JP7263862B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒サイクルの凝縮器に水を流通させることで蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

従来より、工場排水や下水排水等の温排水から排熱を回収し、水蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置が利用されている。

例えば、特許文献１にはヒートポンプ装置が開示されている。このヒートポンプ装置では、凝縮器に対して圧縮機で圧縮された冷媒が供給されるとともに、ポンプによって水が供給される。凝縮器で冷媒と熱交換して加熱された水は水蒸気（気相）と熱水（液相）の二相流となって被加熱水蒸気分離器に入る。二相流は水蒸気分離器で気相と液相とに分離され、水蒸気だけが取り出されて外部の蒸気利用設備へと供給される。この戻り管と凝縮器から水蒸気分離器へ二相流を供給する二相管とにより水循環回路が形成され、サーモサイフォン効果により水の循環が促進される。

ヒートポンプ式蒸気生成装置でより多くの蒸気が必要とされる場合には、特許文献２のように必要な蒸気量に応じて２つの凝縮器を並列に設けることが考えられる。

特開２０１３－２７０８号公報 特開２００７－１７０６８３号公報

複数の凝縮器が並列に設けられる場合には水蒸気分離器についても同数設け、凝縮器と水蒸気分離器とが１対１に対応する回路構成にすることが考えられる。この場合、凝縮器、二相管、水蒸気分離器および戻り管からなる水循環回路が複数形成される。

ところが、凝縮器や水蒸気分離器が複数設けられる場合には管路抵抗などの影響から系統ごとの冷媒流量や給水量の不均等が発生することがある。そうすると、複数の循環系統での水の循環量にも不均等が発生し、凝縮器内での熱交換量が設計上の好適点から外れてしまい装置の運転効率が低下する懸念がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、複数の水蒸気分離器が設けられる場合において運転効率の高いヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、外部熱源により冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を被加熱水と熱交換することにより被加熱水から二相流を生成する凝縮器と、前記凝縮器から導出された冷媒を膨張させて前記蒸発器に導出する膨張弁とを有するヒートポンプ部と、前記凝縮器と、前記凝縮器から二相管を通じて供給された前記二相流を気相と液相とに分離する複数の水蒸気分離器と、前記複数の水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に導入する戻り管と、前記戻り管に接続され外部から前記被加熱水を供給する給水管路と、前記複数の水蒸気分離器で分離された気相を送出する蒸気送出管路とを有する蒸気生成部とを備え、前記複数の水蒸気分離器それぞれの液相貯留部同士を連通する連通管を有することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、外部熱源により冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された冷媒を被加熱水と熱交換することにより被加熱水から二相流を生成する複数の凝縮器と、前記複数の凝縮器から導出された冷媒を合流させる合流部と、前記合流部で合流した冷媒を膨張させて前記蒸発器に導出する膨張弁とを有するヒートポンプ部と、前記複数の凝縮器それぞれに対応し、前記複数の凝縮器のうちの一つと、該凝縮器から二相管を通じて供給された前記二相流を気相と液相とに分離する水蒸気分離器と、前記水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に導入する戻り管と、前記戻り管に接続され外部から前記被加熱水を供給する給水管路と、前記水蒸気分離器で分離された気相を送出する蒸気送出管路とを有する複数の蒸気生成部とを備え、前記複数の蒸気生成部における前記水蒸気分離器それぞれの液相貯留部同士を連通する連通管を有することを特徴とする。

本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置においては、複数の水蒸気分離器が設けられており、これらの水蒸気分離器は液相貯留部同士が連通管で連通している。したがって、複数の水蒸気分離器の各液面は同じ高さになる。これにより、複数の水循環回路でサイフォン効果を奏するためのヘッド差が同一または略同一となり、均一な水循環が実現され運転効率が高まる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。 図２は、第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の要部構成を模式的に示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

以下に、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの回路図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、外部熱源により冷媒を蒸発させる蒸発器１２と、蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機１４と、圧縮されて高温高圧となった冷媒を分岐点Ｐ１で分岐させてそれぞれ被加熱水と熱交換させる２つの蒸気生成系統部１６ａ，１６ｂとを備える。蒸気生成系統部１６ａ，１６ｂで熱交換をした冷媒は合流点Ｐ２で合流し、膨張弁３２で膨張した後に蒸発器１２に戻され、冷媒の循環回路が形成されている。圧縮機１４の出口配管には冷媒の温度を検出する温度計２０と、圧力を検出する圧力計２２とが設けられ、それぞれの検出信号は制御部に供給される。圧縮機１４は制御部によって回転数が制御される。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、排水管路２４で供給される排温水を蒸発器１２で外部熱源として利用して冷媒を蒸発させ、給水管路２６から供給される被加熱水を蒸気生成系統部１６ａ、１６ｂで高温冷媒を用いて蒸発させ、生成した水蒸気を蒸気送出管路２８から外部の蒸気利用設備側へと送り出す。

蒸気生成系統部１６ａは、分岐点Ｐ１から分岐した冷媒が供給される凝縮器３０ａと、凝縮器３０ａで冷媒と熱交換されて被加熱水から生成された二相流を気相と液相とに分離する水蒸気分離器３６ａと、二相流を凝縮器３０ａから水蒸気分離器３６ａに供給する二相管４０ａと、水蒸気分離器３６ａの液相を凝縮器３０ａに戻す戻り管４２ａと、水蒸気分離器３６ａの気相を送出する蒸気管４４ａとを備える。蒸気生成系統部１６ａでは、凝縮器３０ａ、二相管４０ａ、水蒸気分離器３６ａおよび戻り管４２ａからなる水循環回路４６ａが形成されている。

蒸気生成系統部１６ｂは蒸気生成系統部１６ａと同様の回路であって、該蒸気生成系統部１６ａと並列に構成されている。蒸気生成系統部１６ａにおける凝縮器３０ａ、水蒸気分離器３６ａ、二相管４０ａ、戻り管４２ａ、蒸気管４４ａ、水循環回路４６ａは、蒸気生成系統部１６ｂにおける凝縮器３０ｂ、水蒸気分離器３６ｂ、二相管４０ｂ、戻り管４２ｂ、蒸気管４４ｂ、水循環回路４６ｂに相当し、それぞれ同様の作用をする。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａで蒸気生成に用いられる被加熱水は、給水管路２６から給水ポンプ３４によって給水・供給される。給水ポンプ３４から吐出された被加熱水は分岐点Ｐ３で分岐し、戻り管４２ａおよび戻り管４２ｂの途中点で合流して凝縮器３０ａおよび凝縮器３０ｂに供給される。給水ポンプ３４の吐出量は制御部によって調整可能である。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａでは、蒸発器１２と、圧縮機１４と、分岐部Ｐ１と、凝縮器３０ａ，３０ｂと、合流部Ｐ２と、膨張弁３２とを有するヒートポンプ部が形成されている。また、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａでは、凝縮器３０ａ，３０ｂと、水蒸気分離器３６ａ，３６ｂと、戻り管４２ａ，４２ｂと、給水管路２６と、蒸気送出管路２８とを有する蒸気生成部が形成されている。なお、この蒸気生成部は蒸気生成系統部１６ａ，１６ｂとは異なる。蒸気生成系統部１６ａ，１６ｂは発明が理解されやすいようにヒートポンプ部の一部と蒸気生成部の一部とを縦割り的に区分けしたものである。

水蒸気分離器３６ａ，３６ｂには図示しない水位計が設けられており、内部の水位を検出して制御部に供給する。なお、後述するように水蒸気分離器３６ａの水位と水蒸気分離器３６ｂの水位は等しくなるため、水位計はいずれか一方に設けてもよい。給水ポンプ３４は水蒸気分離器３６ａ，３６ｂの水位が一定となるように制御部によって吐出量が調整される。給水ポンプ３４に相当するポンプは水循環回路４６ａと水循環回路４６ｂに対して、それぞれ個別に設けてもよい。蒸気生成系統部１６ａおよび蒸気生成系統部１６ｂで生成された蒸気は合流点Ｐ４で合流し、圧力調整弁３８で圧力が調整された後に蒸気送出管路２８に供給される。

図２は、第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の要部構成を模式的に示す図である。図２では紙面下方が重力方向である。図２に示すように、２つの水蒸気分離器３６ａと水蒸気分離器３６ｂとは同一または略同一の高さに設けられている。水蒸気分離器３６ａと水蒸気分離器３６ｂとは同仕様または略同仕様である。２つの凝縮器３０ａと凝縮器３０ｂとは同一または略同一の高さに設けられている。凝縮器３０ａと凝縮器３０ｂとは同仕様または略同仕様である。二相管４０ａと二相管４０ｂとは長さ、配管経路、内径等をなるべく等しくするとよい。同様に、戻り管４２ａと戻り管４２ｂとは長さ、配管経路、内径等をなるべく等しくするとよい。

また、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、水蒸気分離器３６ａと水蒸気分離器３６ｂとを連通する連通管５０を有する。連通管５０は双方の液相貯留部５２同士を連結・連通している。

水蒸気分離器３６ａ，３６ｂはそれぞれ下方の液相貯留部５２と上方の気相貯留部５４とに区分けされる。水蒸気分離器３６ａ，３６ｂにおいて液相つまり熱水が溜められる部分と気相つまり水蒸気が溜められる部分は、液面５６の高さによって変動し得るが、液相貯留部５２は通常運転時において液相が常時溜められる下方部であり、気相貯留部５４は通常運転時において気相が常時溜められる上方部である。すなわち、液相貯留部５２は、液面５６の変動によって液相または気相が溜められることになる中間領域よりも下方の部分とする。また、水蒸気分離器３６ａ，３６ｂにおいて、液相が溜められる最低高さの基準値が規定されている場合には、該最低高さよりも下の部分が液相貯留部５２となる。

連通管５０が水蒸気分離器３６ａと水蒸気分離器３６ｂとを液相貯留部５２同士で連通していることにより、双方の液面５６は同じ高さとなる。

水蒸気分離器３６ａと水蒸気分離器３６ｂは基本的には同じ高さに設けられるが、設置高さに多少の差がある場合でも、仮に独立的に運転した場合における双方の液相貯留部５２が高さ方向にある程度重複していれば、連通管５０を接続することにより双方の液面５６を同じ高さにすることができる。連通管５０は、戻り管４２ａに流出する流体力の動的影響を受けない箇所に設けるとよい。連通管５０は剛性管でも可撓性管でもよい。連通管５０の長さや形状は問われない。連通管５０を流れる流量は比較的小さいため、連通管５０は適度に細くてもよい。連通管５０の耐圧能力は水蒸気分離器３６ａ，３６ｂと同等またはそれ以上である。

凝縮器３０ａ，３０ｂでは被加熱水が冷媒との熱交換により蒸発することから、内部の水管路で入口側は液相で、出口側は気相（厳密には気液二相）であり、その中間部に境となる液相部水位５８がある。図２では液相部水位５８を概念的に示している。なお、凝縮器３０ａと凝縮器３０ｂは同一または略同一高さに設けられていることから、双方の液相部水位５８も同一または略同一となる。

水循環回路４６ａ，４６ｂでは、サーモサイフォン効果で水の循環促進をさせるために液相部水位５８は液面５６よりも低い位置にする。サーモサイフォン効果を高めるためには液相部水位５８を水蒸気分離器３６ａ，３６ｂの下端部よりも低い位置にすることが望ましい。さらに、凝縮器３０ａ，３０ｂの上端部を水蒸気分離器３６ａ，３６ｂの下端部よりも低い位置とすることにより、液相部水位５８を液面５６よりも確実に低くすることができ一層のサーモサイフォン効果が得られる。なお、凝縮器３０ａ，３０ｂの設置向きについては、図２では流体の流れが鉛直方向となるように示しているがこれに限らず、例えば流体の流れが水平方向となってもよい。

このように構成されるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａにおいては、２つの水蒸気分離器３６ａ，３６ｂが設けられており、これらの水蒸気分離器３６ａ，３６ｂは液相貯留部５２同士が連通管５０で連通している。したがって、水蒸気分離器３６ａ，３６ｂの各液面５６は同じ高さになる。一方、凝縮器３０ａ，３０ｂの液相部水位５８についても同一または略同一高さとなっている。そうすると、２つの水循環回路４６ａ，４６ｂでサイフォン効果を奏するためのヘッド差ΔＰは双方で同一または略同一となり、均一な水循環が実現される。これにより、凝縮器３０ａ，３０ｂ内での熱交換量が設計上の好適点に近づき、運転効率が高まる。

また、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは水循環回路が２つ設けられており（水循環回路４６ａ，４６ｂ）、設計上および製造上で蒸気生成量の増減が容易である。例えば、蒸発器１２や圧縮機１４を適度に余裕のある容量に設定しておけば水循環回路の設置数によって蒸気生成量を増減させることができる。さらに、必要とされる蒸気量が大きい場合でも水循環回路を複数設けることにより、圧力容器である水蒸気分離器は水循環回路毎に分散設置されることから１つあたりのサイズが過大になることがない。

なお、上記のヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａでは２つの蒸気生成系統部１６ａおよび１６ｂが設けられている例を示したが、このような蒸気生成系統部は３以上設けられていてもよい。蒸気生成系統部が３以上設けられる場合には、２以上の連通管５０によってそれぞれの水蒸気分離器を連通させることにより液面５６を同一高さに設定することができる。

（第２の実施形態）
上記のヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは２つの凝縮器３０ａ，３０ｂおよび２つの水蒸気分離器３６ａ，３６ｂを備え、独立的な２つの水循環回路４６ａ，４６ｂを形成しているが、図３に示す第２実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂのように１つの凝縮器３０と２つ（又は３以上）の水蒸気分離器３６ａ，３６ｂを備えていてもよい。

この場合の凝縮器３０は上記のヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａにおける２つの凝縮器３０ａ，３０ｂを１つで置き替えたものである。水蒸気分離器３６ａおよび水蒸気分離器３６ｂは上記の場合と同様であり、双方の液相貯留部５２が連通管５０で連通しており、双方の液面５６は同一高さとなっている。また、凝縮器３０における液相部水位５８は液面５６より低い位置に設けられている。なお、図３はヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂの回路図であるが、このうち凝縮器３０と水蒸気分離器３６ａ，３６ｂおよびその相対位置については紙面の下方が重力方向を示すものとする。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂでは、上記と同様のヒートポンプ部および蒸気生成部が形成されている。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂでは、水蒸気分離器３６ａの二相管４０ａと水蒸気分離器３６ｂの二相管４０ｂとは分岐点Ｐ５において凝縮器３０の水蒸気導出管路から分岐している。水蒸気分離器３６ａの戻り管４２ａと水蒸気分離器３６ｂの戻り管４２ｂとは合流点Ｐ６において合流し、凝縮器３０の水蒸気導入管路を形成している。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂでは２つの水循環回路６０ａおよび６０ｂが形成されている。水循環回路６０ａは凝縮器３０、二相管４０ａ、水蒸気分離器３６ａおよび戻り管４２ａによる回路であり、水循環回路６０ｂは凝縮器３０、二相管４０ｂ、水蒸気分離器３６ｂおよび戻り管４２ｂによる回路である。水循環回路６０ａ，６０ｂは上記の水循環回路４６ａ，４６ｂに相当する。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂにおいては、上記のヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａと同様に、２つの水蒸気分離器３６ａ，３６ｂは液相貯留部５２同士が連通管５０で連通しており各液面５６は同じ高さになる。したがって、２つの水循環回路６０ａ，６０ｂでサイフォン効果を奏するためのヘッド差ΔＰは双方で同一または略同一となり、均一な水循環が実現され、運転効率が向上する。

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。

１０Ａ、１０Ｂ ヒートポンプ式蒸気生成装置
１２ 蒸発器
１４ 圧縮機
１６ａ，１６ｂ 蒸気生成系統部
２８ 蒸気送出管路
３０，３０ａ，３０ｂ 凝縮器
３２ 膨張弁
３４ 給水ポンプ
３６ａ，３６ｂ 水蒸気分離器
３８ 圧力調整弁
４０ａ，４０ｂ 二相管
４２ａ，４２ｂ 戻り管
４６ａ，４６ｂ，６０ａ，６０ｂ 水循環回路
４４ａ，４４ｂ 蒸気管
５０ 連通管
５２ 液相貯留部
５４ 気相貯留部
５６ 液面
５８ 液相部水位

Claims (2)

1. 外部熱源により冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を被加熱水と熱交換することにより被加熱水から二相流を生成する１つの凝縮器と、前記凝縮器から導出された冷媒を膨張させて前記蒸発器に導出する膨張弁とを有するヒートポンプ部と、
   前記凝縮器と、前記凝縮器から二相管を通じて供給された前記二相流を気相と液相とに分離する複数の水蒸気分離器と、前記複数の水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に導入する戻り管と、前記戻り管に接続され外部から前記被加熱水を供給する給水管路と、前記複数の水蒸気分離器で分離された気相を送出する蒸気送出管路とを有する蒸気生成部とを備え、
   前記複数の水蒸気分離器それぞれの液相貯留部同士を連通する連通管を有することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 外部熱源により冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された冷媒を被加熱水と熱交換することにより被加熱水から二相流を生成する複数の凝縮器と、前記複数の凝縮器から導出された冷媒を合流させる合流部と、前記合流部で合流した冷媒を膨張させて前記蒸発器に導出する膨張弁とを有するヒートポンプ部と、
   前記複数の凝縮器それぞれに対応し、前記複数の凝縮器のうちの一つと、該凝縮器から二相管を通じて供給された前記二相流を気相と液相とに分離する水蒸気分離器と、前記水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に導入する戻り管と、前記戻り管に接続され外部から前記被加熱水を供給する給水管路と、前記水蒸気分離器で分離された気相を送出する蒸気送出管路とを有する複数の蒸気生成部とを備え、
   前記複数の蒸気生成部における前記水蒸気分離器それぞれの液相貯留部同士を連通する連通管を有することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

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