JPH01159504A - 予熱器付蒸発装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、蒸発器に供給する被加熱液体を、蒸発器に
おける加熱に先立って予熱することに関するもので、例
えばフロンタービン発電システムにおけるフロン等有機
作動流体の予熱に適用することができる。なお、′フロ
ン”はＦｒｅｏｎ　（商標）として知られているフッ素
化炭化水素を意味する。

（従来の技術〕 蒸発器は液体を加熱して蒸気に変えるためのもので、液
体を加熱媒体との間で熱交換させ、加熱媒体から蒸発の
潜熱を奪って蒸発させる。

同じ加熱媒体でもって、より高温の蒸気を得るために予
熱器が用いられる。以下、フロンタービン発電システム
を例にとって説明する。

フロンタービン発電システムはランキンサイクルを応用
した熱回収装置であって、その−例が特開昭６０−１４
４５９４号公報に記載されている。

すなわち、工場排水等を熱源として作動流体たるフロン
を加熱し蒸発せしめるための蒸発器と、この蒸発器で発
生した高温・高圧のフロン蒸気によって回転駆動するよ
うにした蒸気原動機と、仕事を終えて低圧となったフロ
ン蒸気を冷却して凝縮せしめるための凝縮器と、液化し
たフロンを再び蒸発器へ送るためのフロンｖ１１環ポン
プとを、閉ループに接続して構成されており、蒸気原動
機の出力軸を発電機と連結させである。

ここに蒸発器の機能は、液相のフロンを蒸発させて加熱
媒体から蒸発の潜熱を奪わせ、高温・高圧のフロン蒸気
を発生させることにある。

そして、このときのフロンの蒸発温度が高いほど、当該
システムの出力は大きくなる。そこで、同一熱源でもっ
て、より高い出力を得るために、フロン液を予熱するこ
とにより蒸発器における蒸発温度を高めることが考えら
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、一般にこの種の作動流体として用いられ
るフロン等は熱伝導率が水に比べて約１／１０と非常に
小さいため、従来の予熱器では総括熱伝達係数が低く、
高性能とされるプレート式熱交換器を使用しても精々５
００　ｋ　ｃａｌ／ｍ”　Ｈ″ＣＣ程度確保できない、
したがって、十分な予熱効果を得るためには大形の予熱
器としなければならず、コストが嵩み、スペースも多く
必要となるなどの点から実用化が困難であった。

この発明はこのような従来の問題点を解決せんとするも
のである。すなわち、この発明の目的は、予熱器の総括
熱伝達係数の向上を図ることによって、小形・コンパク
トにしてしかも十分な予熱効果が得られるようにするこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

加熱媒体と被加熱液体との熱交換により被加熱液体を蒸
発せしめるための蒸発器に、被加熱液体用の予熱器を設
け、蒸発器に供給される前の被加熱液体を蒸発器におけ
る加熱に先立って予熱する。なお、予熱用の熱源は、蒸
発器から排出された加熱媒体を再利用することのほか、
別の適当な加熱媒体を用いることもできる。予熱器の入
口側と出口側にそれぞれポンプその他の均等手段を設け
、入口側の第１のポンプで被加熱液体を予熱器に供給し
、予熱器を出た被加熱液体を第２のポンプで蒸発器へ送
る。加熱媒体を共用する場合、加熱媒体ラインの予熱器
の入口側と出口側を連絡させるバイパスを設け、このバ
イパスに流量制御弁を取り付ける。被加熱液体の予熱器
出口における温度および圧力ならびに加熱媒体の予熱器
出口温度に基づいて、第１のポンプの吐出圧と加熱媒体
の流量とを調整することにより、予熱器における被加熱
液体を、飽和温度より僅かに低い温度に保つ、予熱器を
経て予熱された被加熱液体は、第２のポンプで所定の圧
力までさらに加圧して、蒸発器へ送る。

〔作用〕

予熱器において、被加熱液体の予熱器出口温度は飽和温
度より低く保たれるが、伝熱隔壁を介して加熱媒体から
熱を与えられる結果、伝熱面近傍には無敗の小蒸気泡が
発生する。しかし、伝熱面を離脱した蒸気泡は周囲の流
動適冷液と接して直ちに凝縮・消滅する。このようにし
ていわゆるサブクール沸謄熱伝達がおこなわれ、非常に
大きな熱移動が得られる。また、予熱器出口における被
加熱液体は、飽和温度より低い温度に保たれるため、上
述のように伝熱面近傍では気泡が発生するにもかかわら
ず、少なくとも予熱器出口では気泡が発生することはな
い、したがって、第２のポンプの正常な運転が保証され
、予熱器で予熱された被加熱液体を第２のポンプで所望
の圧力まで加圧して圧送することが可能である。

〔実施例〕

第１図を参照して説明すると、予熱器付蒸発装置は、加
熱媒体と被加熱液体との熱交換により被加熱液体を蒸発
せしめる蒸発器（Ｅ）と、蒸発器（Ｅ）から排出される
加熱媒体と蒸発器（Ｅ）に供給される前の被加熱液体と
の熱交換により被加熱液体を予熱する予熱器（２）と、
予熱器出口における被加熱液体温度ｔｔａｘより僅かに
高い温度に対応する飽和圧力にて予熱器（２）に被加熱
液体を供給する第１のポンプ（６）と、予熱器（２）か
ら蒸発器（Ｅ）へ進む被加熱液体を蒸発温度１．１に対
応する飽和圧力まで加圧する第２のポンプ（８）とを包
含している。

予熱器（２）における被加熱液体の圧力は予熱器出口温
度ｔ、ヨより僅かに高い温度に対応する飽和圧力に保た
れる。したがって、被加熱液体は飽和温度より高い温度
の加熱媒体で加熱され、沸騰熱伝達がおこなわれる。こ
の時、被加熱液体の温度ｔｌ１ｇがその飽和温度ｔ、よ
り低いので、いわゆるサブクール沸騰となる。一般に沸
騰熱伝達係数は液体の乱流熱伝達におけるそれに比べて
数十倍高いので、予熱器を大形化することな（所期の予
熱効果を得ることができる。

なお、ポンプ（６）（８）の吐出圧力は、それぞれ予熱
器（２）および蒸発器（Ｅ）の出口における圧力を制御
装置にフィードバックすることにより容易に制御するこ
とができる。さらに、これらのポンプに代えて、例えば
エジェクター等の同等の機能を有するものを使用しても
よい。

フロンタービン発電システムにおける作動流体たるフロ
ンの予熱にこの発明を適用した場合を例にとって詳細に
説明すると次のとおりである。

まず、フロンタービン発電システムの概略構成は第３図
に示すように、工場排水等を熱源として作動流体たるフ
ロンを加熱し蒸発せしめるための蒸発器（Ｅ）と、この
蒸発器で発生した高温・高圧のフロン蒸気によって回転
駆動するようにしたスクリューエキスパンダーのような
容積式膨張機もしくは蒸気タービンなどの蒸気原動機（
Ｔ）と、仕事を終えて低圧となったフロン蒸気を冷却し
て凝縮せしめるための凝縮器（Ｃ）と、そうして液化し
たフロンを再び蒸発器（Ｅ）へ送るためのフロン循環ポ
ンプ（Ｐ）とを、閉ループに接続して構成されており、
蒸気タービン等（Ｔ）の出力軸は発電機（Ｇ）に連結し
ている。

ここに蒸発器（Ｅ）の機能は、液相のフロンを蒸発させ
て熱源流体から蒸発の潜熱を奪わせ、高温・高圧のフロ
ン蒸気を発生させることにある。そして、このときのフ
ロンの蒸発温度が高いほど、当該システムの出力は大き
くなる。

そこで、同一熱源から、より高い出力を得る方法として
、フロン液を予熱することにより蒸発器における蒸発温
度を高める。すなわち、第２図に点線で示すように、通
常蒸発温度ｔ８”は（熱源流体の出口温度ｔｗｏ’）−
Δｔ。

で定まるところ、予熱器を付設することによって同図に
実線で示すように、熱源流体の出口温度がｔｗｏ’から
ｔｌに上がるため、それに対応して蒸発温度をｔ！＋か
らｔ２に上げることができる。

第４図において、予熱器（２）は蒸発器（Ｅ）と直列に
接続されており、被加熱液体たるフロンの循環するライ
ン（４）には、予熱器（２）の入口側と出口側に第１の
ポンプ（６）と第２のポンプ（８）を設けである。加熱
媒体ライン（１０）には、予熱器（２）の入口側と出口
側を連絡させるバイパス（１２）を設け、このバイパス
（１２）に流量制御弁（１４）を取り付けである、　　
（１６）は制御装置を示し、予熱器（２）の出口におけ
るフロンの温度ｔａｘおよび圧力ｐならびに加熱媒体の
予熱器出口温度ｔｗ！の入力を受け、これらの情報に基
づいて後述するように所定の演算をおこない、流量制御
弁（１４）と第１のポンプ（６）に制御信号を出力する
。

予熱器（２）においてはサブクール沸騰熱伝達をおこな
わせるために、フロンの温度を飽和温度より低く保つ必
要がある。また、全体のシステムを維持するために、予
熱器（２）を経て予熱されたフロンは、第２のポンプ（
８）でさらに所定の圧力まで加圧したうえで蒸発器（Ｅ
）に供給する。このとき、予熱器（２）の出口でフロン
に気泡が含まれていないことが必要である。さもなけれ
ば第２のポンプ（８）は正常に作動することができない
、すなわち、フロンに気泡が発生していれば、第２のポ
ンプ（８）はフロンを所定圧力まで加圧することができ
なくなるばかりでなく、キャビテーシヨンが発生して破
損する戊さえある。したがって、予熱器出口では気泡が
発生しないようにしなければならない。

次に、具体的な制御方法を第５図のフローチャートにし
たがって説明する。

まず、予熱器（２）の出口におけるフロンの温度ｔ０と
圧力ｐを計測する。計測した圧力ｐからその圧力に対応
する飽和温度も、を計算して求める。そうして、計測し
た温度ｔ、ヨを飽和温度ｔ０より僅かに小さい値ｔ、−
βと比較してｔａｘ＜ｔｏ−βとなるように、第１のポ
ンプ（６）を制御する。なお、βは定数である。すなわ
ち、ｔａｘ≧ｔ、−βの間は第１のポンプ（６）を制御
してフロンの予熱器出口圧力ｐを上げる。１．、＜１．
−βのときは、加熱媒体の予熱器出口温度ｔ０を計測す
る。そうしてこの計測値ｔｗｏを上記のフロンの飽和温
度に所定値を加えた値（ｔｏ＋α、）と比較し、ｊ、、
＜ｔ。

＋α１ならば、流量制御弁（１４）を閉じてバイパス量
を減らすことにより予熱器（２）への加熱媒体の流量を
増やす、なお、このとき、流量制御弁（１４）が全閉と
なったか否かの判断をし、全閉となっていれば第１のポ
ンプ（６）を制御してフロンの予熱器出口圧力ｐを下げ
たうえでスタートに戻る。流量制御弁（１４）が全開に
なっておらなければ、再び、加熱媒体の予熱器出口温度
ｔ１を計測してｔ−３＜ｔｏ＋α、の判断をおこなう。

その結果１．、＜１．＋α、がｎｏのときは、次に、加
熱媒体の予熱器出口温度Ｌ１を、フロンの飽和温度ｔ、
に前述の値α、より大きな所定値α８を加えた値ｔ、＋
α８と比較して、ｔ、、３＞１．＋α、の判断をおこな
い、これがｙｅｓであれば流量制御弁（１４）を開けて
バイパス量を増やすことにより予熱器（２）への加熱媒
体の流量を減らす、なお、流量制御弁（１４）が全開と
なったか否かの判断をおこない、全開となっているとき
は、第１のポンプ（６）を制御してフロンの予熱器出口
圧力ｐを上げたうえでスタートに戻る。流量制御弁（１
４）が全開になっておらなければ、再び、加熱媒体の予
熱器出口温度ｔ１を計測してｔ、ｓ＜ｔｏ＋α、の判断
をおこなう。

Ｌｗｓ＜Ｌｏ＋α１およびＬ　ｗｓ＞　Ｌ　ｅ＋α２の
いずれもがｎｏのとき、すなわちり、＋α、≦ｔ、、。

≦ｔ、＋α２のときは、フロンの予熱器出口における飽
和温度ｔ、の方が、加熱媒体の予熱器出口温度Ｌｗ３よ
り僅かに小さい状態である。したがって、この状態が保
たれる限り、サブクール沸騰が保たれ、また、１　、、
Ｉ＜　１　、より、気泡発生あない状態が維持される。

〔発明の効果〕

この発明は予熱器出口における被加熱液体の温度を飽和
温度以下に保つように制御するから、予熱器の被加熱液
体側ではサブクール沸騰熱伝達がおこなわれ、総括熱伝
達係数が大幅に向上する。しかも、少なくとも予熱器出
口においては、被加熱液体が沸騰せず、したがって第２
のポンプが気泡を吸い込む戊れがなく、予熱器を経た被
加熱液体を所望の圧力まで加圧して蒸発器へ送ることが
できる。斯くしてこの発明によれば、予熱器を大形化す
ることなく十分な予熱作用をおこなわせることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例たる蒸発器Ｗ、（７）ブロッ
ク線図； 第２図は蒸発器における流体の温度勾配を表わす線図で
あって、点線は蒸発器だけのとき、実線は予熱器を付設
したときを示す； 第３図は、この発明の詳細な説明するためのフロンター
ビン発電システムのブロック線図；第４図はこの発明の
別の実施例を示すプロ・ンク線図； 第５図はこの発明を実施する場合の具体的な手順を示す
フローチャートである。 Ｅ：蒸発器 ２：予熱器　　− ６；第１のポンプ ８：第２のポンプ １４：流量制御弁 １６二制御装置 ｔｌ　：液体の予熱器入口温度 ｔ、ｘ：液体の予熱器出口温度 Ｌ８　：液体の蒸発温度 ｐ：液体の予熱器出口圧力 Ｌｏ：Ｐに対応する飽和温度 ｔ８．：加熱媒体の予熱器出口温度 α目、α２、β：所定値 特　許　出　願　人　　株式会社　日阪製作所代　　　
　理　　　　人　　江　　原　　省　　吾第３囚 で

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記を包含する予熱器付蒸発装置： 熱源流体と液体との熱交換により液体を蒸発せしめる蒸
   発器； 加熱媒体と蒸発器に供給される前の液体との熱交換によ
   り液体を予熱する予熱器； 予熱器出口における液体の温度より僅かに高い温度に対
   応する飽和圧力にて予熱器に液体を供給する第１の手段
   ；および 予熱器から蒸発器へ進む液体を蒸発温度に対応する飽和
   圧力まで加圧する第２の手段。
2. （２）予熱器への加熱媒体の流量を調整して液体の予熱
   器出口温度を飽和温度より低く保つようにしたことを特
   徴とする請求項１の予熱器付蒸発装置。