JP7309593B2 - 排熱回収システム、及び、それに用いる気体圧縮機 - Google Patents

排熱回収システム、及び、それに用いる気体圧縮機 Download PDF

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Description

本発明は気体圧縮機において気体を圧縮する際に発生する「熱」を回収し再利用する排熱回収に関する。
空気等の気体を吸込み圧縮機構によって圧縮空気等の高圧気体を吐き出す気体圧縮機が知られている。特に、空気圧縮機は、工作機やプレス機、エアーブロー等のエアー源として工場ラインや作業現場で使用される。ここで、工場全体で消費されるエネルギーのうち、気体圧縮機によって消費される総合エネルギーは、20~25%に相当すると言われており、気体圧縮機からの排熱を回収する効果は大きい。特に、地球温暖化問題を発端としたCO2排出量の削減目標達成のためにも、気体圧縮機からの排熱利用は、今後更に重要視されてくると予想される。
気体圧縮機は、空気などの気体を圧縮する圧縮機本体、圧縮により発生する熱を吸収する冷却系統、圧縮機の駆動力源であるモータなどにより構成される。また、気体圧縮機では、モータ入力電力を100%とすると、冷却系統において吸収される熱量はそのうちの90%以上にも相当し、その熱量は、通常外気に放出されており、非常に多くのエネルギーが大気に排出されている。排熱量を低減するため、圧縮機本体やモータの高効率化が推進されているが、その効果は数%が限界であり、気体圧縮機からの排熱の有効利用が求められる。
本技術分野における従来技術として特許文献1がある。特許文献1では、油冷式ガス圧縮機において、圧縮ガスと油の少なくともいずれかから熱回収する事で圧縮機負荷率が低い場合でも要求温度の温水を供給することが可能で、しかも循環用ポンプの回転数制御により排熱回収機器からの放熱を抑制して排熱回収率を向上させる点が開示されている。
特開2014-145273号公報
特許文献1の排熱回収システムでは、熱回収経路内の水の温度と、吐出し空気温度または排熱回収熱交換器通過後の空気温度・油温度とに応じてポンプの回転数を制御しているが、この構成は循環用ポンプの回転数を制御するための制御盤やインバータ盤等の制御装置を必要とし、運転・停止を繰り返した場合に電力を多く消費するという課題がある。
また、アンロード運転により圧縮空気流通経路の圧縮空気の流通が停止した場合に、排熱回収熱交換器内の圧縮空気の温度と温度センサが検出する圧縮空気の温度との間に誤差が生じてポンプが誤作動する恐れがある。それに伴い、排熱回収熱交換器内の温度が圧縮空気温度に達するまでポンプが運転を続ける為、その分の電力消費を必要とする。
また、熱回収経路内の水の温度と、吐出し空気温度または排熱回収熱交換器通過後の空気温度・油温度とのどちらの温度が高いかについてのみ判断をしているため、熱回収経路内の水の温度がユーザの希望温度よりも高くなった場合でも熱回収をし続けてしまうという課題がある。
本発明の目的は、気体圧縮機の排熱回収システムにおいて排熱回収率向上及び省エネルギー化を図ることである。
本発明は、その一例を挙げるならば、気体を圧縮する圧縮機本体を有し圧縮気体を出力する気体圧縮機と、排熱回収用の熱交換器と熱交換器で圧縮気体と熱交換する排熱回収水が流通する排熱回収液配管を備える排熱回収機、を有する排熱回収システムであって、圧縮機本体と排熱回収用の熱交換器は、圧縮対象の気体が流通する気体配管で接続されており、排熱回収機は、排熱回収液配管において排熱回収用の熱交換器の下流に設置された温度センサと、温調弁と、温度センサで測定した排熱回収水の温度と設定されている回収水温度に従い温調弁の開閉角度を制御する温度調節計を有する構成とする。
本発明によれば、排熱回収率向上及び省エネルギー化を図ることが可能な排熱回収システム、及び、それに用いる気体圧縮機を提供できる。
実施例1における排熱回収システムの概略構成を示す模式図である。 実施例1における排熱回収システムの回収水の温度を一定に保つための制御の処理フローである。 実施例2における排熱回収システムの概略構成を示す模式図である。 実施例2における排熱回収システムの回収水の温度を一定に保つための制御の処理フローである。
以下、本発明の実施例を、図面に基づき説明する。なお、本実施例では、気体圧縮機として、空気を圧縮する水冷式のパッケージ型二段オイルフリースクリュー圧縮機を例に説明する。
図1は、本実施例における排熱回収システムの概略構成を示す模式図である。図1に示すように、排熱回収システム100は、筐体内に配置されている圧縮機本体21、21を備える空気圧縮機1と、筐体外の熱交換器31、32を備える排熱回収機2で構成される。
筐体は、図示を省略するが、圧縮機本体21、22等の各機器が設置されているベースと、圧縮機本体21、22等の各機器を覆うようにベース上に設置された金属等の複数のパネルで構成されている箱型のカバーを有しており、防音性能に優れたものである。
圧縮機本体21、22は、図示しない雄ロータ及び雌ロータの一対のスクリューロータを備えている。また、圧縮機本体21、22は、筐体内に配置されている主電動機によって、例えば動力伝達機構を介して駆動されるように構成されている。なお、動力は電動機に限るものではなく、内燃機関等であってもよい。
圧縮機本体21は、空気の流れの上流側に配置されている第1段の圧縮機本体であり、圧縮機本体22は、第1段の圧縮機本体21に対して空気の流れの下流側に配置されている第2段の圧縮機本体である。
本実施例における圧縮機本体21、22はオイルフリースクリュー圧縮機であるため、油や水といった液体を圧縮作動室に注入する給液式の空気圧縮機と異なり、空気圧縮時に発生する熱によって圧縮機本体21、22が特に発熱する傾向にある。そして、圧縮した後の空気は高温であるから、これを圧縮空気の需要元が使用するには適さない場合もある。このため、空気圧縮機1では、冷却水が各部に供給されるようになっている。さらに、本実施例の空気圧縮機1は、後術するように、圧縮機本体21、22が空気を圧縮する際に発生する排熱を回収可能に構成されている。
排熱回収機2は、筐体外に配置されている排熱回収用の熱交換器31、32を備える。熱交換器31、32は、圧縮機本体21、22が発生する排熱の利用側から送られる排熱回収液としての排熱回収水と、圧縮機本体21、22から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。熱交換器31は、第1段の圧縮機本体21と、第2段の圧縮機本体22との間に配置されている中間段排熱回収用熱交換器であり、熱交換器32は、第2段の圧縮機本体22の吐出側(下流側)に配置されている吐出段排熱回収用熱交換器である。
また、空気圧縮機1は、筐体内に配置されている冷却用の熱交換器51、52を備える。冷却用の熱交換器51、52は、空気圧縮機1の外部から送られる冷却液としての冷却水と圧縮機本体21、22から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。冷却用の熱交換器51は、第1段の圧縮機本体21と第2段の圧縮機本体22との間に配置されているインタークーラであり(以降、熱交換器51をインタークーラと称す)、冷却用の熱交換器52は、第2段の圧縮機本体22の吐出側に配置されているアフタークーラである(以降、熱交換器52をアフタークーラと称す)。
第1段の圧縮機本体21と、第2段の圧縮機本体22との間において、上流側から順に中間段排熱回収用の熱交換器31と、インタークーラ51とが配置されている。また、第2段の圧縮機本体22の吐出側において、上流側から順に吐出段排熱回収用の熱交換器32と、アフタークーラ52とが配置されている。なお、場合によっては、排熱回収用の熱交換器31、32と、インタークーラ51、アフタークーラ52との配置順序が逆となる構成であってもよい。
第1段の圧縮機本体21、中間段排熱回収用の熱交換器31、インタークーラ51、第2段の圧縮機本体22、吐出段排熱回収用の熱交換器32及びアフタークーラ52は、圧縮対象の空気が流通する空気配管6で接続されている。
尚、上記の流通経路はロード運転(負荷運転)時であり、アンロード運転(無負荷運転)時においては、放風空気が、圧縮機本体21、熱交換器31、インタークーラ51、圧縮機本体22、熱交換器32を流通後、アンロード運転により逆止弁10が全閉となる為、放風配管4から大気に放出するように構成されている。これにより、アンロード運転(無負荷運転)時においても放風空気が熱交換器31、32を流れる構造にしている為、運転状態を問わず排熱回収が可能であり、排熱回収率向上を図る事ができる。
また、排熱回収用の熱交換器31、32で圧縮空気と熱交換する排熱回収水が流通する排熱回収液配管7と、冷却用のインタークーラ51、アフタークーラ52で圧縮空気と熱交換する冷却水が流通する冷却液配管8とが、別々に独立した経路として筐体に配置されている。
排熱回収液配管7は、排熱の利用側から循環用ポンプ14の運転により送られる排熱回収水が流入する排熱回収液流入口71から、中間段排熱回収用の熱交換器31及び吐出段排熱回収用の熱交換器32を経て、排熱の利用側に向けて送る排熱回収水が流出する排熱回収液流出口72に接続されている。
また、中間段排熱回収用の熱交換器31の下流に温度センサ11と、温度調節計12、温調弁13を備えることで、排熱回収出口温度に応じて流量を調整するように構成されている。
冷却液配管8は、冷却液流入口80から、第1冷却液配管81と、第2冷却液配管82と、第3冷却液配管83とに分岐した後、それぞれが合流して冷却液流出口84に接続するように構成されている。冷却液流入口80は、空気圧縮機1の外部に在る、例えば冷却塔(図示せず)等から送られる冷却水が流入する入口である。また、冷却液流出口84は、冷却塔等に向けて送る冷却水が流出する出口である。
第1冷却液配管81は、冷却液流入口80からアフタークーラ52を経て冷却液流出口84に接続する。第2冷却液配管82は、冷却液流入口80から、オイルクーラ9、第2段の圧縮機本体22のケーシングに設けられている冷却ジャケット及び第1段の圧縮機本体21のケーシングに設けられている冷却ジャケットを経て、冷却液流出口84に接続する。第3冷却液配管83は、冷却液流入口80からインタークーラ51を経て冷却液流出口84に接続する。
オイルクーラ9は、図示は省略するが、圧縮機本体21、22の軸受部や、動力伝達機構等を潤滑する潤滑油を冷却するための水冷式の熱交換器である。オイルクーラ9で冷却された潤滑油は、圧縮機本体21、22の軸受部等を潤滑した後、油溜り(図示せず)に貯留される。その後、潤滑油は、オイルポンプ(図示せず)等の搬送機構でオイルクーラ9に導かれて冷却され、この潤滑経路を循環するように構成されている。
次に、このように構成された排熱回収システム100の動作について説明する。図1において、空気圧縮機1は、第1段の圧縮機本体21の上流側に配置されている容量調整弁(図示せず)を介して空気を吸い込み、第1段の圧縮機本体21で空気を圧縮する。その後、圧縮された高温空気(例えば約160℃程度)は、中間段排熱回収用の熱交換器31で必要な熱量を交換し、さらにインタークーラ51で冷却される。ここで、中間段排熱回収用の熱交換器31には、圧縮された高温空気と排熱回収水とが流れて熱交換が行われ、インタークーラ51には、中間段排熱回収用の熱交換器31で熱交換されて温度が低下した圧縮空気と、冷却水とが流れて熱交換が行われる。
次に、インタークーラ51で冷却された空気(例えば約40℃程度)は、さらに圧力を上げるために第2段の圧縮機本体22で圧縮される。その後、圧縮された高温空気(例えば約160℃程度或いはこれよりも更に高温)は、吐出段排熱回収用の熱交換器32で再び必要な熱量を交換し、さらにアフタークーラ52で冷却される。そして、アフタークーラ52で冷却された空気(例えば約40℃程度)は、圧縮空気の需要元に送られる。
一方、排熱回収水は、循環用ポンプ14の運転により排熱の利用側から排熱回収液流入口71を介して流入し、排熱回収液配管7を流れるとともに、排熱回収用の熱交換器31、32で圧縮空気と熱交換した後、中間段排熱回収用の熱交換器31の下流に設置された温度センサ11で回収温度を測定され、温調弁13を介して排熱回収液流出口72から排熱の利用側に向けて流出する。ここで、温度調節計12は、温度センサ11で測定した回収温度と設定されている回収水温度に従い温調弁13の開閉角度を制御し、流量を調整することで回収温度を常に一定に保つ。また、温度調節計12を備えることで必要な回収温度を設定することが可能となり、回収温度変更において温調弁等の交換及び仕様変更が不要となる。
このように、回収水は、温度センサ11、温度調節計12、温調弁13により、温度及び流量調整され、排熱の利用側に供給されるので、排熱の利用側は、圧縮機負荷率の低減やアンロード運転等による圧縮空気温度低下時においても、排熱回収水を一定の温度で各種設備の熱源として利用することができる。
図2は、本実施例における排熱回収システム100において回収水の温度を90℃一定に保つために温調弁13を制御する温度調節計12が行う制御の処理フローである。
以下、図2における各処理ステップについて説明する。
S201:気体圧縮機が運転すると温度調節計12に電力が供給され温調弁13の制御を開始する。
S202:温度調節計12は温度センサ11が計測した排熱回収水の温度を取得する。
S203:計測した回収水温度が90℃を超過している場合、S204に進み、回収水温度を低下させる処理へ移行する。また、90℃を超過していない場合、S209に進む。S204:温調弁13が全開の場合、S207で循環用ポンプ14を停止させ、S208で軽故障信号を流す。全開でない場合、S205に進む。
S205:温調弁13の弁が調整され(開方向)流量を増加させる事により回収水温度を低下させる。
S206:一定時間待機し、S202に戻る。
S209:計測した回収水温度が90℃未満の場合、S210に進み、回収水温度を上昇させる処理へ移行する。また、回収水温度が90℃未満でない場合は、90℃一定と判断し、S206に進み、そのまま一定時間待機し、排熱回収を行う。
S210:温調弁13が全閉の場合、S207循環用ポンプ14を停止させ、S208軽故障信号を流す。全閉でない場合、S211に進む。
S211:温調弁13の弁が調整され(閉方向)流量を低減させる事により回収温度を上昇させる。
本実施例では、排熱の利用側から送られる排熱回収水は、例えば温度が70~90℃の高温水である。そして、高温水である排熱回収水は、排熱回収用の熱交換器31、32での圧縮空気との熱交換によって、例えば5~10℃程度温度上昇させられて、排熱の利用側に戻される。
また、冷却水は、例えば冷却塔(図示せず)から冷却液流入口80を介して流入して冷却液配管8を流れるとともに、インタークーラ51、アフタークーラ52における圧縮空気のほか各部を冷却した後、冷却液流出口84から冷却塔に向けて流出する。温度が上昇した冷却水は、冷却塔で大気と熱交換することによって冷やされる。
このように、本実施例によれば、圧縮機負荷率の低減やアンロード運転による圧縮空気温度低下の対策として、排熱回収出口ラインに温度センサ11と、温度調節計12、温調弁13を設けることで、回収水量を調整し、排熱回収温度を一定に保つことができる。また、逆止弁10と放風配管4を吐出段排熱回収用の熱交換器32の下流に配置し、アンロード運転(無負荷運転)時においても放風空気が排熱回収用の熱交換器31、32を流れる構造にしている為、運転状態を問わず排熱回収が可能であり、排熱回収率向上を図る事ができ、省エネルギー化を図ることができる。
実施例1では、温度センサ11、温度調節計12、温調弁13により、排熱回収水の温度を常に一定に保つように制御している。そして、温調弁13が全開または全閉状態で流量の増減による温度調整が出来ない場合、循環用ポンプ14を停止させて軽故障信号を出す制御としている。
これに対して、本実施例では温調弁13での流量の増減による温度調整が出来ない場合でも、廃回収水温度の調整を可能とする例について説明する。
図3は、本実施例における排熱回収システムの概略構成を示す模式図である。図3において、図1と同じ機能の構成は同符号を付し、その説明は省略する。図3において、図1と異なる点は、吐出段排熱回収用の熱交換器32の上流、下流に3方向電磁弁16を設け、バイパス配管15を設けた点である。
図3において、吐出段排熱回収用の熱交換器32の上流・下流に3方向電磁弁16を設け、温調弁13での流量の増減による温度調整が出来ない場合、排熱回収水ラインを排熱回収液配管7からバイパス配管15に変更する。これにより、熱交換を中間段排熱回収用の熱交換器31のみで行うことにより回収温度を調整する事が可能である。これに伴い温調弁13の弁調整範囲を広げることが可能となる。
図4は、本実施例における排熱回収システム100において回収水の温度を90℃一定に保つために温調弁13を制御する温度調節計12が行う制御の処理フローである。図4において、図2と同一符号を付したステップは同一の処理であり、その説明は省略する。図4において、図2と異なる点は、温調弁13が全開または全閉時のバイパス制御の部分である。
以下、図4における温調弁13が全開または全閉時のバイパス制御の各処理ステップについて説明する。
S301:回収水温度が90℃を超過し温調弁13が全開時、排熱回収用の熱交換器2台で熱回収していた場合(熱交換器2台ライン)は、S302に進み、3方向電磁弁16の弁方向を変更する。熱交換器2台ラインでなければS207に進む。
S302:バイパス配管15に排熱回収水を流すことで熱交換を中間段排熱回収用の熱交換器31の1台(熱交換器1台ライン)に絞り、回収水温度を低下させる。
S303:回収水温度が90℃未満で温調弁13が全閉時、排熱回収用の熱交換器1台で熱回収していた場合(熱交換器1台ライン)は、S304に進み、3方向電磁弁16の弁方向を変更する。熱交換器1台ラインでなければS207に進む。
S304:排熱回収液配管7に排熱回収水を流すことで、熱交換を中間段排熱回収用の熱交換器31と、吐出段排熱回収用の熱交換器32の2台(熱交換器2台ライン)で行い、回収水温度を上昇させる。
以上のように、本実施例によれば、温調弁の弁開閉角度で流量を制御し切れない場合においても、温水回収ラインを変更することで、回収水温度の調整が可能となる。
以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、実施例では、排熱回収液配管7は、排熱回収液流入口71から、中間段排熱回収用の熱交換器31と吐出段排熱回収用の熱交換器32とを経て、排熱回収液流出口72に接続するように構成されているが、これに限定されるものではない。すなわち、排熱回収液配管7は、複数の排熱回収用の熱交換器に対応して複数設けられており、複数の排熱回収液配管の各々は、別々に独立した経路として筐体内に設けられていてもよい。ここで、複数の排熱回収用の熱交換器は、中間段排熱回収用の熱交換器31と吐出段排熱回収用の熱交換器32とであってもよい。あるいは、複数の排熱回収用の熱交換器が、中間段排熱回収用の熱交換器31(または吐出段排熱回収用の熱交換器32)が直列に繋がれた複数の熱交換器として構成されていてもよい。このような構成によれば、複数の前記排熱回収液配管の各々から、異なる複数の温度の排熱回収水を得て利用することができる。これにより、必要とされる排熱回収水の温度が異なる複数の設備等に対応することが可能となる。
また、実施例では、冷却液配管8は、冷却液流入口80から、第1冷却液配管81と第2冷却液配管82と第3冷却液配管83とに分岐した後、それぞれが合流して冷却液流出口84に接続するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、冷却液配管8は、複数の冷却用熱交換器に対応して複数設けられており、複数の冷却液配管の各々は、別々に独立した経路として筐体内に設けられていてもよい。ここで、複数の冷却用熱交換器は、インタークーラ51と、アフタークーラ52とであってもよい。あるいは、複数の冷却用熱交換器が、インタークーラ51(又はアフタークーラ52)が直列に繋がれた複数の熱交換器として構成されていてもよい。
また、実施例では、温度センサ11、温度調節計12、温調弁13により、排熱回収水の温度を常に一定に保つように制御しているが、これに限定されるものではなく、排熱回収水の温度によって流量を制御できればよく、例えば、温度センサ11や温度調節計12を用いずに、空気圧、水圧、油圧、電気等の補助の動力を必要としない自力式の自動温度調整弁としてもよい。
また、実施例では、空気圧縮機1はスクリュー圧縮機に具体的に適用可能であるが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち実施例は、圧縮機本体21、22にスクリューロータを使用しているが、これに限定されるものではなく、遠心式、軸流式等といったターボ型や、スクロール式、レシプロ式、クロー式等といった容積型の種々の形式の圧縮手段を使用し得る。また、実施例では、ツインスクリュー式のロータが使用されているが、シングル又はトリプルスクリュー式のロータが使用されてもよい。
また、実施例では、圧縮機本体21、22の段数は2段であるが、これに限定されるものではなく、単段、あるいは3段以上であってもよい。
また、実施例では、空気圧縮機1は、オイルフリースクリュー圧縮機であるが、これに限定されるものではなく、油や水を圧縮作動室に注入する給液式の空気圧縮機であってもよい。また、圧縮する気体を空気として説明したが、これに限定されるものでなく、窒素等でもよい。
また、実施例では、排熱の利用側から送られる排熱回収水の温度は、70~90℃であるが、これに限定されるものではなく、例えば35℃程度以上の所定温度範囲であってもよい。
また、実施例では、温度が上昇した冷却水は、冷却塔で大気と熱交換することによって冷やされるように構成されているが、これに限定されるものではなく、温度が上昇した冷却水の熱を回収して利用することも可能である。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1:空気圧縮機、2:排熱回収機、4:放風配管、6:空気配管、7:排熱回収液配管、8:冷却液配管、9:オイルクーラ、10:逆止弁、11:温度センサ、12:温度調節計、13:温調弁、14:循環用ポンプ、15:バイパス配管、16:3方向電磁弁、21:第1段の圧縮機本体、22:第2段の圧縮機本体、31:中間段排熱回収用の熱交換器、32:吐出段排熱回収用の熱交換器、51:冷却用の熱交換器(インタークーラ)、52:冷却用の熱交換器(アフタークーラ)、81:第1冷却液配管、82:第2冷却液配管、83:第3冷却液配管、100:排熱回収システム

Claims (2)

  1. 気体を圧縮する圧縮機本体を有し圧縮気体を出力する気体圧縮機と、排熱回収用の熱交換器と該熱交換器で前記圧縮気体と熱交換する排熱回収水が流通する排熱回収液配管を備える排熱回収機、を有する排熱回収システムであって、
    前記圧縮機本体と前記排熱回収用の熱交換器は、圧縮対象の前記気体が流通する気体配管で接続されており、
    前記排熱回収機は、前記排熱回収液配管において前記排熱回収用の熱交換器の下流に設置された温度センサと、温調弁と、該温度センサで測定した前記排熱回収水の温度と設定されている回収水温度に従い前記温調弁の開閉角度を制御する温度調節計を有し、
    前記圧縮機本体は、気体の流れの上流側に配置されている第1段の圧縮機本体と、該第1段の圧縮機本体に対して気体の流れの下流側に配置されている第2段の圧縮機本体からなり、
    前記排熱回収用の熱交換器は、前記第1段の圧縮機本体と前記第2段の圧縮機本体との間に配置されている中間段排熱回収用の熱交換器と、前記第2段の圧縮機本体の下流側に配置されている吐出段排熱回収用の熱交換器からなり、
    前記温度センサは前記中間段排熱回収用の熱交換器の下流に設置され、
    前記排熱回収機は、前記吐出段排熱回収用の熱交換器の上流と下流に3方向電磁弁を設け、バイパス配管を設けたことを特徴とする排熱回収システム。
  2. 請求項1に記載の排熱回収システムであって、
    前記気体圧縮機は、前記気体配管において前記吐出段排熱回収用の熱交換器の下流にアンロード運転により全閉となる逆止弁と放風配管を有することを特徴とする排熱回収システム。
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