JP6199192B2 - 蒸発装置における熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮機式ルーツブロワを用いた蒸発装置における熱回収システムに関する。

蒸発装置の熱回収において、ベーパーを直接圧縮機で圧縮し熱源としているのが、一般的であるが、このシステムだと圧縮機へ飛沫同伴により固形分が飛んできて、固形分が圧縮機のロータに詰まり、圧縮機が動かなくなるトラブルが予想される。現に、その様なトラブルが発生しているのが、実情である。通常は、気液分離器（サイクロン等）を取り付けて対応しているが、これも100％分離できないのが、現状である。

従来から熱回収システムとして、公知のルーツブロワが使用されているが、圧縮比は、1.8程度が限界で、機械効率は50％である。一方、スクリュー式圧縮機では2以上の圧縮比が可能であるが、効率が悪い上に価格が高く、また、2台の圧縮機を直列につなげて2段式圧縮機とする場合もあるが、設置スペースが大きく、コスト的にも実用化が困難である。

特許文献1に、工場廃液等の濃縮用装置としてルーツブロワを利用したものが記載され、また、ドレンアタックによるルーツブロワの損傷を回避する運転方法が記載されている。

この方式は、ルーツブロワのケーシングに冷却水を通過させるための流路を備え、冷却水量を制御する事を特徴としているが、高圧縮比での運転が出来ないことが問題となっている。

特許第4440593号公報

本発明の目的は、圧縮比2以上の高圧縮比での運転が可能な蒸気圧縮式ルーツブロワを使用した蒸発装置における熱回収システムを提供する事にある。

本システムとしては、蒸発缶から発生した蒸気を冷却水により間接的に熱回収する事により、飛沫同伴に伴う固形分による圧縮機の詰まりが、100％なくなることを特徴とする。

圧縮比2以上を達成するために請求項1に記載した発明は、水溶液の蒸発を行う蒸発缶と、この蒸発缶から発生した蒸気の熱を回収する熱交換器とを備え、前記熱交換器で回収した熱で昇温させた水をフラッシュタンクでフラッシュさせるとともに、このフラッシュによって生じた蒸気を圧縮機で圧縮するようにした蒸発装置における熱回収システムであって、
前記圧縮機として蒸気圧縮式のルーツブロワを用い、このルーツブロワを圧縮比２以上での運転を可能にすべく前記フラッシュタンクのドレンの一部を前記ルーツブロワに注水する為に前記ルーツブロワに内部冷却口を設けて、前記ルーツブロワの保護を行うとともに、前記ルーツブロワに注入される注水液で前記ルーツブロワのロータ間をシールして容積効率を向上させたことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項2に記載した発明は、前記ルーツブロワを圧縮比２以上での運転を可能にすべく前記ルーツブロワのロータの熱膨張を少なくし、前記ルーツブロワにおけるロータおよびケーシングのクリアランスを最小にするために、それらロータおよびケーシングの構成材として、ＦＣ材に比べて熱膨張の低いオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄材料を用いて容積効率を上げたことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項3に記載した発明は、前記ルーツブロワを圧縮比２以上での運転ができるように、前記ルーツブロワにおけるロータが常にシールされた状態を確保できるケーシング構造としたことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項4に記載した発明は、前記ルーツブロワの軸封に耐熱フッ素樹脂製ドライシールを用いて真空圧、吐出圧に対応できるようにダブルシール構造としたことを特徴とする。

圧縮比2以上での運転を行う為に2以上の圧縮比が可能であるスクリュー式圧縮機を用いた場合、効率が悪い上に価格が高く、また、2台の圧縮機を直列につなげて2段式圧縮機とする場合もあるが、設置スペースが大きく、コスト的にも高くつく。この問題点を解決すべく鋭意努力した結果、本発明に到った。本発明により蒸発装置において蒸気圧縮式ルーツブロワを使用する事で設備費が、上記の様な圧縮機と比較して、安価で提供できる。 また、蒸気圧縮式ルーツブロワを使用する事で、圧縮比2以上で運転でき、設置スペースが小さい熱回収システムが得られる。

図5に示す一般的な蒸発装置では。熱交換器の冷却方法として冷却水を循環利用するクーリングタワー方式を採用している。この様に熱回収していないシステムに比べ、本発明によるシステムでは、熱交換器にて得られる熱を有効利用する事ができる。
その内容は、第1が、冷却水をフラッシュタンクでフラッシュして蒸発させ、その水蒸気を圧縮して蒸発缶の熱源として使用できる事。第2に、熱交換器の冷却水を循環使用するので、冷却水の補充が不要となる事である。
圧縮機が蒸気を圧縮する為のエネルギーは蒸発潜熱に比較してはるかに小さい為、装置の運転経費は、蒸気を使用する図5の様な従来方式の蒸発装置よりも飛躍的に節約されることになります。

本発明により、下記の効果が期待できる。
（１）本システムでは、飛沫同伴により固形分での圧縮機ロータの詰まりで、圧縮機が動かなくなるトラブルが、まったく生じない
（２）クーリングタワーにて冷却水を循環利用している、熱回収しないシステムに比べ、熱交換器にて熱を回収する本発明では、熱交換器の冷却水が、そのまま蒸発缶の熱源となり、また、冷却水の補充が不要となる。
（３）本発明のシステムでは、蒸気を使用する従来方式の蒸発装置よりも運転経費が飛躍的に節約できる。
（４）本発明のルーツブロワ設備を使用する事で、他の圧縮機と比較して、安価で提供できる。また、設置スペースが小さい熱回収システムとなる。

本発明の蒸気圧縮式蒸発装置フロー 本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワの構造図 本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワの軸封図 本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワのテスト機フロー 従来方式の蒸発装置フロー

次に本発明の実施形態を添付図を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の一形態を示したものである。
圧縮比2以上を達成するために請求項1に記載した発明は、フラッシュタンク3に軟水6を投入し、循環ポンプ7で熱交換器2を通過し、フラッシュタンク3への循環ラインを作る。この循環している冷却水を用い、蒸発缶1から発生した蒸気を熱交換器2で熱回収する。 回収した熱で昇温された冷却水は、圧力の低いフラッシュタンク3に噴出する事で蒸発し蒸気となる。 また、循環水の一部を冷却水循環ライン5によって、圧縮機4の内部冷却口15から供給し、圧縮機4の過熱蒸気による温度上昇を防ぐ。
一方、フラッシュした蒸気は、圧縮機4で圧縮され蒸発缶1の熱源用スチームとして利用される。この熱源用スチームは、蒸発缶1のジャケットに供給され凝縮液となる。
その凝縮液は、回収タンク8に一時保留後回収ポンプ9によって、フラッシュタンク3に送られる。 ここで示す熱交換器としては、多管式、プレート式、その他いずれの方式を用いても良い。

図1において、フラッシュタンク3に軟水6を投入し、循環ポンプ7で熱交換器2を通過し、フラッシュタンク3への循環ラインを作る事により、供給された軟水6は、熱交換器2に対しては、冷媒として働き、蒸発缶1からのベーパーを凝縮させると同時に熱をもらい受けた循環ラインの液は、フラッシュタンク3で蒸発され、圧縮機4で圧縮され蒸発缶1の熱源として利用される。
この時の蒸発温度は、蒸発缶1のベーパーより5℃低い温度に相当する圧力となる様な
圧縮機を選定する。
したがって、図5に示すクーリングタワー23にて循環ポンプ24にて水を循環利用している熱回収していないシステムにかわって、熱交換器2にて得られる熱を回収するシステムを用いた蒸発装置においては、熱交換器2の冷却水が、そのまま蒸発缶1の熱源となる為、蒸発缶1の熱源としての蒸気が不要となるとともに冷却水をカットできる。

図2は、本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワの内部構造を示したものであり、圧縮比2以上を可能にすべくルーツブロワの3葉ロータ14およびケーシング12の熱膨張を少なくする為に冷却水の循環を行う。同時にフラッシュタンクのドレンの一部を蒸気に注水する為の内部冷却口15を設け、圧縮機の保護を行うとともに、注水液で3葉ロータ14間をシールして容積効率を向上させたことを特徴とする。また、3葉ロータ14およびケーシング12のクリアランスを最小にするために、FC材に比べて熱膨張の低いオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄材料（例えば、ニレジストD5）を用いて容積効率を上げる事ができることを特徴とする。

図3は、本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワの内部軸封構造を示したものであり、ルーツブロワの軸封に耐熱テフロン製ドライシールを用いて真空圧、吐出圧に対応できるようにダブルシール構造としたことを特徴とする（テフロンは登録商標）。

図4に示すテスト機で行った圧縮機による圧縮比の検討を実施例に基づいて説明する。

図4は、本発明の蒸気圧縮式ルーツブロワのテスト装置のフローを示したものである。
このテスト装置のフローは、圧縮機の圧縮比を検討するために、図1のフローを簡略化したものである。 蒸発缶17は、図1のクッションタンク3に相当し、ヒーター18の熱量は、図1の熱交換機2で回収される熱量に相当する。コンデンサー21で凝縮される液量は、図1の蒸発缶1のジャケットで凝縮される液量に相当する。ポンプ20で圧縮機19に送られる液は、図1の冷却水循環ライン5に相当する。
蒸発缶17に取り付けたヒーター18で加熱し、蒸発させる。この蒸気を蒸気圧縮機19で圧縮してコンデンサー21で、熱回収する。
凝縮液量の重量をロードセル22で測定する事により、蒸気回収量を熱回収量とした。 圧縮機19の熱膨張防止の為、ポンプ20で蒸発缶17の液を循環する。 蒸気圧縮機19の入口圧力P1、出口圧力P2とする事によりP2/P1を圧縮比とした。動力は、圧縮機のモーターの動力を示す。

図4に示すテスト機を用い、圧縮比1.9、3.0、3.8についての代表結果を下記に記載する。
COP=圧縮機吐出量[Kg/h]×540[Kcal/Kg]÷860[Kcal/KWh]÷投入電力[KW]
（圧縮比1.9）
COP=圧縮機吐出量[Kg/h]×540[Kcal/Kg]÷860[Kcal/KWh]÷投入電力[KW]
＝50.7Kg/h×540Kcal/Kg÷860Kcal/KWh÷3.17KW＝10.6
（圧縮比3.0）
COP=圧縮機吐出量[Kg/h]×540[Kcal/Kg]÷860[Kcal/KWh]÷投入電力[KW]
＝21.4Kg/h×540Kcal/Kg÷860Kcal/KWh÷4.5KW＝3.0
（圧縮比3.8）
COP=圧縮機吐出量[Kg/h]×540[Kcal/Kg]÷860[Kcal/KWh]÷投入電力[KW]
＝16.4Kg/h×540Kcal/Kg÷860Kcal/KWh÷6.7KW＝1.5

COPの意味する所は、入力エネルギー1に対しどれだけの出力エネルギーになるかという事である。
つまり、圧縮比が3.8と大きくとると、蒸気圧力が高くなる為、使用範囲が広がるが、動力値が大きくCOP1.5となる。言い換えると、入力エネルギー1に対し1.5倍のエネルギーにしか成らない為、大きなメリットは得られないという事である。圧縮比1.9であれば、COP10.6となり、コストメリットが出てくる。

1 蒸発缶
2 熱交換器
3 フラッシュタンク
4 圧縮機
5 冷却水循環ライン
6 軟水
7 循環ポンプ
8 回収タンク
9 回収ポンプ
10 吸込口
11 吐出口
12 ケーシング
13 空間部
14 ロータ
15 内部冷却口
16 ダブルシール構造
17 蒸発缶（図1のフラッシュタンク3相当）
18 ヒーター
19 蒸気圧縮機
20 循環ポンプ
21 コンデンサー（熱交換器）
22 ロードセル
23 クーリングタワー
24 タワー水循環ポンプ

Claims (4)

1. 水溶液の蒸発を行う蒸発缶と、この蒸発缶から発生した蒸気の熱を回収する熱交換器とを備え、前記熱交換器で回収した熱で昇温させた水をフラッシュタンクでフラッシュさせるとともに、このフラッシュによって生じた蒸気を圧縮機で圧縮するようにした蒸発装置における熱回収システムであって、
   前記圧縮機として蒸気圧縮式のルーツブロワを用い、このルーツブロワを圧縮比２以上での運転を可能にすべく前記フラッシュタンクのドレンの一部を前記ルーツブロワに注水する為に前記ルーツブロワに内部冷却口を設けて、前記ルーツブロワの保護を行うとともに、前記ルーツブロワに注入される注水液で前記ルーツブロワのロータ間をシールして容積効率を向上させたことを特徴とする蒸発装置における熱回収システム。
2. 前記ルーツブロワを圧縮比２以上での運転を可能にすべく前記ルーツブロワのロータの熱膨張を少なくし、前記ルーツブロワにおけるロータおよびケーシングのクリアランスを最小にするために、それらロータおよびケーシングの構成材として、ＦＣ材に比べて熱膨張の低いオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄材料を用いて容積効率を上げたことを特徴とする請求項１に記載の蒸発装置における熱回収システム。
3. 前記ルーツブロワを圧縮比２以上での運転ができるように、前記ルーツブロワにおけるロータが常にシールされた状態を確保できるケーシング構造としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸発装置における熱回収システム。
4. 前記ルーツブロワの軸封に耐熱フッ素樹脂製ドライシールを用いて真空圧、吐出圧に対応できるようにダブルシール構造としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸発装置における熱回収システム。

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