JP4853125B2 - Steam generation system - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気発生システムに関する。 The present invention relates to a steam generation system.
蒸気発生システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱媒体を加熱する構成が一般的に知られている(例えば、特許文献1参照)。
ボイラのエネルギー効率は一般に約0.8(80%)である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気発生システムに関して、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。 The energy efficiency of the boiler is generally about 0.8 (80%). With increasing awareness of environmental issues, further improvements in energy efficiency are desired for steam generation systems.
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高い蒸気発生システムを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, and aims at providing a steam generation system with high energy efficiency.
本発明の蒸気発生システムは、作動媒体が流れるヒートポンプと、被加熱媒体が流れる供給経路でありかつ前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記被加熱媒体が蒸発する複数の蒸発管を有する前記供給経路と、を備えることを特徴とする。 The steam generation system of the present invention is a heat pump through which a working medium flows, a supply path through which a medium to be heated flows, and the supply path having a plurality of evaporation pipes through which the medium to be heated evaporates by heat transfer from the heat pump; It is characterized by providing.
この蒸気発生システムによれば、ヒートポンプを用いることにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率が得られる。また、この蒸気発生システムにおいて、供給経路が複数の蒸発管を有するから、被加熱媒体の蒸発プロセスの制御性の向上が図られる。 According to this steam generation system, high energy efficiency can be obtained by using a heat pump as compared with a boiler. In this steam generation system, since the supply path has a plurality of evaporation pipes, the controllability of the evaporation process of the heated medium can be improved.
この蒸気発生システムにおいて、前記供給経路は、前記被加熱媒体を貯溜しかつ前記複数の蒸発管に流体的に接続されるタンクを有する構成にできる。 In this steam generation system, the supply path may have a tank that stores the medium to be heated and is fluidly connected to the plurality of evaporation pipes.
この場合、前記タンクは、前記複数の蒸発管に対応する複数の個別タンクを有する構成にできる。 In this case, the tank may have a plurality of individual tanks corresponding to the plurality of evaporation pipes.
この蒸気発生システムにおいて、前記供給経路は、前記複数の蒸発管の各々における前記被加熱媒体の流量を制御する流量制御手段を有する構成にできる。 In this steam generation system, the supply path may have a flow rate control unit that controls the flow rate of the heated medium in each of the plurality of evaporation pipes.
この蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記複数の蒸発管に対応する複数の放熱部を有する構成にできる。 In this steam generation system, the heat pump may have a plurality of heat radiation portions corresponding to the plurality of evaporation tubes.
この蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記作動媒体を多段に圧縮する構造を有する構成にできる。 In this steam generation system, the heat pump may have a structure that compresses the working medium in multiple stages.
この蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記被加熱媒体の前記複数の蒸発管への流入前に、前記被加熱媒体を加温する加温用放熱部を有する構成にできる。 In this steam generation system, the heat pump can be configured to have a heating heat dissipation unit that heats the heated medium before the heated medium flows into the plurality of evaporation tubes.
この蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記作動媒体の圧縮前に、前記作動媒体を予熱する再生器を有する構成にできる。 In this steam generation system, the heat pump may include a regenerator that preheats the working medium before the working medium is compressed.
この蒸気発生システムにおいて、前記複数の蒸発管の内部圧力が大気圧に比べて低いのが好ましい。 In this steam generation system, it is preferable that the internal pressure of the plurality of evaporation pipes is lower than the atmospheric pressure.
この蒸気発生システムにおいて、前記供給経路上における前記複数の蒸発管の下流位置に配置され、前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機をさらに備えることができる。 The steam generation system may further include a compressor that is disposed at a downstream position of the plurality of evaporation pipes on the supply path and compresses the heated medium.
この場合、前記蒸発管内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプからの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となるようにできる。 In this case, the medium to be heated in the evaporation pipe becomes steam at a relatively low pressure and low temperature by heat transfer from the heat pump, and becomes steam at a relatively high pressure and temperature by compression by the compressor. it can.
この蒸気発生システムにおいて、前記被加熱媒体の蒸気に対して液状の前記被加熱媒体を供給するノズルをさらに備えることができる。 The steam generation system may further include a nozzle that supplies the liquid medium to be heated to the vapor of the medium to be heated.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。図1において、蒸気発生システムS1は、ヒートポンプ10と、被加熱媒体(水)の供給経路20と、圧縮機30とを備える。蒸気発生システムS1の構成は、蒸気発生システムS1の設計要求に応じて様々に変更可能である。
FIG. 1 is a schematic view showing a steam generation system according to the first embodiment. In FIG. 1, the steam generation system S <b> 1 includes a
ヒートポンプ10は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少なく、環境に優しいという利点を有する。
The
具体的に、ヒートポンプ10は、吸熱部11、圧縮部12、放熱部(第1放熱部13A、第2放熱部13B、第3放熱部13C、第4放熱部13D、第5放熱部13E)、及び膨張部14を有し、これらは配管を介して接続されている。
Specifically, the
吸熱部11では、主経路15内を流れる作動媒体がサイクル外の熱源(例えば大気)の熱を吸収する。圧縮部12は、圧縮機等によって作動媒体を圧縮する。この際、通常、作動媒体の温度が上がる。
In the
本実施形態において、圧縮部12は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図1に示す圧縮部12は、第1圧縮部12A、第2圧縮部12B、第3圧縮部12C、及び第4圧縮部12Dを含む4段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、蒸気発生システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。圧縮部12は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。圧縮機には動力が供給される。圧縮部12は、各圧縮部12A,12B,12C,12Dに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部12は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部12A,12B,12C,12Dの圧縮比(圧力比)は、蒸気発生システムS1の仕様に応じて設定される。
In the present embodiment, the
放熱部13A〜13Eは、圧縮部12で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、主経路15内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、5つの放熱部13A〜13Eが直列に配置されている。放熱部の数は、蒸気発生システムS1の仕様に応じて設定され、3、4、5、6、7、8、9、10、あるいは11以上である。第1放熱部13Aは圧縮部12Aと12Bとの段間に配置され、第2放熱部13Bは圧縮部12Bと12Cとの段間に配置され、第3放熱部13Cは圧縮部12Cと12Dとの段間に配置され、第4放熱部13Dは圧縮部12Dの下流位置に配置され、第5放熱部13Eは、第4放熱部13Dの下流位置に配置される。
The
膨張部14は、減圧弁またはタービン等によって作動媒体を膨張させる。この際、通常、作動媒体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部14から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部12に供給してもよい。ヒートポンプ10に使用される作動媒体として、フロン系媒体(HFC 245faなど)、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気発生システムS1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。
The
本実施形態において、ヒートポンプ10はさらに、バイパス経路17と、再生器18とを有する。バイパス経路17の入口端がヒートポンプ10の主経路15における第4放熱部13Dと第5放熱部13Eとの間の配管に接続される。バイパス経路17の出口端が主経路15における第5放熱部13Eと膨張部14との間の配管に接続される。バイパス経路17の入口に、作動媒体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路17において、第4放熱部13Dからの作動媒体の一部が、第5放熱部13Eを迂回し、膨張部14の手前で第5放熱部13Eからの作動媒体と合流する。第4放熱部13Dからの残りの作動媒体は、第5放熱部13Eを流れ、第1熱交換器41においてその作動媒体と供給経路20内の水とが熱交換する。
In the present embodiment, the
再生器18は、バイパス経路17の配管の一部と、ヒートポンプ10の主経路15の配管(吸熱部11と圧縮部12との間の配管)の一部とが、互いに隣接して配置された構成を有する。ヒートポンプ10において、吸熱部11からの作動媒体に比べて、第4放熱部13Dからの作動媒体は高温である。再生器18において、バイパス経路17を流れる第4放熱部13Dからの作動媒体と、ヒートポンプ10の主経路15を流れる吸熱部11からの作動媒体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路17内の作動媒体の温度が降下し、主経路15内の作動媒体の温度が上昇する。再生器18は、低温の流体(主経路15内の作動媒体)と高温の流体(バイパス経路17内の作動媒体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。再生器18は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。
In the
供給経路20は、加温部21と、蒸発部22と、蒸発部22と圧縮機30とを流体的に接続するダクト23とを有する。
The
加温部21は、ヒートポンプ10の第5放熱部13Eに隣接して配置されかつ供給源(不図示)からの水が流れる配管を含む。加温部21と第5放熱部13Eとを含んで第1熱交換器41が構成される。第1熱交換器41は、低温の流体(供給経路20内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第1熱交換器41は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第1熱交換器41の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ10の第5放熱部13Eの配管を、加温部21の配管の外周面や内部に配設することができる。加温部21において、ヒートポンプ10の第5放熱部13Eからの熱伝達によって、供給経路20内の水が温度上昇する。
The
蒸発部22は、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜するタンク47と、タンク47に流体的に接続された循環配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B、第3循環配管48C、第4循環配管48D)とを有する。タンク47には、加温部21からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク47は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50と、気液分離器(不図示)とを有する。
The evaporating
本実施形態において、1つのタンク47に対して各循環配管48A,48B,48C,48Dが流体的に接続されている。すなわち、循環配管48A〜48Dの各入口端と各出口端とがタンク47に流体的に接続される。循環配管の数は、蒸気発生システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。第1循環配管48Aは、ヒートポンプ10の第1放熱部13Aに隣接して配置される蒸発管51Aと、必要に応じてポンプ52Aとを有する。同様に、第2循環配管48Bは、ヒートポンプ10の第2放熱部13Bに隣接して配置される蒸発管51Bと、必要に応じてポンプ52Bとを有する。第3循環配管48Cは、ヒートポンプ10の第3放熱部13Cに隣接して配置される蒸発管51Cと、必要に応じてポンプ52Cとを有し、第4循環配管48Dは、ヒートポンプ10の第4放熱部13Dに隣接して配置される蒸発管51Dと、必要に応じてポンプ52Dとを有する。本実施形態において、蒸発管51A〜51Dは、個々に独立してタンク47に流体的に接続される。蒸発管51A〜51Dは、タンク47及び供給経路20に対して並列に配置される。被加熱媒体(水)の熱対流及び/又は外部との差圧などを利用してポンプ52A〜52Dの少なくとも1つを省いてもよい。
In the present embodiment, each circulation pipe 48 </ b> A, 48 </ b> B, 48 </ b> C, 48 </ b> D is fluidly connected to one tank 47. That is, each inlet end and each outlet end of the circulation pipes 48 </ b> A to 48 </ b> D are fluidly connected to the tank 47. The number of circulation piping is set according to the specification of the steam generation system S1, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. 48 A of 1st circulation piping has the evaporation pipe |
蒸発管51Aと第1放熱部13Aとを含んで第2熱交換器42が構成される。同様に、蒸発管51Bと第2放熱部13Bとを含んで第3熱交換器43が構成される。蒸発管51Cと第3放熱部13Cとを含んで第4熱交換器44が構成され、蒸発管51Dと第4放熱部13Dとを含んで第5熱交換器45が構成される。第2〜第5熱交換器42〜45は、低温の流体(蒸発管51A〜51D内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第2〜第5熱交換器42〜45は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第2〜第5熱交換器42〜45の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ10の各放熱部13A,13B,13C,13Dの配管を、蒸発管51A,51B,51C,51Dの外周面や内部に配設することができる。
A
蒸発部22において、加温部21で温度上昇した水が供給口を介してタンク47に供給され、タンク47及び循環配管48A〜48D内に水が貯溜される。タンク47内の液面が所定範囲内になるように、タンク47への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50の計測結果に基づいて、タンク47への水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の第1〜第4放熱部13A〜13Dからの熱伝達によって蒸発管51A〜51D内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。タンク47は、ダクト23を介して圧縮機30に流体的に接続されている。タンク47の内部空間は、タンク47の排出口及びダクト23を介して圧縮機30によって吸引される。タンク47内の蒸気は、ダクト23内を圧縮機30に向けて流れる。
In the
圧縮機30は、供給経路20上に配設され、その配設位置はタンク47に対して下流である。圧縮機30としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機30は、タンク47からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
The
圧縮機30(または供給経路20)には、蒸気に対して水を供給するノズル35が、必要に応じて配設される。ノズル35の配設位置は、例えば、圧縮機30の入口及び/又は出口である。圧縮機30が多段式である場合には、ノズル35を圧縮機30の段間に配設することもできる。ノズル35とタンク47の液相位置とが配管36を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温であるタンク47内の液体がノズル35への供給に有効利用される。ノズル35からの液体の排出(スプレイ)には、ポンプ37などの動力源を用いてもよく、配管36の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
In the compressor 30 (or the supply path 20), a
圧縮機30による吸引作用により、供給経路20におけるヒートポンプ10による加熱部位での内部空間、すなわちタンク47の内部空間が減圧される。タンク47の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧(陰圧)となるように、供給経路20上の制御弁(流量制御弁など。不図示)や圧縮機30が制御される。この制御は、例えば、タンク47の内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。
Due to the suction action by the
また、タンク47及びヒートポンプ10は、タンク47の内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計(容量設計、能力設計など)されている。ヒートポンプ10の成績係数は、被加熱媒体(水)の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数(COP)が低下する場合がある。タンク47の内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域(入出力温度差)を比較的狭く設定し、高いCOPでのヒートポンプ10の使用が可能である。例えば、水の入力温度は約20℃であり、蒸発部22からの水の出力温度は約90℃である。
The tank 47 and the
このように、本実施形態においては、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10からの熱伝達によって蒸気になる。まず、第1熱交換器41において、供給経路20内の水がヒートポンプ10の第5放熱部13Eからの熱伝達によって沸点近くまで温度上昇する。その後、第2〜第5熱交換器42〜45において、第1〜第4放熱部13A〜13Dからの熱伝達によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が第1熱交換器41において行われ、水の潜熱加熱が第2〜第5熱交換器42〜45において行われる。その結果、第1熱交換器41が顕熱交換に適した形態であり、第2〜第5熱交換器42〜45が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。
Thus, in this embodiment, the water in the
ボイラのエネルギー効率が一般に約0.8(80%)であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数(COP:coefficient of performance)は一般に2.5〜5.0である。ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体(水)の入出力温度差に応じて変化し、比較的高い入出力温度差においてその成績係数が低下する傾向がある。本実施形態において、顕熱交換及び潜熱交換に対応してヒートポンプが個別の加熱部を有することにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。 The energy efficiency of the boiler is generally about 0.8 (80%), whereas the coefficient of performance (COP) as the energy efficiency of the heat pump is generally 2.5 to 5.0. The coefficient of performance of the heat pump changes according to the input / output temperature difference of the medium to be heated (water), and the coefficient of performance tends to decrease at a relatively high input / output temperature difference. In this embodiment, steam can be generated with higher energy efficiency than a boiler because the heat pump has individual heating units corresponding to sensible heat exchange and latent heat exchange.
また、本実施形態において、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A〜13E)からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ10で加熱された水が、圧縮機30による圧縮によってさらに加熱され、これにより、100℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気発生システムS1からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。
Further, in the present embodiment, the water in the
図2は、蒸気発生システムS1による水の状態変化の一例を示す T-s 線図である。図2に示すように、水は、第1熱交換器41(図1参照)において沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま第2〜第5熱交換器42〜45において相変化する。このとき、大気圧(P1=1atm=約0.1MPa)に比べて低い負圧P0の状態において、飽和蒸気d0が発生する。飽和蒸気d0の温度は標準沸点よりも低い、例えば約90℃である。
FIG. 2 is a Ts diagram illustrating an example of a state change of water by the steam generation system S1. As shown in FIG. 2, after the temperature rises to near the boiling point in the first heat exchanger 41 (see FIG. 1), water undergoes a phase change in the second to
次に、その飽和蒸気d0は、圧縮機30(図1参照)による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気(過熱蒸気e2)になる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気e2の圧力P2は大気圧よりも高い、例えば0.8MPaである。 Next, the saturated steam d 0 becomes relatively high-pressure and high-temperature steam (superheated steam e 2 ) by compression by the compressor 30 (see FIG. 1). That is, the temperature of the steam rises with the compression. The pressure P 2 of the superheated steam e 2 is greater than atmospheric pressure, for example, 0.8 MPa.
0.8MPaの過熱蒸気e2を定圧下で冷却することにより、約160℃の飽和蒸気を得ることができる(図2の破線a)。同様に、大気圧(約0.1MPa)の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約100℃の飽和蒸気d1を得ることができる。 A saturated steam of about 160 ° C. can be obtained by cooling the superheated steam e 2 of 0.8 MPa under a constant pressure (dashed line a in FIG. 2). Similarly, saturated steam d 1 at about 100 ° C. can be obtained by cooling superheated steam at atmospheric pressure (about 0.1 MPa) under constant pressure.
過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機30の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。
By directly mixing liquid water or hot water into the cooling from superheated steam to saturated steam, the volume of steam is increased. In this case, for example, water or hot water is supplied to the steam at the outlet of the
また、水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気d0から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気d2への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機30の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機30の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機30の出口で飽和蒸気d2に変化する(図2の破線c1(スプレー)及びc2(圧縮))。または、圧縮機30の中間で圧縮機30の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機30の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機30の出口で飽和蒸気d2に変化する(図2の破線b)。すなわち、圧縮機30による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機30から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。
Further, by optimizing the supply amount and timing of water or hot water, the change from the relatively low pressure and low temperature saturated steam d 0 to the relatively high pressure and high temperature saturated steam d 2 can be made more direct. . For example, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam at the inlet of the
このように、本実施形態において、図1に示すヒートポンプ10による2段加熱と圧縮機30による加熱とを含む3段順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。すなわち、ヒートポンプ10による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機30による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。つまり、蒸気発生システムS1は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。
Thus, in this embodiment, both saturated steam and superheated steam can be easily generated by three-stage sequential heating including two-stage heating by the
また、本実施形態において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機30が補うから、高いCOPでヒートポンプ10が使用され、したがって、蒸気発生システムS1は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。すなわち、被加熱媒体(水)に対する比較的高温域の加熱に圧縮機30を利用することは、熱伝達のみを利用した加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。
Further, in this embodiment, since the
また、本実施形態において、バイパス経路17を介して作動媒体の一部が第1熱交換器41を迂回するから、第1熱交換器41に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。
Moreover, in this embodiment, since a part of working medium bypasses the
また、本実施形態において、バイパス経路17を介して作動媒体の一部が第1熱交換器41を迂回することにより、第1熱交換器41への作動媒体の流入量が制御され、その結果、第1熱交換器41及び第2熱交換器42(第3〜第5熱交換器43〜45)のそれぞれに対して、必要に応じた熱量を有する作動媒体が供給される。
Moreover, in this embodiment, when a part of working medium bypasses the
バイパス経路17を流れる作動媒体は、再生器18において、ヒートポンプ10の主経路15を流れる吸熱部11からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路17内の作動媒体の温度が降下し(例えば約20℃)、ヒートポンプ10の主経路15内の作動媒体の温度が上昇する(例えば約95℃)。圧縮部12に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部12の動力の低減化が図られる。
The working medium flowing through the
なお、作動媒体のバイパス量は、被加熱媒体及び作動媒体の各物性値(比熱など)に応じて定められる。被加熱媒体が水でありかつ、作動媒体がフロン系媒体又はアンモニアである場合には、第2〜第5熱交換器42〜45における作動媒体の単位時間あたりの流量に対して、バイパス量がモル比で50%程度であるのが好ましい。この場合、顕熱及び潜熱のそれぞれにおいて水と作動媒体との間の熱バランスが良い。さらに、再生器18における作動媒体同士の熱バランスも良い。
Note that the amount of bypass of the working medium is determined according to each physical property value (such as specific heat) of the medium to be heated and the working medium. When the medium to be heated is water and the working medium is a chlorofluorocarbon medium or ammonia, the bypass amount is set to the flow rate per unit time of the working medium in the second to
また、本実施形態において、再生器18で温度降下したバイパス経路17内の作動媒体(例えば約20℃)は、膨張部14の手前で、ヒートポンプ10の主経路15を流れる第1熱交換器41(第5放熱部13E)からの作動媒体と合流する。前述したように、第1熱交換器41からの作動媒体の出力温度は比較的低く設定される(例えば約30℃)。膨張部14に対する作動媒体の入力温度の降下により、作動媒体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部11においてサイクル外の熱源(例えば大気)から有効に熱が吸収される。
In the present embodiment, the working medium (for example, about 20 ° C.) in the
このように、本実施形態において、水の蒸発に用いた後の作動媒体が水の加温と作動媒体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。 As described above, in the present embodiment, the working medium after being used for water evaporation is used for warming water and regenerating the working medium, thereby effectively using heat.
また、本実施形態において、圧縮部12が多段式である点からも、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部12の段間の放熱部13A,13B,13Cの熱が奪われることとによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部12の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動媒体の温度上昇と、段間の放熱部(13A,13B,13C)における作動媒体の温度降下との繰り返しの数(再熱の段数)は、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である。
In the present embodiment, the energy efficiency is also improved from the point that the
また、本実施形態において、多段式の圧縮部12に対する作動媒体の入力温度が再生器18によって高められている点も、圧縮部12の動力低減に有利である。また、段間の放熱部13A,13B,13Cの冷却を利用して、被加熱媒体である水を加熱する点からも、熱の有効利用が図られる。
In the present embodiment, the point that the input temperature of the working medium to the
また、本実施形態において、供給経路20が複数の蒸発管51A〜51Dを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体(蒸気)の比率が高くなり、蒸気発生の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、質量及びボリュームとして水が支配的であるのが好ましい。供給経路20が複数の蒸発管51A〜51Dを有することにより、気体の比率が高い水に対する加熱が回避され、その結果、蒸気発生に伴う熱伝達率の低下が抑制される。また、熱交換面積の拡大のために蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管51A〜51Dが個々に独立していると差圧が小さくて済み、熱交換面積の拡大に伴う水輸送動力の増加が抑制される。蒸発管51A〜51Dが並列配置されていることは、複数の蒸発管51A〜51Dが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。
In the present embodiment, since the
また、本実施形態において、独立した複数の蒸発管51A〜51Dを供給経路20が有することにより、熱バランス制御の向上が図られる。ヒートポンプ10においては、放熱部13A〜13Dの間で、作動媒体の状態(圧力など)が異なる。各放熱部13A〜13Dに対応する複数の蒸発管51A〜51Dを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、放熱部13A〜13Dを有する多段式の圧縮部12における再熱制御の最適化が図られる。
In the present embodiment, the
図3は、蒸発管51Aにおける水の流量を制御する構成の一例を示す。ヒートポンプ10において、蒸発管51Aに対応する第1放熱部13Aの出口温度を計測するセンサ71が設けられている。制御装置70は、センサ71の計測結果に基づいて、蒸発管51A用のポンプ52Aを介して蒸発管51Aを流れる単位時間あたりの水の流量を制御する。これにより、第1放熱部13Aにおける作動媒体の出口温度を目標値に設定することができる。第1放熱部13Aの入口温度を計測するセンサ72を用いてもよい。図1において、他の蒸発管51B〜蒸発管51D及び対応する放熱部13B〜13Dもこれと同様の構成を採用することができる。
FIG. 3 shows an example of a configuration for controlling the flow rate of water in the
図4は、第2実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS2について、図1に示す第1実施形態の蒸気発生システムS1と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。 FIG. 4 is a schematic view showing a steam generation system according to the second embodiment. In the following description, for the steam generation system S2, the same components as those in the steam generation system S1 of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図4に示すように、蒸気発生システムS2は、第1実施形態と異なり、供給経路20における水を貯溜するタンクが、複数の蒸発管51A〜51Dに対応する複数の個別タンク47A〜47Dを有する。ヒートポンプ10の構成は、第1実施形態のそれと同様である。
As shown in FIG. 4, in the steam generation system S2, unlike the first embodiment, the tank for storing water in the
供給経路20は、加温部21と、蒸発部22と、蒸発部22と圧縮機30とを流体的に接続するダクト23とを有する。蒸発部22は、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜するタンク(第1タンク47A、第2タンク47B、第3タンク47C、第4タンク47D)と、各タンク47A〜47Dに流体的に接続された循環配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B、第3循環配管48C、第4循環配管48D)とを有する。各タンク47A〜47Dには、加温部21からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク47A〜47Dは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50A〜50Dと、気液分離器(不図示)とを有する。
The
本実施形態において、第1タンク47Aに対して、蒸発管51Aを有する第1循環配管48Aが流体的に接続されている。すなわち、第1循環配管48Aの各入口端と各出口端とが第1タンク47Aに流体的に接続される。同様に、第2タンク47Bに対して蒸発管51Bを有する第2循環配管48Bが流体的に接続されている。第3タンク47Cに蒸発管51Cを有する第3循環配管48Cが流体的に接続され、第4タンク47Dに蒸発管51Dを有する第4循環配管48Dが流体的に接続されている。タンク及び循環配管(蒸発管)の数は、蒸気発生システムS2の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。本実施形態において、タンク47A〜47Dと蒸発管51A〜51Dの各ペアが、供給経路20に対して並列に配置される。
In the present embodiment, a
供給経路20において、加温部21で温度上昇した水が分岐して各タンク47A〜47Dに供給され、各タンク47A〜47D及び各循環配管48A〜48D内に水が貯溜される。供給経路20は、各タンク47A〜47Dへの水の供給量を制御するバルブ80A〜80Dを有する。各タンク47A〜47D内の液面が所定範囲内になるように、バルブ80A〜80Dを介して各タンク47A〜47Dへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50A〜50Dの計測結果に基づいて、各タンク47A〜47Dへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の第1〜第4放熱部13A〜13Dからの熱伝達によって蒸発管51A〜51D内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。各タンク47A〜47Dは、ダクト23を介して圧縮機30に流体的に接続されている。タンク47A〜47Dの内部空間は、各タンク47A〜47Dの排出口及びダクト23を介して圧縮機30によって吸引される。
In the
圧縮機30(または供給経路20)には、蒸気に対して水を供給するノズル35が、必要に応じて配設される。ノズル35の配設位置は、例えば、圧縮機30の入口及び/又は出口である。圧縮機30が多段式である場合には、ノズル35を圧縮機30の段間に配設することもできる。ノズル35と少なくとも1つのタンク47A〜47Dの液相位置とが配管36を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温である少なくとも1つのタンク47A〜47D内の液体がノズル35への供給に有効利用される。ノズル35からの液体の排出(スプレイ)には、ポンプ37などの動力源を用いてもよく、配管36の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
In the compressor 30 (or the supply path 20), a
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A〜13E)からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。蒸気発生システムS2からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態では、複数の個別タンク47A〜47Dを有することにより、蒸気需要の変動に対する柔軟性が高い。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the water in the
上記説明において使用した数値及び図面に記載した温度は一例であって、本発明はこれに限定されない。 The numerical values used in the above description and the temperatures described in the drawings are examples, and the present invention is not limited thereto.
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited by the above description, but only by the appended claims.
S1,S2…蒸気発生システム、10…ヒートポンプ、11…吸熱部、12…圧縮部、13A…第1放熱部、13B…第2放熱部、13C…第3放熱部、13D…第4放熱部、13E…第5放熱部、14…膨張部、15…主経路、17…バイパス経路、18…再生器、20…供給経路、21…加温部、22…蒸発部、23…ダクト、30…圧縮機、35…ノズル、41〜45…熱交換器、タンク…47、47A…第1タンク、47B…第2タンク、47C…第3タンク、47D…第4タンク、48A〜48D…循環配管、50…レベルセンサ、51A〜51D…蒸発管、70…制御装置、71,72…センサ。
S1, S2 ... Steam generation system, 10 ... Heat pump, 11 ... Heat absorption part, 12 ... Compression part, 13A ... First heat radiation part, 13B ... Second heat radiation part, 13C ... Third heat radiation part, 13D ... Fourth heat radiation part, 13E ... 5th heat dissipation part, 14 ... Expansion part, 15 ... Main path, 17 ... Bypass path, 18 ... Regenerator, 20 ... Supply path, 21 ... Heating part, 22 ... Evaporation part, 23 ... Duct, 30 ...
Claims (12)
被加熱媒体が流れる供給経路であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記被加熱媒体が蒸発する複数の蒸発管を有する前記供給経路と、
を備え、
前記ヒートポンプは、前記作動媒体を多段に圧縮する圧縮部を有し、
前記圧縮部の段間に配置される複数の放熱部からの熱によってそれぞれ前記複数の蒸発管内の前記被加熱媒体が潜熱加熱されることを特徴とする蒸気発生システム。 A heat pump through which the working medium flows;
A supply path through which the medium to be heated flows, the supply path having a plurality of evaporation pipes in which the medium to be heated evaporates by heat transfer from the heat pump;
Equipped with a,
The heat pump has a compression unit that compresses the working medium in multiple stages,
Wherein said each of the plurality of evaporation tubes by the heat from a plurality of heat radiating portion disposed between the stages of compression section heated medium is latent heating steam generating system according to claim Rukoto.
前記複数の個別タンクの内部空間が互いにつながってい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。 The tank, have a plurality of individual tanks corresponding to the plurality of evaporation pipes,
The steam generation system according to claim 2, wherein internal spaces of the plurality of individual tanks are connected to each other .
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