JP5957410B2

JP5957410B2 - 排熱回収装置

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Publication number: JP5957410B2
Application number: JP2013085644A
Authority: JP
Inventors: 足立　成人; 成人足立; 松村　昌義; 昌義松村; 高橋　和雄; 和雄高橋; 裕成川; 成川　　裕
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: CN104110282A; JP2014206148A; CN104110282B; KR20140124409A; KR101576367B1

Description

本発明は、排熱回収装置に関するものである。

従来、工場等から排出される水蒸気あるいはガスの熱を回収する排熱回収装置が知られている。例えば、特許文献１には、蒸気からなる加熱媒体が供給される蒸発器と、蒸発器から流出した作動媒体が流入する膨張機と、膨張機に接続された発電機と、膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出した作動媒体を加圧して蒸発器へ送出するポンプと、を備えた排熱回収装置が開示されている。蒸発器は、作動媒体が流れる作動媒体流路と、加熱媒体が流れる加熱媒体流路とを有する。通常、加熱媒体流路内には、当該加熱媒体流路に供給された加熱媒体である蒸気が凝縮することにより生成された液体（ドレインやミスト）が存在する。また、作動媒体流路内には、液状の作動媒体が存在する。

特開２０１２−２５５４００号公報

特許文献１に記載されるような排熱回収装置では、加熱媒体として工場等から排出される蒸気等が用いられており、加熱媒体の温度が急激に上昇する場合がある。この場合、蒸発器内でいわゆるウォータハンマ現象が生じ得ることが知られている。このウォータハンマ現象は、主に以下の原理で生じていると推測される。
（１）急激に温度上昇した加熱媒体（蒸気や高温ガス）が加熱媒体流路内に供給されると、この加熱媒体は、加熱媒体流路内の液体（ドレインもしくはミスト）に冷却されることにより凝縮し、これにより急激に加熱媒体の体積が小さくなる。そうすると、加熱媒体流路内に相対的に圧力の低い部分が発生する。この結果、その相対的に圧力の低い部分へ向かって加熱媒体流路内の液体が移動することによりこの液体が当該加熱媒体流路の内面に衝突する。
（２）急激に温度上昇した加熱媒体により作動媒体流路内の液状の作動媒体が暖められて急激に蒸発する。そうすると、ガス状の作動媒体にミスト状の作動媒体が随伴されることによって作動媒体流路内に相対的に圧力の低い部分が発生する。この結果、その相対的に圧力の低い部分へ向かって作動媒体流路内の液状またはミスト状の作動媒体が移動することによりこの作動媒体が当該作動媒体流路の内面に衝突する。

本発明の目的は、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が供給される蒸発器内で生じるウォータハンマ現象の顕在化を抑制することである。

本発明者らは、上記の原理から、ウォータハンマ現象は、加熱媒体流路内の加熱媒体の急激な圧力変化または作動媒体流路内の作動媒体の急激な圧力変化に起因して発生していると推測されるため、この圧力変化を監視することによりウォータハンマ現象の発生ないし顕在化を抑制可能であることに想到した。

本発明はこのような観点からなされたものであり、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路と作動媒体が流れる作動媒体流路とを有する蒸発器と、前記蒸発器から流出した前記作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続された回転機と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した前記作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、前記加熱媒体流路に供給される前記加熱媒体の圧力、前記加熱媒体流路から流出した前記加熱媒体の圧力、前記作動媒体流路から流出した前記作動媒体の圧力、及び前記作動媒体流路に流入する前記作動媒体の圧力のうちの少なくとも１つを検出する圧力センサと、測定期間内において、予め取得した前記圧力センサの検出値に関連する代表値を基準とする変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたときに、前記作動媒体流路への前記作動媒体の流入量を減少させる制御部と、を備える排熱回収装置を提供する。

本発明では、ウォータハンマ現象の発生原因と推測される加熱媒体流路内の加熱媒体の圧力変化または作動媒体流路内の作動媒体の圧力変化を監視するために、加熱媒体の圧力または作動媒体の圧力を検出する圧力センサが設けられている。そして、前記測定期間内において、前記変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたとき（変動許容範囲を超えて急激に上下に変動したとき）、すなわち、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部は、作動媒体流路への作動媒体の流入量を減少させる。これにより作動媒体流路における作動媒体の液面が低下するので、加熱媒体流路を流れる加熱媒体が作動媒体流路内の液状の作動媒体との熱交換によって失う熱量が減る。すなわち、加熱媒体を冷却する媒体量が減少するので、加熱媒体の急激な凝縮が抑制され、これにより、加熱媒体流路において相対的に圧力が低くなる部分が減少する。したがって、加熱媒体流路内の液体が当該加熱媒体流路の内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。また、蒸発器における作動媒体流路への作動媒体の流入量を減少させることにより作動媒体流路内の作動媒体の液面が低下し、これにより蒸発器全体の温度が上昇する。そうすると、作動媒体流路において相対的に圧力が低くなる部分が減少するので、液状またはミスト状の作動媒体が作動媒体流路の内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。

この場合において、前記制御部は、予め設定された設定期間内に複数回取得された前記検出値の移動平均値を前記代表値とすることが好ましい。

このようにすれば、前記代表値が、前記設定期間の各検出値に基づいて平滑化された移動平均値であることから、安定した制御が可能となる。

また、本発明において、前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記ポンプの回転数を低下させてもよい。

このようにすれば、前記条件を満たしたときにポンプの回転数が低下することにより作動媒体流路に流入する作動媒体の流量が減少するので、ウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。

あるいは、本発明において、前記ポンプから送出された前記作動媒体を前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す戻し流路と、前記戻し流路に設けられた戻し弁とをさらに備え、前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記戻し弁の開度を大きくしてもよい。

このようにしても、前記条件を満たしたときにポンプから送出された作動媒体の一部が当該ポンプと凝縮器との間に戻されることにより作動媒体流路に流入する作動媒体の流量が減少するので、ウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。

以上のように、本発明によれば、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が供給される蒸発器内で生じるウォータハンマ現象の顕在化を抑制することができる。

本発明の第一実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示す図である。加熱媒体の温度が急上昇したときの加熱媒体の圧力変化及び作動媒体の圧力変化を示すグラフである。制御部の制御内容の概略を示すフローチャートである。第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。第一実施形態の圧力センサを設ける箇所を異ならせた例を示す図である。本発明の第二実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示す図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態の排熱回収装置について、図１から図３を参照しながら説明する。

図１に示されるように、この排熱回収装置は、蒸発器１０と、蒸発器１０から流出した作動媒体が流入する膨張機１２と、膨張機１２に接続された回転機１４と、膨張機１２から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器１６と、凝縮器１６から流出した作動媒体を加圧するポンプ１８と、蒸発器１０、膨張機１２、凝縮器１６及びポンプ１８をこの順に直列に接続する循環流路２０と、圧力センサ２２と、蒸発器１０への作動媒体の流入量を制御する制御部２４とを備えている。

蒸発器１０は、水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路１０ａと、作動媒体が流れる作動媒体流路１０ｂとを有している。作動媒体流路１０ｂ内を流れる作動媒体は、加熱媒体流路１０ａ内を流れる加熱媒体と熱交換することにより蒸発する。作動媒体流路１０ｂは、循環流路２０に接続されている。通常、加熱媒体流路１０ａ内には、当該加熱媒体流路１０ａに供給された加熱媒体（水蒸気あるいはガス）が凝縮することにより生成された液体（ドレインやミスト）が存在する。また、作動媒体流路１０ｂ内には、液状の作動媒体が存在する。

膨張機１２は、循環流路２０における蒸発器１０の下流側に設けられている。本実施形態では、膨張機１２として、蒸発器１０から排出されたガス状の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるロータを有する容積式のスクリュー膨張機が用いられている。具体的には、この膨張機１２は、内部にロータ室が形成されたケーシングと、ロータ室内に回転自在に支持された雌雄一対のスクリュロータ（ロータ）とを有している。膨張機１２では、前記ケーシングに形成された吸気口から前記ロータ室に供給された作動媒体の膨張エネルギーによって前記スクリュロータが回転駆動される。そして、前記ロータ室内で膨張することにより圧力が低下した作動媒体は、前記ケーシングに形成された排出口から循環流路２０に排出される。なお、膨張機１２としては、容積式のスクリュー膨張機に限らず、遠心式のものやスクロールタイプのもの等が用いられてもよい。

回転機１４は、膨張機１２に接続されている。本実施形態では、回転機１４として発電機１４が用いられている。発電機１４は、膨張機１２の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有している。発電機１４は、回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。

凝縮器１６は、循環流路２０における膨張機１２の下流側に設けられている。凝縮器１６は、膨張機１２から排出されたガス状の作動媒体を凝縮させて液状の作動媒体とする。具体的には、凝縮器１６に流入したガス状の作動媒体は、当該凝縮器１６に外部から供給された冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。凝縮器１６に供給される冷却媒体としては、例えば、冷却水や空気が挙げられる。

ポンプ１８は、循環流路２０における凝縮器１６の下流側（蒸発器１０と凝縮器１６との間）に設けられている。ポンプ１８は、凝縮器１６で凝縮された作動媒体を所定の圧力まで加圧して循環流路２０におけるポンプ１８の下流側に送り出す。ポンプ１８としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。このポンプ１８は、任意の回転数で駆動されることが可能である。

圧力センサ２２は、加熱媒体流路１０ａに加熱媒体を供給する流路に設けられており、加熱媒体流路１０ａに供給される加熱媒体の圧力を検出する。

制御部２４は、圧力センサ２２に接続されており、また、インバータ２６を介してポンプ１８に接続されている。制御部２４の機能には、算出部２４ａと、回転数制御部２４ｂとが含まれる。

算出部２４ａは、図２に示される圧力センサ２２の複数の検出値を取得し、この取得した値に基づいて、加熱媒体の圧力（圧力センサ２２の検出値）の移動平均値を算出する。本実施形態では、移動平均の設定期間は、１分〜１０分程度に設定されている。

ここで、図２から、期間Ａで加熱媒体流路１０ａに供給される加熱媒体の温度が急上昇していること、および、期間Ａの後に、加熱媒体の圧力がその移動平均値に対して急激に上下に変動している期間Ｂが存在することが分かる。そして、この変動している期間Ｂにウォータハンマ現象が顕在化し得ることが確認されている。なお、図２には、加熱媒体の圧力及び作動媒体の圧力のそれぞれについて、移動平均値に加え、この移動平均値に対して５％高い値、５％低い値、１０％高い値及び１０％低い値が示されている。

本実施形態では、圧力センサ２２の検出値が、前記移動平均値を基準とした上下への変動が許容される範囲（ウォータハンマ現象が顕在化しない範囲）として変動許容範囲が設定される。具体的に、変動許容範囲の上限値は、前記移動平均値に対して５％高い検出値に設定され、変動許容範囲の下限値は、前記移動平均値に対して５％低い検出値に設定されている。また、圧力センサ２２の検出値を測定する期間として、設定期間と同じかそれよりも短い期間であり、１０秒〜１分程度に設定された測定期間が設定されている。

回転数制御部２４ｂは、設定期間後の測定期間内に、前記移動平均値に対して５％以上高い検出値と前記移動平均値から５％以上低い検出値とを取得したときに（移動平均値に対して急激に上下に変動する検出値を取得したときに）、インバータ２６を介してポンプ１８の回転数を減少させることによって作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる。

次に、図３を参照しながら、制御部２４の制御内容について説明する。

まず、本排熱回収装置を起動する（ステップＳ１０）。そうすると、算出部２４ａは、圧力センサ２２の複数の検出値を定期的に取得する（ステップＳ１１）。

そして、算出部２４ａは、順次更新される設定期間（１分〜１０分程度）ごとに、上記複数の検出値の移動平均値を算出する（ステップＳ１２）。

その後、回転数制御部２４ｂは、測定期間（１０秒〜１分程度）内に、上記移動平均値に対して５％以上高い検出値と上記移動平均値から５％以上低い検出値とを取得したかどうかを判断する（ステップＳ１３）。

その結果、測定期間内に上記５％以上高い値と上記５％以上低い値とを取得したと判断したとき、回転数制御部２４ｂは、インバータ２６を介してポンプ１８の回転数を減少させることによって作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる（ステップＳ１４）。

以上説明したように、本実施形態の排熱回収装置では、ウォータハンマ現象の発生原因と推測される加熱媒体流路１０ａ内の加熱媒体の圧力変化を監視するために、加熱媒体の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられている。そして、測定期間内において、前記移動平均値に対して５％以上高い値、および、５％以上低い値が取得されたとき、すなわち、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部２４は、ポンプ１８の回転数を減少させることによって作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる。これにより作動媒体流路１０ｂにおける作動媒体の液面が低下するので、加熱媒体流路１０ａを流れる加熱媒体が作動媒体流路１０ｂ内の液状の作動媒体との熱交換によって失う熱量が減る。すなわち、加熱媒体を冷却する媒体量が減少するので、加熱媒体の急激な凝縮が抑制され、これにより、加熱媒体流路１０ａにおいて相対的に圧力が低くなる部分が減少する。したがって、加熱媒体流路１０ａ内の液体が当該加熱媒体流路１０ａの内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。また、蒸発器１０における作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させることにより作動媒体流路１０ｂ内の作動媒体の液面が低下し、これにより蒸発器１０全体の温度が上昇する。そうすると、作動媒体流路１０ｂにおいて相対的に圧力が低くなる部分が減少するので、液状またはミスト状の作動媒体が作動媒体流路１０ｂの内面へ衝突するウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。

また、本実施形態では、変動許容範囲の基準として、設定期間に取得された各検出値に基づいて平滑化された値である移動平均値が用いられていることから、安定した制御が可能となる。

なお、本実施形態では、圧力センサ２２が加熱媒体流路１０ａに加熱媒体を供給する流路に設けられた例が示されたが、図４に示されるように、圧力センサ２２は、加熱媒体流路１０ａから流出した加熱媒体が流れる流路に設けられてもよい。この場合でも、圧力センサ２２からは、図２に示される加熱媒体の圧力変化と同様の挙動を示す検出値が検出される。

あるいは、圧力センサ２２は、図５に示されるように、循環流路２０における作動媒体流路１０ｂの上流側（作動媒体流路１０ｂとポンプ１８との間）に設けられてもよい。この場合、圧力センサ２２で検出される作動媒体の圧力は、図２に示されるように、加熱媒体の圧力変化と同様の挙動を示す。具体的には、加熱媒体の圧力がその移動平均値に対して急激に上下に変動する期間Ｂと同じ期間に、この圧力センサ２２の検出値（作動媒体の圧力）がその移動平均値に対して急激に上下に変動する。

なお、圧力センサ２２は、図６に示されるように、循環流路２０における作動媒体流路１０ｂの下流側（作動媒体流路１０ｂと膨張機１２との間）に設けられてもよい。この場合でも、圧力センサ２２からは、図２に示される作動媒体の圧力変化と同様の挙動を示す検出値が検出される。

また、圧力センサ２２は、加熱媒体流路１０ａに加熱媒体を供給する流路、加熱媒体流路１０ａから流出した加熱媒体が流れる流路、循環流路２０における作動媒体流路１０ｂの上流側及び循環流路２０における作動媒体流路１０ｂの下流側のいずれか２箇所以上に設けられてもよい。この場合、回転数制御部２４ｂは、測定期間内において、各センサの少なくとも一つから、当該センサの検出値に基づいて算出される移動平均値に対して５％以上高い検出値と前記移動平均値から５％以上低い検出値とを取得したときに、作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる。

また、本実施形態では、移動平均値に対して乗じる割合を１０％に設定してもよい。これにより、回転数制御部２４ｂの誤動作をより確実に防止することができる。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示している。なお、第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の排熱回収装置は、ポンプ１８から送出された作動媒体を凝縮器１６とポンプ１８との間に戻す戻し流路２８と、この戻し流路２８に設けられた戻し弁３０とを備えている。そして、制御部２４は、第一実施形態の回転数制御部２４ｂの代わりに戻し弁３０の開度を制御する弁制御部２４ｃを有している。

次に、本実施形態の制御部２４の制御内容について、第一実施形態のそれと異なる箇所を説明する。

ステップＳ１２の後、弁制御部２４ｃは、測定期間（１０秒〜１分程度）内に、上記移動平均値に対して５％以上高い検出値と上記移動平均値から５％以上低い検出値とを取得したかどうか（上記検出値が移動平均値に対して５％以上上下に急激に変動したかどうか）を判断する（ステップＳ１３）。

その結果、測定期間内に上記５％以上高い値と上記５％以上低い値とを取得したと判断したとき、すなわち、ウォータハンマ現象が生じると推測される条件を満たしたとき、弁制御部２４ｃは、戻し弁３０の開度を大きくすることによって作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１０〜ステップＳ１２については、第一実施形態と同じである。

以上説明したように、本実施形態では、ウォータハンマ現象が発生すると推測される条件を満たしたときに、制御部２４は、戻し弁３０の開度を大きくすることによって作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる。よって、本実施形態においても、蒸発器１０内でのウォータハンマ現象の顕在化が抑制される。圧力センサ２２は、図４ないし図６と同様に、加熱媒体流路１０ａの下流側、循環流路２０における作動媒体流路１０ｂの上流側、または、下流側に設けられてもよい。また、加熱媒体流路１０ａの上流側、下流側、循環流路２０の上流側、および、下流側のうち２以上の箇所に複数の圧力センサ２２が設けられてもよい。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、回転機１４として発電機１４が例示されたが、回転機１４はこれに限られない。

また、上記各実施形態では、変動許容範囲の基準である代表値として移動平均値が用いられたが、この代表値は、移動平均値に限られない。例えば、代表値は、設定期間内に取得された全検出値の最大値と最小値の中央の値である中央値等であってもよく、あるいは、経験や実験に基づいて導出された圧力センサ２２の値である導出値であってもよい。つまり、代表値は、移動平均値、中央値、導出値などの圧力センサ２２の検出値に関連する値であって、設定期間内における圧力レベルを代表する値であればよい。なお、代表値として導出値を用いる場合、この代表値は制御部２４に予め記憶しておいてもよい。そして、回転数制御部２４ｂまたは弁制御部２４ｃは、その代表値を基準として上下への変動が許容される変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す検出値が取得されたときに、作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させればよい。また、変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値として、必ずしも圧力センサ２２の検出値そのものを用いる必要はなく、当該検出値が前記上限値及び前記下限値をそれぞれ超えた回数など、圧力センサ２２の検出値に基づく値を用いてもよい。この場合、回転数制御部２４ｂまたは弁制御部２４ｃは、測定期間内に、圧力センサ２２の検出値が前記上限値及び前記下限値を所定回数超えたときに、作動媒体流路１０ｂへの作動媒体の流入量を減少させる。

１０蒸発器
１０ａ加熱媒体流路
１０ｂ作動媒体流路
１２膨張機
１４回転機
１６凝縮器
１８ポンプ
２０循環流路
２２圧力センサ
２４制御部
２４ａ算出部
２４ｂ回転数制御部
２４ｃ弁制御部
２８戻し流路
３０バイパス弁

Claims

水蒸気あるいはガスからなる加熱媒体が流れる加熱媒体流路と作動媒体が流れる作動媒体流路とを有する蒸発器と、
前記蒸発器から流出した前記作動媒体が流入する膨張機と、
前記膨張機に接続された回転機と、
前記膨張機から流出した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器から流出した前記作動媒体を加圧して前記蒸発器へ送出するポンプと、
前記加熱媒体流路に供給される前記加熱媒体の圧力、前記加熱媒体流路から流出した前記加熱媒体の圧力、前記作動媒体流路から流出した前記作動媒体の圧力、及び前記作動媒体流路に流入する前記作動媒体の圧力のうちの少なくとも１つを検出する圧力センサと、
測定期間内において、予め取得した前記圧力センサの検出値に関連する代表値を基準とする変動許容範囲の上限値以上、および、下限値以下であることを示す取得値が取得されたときに、前記作動媒体流路への前記作動媒体の流入量を減少させる制御部と、を備える排熱回収装置。
請求項１に記載の排熱回収装置において、
前記制御部は、予め設定された設定期間内に複数回取得された前記検出値の移動平均値を前記代表値とする排熱回収装置。
請求項１又は２に記載の排熱回収装置において、
前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記ポンプの回転数を低下させる排熱回収装置。
請求項１又は２に記載の排熱回収装置において、
前記ポンプから送出された前記作動媒体を前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す戻し流路と、前記戻し流路に設けられた戻し弁とをさらに備え、
前記制御部は、前記測定期間内に前記取得値が取得されたときに、前記戻し弁の開度を大きくする排熱回収装置。