JP6394472B2 - Heat pump type steam generator and operation method of heat pump type steam generator - Google Patents
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Description
本発明は、熱源温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法に関する。 The present invention relates to a heat pump steam generator that recovers heat from heat source hot water and generates steam, and an operation method of the heat pump steam generator.
蒸気生成装置の一つとして、工場排水や使用済冷却水等の排温水(熱源温水)から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置がある。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで熱源温水から熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやCO2の排出量を低減できるメリットがある。 As one of the steam generators, there is a heat pump steam generator that recovers heat from waste water (heat source hot water) such as factory effluent and used cooling water to generate steam. In the heat pump steam generator, the evaporator of the heat pump unit functions as an exhaust heat recovery device, where heat is recovered from the heat source hot water into the refrigerant, and the water to be heated is heated by the condenser using the recovered heat. Since steam is generated, there is an advantage that the running cost and CO 2 emission amount can be reduced as compared with the combustion system steam generating apparatus that generates steam using boiler equipment or the like.
例えば特許文献1には、凝縮器で生成した蒸気の圧力を検出し、この検出値が予め設定された設定値となるように圧縮機を制御するヒートポンプ式蒸気生成装置が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a heat pump steam generator that detects the pressure of steam generated by a condenser and controls the compressor so that the detected value becomes a preset value.
ところで、特許文献1の構成では、生成される蒸気の圧力に基づき圧縮機が制御されるため、ヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することはできない。このため、例えば生成する蒸気の圧力を一定に維持しつつ、ヒートポンプ部の加熱出力を増減させて蒸気の流量のみを増減させるといった運転制御ができず、効率的な運転を行うことが難しい場合がある。また、例えば蒸発器に導入される熱源温水の温度が低下した場合であっても、ヒートポンプ部の加熱出力を単独で調整してこの熱源温水の温度低下に柔軟に対応することができず、ヒートポンプ部の安定した運転が難しいという問題もある。 By the way, in the structure of patent document 1, since a compressor is controlled based on the pressure of the vapor | steam produced | generated, the heating output of a heat pump part cannot be controlled to a desired value. For this reason, for example, while maintaining the pressure of the generated steam to be constant, it is difficult to perform operation control because it is difficult to perform operation control such as increasing or decreasing the heating output of the heat pump unit to increase or decrease only the flow rate of the steam. is there. For example, even when the temperature of the heat source hot water introduced into the evaporator is lowered, the heating output of the heat pump unit cannot be adjusted independently to flexibly cope with the temperature drop of the heat source hot water. There is also a problem that it is difficult to operate stably.
本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、ヒートポンプ部での加熱出力を所望の値に制御でき、効率的且つ安定した運転を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems of the prior art, and can control the heating output in the heat pump unit to a desired value, and can perform an efficient and stable operation, It aims at providing the operating method of this heat pump type steam generating device.
本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構及び熱源温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部とを備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御する制御手段を備えることを特徴とする。 A heat pump steam generator according to the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant, a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor, an expansion mechanism that decompresses the refrigerant that has exited the condenser, and heat from hot water. A heat pump unit that annularly connects an evaporator that collects and evaporates the refrigerant, a hot water supply unit that supplies the heat source hot water to the evaporator, and supplies water to be heated to the condenser. A heat pump type steam generating device comprising a steam generating unit that generates steam by heating with a refrigerant, the difference between the specific enthalpy of the refrigerant on the compressor discharge side and the specific enthalpy of the refrigerant on the inlet side of the expansion mechanism, and Control means for calculating the heating output of the heat pump unit based on the refrigerant circulation amount of the heat pump unit and controlling the compressor so that the calculated heating output becomes a set output. The features.
また、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器が環状に接続され、冷媒が流通するヒートポンプ部を用いて温水から熱を回収し、回収した熱を被加熱水に伝達して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法であって、前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする。 In addition, the operation method of the heat pump steam generator according to the present invention includes a compressor, a condenser, an expansion mechanism, and an evaporator connected in a ring shape, and recovers heat from hot water using a heat pump unit in which a refrigerant flows. A heat pump type steam generator that generates steam by transferring the heat to the water to be heated, the difference between the specific enthalpy of the refrigerant on the discharge side of the compressor and the specific enthalpy of the refrigerant on the inlet side of the expansion mechanism The heating output of the heat pump unit is calculated based on the refrigerant circulation amount of the heat pump unit, and the compressor is controlled so that the calculated heating output becomes a set output.
このような構成及び方法によれば、蒸気生成部での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。 According to such a configuration and method, the heating output of the heat pump unit can be controlled to a desired value separately from the steam pressure and the like in the steam generation unit. For this reason, for example, even when the operation state of the heat pump section is changed due to temperature fluctuation of the heat source hot water, an efficient operation can be performed while maintaining a desired heating output, and the output can be stabilized.
前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピは、前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出され、前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピは、前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口における冷媒の温度から算出する構成とすると、ヒートポンプ部の加熱出力を精度よく算出することができる。 The refrigerant specific enthalpy on the compressor discharge side is calculated from the refrigerant pressure and temperature on the compressor discharge side, and the refrigerant specific enthalpy on the expansion mechanism inlet side is calculated based on the refrigerant pressure on the compressor discharge side and the temperature If it is set as the structure calculated from the temperature of the refrigerant | coolant in an expander inlet, the heating output of a heat pump part can be calculated accurately.
前記ヒートポンプ部の冷媒循環量は、前記圧縮機吸入側における冷媒の密度と、前記圧縮機の単位時間あたりの排除容積と、前記圧縮機の体積効率とから算出する構成としてもよい。 The refrigerant circulation amount of the heat pump unit may be calculated from the refrigerant density on the compressor suction side, the excluded volume per unit time of the compressor, and the volume efficiency of the compressor.
前記圧縮機吸入側における冷媒の密度は、前記圧縮機吸入側における冷媒の圧力及び温度から算出する構成としてもよい。 The refrigerant density on the compressor suction side may be calculated from the refrigerant pressure and temperature on the compressor suction side.
前記ヒートポンプ部は前記凝縮器の出口と前記膨張機構の入口との間に加熱器を備え、前記被加熱水は該加熱器で加熱された後、前記凝縮器に供給される構成としてもよい。 The heat pump unit may include a heater between an outlet of the condenser and an inlet of the expansion mechanism, and the water to be heated may be supplied to the condenser after being heated by the heater.
本発明によれば、蒸気生成部での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。 According to the present invention, the heating output of the heat pump unit can be controlled to a desired value separately from the steam pressure and the like in the steam generation unit. For this reason, for example, even when the operation state of the heat pump section is changed due to temperature fluctuation of the heat source hot water, an efficient operation can be performed while maintaining a desired heating output, and the output can be stabilized.
以下、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置について、その運転制御方法を例示して好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a heat pump type steam generator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings by exemplifying a preferred embodiment of the operation control method thereof.
図1は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置10の全体構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置10は、工場排水等の温水から排熱を回収し、回収した排熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は乾燥装置や殺菌装置等の外部の蒸気利用設備に送られる。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a heat
図1に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置10は、水を蒸発させて水蒸気を生成し、外部へと送り出す蒸気生成部12と、温水供給部14によって供給される温水(熱源温水)から熱を回収し、この熱を蒸気生成部12での蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部16と、システムの制御を行う制御部18とを備える。
As shown in FIG. 1, the heat pump
ヒートポンプ部16は、冷媒を圧縮する圧縮機20と、圧縮機20で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器22と、凝縮器22を出た冷媒を減圧する膨張機構24と、温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器26とを環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置である。本実施形態では、凝縮器22の出口側と膨張機構24の入口側との間に加熱器28を接続している。膨張機構24は、例えば電子膨張弁である。
The
圧縮機20で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器22で蒸気生成部12を循環する水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器22を出た冷媒は、加熱器28で給水経路30を流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張機構24で断熱膨張され、蒸発器26で温水供給部14の温水経路32を流れる温水から吸熱して蒸発して圧縮機20へと戻る。
The refrigerant that has been compressed by the
ヒートポンプ部16の冷媒経路には、圧縮機20の吸入側の冷媒の圧力及び温度をそれぞれ検出する吸入圧力センサ34及び吸入温度センサ35と、圧縮機20の吐出側の冷媒の圧力及び温度をそれぞれ検出する吐出圧力センサ36及び吐出温度センサ37と、膨張機構24の入口側の冷媒の温度を検出する入口温度センサ38とが設置されている。圧縮機20は制御部18の制御下に、各センサ34〜38の検出値に基づきインバータ(INV)40を介してその運転回転数が制御される。
The refrigerant path of the
蒸気生成部12は、ヒートポンプ部16を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させて蒸気を生成する凝縮器22と、凝縮器22で生成される水と蒸気を含む気液二相流を蒸気と水とに分離する水蒸気分離器42と、水蒸気分離器42で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備に供給する蒸気供給経路44と、水蒸気分離器42で分離された水を給水経路30から供給される水と合流させて凝縮器22から水蒸気分離器42へと導く水循環経路46とを有する。
The
水蒸気分離器42は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下端壁に接続された水循環経路46に接続された給水経路30から水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。給水経路30は、図示しない水道管や水タンクからの水(給水)を給水ポンプ48によって加熱器28を経て水循環経路46まで導入する。給水ポンプ48は制御部18の制御下に、水蒸気分離器42内に貯留された水の水位を測定する水位センサ50の検出値(水位)に基づきインバータ(INV)52を介してその運転回転数が制御される。水蒸気分離器42には、内部の蒸気圧が所定圧力以上になった際に開放される圧力逃がし弁54が接続されている。
The
水循環経路46は、水蒸気分離器42の下端壁から凝縮器22までを連通する液管46aと、凝縮器22から水蒸気分離器42の上部側壁までを連通する蒸気管46bとから構成されている。液管46aには水が流通し、蒸気管46bには水及び蒸気を含む気液二相流が流通する。液管46aには循環ポンプ56が設けられている。循環ポンプ56は制御部18の制御下に、インバータ(INV)58を介してその運転回転数が制御される。
The
蒸気供給経路44は、水蒸気分離器42の上端壁に接続され、蒸気管46bから当該水蒸気分離器42内に供給され、ここで水が分離された後の蒸気を外部に送り出す経路である。蒸気供給経路44には、流れる蒸気の圧力を調整する圧力調整弁(蒸気圧力調整手段)60が設置されている。圧力調整弁60は、制御部18の制御下に、圧力センサ62で測定される水蒸気分離器42内の蒸気圧力に基づきその開度が調整される。圧力調整弁60の開度を適宜調整することにより、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置10から外部に送り出される蒸気の流量や圧力を制御できる。蒸気供給経路44を流れる蒸気の圧力を調整する蒸気圧力調整手段としては、圧力調整弁60に代えて又はこれと共に蒸気を圧縮する蒸気圧縮機を用いてもよい。
The
制御部(制御手段)18は、各センサ34〜38の検出値に基づき圧縮機20の運転制御を行うことで、ヒートポンプ部16の加熱出力を制御する制御装置である。制御部18は、さらに給水ポンプ48、循環ポンプ56及び圧力調整弁60の制御を行うものであってもよいが、これら蒸気生成部12側は図示しない別の制御部によって制御してもよい。
The control unit (control unit) 18 is a control device that controls the heating output of the
図2は、制御部18によるヒートポンプ部16の制御系統の構成を示すブロック図である。図2に示すように、制御部18は、加熱出力算出部64と、加熱出力比較部66と、記憶部68と、圧縮機運転制御部70とを備え、各センサ34〜38の検出圧力及び検出温度に基づき圧縮機20の運転制御を行う。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a control system of the
加熱出力算出部64は、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置10の運転中にヒートポンプ部16の加熱出力(加熱出力現在値)を逐次算出し、その算出結果を加熱出力比較部66に送信する。
The heating
記憶部68には、実験等によって予め設定されたヒートポンプ部16の加熱出力の設定値(設定出力)が記憶されている。この設定値は、例えば外部の蒸気利用設備で利用する蒸気の生成に必要な最適な加熱出力や、温水供給部14で蒸発器26に供給される熱原温水の温度や流量に応じた最適な加熱出力を予め実験等によって算出し、例えば数式やテーブルデータ等として設定したものである。
The
加熱出力比較部66は、加熱出力算出部64で算出された加熱出力の現在値と、記憶部68に設定された加熱出力の設定値とを比較し、その比較結果を圧縮機運転制御部70に送信する。
The heating
圧縮機運転制御部70は、加熱出力比較部66から送信された加熱出力の現在値と設定値との比較結果に基づき、インバータ40を介して圧縮機20の運転回転数を制御する。具体的には、圧縮機運転制御部70は、加熱出力の現在値と設定値との比較結果に基づき、例えば現在値が設定値より大きな場合は圧縮機20の運転回転数を低減させ、現在値が設定値未満の場合は圧縮機20の運転回転数を増大させ、現在値が設定値と同一又は同一と見なされる誤差範囲内の場合は圧縮機20の運転回転数を維持する。これにより、制御部18は、ヒートポンプ部16の加熱出力が記憶部68に記憶された所定の設定出力となるように圧縮機20の運転回転数を制御する。
The compressor
次に、以上のように構成されたヒートポンプ式蒸気生成装置10の運転方法について説明する。
Next, an operation method of the heat pump
図3は、制御部18によるヒートポンプ部16の加熱出力の制御方法の一手順を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing one procedure of a method for controlling the heating output of the
ヒートポンプ式蒸気生成装置10はその定常運転時、ヒートポンプ部16によって温水供給部14の温水経路32を流れる温水の熱を蒸発器26で冷媒に回収し、冷媒に回収した熱を凝縮器22で蒸気生成部12の給水経路30を流れる水に移動させて蒸気を生成する。これにより、排熱を効率的に回収して利用し、高い省エネ性能が発揮される。
During the steady operation of the heat
ヒートポンプ式蒸気生成装置10の運転中、制御部18は、図3に示す制御方法によって圧縮機20の運転回転数を制御し、ヒートポンプ部16の加熱出力を所定の設定出力に制御する運転方法を実施する。この運転方法では、図3中のステップS1において加熱出力現在値算出処理を実行し、ヒートポンプ部16の加熱出力の現在値を算出する。
During the operation of the heat pump
図4は、図3中のステップS1のサブルーチンである加熱出力現在値算出処理の一手順を示すフローチャートであり、図5は、ヒートポンプ部16での冷凍サイクルを示すp−h(圧力−エンタルピ)線図の一例を示す図である。なお、図5において、点1は圧縮機20の吸入時の冷媒状態を示し、点2は圧縮機20の吐出時の冷媒状態を示し、点3’は凝縮器22の出口での冷媒状態を示し、点3は膨張機構24の入口での冷媒状態を示し、点4は膨張機構24の出口での冷媒状態を示している。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of the heating output current value calculation process that is a subroutine of step S1 in FIG. 3, and FIG. 5 is a ph (pressure-enthalpy) showing a refrigeration cycle in the
先ず、ヒートポンプ部16の加熱出力(kW)は、各センサ34〜38の検出値に基づいて算出される圧縮機20の吐出から膨張機構24の入口までの冷媒の比エンタルピ差Δh(kJ/kg)と、ヒートポンプ部16のサイクル内での冷媒循環量m(kg/sec)の積として加熱出力算出部64によって演算される。
First, the heating output (kW) of the
そこで、図4中のステップS11において、制御部18は、吸入圧力センサ34、吸入温度センサ35、吐出圧力センサ36、吐出温度センサ37及び入口温度センサ38による検出値を取得する。つまり、ステップS11では、図5に示す圧縮機20の吸入側の冷媒圧力(吸入冷媒圧力P1)及び温度(吸入冷媒温度T1)と、圧縮機20の吐出側の冷媒圧力(吐出冷媒圧力P2)及び温度(吐出冷媒温度T2)と、膨張機構24の入口温度(入口温度T3)を取得する。
Therefore, in step S11 in FIG. 4, the
先ず、比エンタルピ差Δhを算出するために、ステップS12では、ステップS11で取得した吐出冷媒圧力P2と吐出冷媒温度T2とから圧縮機吐出比エンタルピh2を算出し、吐出冷媒圧力P2と入口温度T3とから膨張機構入口比エンタルピh3を算出する。なお、本実施形態では、圧縮機20の吐出から膨張機構24の入口までの冷媒の圧力損失は小さく無視できるとして圧縮機20の吐出冷媒圧力P2と膨張機構24の入口冷媒圧力の圧力差を無視しているが、圧力損失が大きい場合には膨張機構24の入口にも圧力センサを設け、膨張機構24の入口冷媒圧力と膨張機構24の入口冷媒温度とから膨張機構入口比エンタルピh3を算出してもよい。
First, in order to calculate the specific enthalpy difference Δh, in step S12, the compressor discharge specific enthalpy h2 is calculated from the discharge refrigerant pressure P2 and the discharge refrigerant temperature T2 acquired in step S11, and the discharge refrigerant pressure P2 and the inlet temperature T3. Then, the expansion mechanism inlet specific enthalpy h3 is calculated. In this embodiment, it is assumed that the pressure loss of the refrigerant from the discharge of the
続いてステップS13において、ステップS12で算出した圧縮機吐出比エンタルピh2から膨張機構入口比エンタルピh3を減じることで、圧縮機20の吐出から膨張機構24の入口までの冷媒の比エンタルピ差Δhを算出する。
Subsequently, in step S13, the specific enthalpy difference Δh of the refrigerant from the discharge of the
次に、冷媒循環量mを算出するために、ステップS14では、ステップS11で取得した吸入冷媒圧力P1と吸入冷媒温度T1とから圧縮機20の吸入冷媒密度ρ(=ρ(P1,T1)を算出する。すなわち、ヒートポンプ部16に用いている冷媒固有の物性値である密度をそのときの吸入冷媒圧力P1及び吸入冷媒温度T1から算出する。
Next, in order to calculate the refrigerant circulation amount m, in step S14, the intake refrigerant density ρ (= ρ (P1, T1) of the
またステップS15では、圧縮機20の単位時間あたりの排除容積Vと、圧縮機20の体積効率ηを算出する。すなわち、単位時間あたりの排除容積Vは、圧縮機20の回転あたりの排除容積(カタログ値)と圧縮機運転制御部70から得たインバータ40への指令値に基づいて得られる単位時間あたりの圧縮機20の回転数とから算出する。さらに、体積効率ηは、圧縮機固有の特性であり、カタログデータや特性取得実験により取得できるが、一般的には圧縮比P2/P1の関数となるため、取得した特性とP1,P2の測定値とから算出する(η=η(P2/P1))。
In step S15, the excluded volume V per unit time of the
続いてステップS16において、ステップS14で算出した吸入冷媒密度ρと、ステップS15で算出した排除容積V及び体積効率ηとの積として冷媒循環量mを算出する(m=ρ×V×η)。 Subsequently, in step S16, the refrigerant circulation amount m is calculated as the product of the suction refrigerant density ρ calculated in step S14, the excluded volume V and the volume efficiency η calculated in step S15 (m = ρ × V × η).
従ってステップS17において、ステップS13で算出した比エンタルピ差Δhと、ステップS16で算出した冷媒循環量mとの積を求めることで、ヒートポンプ部16の加熱出力の現在値Q1を算出する(Q1=Δh×m)。これにより、図3中のステップS1に示した加熱出力現在値算出処理が終了し、加熱出力の現在値Q1が得られる。なお、ステップS12〜S13の比エンタルピ差Δhの算出と、ステップS14〜S16の冷媒循環量mの算出とは、いずれを先に行ってもよく両方を並列に行ってもよい。
Therefore, in step S17, the current value Q1 of the heating output of the
そこで図3に戻り、ステップS2において加熱出力比較部66は、図4中のステップS17で算出した加熱出力の現在値Q1と、記憶部68に記憶されている加熱出力の設定値Q2とを比較する。
Returning to FIG. 3, in step S <b> 2, the heating
現在値Q1が設定値Q2よりも大きな場合は(ステップS2のYes)、圧縮機運転制御部70の制御下にインバータ40を介して圧縮機20の運転回転数を低減させ(ステップS3)、現在値Q1を設定値Q2に合わせるように圧縮機20の運転を制御すると共にステップS1に戻る。
When the current value Q1 is larger than the set value Q2 (Yes in Step S2), the operation rotational speed of the
現在値Q1が設定値Q2以下である場合は(ステップS2のNo)、続いて現在値Q1が設定値Q2未満であるか否かが判定される(ステップS4)。そして、現在値Q1が設定値Q2未満ではない、つまり現在値Q1が設定値Q2と等しいか或いは所定の誤差の範囲内にあって等しいと判断できる場合は(ステップS4のNo)、処理を終了してステップS1に戻る。一方、現在値Q1が設定値Q2未満である場合は(ステップS4のYes)、圧縮機運転制御部70の制御下にインバータ40を介して圧縮機20の運転回転数を増大させ(ステップS5)、現在値Q1を設定値Q2に合わせるように圧縮機20の運転を制御すると共にステップS1に戻る。
If the current value Q1 is less than or equal to the set value Q2 (No in step S2), it is subsequently determined whether or not the current value Q1 is less than the set value Q2 (step S4). If the current value Q1 is not less than the set value Q2, that is, if it can be determined that the current value Q1 is equal to the set value Q2 or within a predetermined error range (No in step S4), the process is terminated. Then, the process returns to step S1. On the other hand, when the current value Q1 is less than the set value Q2 (Yes in step S4), the operation speed of the
従って、ヒートポンプ式蒸気生成装置10では、上記のように加熱出力の現在値Q1を設定値Q2に合わせるように圧縮機20の運転回転数を調整する制御方法を繰り返し実行することでヒートポンプ部16の加熱出力を所望の値に制御することができる。この加熱出力の制御は、PID制御その他任意のフィードバック制御を用いて行ってもよく、例えば圧縮機運転制御部70での圧縮機20の制御結果を加熱出力算出部64にフィードバックし、次回の加熱出力の算出に利用してもよい。
Therefore, in the heat pump
以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置10では、圧縮機20吐出側における冷媒の比エンタルピh2と膨張機構24入口側における冷媒の比エンタルピh3の差(比エンタルピ差Δh)と、ヒートポンプ部16の冷媒循環量mとに基づいてヒートポンプ部16の加熱出力(現在値Q1)を算出し、算出した加熱出力が設定出力(設定値Q2)となるように圧縮機20を制御する制御部18を備える。
As described above, in the heat pump
従って、ヒートポンプ式蒸気生成装置10では、蒸気生成部12での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部16の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部16の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。すなわち、例えば蒸発器26に導入される温水の温度が低下した場合に、圧縮機20の運転回転数を増大させることによりヒートポンプ部16の加熱出力を維持することができ、ヒートポンプ式蒸気生成装置10の運転が安定する。また、例えば蒸気生成部12での蒸気圧力を一定に維持しつつ、蒸気流量を増減させる必要がある場合に、ヒートポンプ部16での加熱出力を増減させることで対応可能であり、効率的且つ柔軟な運転が可能である。これにより、例えば蒸気圧力は一定に保ちつつ、過剰な状態にある加熱出力を絞ることができ、装置の運転効率を高めることができる。
Therefore, in the heat pump
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can be freely changed without departing from the gist of the present invention.
比エンタルピ差Δhや冷媒循環量mの算出は、本実施例による算出方法に限られず、他のパラメータから推定してもよく、実験等によって予め取得したパラメータを入力してもよい。また上記実施形態では、膨張機構24の入口温度T3を膨張機構24の入口側に設けた入口温度センサ38によって測定するものとしたが、ヒートポンプ部16において膨張機構24の入口温度がほとんど変動しない系で構成されている場合等には、入口温度センサ38を省略し、例えば実験等によって予め取得した入口温度を用いてもよい。
The calculation of the specific enthalpy difference Δh and the refrigerant circulation amount m is not limited to the calculation method according to the present embodiment, but may be estimated from other parameters, or parameters acquired in advance through experiments or the like may be input. In the above embodiment, the inlet temperature T3 of the
10 ヒートポンプ式蒸気生成装置
12 蒸気生成部
14 温水供給部
16 ヒートポンプ部
18 制御部
20 圧縮機
22 凝縮器
24 膨張機構
26 蒸発器
28 加熱器
30 給水経路
32 温水経路
34 吸入圧力センサ
35 吸入温度センサ
36 吐出圧力センサ
37 吐出温度センサ
38 入口温度センサ
40,52,58 インバータ
42 水蒸気分離器
44 蒸気供給経路
46 水循環経路
64 加熱出力算出部
66 加熱出力比較部
68 記憶部
70 圧縮機運転制御部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、
前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、
を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出された前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口側における冷媒の温度から算出された前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御する制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。 A compressor that compresses the refrigerant, a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor, an expansion mechanism that decompresses the refrigerant that exits the condenser, and an evaporator that recovers heat from the heat source hot water and evaporates the refrigerant A heat pump connected to
A hot water supply section for supplying the heat source hot water to the evaporator;
A steam generation unit that supplies heated water to the condenser and heats the heated water with the refrigerant to generate steam;
A heat pump type steam generator comprising:
Calculated from the specific enthalpy of the refrigerant on the compressor discharge side calculated from the pressure and temperature of the refrigerant on the compressor discharge side, the pressure of the refrigerant on the compressor discharge side, and the temperature of the refrigerant on the expander inlet side The heating output of the heat pump unit is calculated based on the difference in specific enthalpy of the refrigerant at the inlet side of the expansion mechanism and the refrigerant circulation amount of the heat pump unit, and the compressor is adjusted so that the calculated heating output becomes a set output. A heat pump type steam generator characterized by comprising control means for controlling.
前記ヒートポンプ部の冷媒循環量は、前記圧縮機吸入側における冷媒の密度と、前記圧縮機の単位時間あたりの排除容積と、前記圧縮機の体積効率とから算出されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。 In the heat pump type steam generator according to claim 1 ,
The amount of refrigerant circulating in the heat pump unit is calculated from the density of the refrigerant on the compressor suction side, the excluded volume per unit time of the compressor, and the volume efficiency of the compressor, Steam generator.
前記圧縮機吸入側における冷媒の密度は、前記圧縮機吸入側における冷媒の圧力及び温度から算出されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。 In the heat pump type steam generator according to claim 2 ,
The heat pump type steam generator according to claim 1, wherein the refrigerant density on the compressor suction side is calculated from the pressure and temperature of the refrigerant on the compressor suction side.
前記ヒートポンプ部は前記凝縮器の出口と前記膨張機構の入口との間に加熱器を備え、前記被加熱水は該加熱器で加熱された後、前記凝縮器に供給されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。 In the heat pump type steam generator according to any one of claims 1 to 3 ,
The heat pump unit includes a heater between an outlet of the condenser and an inlet of the expansion mechanism, and the water to be heated is heated by the heater and then supplied to the condenser. Heat pump steam generator.
前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、A hot water supply section for supplying the heat source hot water to the evaporator;
被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器と、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路と、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器と、該水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に流通させる液経路と、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気を外部に送り出す送出経路と、前記液経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路と、を有する蒸気生成部と、The condenser that heats water to be heated by the refrigerant, a vapor path through which a gas-liquid two-phase flow generated by the condenser flows, and a gas-liquid two-phase flow supplied from the vapor path, A water vapor separator that separates the liquid phase, a liquid path through which the liquid phase separated by the water vapor separator is circulated to the condenser, a delivery path that sends the water vapor separated by the water vapor separator to the outside, and the liquid path A steam generation unit having a water supply path connected to supply the heated water by power of a water supply pump;
を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、A heat pump type steam generator comprising:
前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御するとともに、前記水蒸気分離器の水位に基づき前記給水ポンプによる給水量を制御する制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。The heating output of the heat pump unit is calculated based on the difference between the specific enthalpy of the refrigerant on the discharge side of the compressor and the specific enthalpy of the refrigerant on the inlet side of the expansion mechanism, and the refrigerant circulation amount of the heat pump unit, and the calculated heating A heat pump type steam generator characterized by comprising control means for controlling the compressor so that the output becomes a set output and controlling the amount of water supplied by the water supply pump based on the water level of the water vapor separator.
前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出された前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口側における冷媒の温度から算出された前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。 A heat pump type in which a compressor, a condenser, an expansion mechanism, and an evaporator are connected in an annular shape, and heat is recovered from hot water using a heat pump unit through which refrigerant flows, and the recovered heat is transmitted to heated water to generate steam. A method of operating a steam generator,
Calculated from the specific enthalpy of the refrigerant on the compressor discharge side calculated from the pressure and temperature of the refrigerant on the compressor discharge side, the pressure of the refrigerant on the compressor discharge side, and the temperature of the refrigerant on the expander inlet side The heating output of the heat pump unit is calculated based on the difference in specific enthalpy of the refrigerant at the inlet side of the expansion mechanism and the refrigerant circulation amount of the heat pump unit, and the compressor is adjusted so that the calculated heating output becomes a set output. An operation method of a heat pump type steam generator characterized by controlling.
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