JP4981604B2 - 蒸気発生装置および蒸気生成方法 - Google Patents
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Description
このように、加熱手段としてヒートポンプを用いることにより、従来の油やガスを燃焼させて熱を供給する方法と比較して、二酸化炭素の排出量削減が可能とされている。
過熱蒸気を生成する場合には、過熱蒸気は温水よりも温度が高いため、高圧側の気液二相領域の冷媒に要求される飽和温度も高くなり、高圧側の気液二相領域における冷媒の飽和圧力も高くなる。このことから、冷媒と蒸気との間で熱交換を行う熱交換器に高い耐圧性が求められ、装置が高価になることから、過熱蒸気の供給コストが高くなるという問題があった。
さらに、油やガスの燃焼により排出される排気ガス等には二酸化炭素が含まれ、環境負荷が高いという問題があった。
本発明の蒸気発生装置は、冷媒であるR134aを超臨界状態に圧縮するターボ圧縮機と、超臨界状態のR134aとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、該蒸気生成部から流出したR134aの圧力を減圧する高圧側減圧部と、該高圧側減圧部により減圧されたR134aを気相および液相に分離し、気相のR134aを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、該中間部から流出した液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、該低圧側減圧部により減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、が設けられていることを特徴とする。
さらに、ターボ圧縮機を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少できる。
一方、過熱蒸気の温度が上昇すると、蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて増やし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が増やされる。
そのため、中間部から中間熱交換器に供給されるR134a流量を安定させ、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定させることができる。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて、低圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、中間熱交換器に液相のR134aを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて、高圧側減圧部を流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気生成部から流出するR134aの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
冷媒としてR134aを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなり、環境負荷の増加を抑制することができるという効果を奏する。
以下、本発明の第1の実施形態について図1および図2を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
本実施形態の蒸気発生装置1は、冷媒としてR134a(HFC134a)を用いた超臨界サイクルのヒートポンプを熱源として過熱蒸気を供給するものである。超臨界サイクルとしては、2段圧縮2段膨張を行う超臨界サイクルが用いられている。
ターボ圧縮機2には、吸入する気相のR134aの流量を制御する入口ベーン部11と、吸入したR134aを圧縮する低圧羽根車12Lおよび高圧羽根車12Hと、両羽根車12L,12Hを回転駆動するモータ13およびインバータ部14とが設けられている。
低圧羽根車12Lは、蒸発器51から低圧のR134aを吸入し中間圧(MP)に昇圧するものである。低圧羽根車12Lは、入口ベーン部11と高圧羽根車12Hとの間に配置され、モータ13により回転可能に支持されている。
高圧羽根車12Hは、低圧羽根車12Lおよび中間冷却部5から中間圧のR134aを吸入し、高圧に昇圧するものである。高圧羽根車12Hは、低圧羽根車12Lの下流側に配置され、低圧羽根車12Lと同様に、モータ13により回転可能に支持されている。
モータ13には、インバータ部14から電力が供給され、その回転数が制御される。
インバータ部14はモータ13に供給する電力を制御することによりモータ13の回転数を制御するものである。インバータ部14には、系統電力が供給されている。
蒸気生成部3には、給水ポンプ21と、給水温度センサ22と、蒸気発生器23と、蒸気温度センサ24と、が設けられている。さらに、蒸気生成部3には、過熱蒸気を生成する温水を軟水化する軟水化装置(図示せず)が設けられている。
蒸気温度センサ24は、蒸気発生器23と蒸気供給対象20との間に配置され、蒸気発生器23において生成された過熱蒸気の温度を計測するものである。
なお、蒸気発生器23内の上流側は、超臨界状態で気相のR134aが存在する領域であり、下流側は、液相のR134aが存在する領域である。温水および蒸気が流れる配管は、両領域にわたって配置されている。
ホットガスバイパス部27には、バイパスされるR134aの流量を制御するホットガス弁28が設けられている。
分離部41には、高圧膨張弁4Hにより中間圧に減圧されたR134が供給される配管が接続されているとともに、ターボ圧縮機2に気相のR134a供給するガス供給部43および蒸発器51に液相のR134aを供給する液供給部44が接続されている。
液供給部44には、内部を流れる液相のR134aの圧力を計測する中間冷却部圧力センサ45が設けられている。
蒸発部7には、蒸発器51と、蒸発部圧力センサ52Lと、流入温度センサ53と、流出温度センサ54と、が設けられている。
蒸発部圧力センサ52Lは、蒸発部7内の内部のR134aの圧力を計測するセンサである。
流入温度センサ53は、熱源50から蒸発器51に向かって流れる温水の温度を計測するセンサであり、流出温度センサ54は、蒸発器51から熱源50に向かって流れる温水の温度を計測するセンサである。
蒸気発生装置1により過熱蒸気が生成する場合には、ターボ圧縮機2等から構成されるヒートポンプが運転され、当該ヒートポンプから供給された熱により過熱蒸気が生成される。
以下に、上記ヒートポンプの動作を説明しつつ、過熱蒸気の生成について説明する。
具体的には、低圧羽根車12Lは、回転駆動されることにより気相のR134aを吸入し、中間圧まで圧縮する(図2におけるA→B)。高圧羽根車12Hは、回転駆動されることにより、低圧羽根車12Lに圧縮されたR134a、および、分離部41から供給される気相のR134aを吸入し、高圧まで圧縮する(図2におけるC→D)。
高圧羽根車12Hから吐出されたR134aは、図2に示すように超臨界状態にあり、その温度は約150℃、圧力は約5MPaである。
超臨界状態のR134aは、蒸気発生器23の上流側から下流側に向かって流れつつ、蒸気および温水と熱交換を行い、その温度が低下する(図2のD→E)。このとき、蒸気発生器23等の流動抵抗によりR134aの圧力も若干低下する。
蒸気発生器23内を流れるR134aは、臨界点の温度を下回る近傍領域において、気相に近い超臨界状態から液相に相変化する。そのため、蒸気発生器23の下流側領域では、約95℃の液相のR134aとなっている。
蒸気発生器23に戻ってきた約90℃の温水は、最初に、約100℃の液相のR134aが存在する領域に流入し、熱交換される。その後、温水は、蒸気発生器23の上流側に向かって流れる伴い、より高温のR134aと熱交換され昇温され、蒸発して蒸気となる。最終的には、上述のように約120℃の過熱蒸気となり再び蒸気供給対象20に供給される。
蒸気発生器23に供給される温水の流量は、蒸気供給対象20に対して過熱蒸気を供給するように給水ポンプ21により制御される。
例えば、蒸気生成部3において蒸気供給対象20に対して超臨界状態のR134aの熱量が不足している場合には、ヒートポンプ圧縮機2を制御し熱力を増加させる。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはR134aの調整だけでは十分でなく給水ポンプ21の水量を適切に調整する。熱交換される熱量に合わせて蒸気生成部3への給水量を減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、蒸気供給対象20に供給される過熱蒸気の量が減らされる。
蒸気生成部3において超臨界状態のR134aと熱交換される熱量は、例えばターボ圧縮機2にかかる負荷や回転数等から推定することができ、これらの値から給水ポンプ21を制御してもよい。
具体的には、開度が調節可能な絞り弁である高圧膨張弁4Hを通過することにより、高圧のR134aは中間圧に減圧される(図2のE→F)。高圧膨張弁4Hの開度は、高圧温度センサ31Hにより検出されたR134aの温度に基づいて、当該温度が一定になるように制御される。
このように制御されることにより、蒸気発生器23内における液相のR134aの液面の位置が一定に保たれる。
なお、上述のように、分離部41内の液相R134aの液面を略一定に保つように低圧膨張弁4Lをフィードバック制御してもよいし、予め設定したパラメータに基づいてフィードフォワード制御してもよく、特に限定するものではない。
このように制御することで、蒸気発生装置1内の温度や圧力のバランスを取りながら、安全に蒸気発生装置1を起動することができる。
このように制御することで、蒸気発生装置1の起動に要する時間を短縮し、過熱蒸気を供給するまでに要する時間を短縮できる。
さらに、ターボ圧縮機2を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について図3および図4を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、中間冷却器のR134aと蒸発部のR134aとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図3および図4を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図3は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
中間圧インタークーラ110には、熱交換部111と、バイパス流路112と、バイパス膨張弁(バイパス制御部)113と、が設けられている。
バイパス膨張弁113はバイパス流路112に設けられ、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。バイパス膨張弁113は、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を計測する吸入温度センサ114から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。
図4は、図3の蒸気発生装置におけるR134aの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、中間圧インタークーラ110の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置101におけるヒートポンプの動作を説明する。
熱交換部111に流入した液相のR134aは、蒸発器51において蒸発したR134aと熱交換し、蒸発したR134aの温度を昇温させる(図4のO→A1)。一方で、熱交換後の液相のR134aの温度は低下する(図4のG→G1)。
バイパス膨張弁113は、吸入温度センサ114の検出信号に基づいて、バイパス流路112を流れる液相のR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110に導かれる液相のR134aの流量を制御している。中間圧インタークーラ110に導かれる液相のR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110において熱交換される熱量を制御し、ターボ圧縮機2に吸入される気相のR134aの温度を所定温度、例えば、約70℃に制御している。
蒸発したR134aは、中間圧インタークーラ110において、上述のように分離部41から流出した液相のR134aと熱交換することにより、所定温度(例えば約70℃)に昇温される(図4のO→A1)。
ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が約70℃にまで昇温されているため、吐出されるR134aの温度を容易に約140℃にすることができる。
以後のサイクルは、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
そのため、中間冷却部5から中間圧インタークーラ110に供給されるR134a流量を安定させ、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定させることができる。
つまり、吸入温度センサ114の検出結果に基づき、バイパス膨張弁113を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路112を流れるR134aの流量に基づいて、低圧膨張弁4Lを流れるR134aの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ110に液相のR134aを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
次に、本発明の第3の実施形態について図5および図6を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、蒸気発生器のR134aと蒸発部のR134aとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図5および図6を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図5は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
高圧インタークーラ210には、熱交換部211と、バイパス流路212と、バイパス膨張弁(バイパス制御部)213と、が設けられている。
バイパス膨張弁213はバイパス流路212に設けられ、バイパス流路212を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。バイパス膨張弁213は、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を計測する吸入温度センサ114から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路212を流れる液相のR134aの流量を制御するものである。
図6は、図5の蒸気発生装置におけるR134aの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、高圧インタークーラ210の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置201におけるヒートポンプの動作を説明する。
熱交換部211に流入した液相のR134aは、蒸発器51において蒸発したR134aと熱交換し、蒸発したR134aの温度を昇温させる(図6のO→A1)。一方で、熱交換後の液相のR134aは約80℃まで温度が低下する(図6のE→E1)。
一方、蒸気発生器23から流出した液相のR134aの残りは、高圧膨張弁4Hに導かれ、高圧膨張弁4Hにおいて液相のR134aは中間圧にまで減圧される(図6のE→F)。
このように制御されることにより、蒸気発生器23内における液相のR134aの液面の位置が一定に保たれる。
減圧されたR134aは、バイパス膨張弁213を通過したR134aとともに分離部41に流入する。
蒸発したR134aは、高圧インタークーラ210において、上述のように蒸気発生器23から流出した液相のR134aと熱交換することにより、所定温度(例えば約70℃)に昇温される(図4のO→A1)。
ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度が約70℃にまで昇温されているため、吐出されるR134aの温度を容易に約150℃にすることができる。
以後のサイクルは、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
つまり、高圧温度センサ31Hの検出結果に基づき、バイパス膨張弁213を制御することにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路212を流れるR134aの流量に基づいて、高圧膨張弁4Hを流れるR134aの流量を制御することにより、蒸気生成部3から流出するR134aの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機2に吸入されるR134aの温度を安定して制御することができる。
2 ターボ圧縮機
3 蒸気生成部
4H 高圧膨張弁(高圧側減圧部)
4L 低圧膨張弁(低圧側膨張部)
5 中間冷却部(中間部)
7 蒸発部
110 中間圧インタークーラ(中間熱交換部)
112,212 バイパス流路
113,213 バイパス膨張弁(バイパス制御部)
210 高圧インタークーラ(中間熱交換部)
Claims (10)
- 冷媒であるR134aを超臨界状態に圧縮するターボ圧縮機と、
超臨界状態にあるR134aとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、
該蒸気生成部から流出したR134aの圧力を減圧する高圧側減圧部と、
該高圧側減圧部により減圧されたR134aを気相および液相に分離し、気相のR134aを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、
該中間部から流出した液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、
該低圧側減圧部により減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、
が設けられていることを特徴とする蒸気発生装置。 - 前記蒸発部は、熱源から約40℃から約55℃の範囲の温水が供給されて、前記温水とR134aとの間で熱交換することを特徴とする請求項1記載の蒸気発生装置。
- 前記蒸気生成部には、過熱蒸気を生成するための水を供給する給水ポンプが設けられ、
前記給水ポンプにより過熱蒸気の供給が制御されることを特徴とする請求項1または2に記載の蒸気発生装置。 - 前記中間部から流出した液相のR134aと、前記蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の蒸気発生装置。
- 前記中間部には、R134aの液面の位置を検出する液面検出部が設けられ、
前記低圧側減圧部は、前記液面検出部の検出結果に基づいて制御されることを特徴とする請求項4記載の蒸気発生装置。 - 前記中間熱交換部に供給されるR134aの一部を、前記低圧側減圧部と前記蒸発部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるR134aの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、
前記バイパス制御部を流れるR134aの流量は、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて制御され、
前記低圧側減圧部を流れるR134aの流量は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項4または5に記載の蒸気発生装置。 - 前記蒸気生成部から流出したR134aと、前記蒸発部で蒸発したR134aとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の蒸気発生装置。
- 前記中間熱交換部に供給されるR134aの一部を、前記高圧側減圧部と前記中間部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるR134aの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるR134aの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、
前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて、前記バイパス制御部が制御され、
前記高圧側減圧部は、前記バイパス流路を流れるR134aの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項7記載の蒸気発生装置。 - 冷媒であるR134aを超臨界状態に圧縮する圧縮工程と、
超臨界状態にあるR134aとの熱交換により過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、
熱交換した後のR134aの圧力を減圧する高圧側減圧工程と、
減圧され気相および液相に分離されたR134aのうち、気相のR134aを前記圧縮工程の途中に供給する中間工程と、
分離されたR134aのうちの液相のR134aの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧工程と、
さらに減圧された液相のR134aを蒸発させ、蒸発したR134aを前記圧縮工程に供給する蒸発工程と、
が設けられていることを特徴とする蒸気生成方法。 - 前記蒸発工程は、熱源から約40℃から約55℃の範囲の温水が供給されて、前記温水とR134aとの間で熱交換することを特徴とする請求項9記載の蒸気生成方法。
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