JP5223937B2 - Steam generation system - Google Patents

Steam generation system

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JP5223937B2 JP2011046602A JP2011046602A JP5223937B2 JP 5223937 B2 JP5223937 B2 JP 5223937B2 JP 2011046602 A JP2011046602 A JP 2011046602A JP 2011046602 A JP2011046602 A JP 2011046602A JP 5223937 B2 JP5223937 B2 JP 5223937B2
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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)。   As a steam generation system, generally known is a configuration in which a heated medium is heated by burning fuel in a boiler (see, for example, Patent Document 1).

特開平6−249450号公報JP-A-6-249450

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にある。   This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, and is providing the steam generation system with high energy efficiency.

本発明の蒸気発生システムは、被加熱媒体の供給経路と、ヒートポンプと、を備え、前記ヒートポンプは、作動媒体の流れ方向に並ぶ吸熱部、圧縮部、第1放熱部、第2放熱部、及び膨張部を有し、前記第2放熱部及び前記第1放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱する、ことを特徴とする。   The steam generation system of the present invention includes a supply path for a medium to be heated and a heat pump, and the heat pump includes a heat absorption part, a compression part, a first heat radiation part, a second heat radiation part arranged in the flow direction of the working medium, and It has an expansion part, and the 2nd heat dissipation part and the 1st heat dissipation part heat the medium to be heated in the supply path in that order.

本発明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では、段階的に前記被加熱媒体を加熱する複数の加熱部(第1放熱部及び第2放熱部)をヒートポンプが有するから、被加熱媒体の加熱プロセス及びヒートポンプの構成の最適化が図られる。   According to the steam generation system of the present invention, high energy efficiency can be obtained by using a heat pump as compared with a boiler. Moreover, in this steam generation system, since the heat pump has a plurality of heating parts (first heat radiating part and second heat radiating part) for heating the heated medium in stages, the heating process of the heated medium and the configuration of the heat pump Optimization is achieved.

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記第2放熱部からの熱によって沸点近くまで温度上昇し、前記第1放熱部からの熱によって相変化して蒸気になる、構成にできる。   In the steam generation system of the present invention, the heated medium in the supply path rises in temperature to near the boiling point due to heat from the second heat radiating portion, and changes in phase by heat from the first heat radiating portion to become steam. It can be configured.

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記第1放熱部からの前記作動媒体の一部が前記第2放熱部を迂回するバイパス経路をさらに有する、構成にできる。   In the steam generation system of the present invention, the heat pump may further include a bypass path in which a part of the working medium from the first heat radiating part bypasses the second heat radiating part.

この構成において、前記バイパス経路は、入口端が前記ヒートポンプの主経路における前記第1放熱部と前記第2放熱部との間に接続され、出口端が前記ヒートポンプの主経路における前記第2放熱部と前記膨張部との間に接続される、ようにできる。   In this configuration, the bypass path has an inlet end connected between the first heat radiating part and the second heat radiating part in the main path of the heat pump, and an outlet end of the second heat radiating part in the main path of the heat pump. And the expansion part.

また、前記ヒートポンプは、前記バイパス経路内の前記作動媒体によって、前記吸熱部からの前記作動媒体を加熱する再生器をさらに有する、ようにできる。   The heat pump may further include a regenerator that heats the working medium from the heat absorbing section by the working medium in the bypass path.

また、前記再生器は、前記ヒートポンプにおける前記吸熱部と前記圧縮部との間に配される、ようにできる。   In addition, the regenerator can be arranged between the heat absorption part and the compression part in the heat pump.

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記圧縮部が、前記作動媒体を多段に圧縮する構造を有し、前記第2放熱部、前記第1放熱部、及び前記圧縮部の段間放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱する、構成にできる。   In the steam generation system of the present invention, the compression section has a structure for compressing the working medium in multiple stages, and the second heat radiation section, the first heat radiation section, and the interstage heat radiation section of the compression section are in that order. The heating medium in the supply path can be heated.

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記被加熱媒体が水であり、前記作動媒体がアンモニアまたはフロン系媒体である、構成にできる。   In the steam generation system of the present invention, the medium to be heated may be water, and the working medium may be ammonia or a fluorocarbon medium.

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路上に配置され、前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機をさらに備える、構成にできる。   The steam generation system of the present invention can be configured to further include a compressor that is disposed on the supply path and compresses the heated medium heated by the heat pump.

この構成において、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で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 configuration, the medium to be heated in the supply path becomes steam at a relatively low pressure and low temperature when heated by the heat pump, and becomes a steam at a relatively high pressure and high temperature when compressed by the compressor. Can be.

また、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱部位での内部圧力が大気圧に比べて低い、ようにできる。   Further, the internal pressure at the heating part by the heat pump in the supply path can be made lower than the atmospheric pressure.

また、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での蒸気になる、ようにできる。   Further, the medium to be heated in the supply path becomes saturated steam at a negative pressure lower than atmospheric pressure by heating with the heat pump, and steam at atmospheric pressure or pressure higher than atmospheric pressure by compression by the compressor. Can be.

また、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱部位での内部空間が、前記圧縮機によって減圧される、ようにできる。   Moreover, the internal space in the heating site | part by the said heat pump in the said supply path | route can be decompressed by the said compressor.

また、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、さらに備えるようにできる。   Moreover, the nozzle which supplies the said liquid to-be-heated medium with respect to the vapor | steam of the said to-be-heated medium can be further provided.

本発明に係る蒸気発生システムの第1実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows 1st Embodiment of the steam generation system which concerns on this invention. 蒸気発生システムによる水の状態変化の一例を示す T-s 線図である。It is a Ts diagram which shows an example of the state change of the water by a steam generation system. 本発明に係る蒸気発生システムの第2実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows 2nd Embodiment of the steam generation system which concerns on this invention. 熱交換に伴う、被加熱媒体とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示すグラフ図である。It is a graph which shows typically an example of the temperature change of the to-be-heated medium and the working medium of a heat pump accompanying heat exchange. 熱交換に伴う、被加熱媒体とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示すグラフ図である。It is a graph which shows typically an example of the temperature change of the to-be-heated medium and the working medium of a heat pump accompanying heat exchange. ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す T-s 線図である。It is a Ts diagram which shows an example of the state change of the working medium of a heat pump. ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す H-s 線図である。It is a Hs diagram which shows an example of the state change of the working medium of a heat pump. 本発明に係る蒸気発生システムの第3実施形態であり、図3の蒸気発生システムの変形例である。It is 3rd Embodiment of the steam generation system which concerns on this invention, and is a modification of the steam generation system of FIG. 本発明に係る蒸気発生システムの第4実施形態であり、図3の蒸気発生システムの別の変形例である。It is 4th Embodiment of the steam generation system which concerns on this invention, and is another modification of the steam generation system of FIG. 本発明に係る蒸気発生システムの第5実施形態であり、図3の蒸気発生システムの別の変形例である。It is 5th Embodiment of the steam generation system which concerns on this invention, and is another modification of the steam generation system of FIG.

以下、本発明に係る蒸気発生システムについて図面を参照して説明する。   Hereinafter, a steam generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る蒸気発生システムの第1実施形態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(本例では水)の供給経路20と、圧縮機30とを備えている。
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of a steam generation system according to the present invention.
In FIG. 1, the steam generation system S <b> 1 includes a heat pump 10, a heating medium (water in this example) supply path 20, and a compressor 30.

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 heat pump 10 is a device that pumps heat from a low-temperature object and applies heat to a high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion processes. Heat pumps generally have the advantage of being relatively high in energy efficiency and, as a result, relatively low in emissions of carbon dioxide and the like and being environmentally friendly.

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)、及び膨張部14を有し、これらは配管を介して順次接続されている。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。圧縮部12には動力が供給される。放熱部13A,13Bは、圧縮部12からの高温の作動媒体が流れる配管を含む。また、放熱部13A,13Bはその順に、作動媒体の流れ方向に直列に並んでおり、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。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は、アンモニア、フロン系媒体、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が適用される。   Specifically, the heat pump 10 includes a heat absorption part 11, a compression part 12, a heat radiation part (first heat radiation part 13A, second heat radiation part 13B), and an expansion part 14, which are sequentially connected via a pipe. Yes. In the heat absorption part 11, the working medium flowing in the main path 15 absorbs heat from a heat source (for example, air) outside the cycle. The compression unit 12 compresses the working medium using a compressor or the like. At this time, the temperature of the working medium usually increases. Power is supplied to the compression unit 12. The heat radiating parts 13A and 13B include a pipe through which a high-temperature working medium from the compressing part 12 flows. Further, the heat radiating portions 13A and 13B are arranged in series in that order in the flow direction of the working medium, and give heat of the working medium flowing in the main path 15 to a heat source outside the cycle. The expansion unit 14 expands the working medium using a pressure reducing valve, a turbine, or the like. At this time, the temperature of the working medium usually decreases. When a turbine is used, power can be taken out from the expansion unit 14, and the power may be supplied to the compression unit 12, for example. As a working medium used for the heat pump 10, various known heat media such as ammonia, a fluorocarbon medium, water, carbon dioxide, and air are applied.

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とを接続するダクト23とを有する。   The supply path 20 includes a heating unit 21, an evaporation unit 22, and a duct 23 that connects the evaporation unit 22 and the compressor 30.

加温部21は、供給源からの水が流れる配管を含み、ヒートポンプ10の第2放熱部13Bに隣接して配置される。加温部21と第2放熱部13Bとを含んで第1熱交換器40が構成される。第1熱交換器40は、本例では、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構造を有するが、第1熱交換器40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構造を有してもよい。加温部21では、ヒートポンプ10の第2放熱部13Bからの熱によって、供給経路20内の水が温度上昇する。   The heating unit 21 includes a pipe through which water from a supply source flows, and is disposed adjacent to the second heat radiating unit 13B of the heat pump 10. The 1st heat exchanger 40 is comprised including the heating part 21 and the 2nd thermal radiation part 13B. In this example, the first heat exchanger 40 has a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (water in the supply path 20) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) flow in opposition. However, the first heat exchanger 40 may have a parallel flow type heat exchange structure in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. In the heating unit 21, the temperature of the water in the supply path 20 rises due to the heat from the second heat radiating unit 13 </ b> B of the heat pump 10.

蒸発部22は、液状の被加熱媒体(水)を貯溜するタンク47と、循環配管48とを含む。
タンク47または循環配管48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。循環配管48の入口端と出口端とはそれぞれタンク47に接続される。循環配管48の少なくとも一部が、ヒートポンプ10の第1放熱部13Aに隣接して配置される。循環配管48と第1放熱部13Aとを含んで第2熱交換器41が構成される。第2熱交換器41は、低温の流体(循環配管48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構造、あるいは、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構造などを有する。ヒートポンプ10の第1放熱部13Aが、循環配管48の外周面や内部に配設された構成を採用してもよい。タンク47内には、循環配管48の出口端に隣接して、必要に応じて気液分離器49が配設される。
The evaporation unit 22 includes a tank 47 for storing a liquid medium to be heated (water) and a circulation pipe 48.
The tank 47 or the circulation pipe 48 is provided with a water supply port from the heating unit 21 and a steam discharge port. The inlet end and the outlet end of the circulation pipe 48 are each connected to the tank 47. At least a part of the circulation pipe 48 is disposed adjacent to the first heat radiating portion 13 </ b> A of the heat pump 10. The 2nd heat exchanger 41 is comprised including the circulation piping 48 and 13 A of 1st thermal radiation parts. The second heat exchanger 41 has a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (water in the circulation pipe 48) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) face each other, or a high-temperature fluid It has a parallel flow type heat exchange structure in which a low-temperature fluid flows in parallel. A configuration in which the first heat radiating portion 13 </ b> A of the heat pump 10 is disposed on the outer peripheral surface or inside of the circulation pipe 48 may be employed. In the tank 47, a gas-liquid separator 49 is disposed adjacent to the outlet end of the circulation pipe 48 as necessary.

蒸発部22では、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、タンク47内の液面を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて、水の供給量が制御される。タンク47及び循環配管48内に水が貯溜され、また、ヒートポンプ10の第1放熱部13Aによって循環配管48内の水が加熱される。この加熱に伴い、循環配管48内を水(及び蒸気)が流れる。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内で発生した蒸気は、ダクト23内を圧縮機30に向けて流れる。   In the evaporation unit 22, the water whose temperature has increased in the heating unit 21 is supplied to the tank 47 through the supply port. The amount of water supplied to the tank 47 is controlled so that the liquid level in the tank 47 falls within a predetermined range. For example, the supply amount of water is controlled based on the measurement result of a sensor (not shown) that measures the liquid level in the tank 47. Water is stored in the tank 47 and the circulation pipe 48, and the water in the circulation pipe 48 is heated by the first heat radiating portion 13A of the heat pump 10. With this heating, water (and steam) flows through the circulation pipe 48. The internal space of the tank 47 is sucked by the compressor 30 through the discharge port of the tank 47 and the duct 23. The steam generated in the tank 47 flows in the duct 23 toward the compressor 30.

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 compressor 30 is disposed on the supply path 20 and is disposed downstream of the tank 47. As the compressor 30, various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor are applied, and those suitable for vapor compression are used. The compressor 30 compresses the steam from the tank 47 and flows the pressurized steam downstream.

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の入口及び出口の少なくとも一方である。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ができる。ノズル35とタンク47の液相位置とが配管36を介して接続された配管構成にすることもでき、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からの液体の排出には、ポンプなどの動力源を用いてもよく、配管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 nozzle 35 that supplies water to the steam is disposed as necessary. The arrangement position of the nozzle 35 is, for example, at least one of an inlet and an outlet of the compressor 30. When the compressor 30 is a multistage type, the nozzle 35 can be disposed between the stages of the compressor 30. A pipe configuration in which the nozzle 35 and the liquid phase position of the tank 47 are connected via a pipe 36 can also be used. In this pipe configuration, the liquid in the tank 47 having a relatively high temperature is effective for supplying the nozzle 35. Used. For discharging the liquid from the nozzle 35, a power source such as a pump may be used, or a pressure difference between the inlet and the outlet of the pipe may be used.

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 compressor 30, the internal space at the heating portion by the heat pump 10 in the supply path 20, that is, the internal space of the tank 47 is decompressed. Control valves (such as a flow control valve, not shown) and the compressor 30 on the supply path 20 are controlled so that the internal pressure of the tank 47 becomes a negative pressure (negative pressure) lower than the atmospheric pressure. This control is performed based on a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the tank 47, for example.

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。本例において、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 heat pump 10 are designed (capacity design, capacity design, etc.) so that water evaporates when the internal space of the tank 47 is in a negative pressure state. The coefficient of performance of the heat pump 10 changes according to the difference between the input temperature and the output temperature of the medium to be heated (water), and if the temperature difference is excessively large, the coefficient of performance (COP) may decrease. Under the condition that the internal space of the tank 47 is in a negative pressure state, the heating temperature region (input / output temperature difference) is set to be relatively narrow, and the heat pump 10 can be used at a high COP. In this example, for example, the input temperature of water is about 20 ° C., and the output temperature of water from the evaporator 22 is about 90 ° C.

このような蒸気発生システムS1においては、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10による加熱で蒸気になる。具体的には、供給経路20内の水が、第1熱交換器40においてヒートポンプ10の第2放熱部13Bからの熱によって沸点近くまで温度上昇し、その後、第2熱交換器41において第1放熱部13Aからの熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱及び潜熱加熱がそれぞれ別々の熱交換器40,41(放熱部13A,13B)によって段階的に行われる。   In such a steam generation system S <b> 1, the water in the supply path 20 becomes steam by heating by the heat pump 10. Specifically, the temperature of the water in the supply path 20 rises to near the boiling point by the heat from the second heat radiating portion 13B of the heat pump 10 in the first heat exchanger 40, and then the first heat exchanger 41 in the first heat exchanger 41. The water undergoes a phase change and evaporates due to heat from the heat radiating portion 13A. That is, sensible heat heating and latent heat heating of water are performed stepwise by separate heat exchangers 40 and 41 (heat radiation portions 13A and 13B).

そのため、この蒸気発生システムS1によれば、第2放熱部13Bを含む第1熱交換器40が顕熱交換に適した形態であり、第1放熱部13Aを含む第2熱交換器41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。   Therefore, according to this steam generation system S1, the 1st heat exchanger 40 containing the 2nd heat sink 13B is a form suitable for sensible heat exchange, and the 2nd heat exchanger 41 containing the 1st heat sink 13A is latent heat. The configuration of the apparatus is optimized such that the form is suitable for replacement, and in response, steam is generated through a preferred heating process.

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。前述したように、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。蒸気発生システムS1では、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(放熱部13A,13B)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. As described above, 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 the steam generation system S1, steam can be generated with higher energy efficiency than a boiler because the heat pump has individual heating parts (heat radiation parts 13A and 13B) corresponding to sensible heat exchange and latent heat exchange.

さらに、蒸気発生システムS1では、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A,13B)による加熱で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 steam generation system S1, the water in the supply path 20 becomes steam having a relatively low pressure and low temperature by heating by the heat pump 10 (heat radiation units 13A and 13B), and relatively high pressure by compression by the compressor 30. High temperature steam. That is, the water heated by the heat pump 10 is further heated by the compression by the compressor 30, thereby generating high-temperature steam at 100 ° C. or higher. The steam from the steam generation system S1 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, a power plant, and the like.

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40(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熱交換器41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, the temperature of the water changes to near the boiling point in the first heat exchanger 40 (see FIG. 1), and then changes in phase in the second heat exchanger 41 while keeping the temperature constant. At this time, saturated steam d0 is generated in a state of negative pressure P0 that is lower than atmospheric pressure (P1 = 1 atm = about 0.1 MPa). The temperature of the saturated vapor d0 is lower than the normal boiling point, for example, about 90 ° C.

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 d0 becomes a relatively high-pressure and high-temperature steam (superheated steam e2) by compression by the compressor 30 (see FIG. 1). That is, the temperature of the steam rises with the compression. The pressure P2 of the superheated steam e2 is higher 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 e2 of 0.8 MPa under a constant pressure (dashed line a in FIG. 2). Similarly, saturated steam d1 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 compressor 30.

さらに、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の入口及び/又は中間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、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。   Furthermore, by optimizing the supply amount and timing of water or hot water, the change from the relatively low pressure and low temperature saturated steam d0 to the relatively high pressure and high temperature saturated steam d2 can be made more direct. For example, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam at the inlet and / or in the middle of the compressor 30, the saturated steam d0 at the inlet of the compressor 30 changes to the saturated steam d2 at the outlet of the compressor 30. (Dotted line b in FIG. 2). That is, by optimizing the combination of compression by the compressor 30 and cooling by water or warm water, steam close to saturation can be discharged from the compressor 30.

このように、蒸気発生システムS1では、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 the steam generation system S1, both saturated steam and superheated steam can be easily generated by the three-stage sequential heating including the two-stage heating by the heat pump 10 and the heating by the compressor 30. That is, after generating saturated steam at a negative pressure lower than the atmospheric pressure by heating by the heat pump 10, superheated steam or saturated steam at a pressure higher than atmospheric pressure or atmospheric pressure is generated by compression by the compressor 30. be able to. That is, the steam generation system S1 is highly flexible with respect to the steam specifications.

さらに、蒸気発生システムS1は、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、蒸気発生システムS1によれば、被加熱媒体(水)に対する比較的高温域の加熱のために圧縮機30が利用されるから、熱伝達による加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。   Furthermore, since the compressor 30 supplements part of the heating process for steam generation in the steam generation system S1, the heat pump 10 is used at a high COP. Therefore, the steam generation system S1 is an overall primary energy saving. There is expected. That is, according to the steam generation system S1, the compressor 30 is used to heat the medium to be heated (water) in a relatively high temperature range, so that the temperature rise is shortened compared to heating by heat transfer. And it is advantageous for suppressing heat loss.

図3は、本発明に係る蒸気発生システムの第2実施形態を示す概略図である。
図3において、蒸気発生システムS2は、ヒートポンプ50と、被加熱媒体(本例では水)の供給経路20と、多段式の圧縮部60とを備えている。
供給経路20の構成は、図1の蒸気発生システムS1のそれと同様である。ヒートポンプ50は、図1のヒートポンプ10と同様の構成に加え、バイパス経路51と、再生器52とを有する。以下の説明では、蒸気発生システムS2について、図1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. 3 is a schematic view showing a second embodiment of the steam generation system according to the present invention.
In FIG. 3, the steam generation system S <b> 2 includes a heat pump 50, a heating medium (water in this example) supply path 20, and a multistage compression unit 60.
The configuration of the supply path 20 is the same as that of the steam generation system S1 of FIG. The heat pump 50 includes a bypass path 51 and a regenerator 52 in addition to the same configuration as the heat pump 10 of FIG. In the following description, for the steam generation system S2, the same components as those in the steam generation system S1 in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

バイパス経路51の入口端がヒートポンプ50の主経路15における第1放熱部13Aと第2放熱部13Bとの間の配管に接続され、出口端が主経路15における第2放熱部13Bと膨張部14との間の配管に接続される。バイパス経路51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が配設されてもよい。バイパス経路51において、第1放熱部13Aからの作動媒体の一部が、第2放熱部13Bを迂回し、膨張部14の手前で第1放熱部13Aからの作動媒体と合流する。第1放熱部13Aからの残りの作動媒体は、第2放熱部13Bを流れ、第1熱交換器40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。   The inlet end of the bypass path 51 is connected to a pipe between the first heat radiating part 13A and the second heat radiating part 13B in the main path 15 of the heat pump 50, and the outlet end is the second heat radiating part 13B and the expansion part 14 in the main path 15. Connected to the pipe between. A flow rate control valve that controls the bypass flow rate of the working medium may be disposed at the inlet of the bypass path 51. In the bypass path 51, a part of the working medium from the first heat radiating unit 13 </ b> A bypasses the second heat radiating unit 13 </ b> B and merges with the working medium from the first heat radiating unit 13 </ b> A before the expansion unit 14. The remaining working medium from the first heat dissipating part 13A flows through the second heat dissipating part 13B, and the working medium and water in the supply path 20 exchange heat in the first heat exchanger 40.

再生器52は、バイパス経路51の配管と、ヒートポンプ50の主経路15の配管(吸熱部11と圧縮部60との間の配管)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50において、吸熱部11からの作動媒体に比べて、第1放熱部13Aからの作動媒体は高温である。再生器52において、バイパス経路51を流れる第1放熱部13Aからの作動媒体と、ヒートポンプ50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51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。なお、再生器52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51内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造、あるいは、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構造などを有する。   The regenerator 52 has a configuration in which a pipe of the bypass path 51 and a pipe of the main path 15 of the heat pump 50 (a pipe between the heat absorption unit 11 and the compression unit 60) are arranged adjacent to each other. In the heat pump 50, the working medium from the first heat radiating unit 13 </ b> A is hotter than the working medium from the heat absorbing unit 11. In the regenerator 52, the working medium from the first heat radiating portion 13 </ b> A flowing through the bypass path 51 and the working medium from the heat absorbing section 11 flowing through the main path 15 of the heat pump 50 exchange heat. By this heat exchange, the temperature of the working medium in the bypass path 51 is lowered, and the temperature of the working medium in the main path 15 is raised. The regenerator 52 has a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (a working medium in the main passage 15) and a high-temperature fluid (a working fluid in the bypass passage 51) face each other, or a high-temperature fluid. And a parallel flow type heat exchange structure in which a low-temperature fluid flows in parallel.

圧縮部60は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。その段数は、2段でもよく、3段以上でもよい。水の供給経路20における蒸発部22の循環配管48と、多段式の圧縮部60の段間放熱部61とが互いに隣接して配置される。循環配管48、圧縮部60の段間放熱部61、及び第1放熱部13A、を含んで第2熱交換器65が構成される。第2熱交換器65は、低温の流体(循環配管48内の水)と高温の流体(ヒートポンプ50内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造、あるいは、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構造などを有する。   The compression unit 60 has a structure for compressing the working medium in multiple stages. The number of stages may be two or three or more. A circulation pipe 48 of the evaporation unit 22 in the water supply path 20 and an interstage heat radiation unit 61 of the multistage compression unit 60 are arranged adjacent to each other. The 2nd heat exchanger 65 is comprised including the circulation piping 48, the interstage heat radiation part 61 of the compression part 60, and the 1st heat radiation part 13A. The second heat exchanger 65 has a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (water in the circulation pipe 48) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 50) face each other, or a high-temperature fluid It has a parallel flow type heat exchange structure in which a low-temperature fluid flows in parallel.

このような蒸気発生システムS2においては、第2放熱部13B、第1放熱部13A、及び圧縮部60の段間放熱部61がその順に、供給経路20内の水を加熱する。具体的には、供給経路20内の水が、第1熱交換器40においてヒートポンプ50の第2放熱部13Bからの熱によって沸点近くまで温度上昇し、その後、第2熱交換器65において第1放熱部13Aからの熱及び圧縮部60の段間放熱部61からの熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱及び潜熱加熱がそれぞれ別々の熱交換器40,65によって段階的に行われる。一方、作動媒体は、水との熱交換により、温度一定のまま蒸気から液体へ相変化し、その後に、温度降下する。   In such a steam generation system S2, the second heat radiation part 13B, the first heat radiation part 13A, and the interstage heat radiation part 61 of the compression part 60 heat the water in the supply path 20 in that order. Specifically, the temperature of the water in the supply path 20 rises to near the boiling point by the heat from the second heat radiating portion 13B of the heat pump 50 in the first heat exchanger 40, and then the first heat exchanger 65 makes the first heat in the second heat exchanger 65. The water undergoes a phase change and evaporates due to heat from the heat radiating unit 13A and heat from the interstage heat radiating unit 61 of the compression unit 60. That is, sensible heat heating and latent heat heating of water are performed in stages by separate heat exchangers 40 and 65, respectively. On the other hand, the working medium undergoes a phase change from vapor to liquid while maintaining a constant temperature by heat exchange with water, and thereafter the temperature drops.

バイパス経路51を介して作動媒体の一部が第1熱交換器40を迂回するから、第1熱交換器40に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、次に説明するように、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。   Since a part of the working medium bypasses the first heat exchanger 40 via the bypass path 51, the flow rate of the working medium entering the first heat exchanger 40 is optimized. This is advantageous in effectively using the retained heat of the working medium, as will be described next.

図4及び図5は、熱交換に伴う、被加熱媒体とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示すグラフ図であり、図4は先の蒸気発生システムS1(図1)に対応し、図5は蒸気発生システムS2(図3)に対応する。本例では、被加熱媒体は水(HO)であり、作動媒体はアンモニア(NH)である。 4 and 5 are graphs schematically showing an example of a temperature change between the medium to be heated and the working medium of the heat pump accompanying heat exchange. FIG. 4 is a graph showing the previous steam generation system S1 (FIG. 1). Correspondingly, FIG. 5 corresponds to the steam generation system S2 (FIG. 3). In this example, the medium to be heated is water (H 2 O), and the working medium is ammonia (NH 3 ).

図4及び図5に示すように、水は、アンモニアとの熱交換により、沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま液体から蒸気に相変化する。例えば、水の入力温度は約20℃であり、出力温度は約90℃である。アンモニアは、水との熱交換により、温度一定のまま蒸気から液体へ相変化し、その後に、温度降下する。   As shown in FIG. 4 and FIG. 5, water rises in temperature to near the boiling point by heat exchange with ammonia, and then changes in phase from liquid to vapor while keeping the temperature constant. For example, the input temperature of water is about 20 ° C and the output temperature is about 90 ° C. Ammonia undergoes a phase change from vapor to liquid with a constant temperature due to heat exchange with water, and then drops in temperature.

図4に示すように、先の蒸気発生システムS1では、水の温度上昇過程(顕熱)と相変化過程(潜熱)との間で実質的に同量のアンモニアが熱交換に用いられるから、水とアンモニアとの間での温度の逆転(図4の破線)の回避のために、アンモニアの出力温度を一定値以上にする必要がある。これは、アンモニアに比べて、水の蒸発熱が大きいことによる。先の蒸気発生システムS1では、例えば、アンモニアの入口温度は約100℃、出口温度は約80℃に設定される。   As shown in FIG. 4, in the previous steam generation system S1, since substantially the same amount of ammonia is used for heat exchange between the water temperature rise process (sensible heat) and the phase change process (latent heat), In order to avoid the reversal of temperature between water and ammonia (broken line in FIG. 4), the output temperature of ammonia needs to be a certain value or higher. This is because the heat of evaporation of water is larger than that of ammonia. In the previous steam generation system S1, for example, the ammonia inlet temperature is set to about 100 ° C. and the outlet temperature is set to about 80 ° C.

一方、図5に示すように、蒸気発生システムS2では、アンモニアの流れ方向に関して後段の熱交換器(第1熱交換器40)を、アンモニアの一部が迂回するから、蒸気発生システムS1に比べて、アンモニアの出力温度を低くできる。すなわち、水の温度上昇(顕熱)及び相変化(潜熱)の各過程に対して、アンモニアの必要量が最適化される。蒸気発生システムS2では、例えば、アンモニアの入口温度は約100℃、出口温度は約30℃に設定される。   On the other hand, as shown in FIG. 5, in the steam generation system S2, a part of the ammonia bypasses the downstream heat exchanger (first heat exchanger 40) with respect to the flow direction of ammonia. Thus, the output temperature of ammonia can be lowered. That is, the required amount of ammonia is optimized for each process of water temperature rise (sensible heat) and phase change (latent heat). In the steam generation system S2, for example, the inlet temperature of ammonia is set to about 100 ° C., and the outlet temperature is set to about 30 ° C.

図3に戻り、蒸気発生システムS2では、バイパス経路51を介して作動媒体の一部が第1熱交換器40を迂回することにより、第1熱交換器40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40及び第2熱交換器65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。   Returning to FIG. 3, in the steam generation system S <b> 2, a part of the working medium bypasses the first heat exchanger 40 via the bypass path 51, whereby the amount of working medium flowing into the first heat exchanger 40 is controlled. As a result, each of the first heat exchanger 40 and the second heat exchanger 65 is supplied with a working medium having a heat amount as required.

バイパス経路51を流れる作動媒体は、再生器52において、ヒートポンプ50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51内の作動媒体の温度が降下し(例えば約20℃)、ヒートポンプ50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60に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部60の動力の低減化が図られる。   The working medium flowing through the bypass path 51 exchanges heat with the working medium from the heat absorbing unit 11 flowing through the main path 15 of the heat pump 50 in the regenerator 52. By this heat exchange, the temperature of the working medium in the bypass passage 51 is lowered (for example, about 20 ° C.), and the temperature of the working medium in the main passage 15 of the heat pump 50 is raised (for example, about 95 ° C.). Due to the increase in the input temperature of the working medium to the compression unit 60, the power of the compression unit 60 is reduced.

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、作動媒体がアンモニアである場合には、第2熱交換器65に対する作動媒体の供給量に対して、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、先の図5に示したように、顕熱及び潜熱のそれぞれにおいて水とアンモニアとの間の熱バランスが良い。さらに、アンモニアの液相の比熱が気相の比熱の約2倍であることから、再生器52におけるアンモニア同士の熱バランスも良い。アンモニアに代えて、フロン系媒体を用いた場合もこれと同様である。   The bypass amount of the working medium is determined according to each physical property value (specific heat, etc.) of the medium to be heated and the working medium. When the medium to be heated is water and the working medium is ammonia, the bypass amount is preferably about 50% in terms of molar ratio with respect to the amount of working medium supplied to the second heat exchanger 65. In this case, as shown in FIG. 5, the heat balance between water and ammonia is good in both sensible heat and latent heat. Furthermore, since the specific heat of the liquid phase of ammonia is about twice that of the gas phase, the heat balance between the ammonia in the regenerator 52 is good. The same applies to the case where a chlorofluorocarbon medium is used instead of ammonia.

再生器52で温度降下したバイパス経路51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50の主経路15を流れる第1熱交換器40(第2放熱部13B)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40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。   The working medium (for example, about 20 ° C.) in the bypass passage 51 whose temperature has dropped by the regenerator 52 is in front of the expansion section 14 and flows through the main path 15 of the heat pump 50 (first heat exchanger 40 (second heat radiation section 13B)). From the working medium. As described above, the output temperature of the working medium from the first heat exchanger 40 is set to be relatively low (for example, about 30 ° C.). The liquid gas ratio of the working medium is optimized by the decrease in the input temperature of the working medium to the expansion unit 14, and as a result, the heat absorption unit 11 effectively absorbs heat from a heat source (for example, the atmosphere) outside the cycle.

このように、蒸気発生システムS2によれば、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から、熱の有効利用が図られ、したがって、蒸気発生システムS2は、蒸気発生システムS1に比べて、高いエネルギー効率を有する。   Thus, according to the steam generation system S2, since the working medium after being used for water evaporation is used for warming the water and regenerating the working medium, the heat can be effectively used. The system S2 has high energy efficiency compared to the steam generation system S1.

また、蒸気発生システムS2では、圧縮部60が多段式であり、圧縮部60の段間放熱部61において、作動媒体と水とが熱交換する点からも、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60の段間放熱部61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60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、段間放熱部61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段でもよく、3段以上でもよい。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。   Further, in the steam generation system S2, the compression unit 60 is a multistage type, and the energy efficiency is also improved in that the working medium and water exchange heat in the interstage heat radiation unit 61 of the compression unit 60. That is, the heat of the interstage heat radiating unit 61 of the multistage compression unit 60 is deprived, thereby suppressing the temperature increase of the working medium during the compression process of the working medium. As a result, the compression efficiency of the compression unit 60 is improved and The power of the compressor can be reduced. The number of repetitions of the temperature rise of the working medium accompanying compression and the temperature drop of the working medium in the interstage heat radiating section 61 (the number of reheating stages) may be two or three or more. It is advantageous for improving energy efficiency that the number of stages of reheating is large within the range of restrictions on the apparatus configuration.

図6は、ヒートポンプ50の作動媒体の状態変化の一例を示す T-s 線図である。図7は、ヒートポンプ50の作動媒体の状態変化の一例を示す H-s 線図(モリエ線図)である。図6及び図7は、4段再熱の例である。   FIG. 6 is a Ts diagram showing an example of a state change of the working medium of the heat pump 50. FIG. 7 is an Hs diagram (Molier diagram) showing an example of a state change of the working medium of the heat pump 50. 6 and 7 are examples of four-stage reheating.

また、蒸気発生システムS2では、多段式の圧縮部60に対する作動媒体の入力温度が再生器52によって高められている点も、圧縮部60の動力低減に有利である。また、段間放熱部61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 steam generation system S <b> 2, the fact that the input temperature of the working medium to the multistage compression unit 60 is increased by the regenerator 52 is also advantageous in reducing the power of the compression unit 60. Moreover, effective use of heat is also achieved from the point of heating the water that is the medium to be heated by using the cooling of the interstage heat radiation portion 61.

また、蒸気発生システムS2では、先の蒸気発生システムS1(図1)と同様に、第2放熱部13Bを含む第1熱交換器40が顕熱交換に適した形態であり、第1放熱部13A及び圧縮部60の段間放熱部61を含む第2熱交換器65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。   Further, in the steam generation system S2, the first heat exchanger 40 including the second heat radiating portion 13B is in a form suitable for sensible heat exchange, as in the previous steam generation system S1 (FIG. 1). 13A and the second heat exchanger 65 including the interstage heat dissipating part 61 of the compression part 60 are optimized in the configuration such that the second heat exchanger 65 is suitable for latent heat exchange. Will occur.

また、蒸気発生システムS2では、先の蒸気発生システムS1(図1)と同様に、供給経路20内の水が、ヒートポンプ50による加熱で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50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。   Further, in the steam generation system S2, as in the previous steam generation system S1 (FIG. 1), the water in the supply path 20 becomes steam at a relatively low pressure and low temperature when heated by the heat pump 50, and is supplied by the compressor 30. Compression results in relatively high pressure and high temperature steam. That is, the water heated by the heat pump 50 is further heated by the compression by the compressor 30, thereby generating high-temperature steam at 100 ° C. or higher. The steam from the steam generation system S2 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, a power generation plant, and the like.

また、蒸気発生システムS2では、先の蒸気発生システムS1(図1)と同様に、ヒートポンプ50による複数段の加熱と圧縮機30による加熱とを含む多段加熱により、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50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S2は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。   Further, in the steam generation system S2, both saturated steam and superheated steam are obtained by multistage heating including heating by the heat pump 50 and heating by the compressor 30 as in the previous steam generation system S1 (FIG. 1). It can be easily generated. That is, after generating saturated steam at a negative pressure lower than the atmospheric pressure by heating by the heat pump 50, superheated steam or saturated steam at a pressure higher than atmospheric pressure or atmospheric pressure is generated by compression by the compressor 30. be able to. That is, the steam generation system S2 is highly flexible with respect to the steam specifications.

図8は、本発明に係る蒸気発生システムの第3実施形態であり、図3の蒸気発生システムS2の変形例である。
図8の蒸気発生システムS3は、図3の蒸気発生システムS2のヒートポンプ50から、バイパス経路51及び再生器52を省いたヒートポンプ70を有している。
FIG. 8 shows a third embodiment of the steam generation system according to the present invention, which is a modification of the steam generation system S2 of FIG.
The steam generation system S3 of FIG. 8 has a heat pump 70 in which the bypass path 51 and the regenerator 52 are omitted from the heat pump 50 of the steam generation system S2 of FIG.

ここで、試算例を示す。図1の蒸気発生システムS1、図3の蒸気発生システムS2、及び図8の蒸気発生システムS3について、COPを試算した。被加熱媒体は水、作動媒体はアンモニアである。
図1の蒸気発生システムS1のCOPは3.07であった。図3の蒸気発生システムS2のCOPは、再熱2段が3.42、再熱4段で3.52であった。図8の蒸気発生システムS3のCOPは、再熱2段が3.21であった。
Here, a trial calculation example is shown. COP was estimated about the steam generation system S1 of FIG. 1, the steam generation system S2 of FIG. 3, and the steam generation system S3 of FIG. The medium to be heated is water, and the working medium is ammonia.
The COP of the steam generation system S1 in FIG. 1 was 3.07. The COP of the steam generation system S2 in FIG. 3 was 3.42 for the second stage of reheating and 3.52 for the fourth stage of reheating. The COP of the steam generation system S3 in FIG. 8 was 3.21 in the second stage of reheating.

図9及び図10はそれぞれ、本発明に係る蒸気発生システムの第4及び第5実施形態であり、蒸気発生システムS2の別の変形例である。
図9の蒸気発生システムS4は、図3の蒸気発生システムS2と比較して被加熱媒体(水)の入力温度が異なる(約60℃)。
図10の蒸気発生システムS5は、図3の蒸気発生システムS2の供給経路20から、圧縮機30を省いた供給経路80を有している。
FIG. 9 and FIG. 10 are the fourth and fifth embodiments of the steam generation system according to the present invention, respectively, and are other modifications of the steam generation system S2.
The steam generation system S4 in FIG. 9 differs from the steam generation system S2 in FIG. 3 in the input temperature of the medium to be heated (water) (about 60 ° C.).
The steam generation system S5 of FIG. 10 has a supply path 80 in which the compressor 30 is omitted from the supply path 20 of the steam generation system S2 of FIG.

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、添付のクレーム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 scope of the appended claims.

S1,S2,S3,S4,S5…蒸気発生システム、10,50,70…ヒートポンプ、11…吸熱部、12,60…圧縮部、13A…第1放熱部、13B…第2放熱部、14…膨張部、15…主経路、20,80…供給経路、21…加温部、22…蒸発部、23…ダクト、30…圧縮機、35…ノズル、36…配管、40…第1熱交換器、41,65…第2熱交換器、47…タンク、48…循環配管、49…気液分離機、51…バイパス経路、52…再生器、61…段間放熱部。   S1, S2, S3, S4, S5 ... steam generation system, 10, 50, 70 ... heat pump, 11 ... heat absorption part, 12, 60 ... compression part, 13A ... first heat radiation part, 13B ... second heat radiation part, 14 ... Expansion unit, 15 ... main path, 20, 80 ... supply path, 21 ... heating unit, 22 ... evaporation unit, 23 ... duct, 30 ... compressor, 35 ... nozzle, 36 ... piping, 40 ... first heat exchanger , 41, 65 ... second heat exchanger, 47 ... tank, 48 ... circulation piping, 49 ... gas-liquid separator, 51 ... bypass path, 52 ... regenerator, 61 ... interstage heat radiation part.

Claims (10)

被加熱媒体の供給経路と、
ヒートポンプと、を備え、
前記ヒートポンプは、作動媒体の流れ方向に並ぶ吸熱部、圧縮部、第1放熱部、第2放熱部、及び膨張部を有し、
前記第2放熱部及び前記第1放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱し、
前記圧縮部が、前記作動媒体を多段に圧縮する構造を有し、
前記第2放熱部、前記第1放熱部、及び前記圧縮部の段間放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱し、
前記段間放熱部からの熱は、前記被加熱媒体の潜熱加熱に用いられる、
ことを特徴とする蒸気発生システム。
A heating medium supply path;
A heat pump,
The heat pump has a heat absorbing part, a compressing part, a first heat radiating part, a second heat radiating part, and an expanding part arranged in the flow direction of the working medium,
The second heat radiating section and the first heat radiating section heat the heated medium in the supply path in that order,
The compression unit has a structure for compressing the working medium in multiple stages,
The second heat dissipating part, the first heat dissipating part, and the interstage heat dissipating part of the compression part sequentially heat the heated medium in the supply path,
The heat from the interstage heat dissipation part is used for latent heat heating of the heated medium.
A steam generation system characterized by that.
前記第1放熱部と前記圧縮部の前記段間放熱部を一つの熱交換器内に構成したことを特徴とする請求項1に記載の蒸気発生システム。   The steam generation system according to claim 1, wherein the interstage heat dissipating part of the first heat dissipating part and the compression part is configured in one heat exchanger. 前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記第2放熱部からの熱によって沸点近くまで温度上昇し、前記第1放熱部及び前記圧縮部の前記段間放熱部からの熱によって相変化して蒸気になる、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の蒸気発生システム。   The heated medium in the supply path rises in temperature to near the boiling point due to heat from the second heat radiating part, and undergoes a phase change due to heat from the interstage heat radiating part of the first heat radiating part and the compression part. The steam generation system according to claim 1, wherein the steam generation system is steam. 前記供給経路に接続され、前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機をさらに備え、
前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で大気圧に比べて低い負圧での蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で大気圧又は大気圧よりも高い圧力での蒸気になる、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の蒸気発生システム。
A compressor connected to the supply path and compressing the heated medium heated by the heat pump;
The heated medium in the supply path becomes steam at a negative pressure lower than atmospheric pressure by heating by the heat pump, and becomes steam at atmospheric pressure or pressure higher than atmospheric pressure by compression by the compressor.
The steam generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱部位での内部空間が、前記圧縮機による吸引作用で負圧になる、ことを特徴とする請求項4に記載の蒸気発生システム。   The steam generation system according to claim 4, wherein an internal space at a heating portion by the heat pump in the supply path becomes a negative pressure due to a suction action by the compressor. 前記供給経路は、液状の前記被加熱媒体を貯溜可能なタンクを有し、
前記圧縮機の入口は、前記タンクに設けられた蒸気排出口につながる、
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の蒸気発生システム。
The supply path has a tank capable of storing the liquid medium to be heated,
The inlet of the compressor leads to a steam outlet provided in the tank;
The steam generation system according to claim 4 or 5, characterized in that.
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、さらに備えることを特徴とする請求項4から請求項6のいずれかに記載の蒸気発生システム。   The steam generation system according to any one of claims 4 to 6, further comprising a nozzle that supplies the liquid to be heated with respect to the vapor of the medium to be heated. 前記ヒートポンプはさらに、前記第1放熱部からの前記作動媒体の一部が前記第2放熱部を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路への前記作動媒体のバイパス量を制御する流量制御弁と、を有する、ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の蒸気発生システム。   The heat pump further includes a bypass path in which a part of the working medium from the first heat radiating unit bypasses the second heat radiating part, a flow rate control valve that controls a bypass amount of the working medium to the bypass path, The steam generation system according to any one of claims 1 to 7, characterized by comprising: 前記作動媒体の前記バイパス量は、前記被過熱媒体及び前記作動媒体の各物性値に応じて定められる、ことを特徴とする請求項8に記載の蒸気発生システム。   The steam generation system according to claim 8, wherein the bypass amount of the working medium is determined according to physical property values of the superheated medium and the working medium. 前記ヒートポンプは、前記バイパス経路を流れる前記被加熱媒体の熱を利用する熱交換器をさらに有する、ことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の蒸気発生システム。   The steam generation system according to claim 8 or 9, wherein the heat pump further includes a heat exchanger that uses heat of the heated medium flowing through the bypass path.
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