JP6005568B2

JP6005568B2 - 排熱回収装置

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Publication number: JP6005568B2
Application number: JP2013061911A
Authority: JP
Inventors: 啓岸本; 藤澤　亮; 亮藤澤; 西村　真; 真西村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN105143612A; JP2014185601A; DE112014001627T5; US9726049B2; US20160017761A1; WO2014155909A1

Description

本発明は、フラッシュサイクルを利用した排熱回収装置に関するものである。

従来、フラッシュサイクルを利用した排熱回収装置が知られている。例えば、下記非特許文献１の図３には、気液分離機と、前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続された発電機と、前記気液分離機で分離された液状の作動媒体を膨張させる膨張弁と、前記膨張機から排出された作動媒体と前記膨張弁を通過した後の作動媒体とを混合させる混合器と、前記混合器で混合された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された作動媒体を加圧するポンプと、前記ポンプにより加圧された作動媒体を蒸発させる蒸発器と、を備える排熱回収装置が開示されている。

トニーホー(Tony Ho)、他２名、「中・高温の排熱再利用及び太陽熱エネルギーの分野における有機フラッシュサイクル（ＯＦＣ）の他の先進蒸気サイクルとの比較(Comparison of the Organic Flash Cycle (OFC) to other advanced vapor cycles for intermediate and high temperature waste heat reclamation and solar thermal energy)」、エナジー(Energy)、2012年6月、第42号、p．213−222

上記非特許文献１に記載された排熱回収装置では、気液分離器で分離された液状の作動媒体は、膨張機から排出された作動媒体と合流する前に膨張弁を通過する。このとき、前記液状の作動媒体は断熱膨張する。つまり、この排熱回収装置では、前記液状の作動媒体が膨張弁を通過する過程で当該作動媒体の熱エネルギーが捨てられる。そして、この排熱回収装置では、前記液状の作動媒体の捨てた熱エネルギーが有効に回収されていない。そのため、膨張機での動力の回収率、すなわち、発電機での発電効率は、十分とはいえない。

本発明の目的は、膨張機での動力の回収率を向上させることが可能な排熱回収装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、排熱回収装置であって、気液分離器と、前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続された駆動機と、前記膨張機から流出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出された作動媒体を加圧する第一ポンプと、前記第一ポンプで加圧された作動媒体を加熱する第一加熱器と、前記気液分離器、前記膨張機、前記凝縮器、前記第一ポンプ及び前記第一加熱器をこの順に直列に接続する循環流路と、前記気液分離器から流出された液状の作動媒体を前記循環流路における前記第一加熱器と前記気液分離器との間に合流させる熱回収流路と、前記熱回収流路に設けられており前記気液分離器から流出した前記熱回収流路中の作動媒体を加圧する第二ポンプと、を備える排熱回収装置を提供する。

本発明によれば、気液分離器から流出された液状の作動媒体は、第二ポンプで加圧された後に循環流路における第一加熱器と気液分離器との間に合流するので、つまり、前記液状の作動媒体は、熱回収流路において自身の熱エネルギーをほとんど損失することなく循環流路に合流するので、膨張機での動力の回収率が向上する。

また、本発明において、前記熱回収流路のうちの前記循環流路及び当該熱回収流路の合流点と前記第二ポンプとの間に設けられており当該第二ポンプで加圧された作動媒体を加熱する第二加熱器をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、循環流路内の作動媒体と熱回収流路内の作動媒体とが合流する前の両作動媒体の温度差を小さくすることが可能となるので、両作動媒体が合流する時のエクセルギーの損失が低減される。よって、膨張機での動力の回収率がさらに向上する。また、第二加熱器で熱回収流路内の作動媒体を加熱することにより、第一加熱器の加熱量を少なくすることができ、これにより第一加熱器の小型化が可能となる。

この場合において、前記循環流路から前記合流点に流入する作動媒体の圧力と、前記熱回収流路から前記合流点に合流する作動媒体の圧力とが略等しくなるようにする制御手段をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、合流点の前における両作動媒体の圧力が略等しくなるので、これら両作動媒体が合流する時のエクセルギーの損失がさらに低減される。

以上のように、本発明によれば、膨張機での動力の回収率を向上させることが可能な排熱回収装置を提供することができる。

本発明の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。

本発明の一実施形態の排熱回収装置について、図１を参照しながら説明する。この排熱回収装置は、フラッシュサイクルを利用した装置である。

図１に示されるように、この排熱回収装置は、気液分離器（フラッシュドラム）１０と、気液分離器１０で分離されたガス状の作動媒体が流入する膨張機１２と、膨張機１２に接続された駆動機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第一ポンプ１８と、第一ポンプ１８で加圧された作動媒体を加熱する第一加熱器２０と、気液分離器１０、膨張機１２、凝縮器１６、第一ポンプ１８及び第一加熱器２０をこの順に直列に接続する循環流路２２と、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体を循環流路２２に合流させる熱回収流路２４と、熱回収流路２４に設けられた第二ポンプ２６と、第二ポンプ２６で加圧された作動媒体を加熱する第二加熱器２８と、熱回収流路２４を循環流路２２に合流させる混合器３０と、第一センサ３２と、第二センサ３４と、制御手段３６とを備えている。

気液分離器１０は、循環流路２２に設けられている。気液分離器１０へは、作動媒体が飽和液の状態、あるいは、わずかに過熱された状態で流入する。気液分離器１０は、当該気液分離器１０に流入した作動媒体をガス状の作動媒体（飽和ガス）と液状の作動媒体（飽和液）とに分離する。具体的には、気液分離器１０内で圧力損失が生じることにより当該気液分離器１０へ流入した作動媒体が、ガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離される。作動媒体としては、水（水蒸気）や、炭化水素系の媒体（メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン等）や、地球温暖化への影響が小さいフロン系の媒体（ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１５２ａ、ＨＦＣ２４５ｆａ等）が好ましく用いられる。本実施形態では、上記作動媒体の中から単一の媒体が選択されて用いられている。

膨張機１２は、循環流路２２における気液分離器１０の下流側に設けられている。膨張機１２は、気液分離器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含んでいる。具体的には、この膨張機１２は、その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。本実施形態では、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２２に排出される。

駆動機１４は、膨張機１２に接続されている。本実施形態では、駆動機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内でガス状の作動媒体が膨張して前記スクリュロータが回転駆動されることによって駆動される。具体的には、この発電機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おり、この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２２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、この凝縮器１６は、ガス状の作動媒体が流れる作動媒体流路１６ａと、外部から供給される冷却媒体が流れる冷却媒体流路１６ｂとを有している。冷却媒体流路１６ｂは、外部から凝縮器１６へ冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路１７と接続されている。この冷却媒体供給流路１７には、冷却媒体流路１６ｂに流入する冷却媒体の量を調整するための冷却弁１７ａが設けられている。作動媒体流路１６ａを流れる作動媒体は、冷却媒体流路１６ｂを流れる冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。冷却媒体流路１６ｂを流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。

第一ポンプ１８は、循環流路２２における凝縮器１６の下流側に設けられている。第一ポンプ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２２における第一ポンプ１８の下流側に送り出す。第一ポンプ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。この第一ポンプ１８は、任意の回転数で駆動されることが可能である。

第一加熱器２０は、循環流路２２における第一ポンプ１８の下流側（第一ポンプ１８と気液分離器１０との間）に設けられている。第一加熱器２０は、第一ポンプ１８から送出された作動媒体を加熱する。具体的には、この第一加熱器２０は、作動媒体が流れる作動媒体流路２０ａと、外部から供給される加熱媒体が流れる第一加熱媒体流路２０ｂとを有している。第一加熱媒体流路２０ｂは、外部から第一加熱器２０へ加熱媒体を供給するための第一加熱媒体供給流路２１と接続されている。この第一加熱媒体供給流路２１には、第一加熱媒体流路２０ｂに流入する加熱媒体の量を調整するための第一弁２１ａが設けられている。作動媒体流路２０ａを流れる作動媒体は、第一加熱媒体流路２０ｂを流れる加熱媒体と熱交換することにより加熱される。なお、作動媒体は、第一加熱器２０で加熱されることによりわずかに過熱状態とされてもよい。第一加熱媒体流路２０ｂに供給される加熱媒体としては、例えば、蒸気や温水が挙げられる。

熱回収流路２４は、気液分離器１０から流出された液状の作動媒体を循環流路２２における第一加熱器２０と気液分離器１０との間、より具体的には混合器３０に合流させる流路である。

第二ポンプ２６は、熱回収流路２４における気液分離器１０の下流側に設けられている。第二ポンプ２６は、気液分離器１０で分離された液状の作動媒体を所定の圧力まで加圧して熱回収流路２４における第二ポンプ２６の下流側に送り出す。第二ポンプ２６の構成は、第一ポンプ１８のそれと基本的に同じである。

第二加熱器２８は、熱回収流路２４における第二ポンプ２６の下流側（第二ポンプ２６と混合器３０との間）に設けられている。第二加熱器２８の構成は、第一加熱器２０のそれと基本的に同じである。具体的には、第二加熱器２８は、作動媒体が流れる作動媒体流路２８ａと、外部から供給される加熱媒体が流れる第二加熱媒体流路２８ｂとを有している。第二加熱媒体流路２８ｂは、外部から第二加熱器２８へ加熱媒体を供給するための第二加熱媒体供給流路２９と接続されている。この第二加熱媒体供給流路２９には、第二加熱媒体流路２８ｂに流入する加熱媒体の量を調整するための第二弁２９ａが設けられている。作動媒体流路２８ａを流れる作動媒体は、第二加熱媒体流路２８ｂを流れる加熱媒体と熱交換することにより加熱される。第二加熱媒体流路２８ｂに供給される加熱媒体としては、例えば、蒸気や温水が挙げられる。

混合器３０は、循環流路２２において第一加熱器２０で加熱された作動媒体と、熱回収流路２４において第二加熱器２８で加熱された作動媒体とを混合する。すなわち、循環流路２２のうちの混合器３０の設けられている部位が、熱回収流路２４の循環流路２２への合流点となる。混合器３０で混合された作動媒体は、循環流路２２を通って気液分離器１０に導入される。なお、この混合器３０は、省略されてもよい。その場合、熱回収流路２４の下流側の端部が循環流路２２に直接接続される。

第一センサ３２は、循環流路２２内を流れる作動媒体の圧力を検知する圧力センサである。この第一センサ３２は、循環流路２２における第一加熱器２０と混合器３０との間に設けられている。すなわち、第一センサ３２は、第一加熱器２０で加熱された作動媒体の圧力を検出する。

第二センサ３４は、熱回収流路２４内を流れる作動媒体の圧力を検知する圧力センサである。この第二センサ３４は、熱回収流路２４における第二加熱器２８と混合器３０との間に設けられている。すなわち、第二センサ３４は、第二加熱器２８で加熱された作動媒体の圧力を検出する。

制御手段３６は、冷却弁１７ａ、第一弁２１ａ、第二弁２９ａ、第一ポンプ１８、第二ポンプ２６、第一センサ３２及び第二センサ３４にそれぞれ接続されている。なお、図１では、制御手段３６と当該制御手段３６の制御対象との接続関係は省略されている。制御手段３６は、冷却弁１７ａの開度を調整する冷却弁制御部３６ａと、第一ポンプ１８の回転数を調整する第一ポンプ制御部３６ｂと、第一弁２１ａの開度を調整する第一弁制御部３６ｃと、第二ポンプ２６の回転数を調整する第二ポンプ制御部３６ｄと、第二弁２９ａの開度を調整する第二弁制御部３６ｅとを有する。各制御部３６ａ〜３６ｅは、第一センサ３２の検出値と第二センサ３４の検出値とが略等しくなるようにそれぞれの制御対象の制御を行う。

例えば、第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれよりも小さい場合、制御手段３６は、次の（１）及び（２）に示される制御のうちの少なくとも１つを行う。

（１）第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれと略等しくなるように第二ポンプ制御部３６ｄが第二ポンプ２６の回転数を増加させる。

（２）第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれと略等しくなるように第二弁制御部３６ｅが第二弁２９ａの開度を大きくする。

あるいは、第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれよりも小さい場合、制御手段３６は、次の（３）から（５）で示される制御のうちの少なくとも１つを行ってもよい。

（３）第一センサ３２の検出値が第二センサ３４のそれと略等しくなるように冷却弁制御部３６ａが冷却弁１７ａの開度を小さくする。

（４）第一センサ３２の検出値が第二センサ３４のそれと略等しくなるように第一ポンプ制御部３６ｂが第一ポンプ１８の回転数を減少させる。

（５）第一センサ３２の検出値が第二センサ３４のそれと略等しくなるように第一弁制御部３６ｃが第一弁２１ａの開度を小さくする。

もしくは、第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれよりも小さい場合、制御手段３６は、上記（１）から（５）で示される制御を適宜組み合わせた制御を行ってもよい。また、第二センサ３４の検出値が第一センサ３２のそれよりも大きい場合は、制御手段３６は、上記（１）から（５）で示された制御と逆の制御を行う。

次に、本実施形態の排熱回収装置の駆動動作について説明する。

気液分離器１０に流入した作動媒体は、当該気液分離器１０でガス状の作動媒体（飽和ガス）と液状の作動媒体（飽和液）とに分離される。

ガス状の作動媒体は、膨張機１２へ流入し、当該膨張機１２で膨張する。つまり、膨張機１２において動力が取り出される。本実施形態では、この動力により発電機１４が駆動される。膨張機１２から排出された作動媒体は、凝縮器１６で凝縮された後、第一ポンプ１８で加圧される。そして、第一ポンプ１８で所定の圧力まで加圧された作動媒体は、第一加熱器２０で所定の温度まで加熱される。

一方、気液分離器１０で分離された液状の作動媒体は、第二ポンプ２６で所定の圧力まで加圧された後、第二加熱器２８で所定の温度まで加熱される。

そして、第一加熱器２０から流出された作動媒体と、第二加熱器２８から流出された作動媒体とが混合器３０で混合される。

ここで、循環流路２２における混合器３０の直前（第一加熱器２０と混合器３０との間）の作動媒体の圧力と、熱回収流路２４における混合器３０の直前（第二加熱器２８と混合器３０との間）の作動媒体の圧力とは、制御手段３６により略等しくなるように調整されているので、両作動媒体が混合器３０で混合されるときのエクセルギーの損失の発生が低減されている。

そして、混合器３０で混合された作動媒体は、循環流路２２を通って再び気液分離器１０に導入される。

以上説明したように、本実施形態の排熱回収装置によれば、気液分離器１０から流出された液状の作動媒体は、気液分離器１０で分離されることにより圧力が低下した分だけ第二ポンプ２６で加圧された後に循環流路２２における第一加熱器２０と気液分離器１０との間に合流するので、つまり、前記液状の作動媒体は、熱回収流路２４において自身の熱エネルギーをほとんど損失することなく循環流路２２に合流するので、膨張機１２での動力の回収率が向上する。

また、本実施形態では、熱回収流路２４のうちの第二ポンプ２６と混合器３０との間に第二加熱器２８が設けられていることから、この第二加熱器２８で熱回収流路２４内の作動媒体を加熱することにより、第一加熱器２０での加熱量を少なくすることができ、これにより第一加熱器２０の小型化が可能となる。また、循環流路２２内の作動媒体と熱回収流路２４内の作動媒体とが合流する前の両作動媒体の温度差を小さくすることが可能となるので、両作動媒体が合流する時のエクセルギーの損失が低減される。よって、膨張機１２での動力の回収率がさらに向上する。

さらに、本実施形態では、循環流路２２から混合器３０に流入する作動媒体の圧力と、熱回収流路２４から混合器３０に合流する作動媒体の圧力とが略等しくなるようにする制御手段３６を備えていることから、混合器３０の直前における両作動媒体の圧力が略等しくなるので、これら両作動媒体が合流する時のエクセルギーの損失がさらに低減される。

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、熱回収流路２４に第二加熱器２８が設けられた例が示されているが、この第二加熱器２８は省略されてもよい。この場合、制御手段３６の第二調整弁制御部３６ｅも省略される。ただし、この場合、熱回収流路２４内の作動媒体が加熱されない分、第一加熱器２０での加熱量が増大し、これにより第一加熱器２０が大型化する。また、混合器３０に循環流路２２から流入する作動媒体と熱回収流路２４から合流する作動媒体との間に温度差が生じるので、両作動媒体が混合する時にエクセルギーの損失が発生し、これにより膨張機１２での動力回収率が低下する。これに対し、本実施形態では、第二加熱器２８が設けられることにより、第一加熱器２０の小型化と、両作動媒体が混合するときのエクセルギーの損失の低減との双方が達成されている。

また、上記実施形態では、第一センサ３２及び第二センサ３４として、それぞれ圧力センサが用いられた例が示されたが、各センサとして温度センサが用いられてもよい。

また、上記実施形態では、膨張機１２として、容積式のスクリュー膨張機が例示されたが、この膨張機１２としては、遠心式のものが用いられてもよい。

また、上記実施形態では、第一センサ３２の検出値と第二センサ３４の検出値とが略等しくなるように制御手段３６が各制御対象の制御を行うことが例示されたが、第一加熱器２０及び第二加熱器２８に供給される加熱媒体の量と、凝縮器１６に供給される冷却媒体の量とがいずれも豊富な場合、冷却弁１７ａ、第一弁２１ａ及び第二弁２１ｂが省略され、各加熱器２０，２８及び凝縮器１６には、可能な限り大量の加熱媒体及び冷却媒体が供給されていもよい。この場合、各弁を制御する制御部も省略される。

１０気液分離器
１２膨張機
１４発電機（駆動機）
１６凝縮器
１８第一ポンプ
２０第一加熱器
２２循環流路
２４熱回収流路
２６第二ポンプ
２８第二加熱器
３０混合器
３２第一センサ
３４第二センサ
３６制御手段

Claims

排熱回収装置であって、
気液分離器と、
前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体が流入する膨張機と、
前記膨張機に接続された駆動機と、
前記膨張機から流出した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作動媒体を加圧する第一ポンプと、
前記第一ポンプで加圧された作動媒体を加熱する第一加熱器と、
前記気液分離器、前記膨張機、前記凝縮器、前記第一ポンプ及び前記第一加熱器をこの順に直列に接続する循環流路と、
前記気液分離器から流出した液状の作動媒体を前記循環流路における前記第一加熱器と前記気液分離器との間に合流させる熱回収流路と、
前記熱回収流路に設けられており前記気液分離器から流出した前記熱回収流路中の作動媒体を加圧する第二ポンプと、
前記熱回収流路のうちの前記循環流路及び当該熱回収流路の合流点と前記第二ポンプとの間に設けられており当該第二ポンプで加圧された作動媒体を加熱する第二加熱器と、を備える排熱回収装置。
排熱回収装置であって、
気液分離器と、
前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体が流入する膨張機と、
前記膨張機に接続された駆動機と、
前記膨張機から流出した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作動媒体を加圧する第一ポンプと、
前記第一ポンプで加圧された作動媒体を加熱する第一加熱器と、
前記気液分離器、前記膨張機、前記凝縮器、前記第一ポンプ及び前記第一加熱器をこの順に直列に接続する循環流路と、
前記気液分離器から流出した液状の作動媒体を前記循環流路における前記第一加熱器と前記気液分離器との間に合流させる熱回収流路と、
前記熱回収流路に設けられており前記気液分離器から流出した前記熱回収流路中の作動媒体を加圧する第二ポンプと、
前記循環流路から当該循環流路及び前記熱回収流路の合流点に流入する作動媒体の圧力と、前記熱回収流路から前記合流点に合流する作動媒体の圧力と、が略等しくなるようにする制御手段と、を備える排熱回収装置。