JP6111184B2

JP6111184B2 - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP6111184B2
Application number: JP2013248843A
Authority: JP
Inventors: 高橋　和雄; 和雄高橋; 正剛戸島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP2015105803A

Description

本発明は、排熱回収装置に関するものである。

従来、工場等の各種の設備からの排熱を回収し、その回収された排熱のエネルギーを利用することにより低沸点の作動媒体から動力を取り出す排熱回収装置が知られている。例えば、特許文献１には、液状の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出したガス状の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液状の作動媒体を加圧して蒸発器へ送出するポンプと、を備えた排熱発電装置（バイナリー発電装置）が開示されている。

凝縮器内において作動媒体と熱交換することによって当該作動媒体を冷却する冷却媒体は、外部の冷却塔から供給される。凝縮器内で作動媒体と熱交換した冷却媒体は、再び冷却塔に戻される。

特開２００８−３１２３３０号公報

上記特許文献１に示されるような排熱回収装置は、使用環境によっては、凝縮器に供給される冷却媒体の流量が低下し、これにより冷却媒体の温度上昇や、それに起因する排熱回収装置の動作不良（発電出力の低下等）を招くおそれがある。例えば、前記排熱回収装置が製鉄所等の比較的飛散体（粉塵等）の多い雰囲気で使用される場合、つまり冷却媒体の供給源である冷却塔がその雰囲気中にある場合、前記飛散体が冷却塔内に進入して冷却媒体に混入する場合がある。この場合、冷却塔から凝縮器へ冷却媒体を供給するための供給管に詰まりが生じ、これにより凝縮器に供給される冷却媒体の流量が低下するおそれがある。

本発明の目的は、外部の冷却源から凝縮器に冷却媒体を供給するための供給管に詰まりが生じたか否かを判定することが可能な排熱回収装置を提供することである。

前記課題を解決する手段として、本発明は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した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供給管を通じて供給される冷却媒体で冷却することによって凝縮させる凝縮器と、前記供給管の詰まりを示す予め設定された詰まり条件が成立したか否かを判定する判定部と、を備える排熱回収装置を提供する。

本装置では、判定部によって、冷却塔等の外部の冷却源から凝縮器へ冷却媒体を供給するための供給管の詰まりを示す詰まり条件が成立したか否かが判定されるので、判定部によって前記詰まり条件が成立したと判定されたときに前記供給管内の詰まりを解消することにより、凝縮器に流入する冷却媒体の流量の低下に起因する本装置の動作不良を防ぐことが可能となる。

この場合において、前記判定部は、前記詰まり条件が成立したときに所定信号を送信することが好ましい。

このようにすれば、所定信号をアラームや開閉弁の切り替えに利用することによって簡単に供給管内の詰まりを解消することが可能となる。

例えば、前記所定信号は、管理室内のオペレータによって知覚可能なアラームとして利用されることが可能である。この場合、その信号を受けたオペレータが本装置を停止し、冷却源から延びる供給管内を清掃する、または供給管内に設けられたストレーナーを清掃することで当該供給管内の詰まりが解消される。

また、前記供給管が二股に分岐する一対の流路を有し、各流路にそれぞれ開閉弁とストレーナーとが設けられた構成である場合、前記所定信号を受けたオペレータが前記開閉弁の開閉を切り換えるとともに詰まりが生じているストレーナーを洗浄するという操作を繰り返すことによって、本装置を停止することなく運転を継続することが可能となる。あるいはこの場合において、前記所定信号が各開閉弁の開閉を切り換える信号に利用されることにより、自動で前記流路を切り換えること、すなわち自動で運転を継続することが可能となる。

また、本発明において、前記凝縮器に流入する冷却媒体の温度を検出可能な第一温度センサと、前記凝縮器から流出した冷却媒体の温度を検出可能な第二温度センサと、をさらに備え、前記判定部は、前記凝縮器に供給される又は前記凝縮器から流出した冷却媒体の流量が予め設定された基準流量であるときの前記凝縮器から流出した冷却媒体の温度と前記凝縮器に供給される冷却媒体の温度との差である基準温度差を、前記凝縮器に供給される又は前記凝縮器から流出した冷却媒体の流量が前記基準流量であるときの前記第二温度センサの検出値と前記第一温度センサの検出値との差により算出し、この基準温度差に対し、前記第二温度センサの検出値と前記第一温度センサの検出値との差が所定値以上大きくなったときに前記詰まり条件が成立したと判定してもよい。

このようにすれば、簡単にかつ安価に凝縮器に流入する冷却媒体の流量の減少を検知することが可能となる。具体的に、凝縮器に供給される又は凝縮器から流出した冷却媒体の流量と、凝縮器から流出した冷却媒体の温度と凝縮器に流入する冷却媒体の温度との差との間には、Ｑ_ｏｕｔ＝ｍｃΔｔの関係式が成立するので（Ｑ_ｏｕｔは凝縮器での放熱量、ｍは冷却媒体の流量、ｃは冷却媒体の比熱、Δｔは凝縮器から流出した冷却媒体の温度と凝縮器に流入する冷却媒体の温度との差）、凝縮器での放熱量（Ｑ_ｏｕｔ）が一定である場合においては、第二温度センサの検出値と第一温度センサの検出値との差（Δｔ）を監視することによって凝縮器に供給される又は凝縮器から流出した冷却媒体の流量（ｍ）の算出が可能となる。すなわち、凝縮器に供給される又は凝縮器から流出した冷却媒体の流量（ｍ）の前記基準流量に対する減少は、第二温度センサの検出値と第一温度センサの検出値との差（Δｔ）の前記基準温度差に対する増大によって判定可能である。よって、高価でかつ設置作業の煩雑な流量計を設けることによって冷却媒体の流量の減少を検知する（供給管の詰まりを検知する）場合に比べ、温度センサを用いることによって安価でかつ簡易に冷却媒体の流量の減少を検知することが可能となる。

あるいは、前記蒸発器への入熱量を検出可能な入熱量検出手段と、前記駆動機の出力を検出可能な出力センサと、をさらに備え、前記判定部は、前記凝縮器に供給される又は前記凝縮器から流出した冷却媒体の流量が予め設定された基準流量であるときの前記凝縮器から流出した冷却媒体の温度と前記凝縮器に供給される冷却媒体の温度との差である基準温度差を、前記入熱量検出手段の検出値、前記出力センサの検出値及び前記基準流量に基づいて算出し、この基準温度差に対し、前記第二温度センサの検出値と前記第一温度センサの検出値との差が所定値以上大きくなったときに前記詰まり条件が成立したと判定してもよい。

凝縮器での放熱量（Ｑ_ｏｕｔ）は、蒸発器への入熱量及び駆動機の出力に基づいて算出可能であるので、凝縮器に供給される又は前記凝縮器から流出した冷却媒体の流量が前記基準流量であるときの各温度センサの検出値の差から直接前記基準温度差を求めることが困難であったとしても、入熱量検出手段及び出力センサを設けるという簡易な構成で基準温度差を算出することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、外部の冷却源から凝縮器に冷却媒体を供給するための供給管に詰まりが生じたか否かを判定す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１について、図１を参照しながら説明する。

図１に示されるように、本排熱回収装置１は、蒸発器１０と、蒸発器１０から流出し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から流出した液状の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、各種制御を行う制御部４０と、を備えている。

蒸発器１０は、液状の作動媒体を蒸発させてガス状の作動媒体とする。具体的に、蒸発器１０は、作動媒体が流れる作動媒体流路１０ａと、外部の熱源から供給される加熱媒体が流れる加熱媒体流路１０ｂとを有する。作動媒体流路１０ａに流入した液状の作動媒体は、加熱媒体流路１０ｂに流入した加熱媒体と熱交換することにより蒸発する。蒸発器１０に供給される加熱媒体としては、例えば、工場等から排出される温水や高温ガスが挙げられる。

膨張機１２は、循環流路２０における蒸発器１０の下流側の部位に設けられている。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、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。

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として発電機が用いられている。この駆動機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。駆動機１４は、前記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の下流側の部位に設けられている。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、凝縮器１６は、作動媒体が流れる作動媒体流路１６ａと、外部の冷却源から供給される冷却媒体が流れる冷却媒体流路１６ｂとを有する。作動媒体流路１６ａに流入したガス状の作動媒体は、冷却媒体流路１６ｂに流入し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、外部の冷却源である冷却塔５０から供給される冷却水が挙げられる。この場合、冷却塔５０内の冷却媒体（冷却水）は、当該冷却塔５０内の冷却媒体を凝縮器１６へ供給するための供給管５２及びこの供給管５２に接続された冷却媒体導入管２２を通じて凝縮器１６へ供給される。冷却媒体導入管２２は、本排熱回収装置１の一部である。この冷却媒体導入管２２は、供給管５２の接続コネクタ５２ｃと接続可能な接続端部２２ａを有している。この接続端部２２ａと接続コネクタ５２ｃとが接続されることにより、供給管５２内の冷却媒体を凝縮器１６の冷却媒体流路１６ｂへ導入する流路が形成される。そして、凝縮器１６内で作動媒体と熱交換することによって温度が上昇した冷却媒体は、凝縮器１６に接続された冷却媒体排出管２４及びこの冷却媒体排出管２４内の冷却媒体を冷却塔５０内に戻す戻し管５８を通じて冷却塔５０に流入する。冷却媒体排出管２４は、本排熱回収装置１の一部である。この冷却媒体排出管２４は、戻し管５８の接続コネクタ５８ａと接続可能な接続端部２４ａを有している。この接続端部２４ａと接続コネクタ５８ａとが接続されることにより、冷却媒体流路１６ｂから排出された冷却媒体を戻し管５８内へ導入する流路が形成される。

ポンプ１８は、循環流路２０における凝縮器１６の下流側の部位（蒸発器１０と凝縮器１６との間の部位）に設けられている。ポンプ１８は、凝縮器１６で凝縮された液状の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。

これまで説明してきた排熱回収装置１が製鉄所等の比較的飛散体（粉塵等）の多い雰囲気で使用される場合、つまり冷却媒体の供給源である冷却塔５０がその雰囲気中にある場合、飛散体が冷却塔５０内に進入して冷却媒体に混入する場合がある。この場合、冷却塔５０から凝縮器１６へ冷却媒体を供給するための供給管５２に詰まりが生じ、これにより凝縮器１６に供給される冷却媒体の流量が低下するおそれがある。本実施形態の排熱回収装置１の制御部４０は、その不具合の発生を検知可能に構成されている。具体的に、制御部４０は、判定部４２と、記憶部４４とを含んでいる。

判定部４２は、供給管５２の詰まりを示す予め設定された詰まり条件が成立したか否かを判定する。詰まり条件が成立したか否かは、供給管５２及び冷却媒体導入管２２を通じて凝縮器１６に流入する冷却媒体の又は凝縮器１６から流出した冷却媒体の流量（以下、「冷媒流量ｍ」という。）が減少したか否かによって判定される。具体的に、判定部４２は、冷媒流量ｍが予め設定された基準流量Ｍに対して所定量以上減少したか否かを判定する。例えば、基準流量Ｍは、冷媒流量ｍが略一定に維持されている定常運転時の冷媒流量に設定される。この基準流量Ｍは、本排熱回収装置１の起動時に予め記憶部４４に記憶される。なお、この基準流量Ｍは、供給管５２に設けられたポンプ５９が定回転数タイプのものであれば、その回転数に基づいて算出されてもよい。

本実施形態では、冷媒流量ｍが基準流量Ｍに対して所定量以上減少したか否か（詰まり条件が成立したか否か）は、凝縮器１６から流出した冷却媒体の温度と凝縮器１６に流入する冷却媒体の温度との差（以下、「冷媒温度差Δｔ」という。）が基準温度差ΔＴに対して所定値以上大きくなったか否かによって判定される。基準温度差ΔＴは、冷媒流量ｍが基準流量Ｍであるとき（定常運転時）に生ずる冷媒温度差である。この基準温度差ΔＴも、基準流量Ｍと同様に、本排熱回収装置１の起動時に予め記憶部４４に記憶される。

ここで、冷媒流量ｍと冷媒温度差Δｔに関しては、Ｑ_ｏｕｔ＝ｍｃΔｔの関係式が成立するので（Ｑ_ｏｕｔは凝縮器１６での放熱量、ｍは冷媒流量、ｃは冷却媒体の比熱、Δｔは冷媒温度差）、凝縮器１６での放熱量Ｑ_ｏｕｔが一定である場合においては、冷媒温度差Δｔを監視することによって凝縮器１６に流入する又は凝縮器１６から流出した冷媒流量ｍの算出が可能となる。すなわち、冷媒流量ｍの基準流量Ｍに対する減少は、冷媒温度差Δｔの基準温度差ΔＴに対する増加により判定可能である。本実施形態では、凝縮器１６に流入する冷却媒体の温度は、冷却媒体導入管２２に設けられた第一温度センサ３１によって検出され、凝縮器１６から流出した冷却媒体の温度は、冷却媒体排出管２４に設けられた第二温度センサ３２によって検出される。つまり、本実施形態では、判定部４２は、第二温度センサ３２の検出値から第一温度センサ３１の検出値を引いた値（冷媒温度差Δｔ）が記憶部４４に記憶されている基準温度差ΔＴに対して所定値以上大きくなったときに詰まり条件が成立したと判定する。そして、判定部４２は、詰まり条件が成立したと判定したとき、すなわち冷媒温度差Δｔが基準温度差ΔＴに対して所定値以上大きくなった（冷媒流量ｍが基準流量Ｍに対して所定量以上減少した）と判定したとき、所定信号を送信する。

以上説明したように、本排熱回収装置１では、判定部４２によって、外部の冷却源である冷却塔５０から凝縮器１６へ冷却媒体を供給するための供給管５２の詰まりを示す詰まり条件が成立したか否かが判定されるので、当該判定部４２によって詰まり条件が成立したと判定されたときに供給管５２内の詰まりを解消することにより、凝縮器１６に流入する冷却媒体の流量の低下に起因する本装置の動作不良を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態では、判定部４２は、詰まり条件が成立したときに所定信号を送信するので、その所定信号をアラームや開閉弁の切り替えに利用することによって簡単に供給管５２内の詰まりを解消することが可能となる。

例えば、前記所定信号は、管理室内のオペレータによって知覚可能なアラームとして利用されることが可能である。この場合、その信号を受けたオペレータが本排熱回収装置１を停止し、冷却塔５０から延びる供給管５２内を清掃する、または供給管５２内に設けられたストレーナーを清掃することで当該供給管５２内の詰まりが解消される。

また、図１に示されるように、供給管５２が二股に分岐する第一流路５２ａ及び第二流路５２ｂを有し、第一流路５２ａに第一ストレーナー５４ａ及び第一開閉弁５６ａが設けられ、かつ第二流路５２ｂに第二ストレーナー５４ｂ及び第二開閉弁５６ｂが設けられた構成である場合、前記所定信号を受けたオペレータが各開閉弁の開閉を切り換えるとともに詰まりが生じているストレーナーを洗浄するという操作を繰り返すことによって、本装置を停止することなく運転を継続することが可能となる。あるいはこの場合において、前記所定信号が各開閉弁の開閉を切り換える信号に利用されることにより、具体的には所定信号により第一開閉弁５６ａを開くとともに第二開閉弁５６ｂを閉じる、または第一開閉弁５６ａを閉じるとともに第二開閉弁５６ｂを開くようにすれば、自動で第一流路５２ａ及び第二流路５２ｂを切り換えること、すなわち自動で運転を継続することが可能となる。なお、ストレーナーとして、自動洗浄式のものが用いられ、所定信号がその洗浄機能の起動に用いられてもよい。

また、本実施形態では、判定部４２は、基準温度差ΔＴに対して冷媒温度差Δｔが所定値以上大きくなったときに詰まり条件が成立したと判定するので、簡単にかつ安価に凝縮器１６に流入する冷却媒体の流量の減少を検知することが可能となる。すなわち、高価でかつ設置作業の煩雑な流量計を設けることによって冷媒流量を検出する場合に比べ、第一温度センサ３１及び第二温度センサ３２を用いることによって安価でかつ簡易に冷媒流量を検出することが可能となる。

ここで、基準温度差ΔＴは、冷媒流量ｍが基準流量Ｍであるとき（定常運転時）の第二温度センサ３２の検出値と第一温度センサ３１の検出値との差から直接求められることも可能である一方、蒸発器１０への入熱量、駆動機１４の出力及び基準流量Ｍに基づいて算出されることも可能である。すなわち、Ｑ_ｏｕｔ＝Ｑ_ｉｎ−Ｗの関係式が成立するので（Ｑ_ｉｎは蒸発器１０への入熱量、Ｗは駆動機１４の出力）、基準温度差ΔＴを、蒸発器１０への入熱量Ｑ_ｉｎ及び駆動機１４の出力Ｗに基づいて算出される凝縮器１６での放熱量Ｑ_ｏｕｔと基準流量Ｍとに基づいて算出することも可能である。蒸発器１０への入熱量Ｑ_ｉｎは、蒸発器１０に流入する加熱媒体の温度と蒸発器１０から流出する加熱媒体の温度との差及び予め設定されている加熱媒体の流量に基づいて算出される。蒸発器１０に流入する加熱媒体の温度は、蒸発器１０に加熱媒体を導入する加熱媒体導入管２６に設けられた第三温度センサ３３によって検出され、蒸発器１０から流出する加熱媒体の温度は、蒸発器１０から加熱媒体を排出する加熱媒体排出管２８に設けられた第四温度センサ３４によって検出される。加熱媒体の流量は、外部の熱源と加熱媒体導入管２６とを接続する接続管に設けられたポンプ（図示略）の回転数に基づいて算出される。この流量は、本排熱回収装置１の起動時に予め記憶部４４に記憶される。すなわち、第三温度センサ３３、第四温度センサ３４及び記憶部４４が「入熱量検出手段」を構成する。駆動機１４の出力Ｗは、駆動機１４の出力ラインに設けられた出力センサ３５によって検出される。

よって、判定部４２は、入熱量検出手段の検出値、出力センサ３５の検出値及び記憶部４４に記憶されている基準流量Ｍに基づいて基準温度差ΔＴを算出し、この基準温度差ΔＴに対して冷媒温度差Δｔが所定値以上大きくなったときに詰まり条件が成立したと判定してもよい。このようにすれば、第二温度センサ３２の検出値と第一温度センサ３１の検出値との差から直接基準温度差ΔＴを求めることが困難な場合であったとしても、基準温度差ΔＴを算出することが可能となる。

なお、基準温度差ΔＴは、上記以外の手段により算出されることも可能である。

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、判定部４２は、第二温度センサ３２の検出値と第一温度センサ３１の検出値との差（冷媒温度差Δｔ）が記憶部４４に記憶されている基準温度差ΔＴに対して所定値以上大きくなったときに詰まり条件が成立したと判定する例が示されたが、冷却媒体導入管２２又は冷却媒体排出管２４に流量計が設けられ、判定部４２は、流量計で検出された値（冷媒流量ｍ）が記憶部４４に記憶された基準流量Ｍに対して所定量以上減少したときに詰まり条件が成立したと判定してもよい。

また、本排熱回収装置１に警報手段（赤色灯やブザー）が設けられ、所定信号によってその警報手段を起動させてもよい。

１排熱回収装置
１０蒸発器
１２膨張機
１４駆動機（発電機）
１６凝縮器
１８ポンプ
２０循環流路
２２冷却媒体導入管
２４冷却媒体排出管
２６加熱媒体導入管
２８加熱媒体排出管
３１第一温度センサ
３２第二温度センサ
３３第三温度センサ（入熱量検出手段）
３４第四温度センサ（入熱量検出手段）
３５出力センサ
４０制御部
４２判定部
４４記憶部（入熱量検出手段）

Claims

作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から流出した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供給管を通じて供給される冷却媒体で冷却することによって凝縮させる凝縮器と、
前記供給管の詰まりを示す予め設定された詰まり条件が成立したか否かを判定する判定部と、
前記凝縮器に流入する冷却媒体の温度を検出可能な第一温度センサと、
前記凝縮器から流出した冷却媒体の温度を検出可能な第二温度センサと、
前記蒸発器への入熱量を検出可能な入熱量検出手段と、
前記駆動機の出力を検出可能な出力センサと、を備え、
前記判定部は、前記凝縮器に供給される又は前記凝縮器から流出した冷却媒体の流量が予め設定された基準流量であるときの前記凝縮器から流出した冷却媒体の温度と前記凝縮器に供給される冷却媒体の温度との差である基準温度差を、前記入熱量検出手段の検出値から前記出力センサの検出値を引くことにより算出される前記凝縮器での放熱量と、前記基準流量と、に基づいて算出し、この基準温度差に対し、前記第二温度センサの検出値と前記第一温度センサの検出値との差が所定値以上大きくなったときに前記詰まり条件が成立したと判定する排熱回収装置。
請求項１に記載の排熱回収装置において、
前記判定部は、前記詰まり条件が成立したときに所定信号を送信する排熱回収装置。