａが、下方循環流路部１２ａと凝縮器２３との接続部２３ｂよりも低い位置を通過する下方通過部１２ａＡを有するものを例示しているが、本発明は下方循環流路部１２ａが必ずしも下方通過部１２ａＡを有している必要はない。例えば、図３に示す変形例のように、下方循環流路部１２ａの途中にトラップ流路１２ａＢを設けるようにすれば、下方循環流路部１２ａに下方通過部１２ａＡを設ける必要がなくなる。

すなわち、図３に示す変形例の下方循環流路部１２ａは、水蒸気分離器１０の下端から下方に向けて延在した後、凝縮器２３との接続部２３ｂと略同じ高さでほぼ水平に延在して凝縮器２３に接続してあり、凝縮器２３との接続部２３ｂよりも下方を通過する部分が存在していない。この下方循環流路部１２ａの水平に延在する部分１２ａ１には、鉛直上方に向けて延在する立ち上がり部１２ａＢ１、ほぼ水平に延在する水平部１２ａＢ２及び鉛直下方に向けて延在する立ち下がり部１２ａＢ３を有したトラップ流路１２ａＢが設けてある。トラップ流路１２ａＢの立ち上がり部１２ａＢ１には、途中となる部位に給水流路３０が接続してある。図３においても、紙面の下方が重力方向となっている。また、変形例において実施の形態と同様の構成には同一の符号が付してある。

この変形例の蒸気生成装置によれば、給水流路３０から下方循環流路部１２ａに混入した気泡が、立ち上がり部１２ａＢ１を上方に向けて移動するため、被加熱水の循環効率が低下するおそれがなくなり、蒸気の生成効率に影響を与えることがない。しかも、この変形例によれば、凝縮器２３の接続部２３ｂよりも下方となる部位に下方循環流路部１２ａを設ける必要がないため、サーモサイフォン現象の効率を向上させることができるという利点もある。つまり、蒸気生成装置において凝縮器２３を最下位となる部位に配置することができ、水蒸気分離器１０の水位Ｗ１と、凝縮器２３の水位Ｗ２との間により大きな水位差を確保することがかのうとなるため、サーモサイフォン現象の効率が向上する。なお、この変形例においては、混入した気泡が水平部１２ａＢ２に貯留することになるため、水平部１２ａＢ２に排気弁（図示せず）を設ける等して貯留した気泡を外部に排出するようにしても良い。

なお、上述した実施の形態及び変形例では、立ち上がり部１２ａＡ１，１２ａＢ１の途中となる部位に給水流路３０が接続してあるため、混入した気泡が被加熱水の循環方向に対して順方向に移動し、被加熱水の循環効率が低下する事態を招来することがないが、立ち上がり部１２ａＡ１，１２ａＢ１と加熱部との間であれば、必ずしも立ち上がり部１２ａＡ１，１２ａＢ１の途中となる部位に給水流路３０を接続する必要はない。例えば、図３の変形例に示した下方循環流路部１２ａでは、トラップ流路１２ａＢにおいて水平部１２ａＢ２の途中や立ち下がり部１２ａＢ３の途中となる部位に給水流路３０を接続するようにしても同様の作用効果を奏することが可能である。なお、立ち下がり部１２ａＢ３の途中となる部位に給水流路３０を接続した場合、水平部１２ａＢ２に至るまでの間においては気泡が被加熱水の循環方向に対して逆向きに移動することになる。しかしながら、気泡が逆向きに移動する経路はごく短いものであり、給水流路３０から水蒸気分離器１０までの長い経路を気泡が逆流する事態は防止することができるため、被加熱水の循環効率が大きく損なわれるおそれがなくなる。

また、上述した実施の形態及び変形例では、立ち上がり部１２ａＡ１，１２ａＢ１よりも下流側に立ち上がり部１２ａＡ１，１２ａＢ１よりも高位となる部分が存在しない下方循環流路部１２ａを例示しているが、立ち上がり部よりも下流側にさらに高位となる部分を設けるようにしても構わない。

１０ 水蒸気分離器
１１ 送出流路
１２ 循環流路
１２ａ 下方循環流路部
１２ａＡ 下方通過部
１２ａＡ１ 立ち上がり部
１２ａＢ１ 立ち上がり部
１２ｂ 上方循環流路部
２１ 蒸発器
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２３ｂ 接続部
２４ 過冷却器
２５ 膨張機構
３０ 給水流路
Ｂ ヒートポンプ部

Claims (6)

1. 循環流路中に貯留部及び加熱部を設け、前記貯留部の下方部から前記加熱部の下方部に至る下方循環流路部を通じて前記貯留部の被加熱水を前記加熱部に供給するとともに、前記加熱部で生成された蒸気を前記加熱部の上方部から前記貯留部の上方部に至る上方循環流路部を通じて前記貯留部に送出する蒸気生成装置であって、
   前記下方循環流路部には、下流に向けて上方に向かう立ち上がり部が設けられ、前記下方循環流路部において前記立ち上がり部から前記加熱部に至る間に給水流路が接続されていることを特徴とする蒸気生成装置。
2. 前記給水流路は前記立ち上がり部の途中となる部位に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気生成装置。
3. 前記下方循環流路部には、前記加熱部との接続部よりも低い位置を通過する下方通過部が設けられ、前記下方通過部の下流端部に前記立ち上がり部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気生成装置。
4. 前記貯留部は、前記上方循環流路部との接続部よりも上方となる部位に蒸気の送出流路が接続された水蒸気分離器であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気生成装置。
5. 蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張機構の間に順次冷媒が循環流通されるヒートポンプ部を備え、前記凝縮器を前記加熱部として被加熱水の加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の蒸気生成装置。
6. 前記ヒートポンプ部は、前記凝縮器と前記膨張機構との間に過冷却器を備え、前記給水流路は前記過冷却器において冷媒との熱交換を行った後の被加熱水を前記下方循環流路部に供給することを特徴とする請求項５に記載の蒸気生成装置。

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