JPWO2011004866A1 - 蒸気供給装置 - Google Patents
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Abstract
この蒸気供給装置は、高圧蒸気発生ボイラ(19)の蒸気出口(19a)に、蒸気インジェクタ(20)の蒸気入口(20a)が接続される。蒸気インジェクタ(20)の吸入口(20b)には太陽熱集熱器(22)が接続され、吐出口(20c)には蒸気使用機器(25)が接続される。高圧蒸気発生ボイラ(19)で発生させる高圧、高温の蒸気(27)により蒸気インジェクタ(20)が駆動され、吸入口(20b)の圧力が低下する。吸入口(20b)の圧力低下に伴って減圧される太陽熱集熱器(22)の内部で、太陽光(24)の照射により昇温された水が100℃未満で沸騰、蒸発して低圧、低温の蒸気(28)が発生する。蒸気(28)が蒸気インジェクタ(20)へ導かれて高圧蒸気発生ボイラ(19)で発生させた高圧、高温の蒸気(27)と混合されることで中圧、中温の蒸気(27a)が生成される。蒸気(27a)を蒸気使用機器(25)へ供給することで、高圧蒸気発生ボイラ(19)での蒸気発生量を低減させる。
Description
本発明は、蒸気供給装置に関する。より詳細には、工場や建築物等で使用する蒸気(プロセス蒸気)を供給するために用いられる蒸気供給装置に関するものである。
本願は、2009年7月10日に、日本に出願された特願2009−163385号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2009年7月10日に、日本に出願された特願2009−163385号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
工場や建築物等で蒸気(水蒸気)あるいはその熱を利用する蒸気使用機器を用いる場合、蒸気(プロセス蒸気)の供給源としては小型の貫流ボイラのようなボイラが広く一般的に用いられている。
工場や建築物等で用いる蒸気使用機器では、蒸気の使用目的に応じて供給すべき蒸気に要求される圧力や温度の条件は様々である。しかし、通常、上記ボイラは、個々の蒸気使用機器の要求する蒸気の圧力や温度条件に応じた蒸気発生能力ではなく、汎用の規格で製品化されていることが多い。汎用の規格では、法令による規制等に鑑みて、たとえば、最高圧力(ゲージ圧力)が約1MPa、約180℃等の蒸気を発生させる等、ある一定の温度及び圧力条件の蒸気を発生させるように規定されている。
そのために、工場や建築物等で使用する蒸気使用機器に蒸気を供給する場合は、その蒸気使用機器で要求される蒸気の圧力や温度条件を上回る規格を備えたボイラが従来用いられている。当該ボイラで発生された蒸気は、蒸気使用機器で要求される所定の圧力及び温度条件まで減圧、減温させてから蒸気使用機器に供給される。従来用いられている蒸気供給手法の一例を図6に示す。従来の蒸気供給手法においては、図6に示すように、ボイラ1における蒸気出口1aの下流側に所要の減圧弁2が接続される。蒸気ボイラ1で発生される、たとえば、約1MPa、約180℃の蒸気3は、減圧弁2を用いて適宜減圧され、たとえば、0.2MPa、130℃等といった蒸気使用機器4で要求される所定の圧力及び温度条件に合致した圧力及び温度まで減圧、減温される。この減圧、減温された蒸気(プロセス蒸気)3aが、蒸気使用機器4へ供給される。
又、工場等におけるプロセス蒸気の発生方法として、図7に示す方法が従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。図7に示すプロセス蒸気発生方法では、発電機5と、発電機5駆動用の内燃機関6と、内燃機関6の排熱を回収して蒸気を発生させる蒸気発生部7と、蒸気発生ボイラ8と、この蒸気発生ボイラ8で発生させた高圧蒸気9を駆動流とし、蒸気発生部7で発生させた低圧蒸気10を二次流とするエゼクタ(インジェクタ)11が用いられる。発電機5を駆動して電力を発生させるときの内燃機関6の排熱を回収して蒸気発生部7で低圧蒸気10を発生させる。低圧蒸気10はエゼクタ11に吸引されて、蒸気発生ボイラ8からの高圧蒸気9と混合される。低圧蒸気10と高圧蒸気9との混合によりプロセス蒸気12が生成される。
エンジンの排熱を利用して低圧蒸気を発生する方法としては他に、特許文献2にコージェネレーションの気化冷却エンジンが提案されている。特許文献2で提案されている気化冷却エンジンでは、ガスエンジンの排気ガスと水との熱交換により高圧蒸気が生成される。高圧蒸気が輸送される高圧蒸気ラインには、蒸気エゼクターが配置される。蒸気エゼクターは、エンジン外周部に設けられたジャケット部と接続される。ジャケット部には給水管が接続されており、エンジン冷却水が供給される。ジャケット部に供給されたエンジン冷却水は、エンジンを冷却することにより昇温される。高圧蒸気が蒸気エゼクターを通過すると、蒸気エゼクターは負圧となり、蒸気エゼクターと接続されているジャケット部内が大気圧以下の減圧状態となる。ジャケット部内が減圧状態となると、エンジンを冷却することで昇温された冷却水が気化して蒸気となる。この冷却水蒸気が蒸気エゼクターに吸引され、高圧蒸気と混合されて中圧蒸気が生成される。
また、特許文献3には、コージェネレーションシステムにおける総合効率のアップ方法が提案されている。特許文献3で提案されている方法は、特許文献2で提案されている気化冷却エンジンと同様の方法により中圧の蒸気が生成される。すなわち、レシプロエンジンの廃熱を用いて、廃熱蒸気ボイラによって高圧蒸気が生成される。廃熱蒸気ボイラによって生成された高圧蒸気は、蒸気エゼクターに供給される。蒸気エゼクターは、減圧蒸発器に接続される。減圧蒸発器には、レシプロエンジンを冷却した冷却水との熱交換により得られた温水が供給される。高圧蒸気が蒸気エゼクターを通過すると、蒸気エゼクターは負圧となり、蒸気エゼクターと接続されている減圧蒸発器内部が減圧される。減圧蒸発器内部が減圧状態となると、減圧蒸発器内に供給されている温水が気化して蒸気となる。この温水水蒸気が蒸気エゼクターに吸引され、高圧蒸気と混合されて中圧蒸気が生成される。
特許文献1乃至特許文献3で提案されている方法では、低圧蒸気を発生させるための熱源として、エンジン等の内燃機関の排熱が利用されている。ここで、低圧蒸気を発生させるための熱源としては、太陽熱等の自然エネルギーを利用することが考えられる。太陽熱を熱源として用いる機器として、太陽熱温水器が従来提案されている(たとえば、特許文献4参照)。このような太陽熱温水器の一例を図8に示す。図8に示す太陽熱温水器は、貯湯槽13と、貯湯槽13の内部に設けられる熱交換器14と、貯湯槽13の下方に熱媒体による蒸気発生用の高温集熱器15と低温集熱器16を備える。熱交換器14の出口の配管は2方向に分岐され、一方が高温集熱器15の入口に、他方が膨張手段17を介して低温集熱器16の入口にそれぞれ接続される。高温集熱器15の出口にエジェクター(インジェクタ)18の入口が接続される。エジェクター18の低圧発生用の吸込口は低温集熱器16の出口に接続される。更に、エジェクター18の出口が熱交換器14の入口に接続される。
図8に示す太陽熱温水器では、通常、液化している熱媒体は自重により高温集熱器15の底部に溜まっている。太陽熱温水器に太陽光が照射されると、高温集熱器15で上記熱媒体が蒸発して高温、高圧の蒸気となってエジェクター18に流入する。高温、高圧の蒸気がエジェクター18に流入すると、このエジェクター18の吸込口に接続されている低温集熱器16は減圧され、その内部の蒸気がエジェクター18に吸入される。エジェクター18に吸入された蒸気は、高温集熱器15で発生した高温、高圧の蒸気と混合される。混合された蒸気流はエジェクター18の出口を通って熱交換器14に入って凝縮液化する。このとき生じる凝縮熱が貯湯槽13の水温を上昇させて蓄熱される。
工場や建築物等で用いられる蒸気使用機器へ供給する蒸気(プロセス蒸気)を発生させるために用いられているボイラは、化石燃料の燃焼により蒸気を生成する。すなわち、100℃〜200℃程度の温度の蒸気を得るという低温加熱を行うために化石燃料を燃やしているため、エネルギー効率を高めることが難しい。
そのため、工場や建築物等で用いられる蒸気使用機器へ要求される所定の圧力及び温度条件に合致した圧力及び温度の蒸気(プロセス蒸気)を必要量供給しつつ、その蒸気発生装置として用いている上記ボイラにおける燃料消費量を抑えることが望まれている。これにより、蒸気発生装置の運転コストの削減化を図ると共に、CO2排出量をより低減することが望まれている。
しかし、図6に示すように、ボイラ1で発生させる蒸気3の圧力と温度を、減圧弁2を介して使用先となる蒸気使用機器4で要求される所定の圧力及び温度条件に応じた圧力及び温度まで減圧、減温させてから、この減圧、減温された蒸気(プロセス蒸気)3aを蒸気使用機器へ供給させる手法では、小型のボイラ1で発生させる蒸気の有する圧力及び温度と、減圧弁2で減圧、減温した後に得られる蒸気(プロセス蒸気)3aの所定の圧力及び温度との差分に相当するエネルギーが無駄になる。
図7に示す工場等におけるプロセス蒸気の発生方法は、発電機5駆動用の内燃機関6の排熱を回収して低圧蒸気10を発生させるための蒸気発生部7が必須である。このため、蒸気発生用に用いることが可能な排熱の出る工場等にしか適用できないという問題がある。
特許文献2あるいは特許文献3で提案されている方法は、高圧蒸気が蒸気エゼクターを通過するときの減圧作用によって低圧蒸気を生成し、高圧蒸気と低圧蒸気とを混合して中圧蒸気を生成する。このため、熱源に対する蒸気発生効率を改善できるという利点がある。しかしこれらの方法は、いずれもコージェネレーションシステムの効率改善を対象としている。このため、コージェネレーションシステムを用いる工場等にしか適用できないという問題がある。更に特許文献2や特許文献3で提案されている方法では、高圧蒸気をガスエンジンあるいはレシプロエンジンの排熱によって生成している。このため、高圧蒸気の発生効率はボイラと比較してそもそも低い。そして、これらの方法を蒸気供給のためだけに用いるとすると、却って運転コストやCO2排出量は増加することになり、課題の解決には寄与しない。
又、図8に示した太陽熱温水器は、熱媒体としてフロン等を用いて貯湯槽13内の水温を上昇させて温水を得るためのものであり、工場や建築物等で用いる各種蒸気使用機器に供給可能な蒸気を発生できるものではない。更に、高温集熱器15として真空管形集熱器や二重透過体を有する平板形集熱器といった複雑な構成の集熱器を用いる必要があるため、コストが嵩むという問題がある。
なお、太陽熱を熱源として水を100℃以上まで加熱することは可能であるが、この場合は太陽熱を吸収させて加熱させた水から大気中への熱の拡散を防ぐことが重要になる。このため、集熱器に高度な断熱構造が必要になり、したがって、該集熱器の構造が複雑化してコストが嵩むという問題がある。
しかも、上記太陽熱温水器は、得られる熱量が天候に大きく依存する。このため、工場等で熱源として用いる場合には、日照がない日であっても該工場等で要求される熱量を100%供給することが可能なバックアップ用の熱源が別途必要になる。従って、設備コストが嵩んでしまうという問題もある。
本発明は、蒸気発生に用いることができるような排熱が生じない工場や建築物等の使用先であっても、該使用先で用いる各種蒸気使用機器へ、要求される所定の圧力及び温度条件に合致した圧力及び温度の蒸気(プロセス蒸気)を必要量供給することができると共に、設備コストや運転コストの削減化を図ることができる蒸気供給装置を提供する。
本発明の第1の態様によれば、本発明に係る蒸気供給装置は、蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置の蒸気出口に、蒸気入口が接続される蒸気インジェクタと、前記蒸気インジェクタの吸入口に接続され、内部に水を貯留し、自然エネルギーによって前記水を昇温させる集熱器と、前記蒸気インジェクタの吐出口に接続される蒸気使用機器と、を備え、前記蒸気インジェクタは、前記蒸気発生装置で発生させる蒸気で駆動され、前記蒸気インジェクタの駆動により、前記集熱器内が減圧されて前記集熱器内で蒸気が生成され、前記蒸気発生装置より供給される蒸気と、前記集熱器内で生成された蒸気とを、前記蒸気インジェクタで混合して前記蒸気使用機器へ供給する。
本発明の第2の態様によれば、前記蒸気発生装置は、前記蒸気使用機器で要求される全蒸気量を供給可能な能力を備える。
本発明の第3の態様によれば、前記蒸気発生装置は、高圧蒸気発生ボイラである。
本発明の第4の態様によれば、前記集熱器は、太陽熱集熱器である。
本発明の第5の態様によれば、前記太陽熱集熱器は、太陽熱の吸収により昇温する熱媒を循環させる閉ループ形式の太陽熱集熱器であって、前記熱媒を循環させて内部に貯留した水を昇温させる。
本発明にかかる蒸気供給装置は、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)本発明にかかる蒸気供給装置は、蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置の蒸気出口に、蒸気入口が接続される蒸気インジェクタと、前記蒸気インジェクタの吸入口に接続され、内部に水を貯留し、自然エネルギーによって前記水を昇温させる集熱器と、前記蒸気インジェクタの吐出口に接続される蒸気使用機器と、を備え、前記蒸気インジェクタは、前記蒸気発生装置で発生させる蒸気で駆動され、前記蒸気インジェクタの駆動により、前記集熱器内が減圧されて前記集熱器内で蒸気が生成され、前記蒸気発生装置より供給される蒸気と、前記集熱器内で生成された蒸気とを、前記蒸気インジェクタで混合して前記蒸気使用機器へ供給する。このため、蒸気発生装置で発生させる蒸気の量を、蒸気使用機器の要求する蒸気量より少なくすることができる。よって、この蒸気使用機器へ要求量に応じた蒸気を供給する際における上記蒸気発生装置の運転コストの削減化を図ることができる。
(2)蒸気発生に用いることができるような排熱が生じない工場や建築物等の蒸気使用機器であっても、該蒸気使用機器へ、要求される圧力及び温度条件に応じた圧力及び温度の蒸気を、要求量に応じて供給することが可能になる。
(3)上記集熱器は、減圧されることで貯留してある水を沸騰、蒸発させることができるように、(i)水を貯留できる、(ii)内部を減圧しても変形しない程度の強度を備える、(iii)水の蒸発時に蒸発熱として奪われる熱を周囲環境との熱交換で集熱することができる、という条件を満たせばよい。従って、集熱器には複雑な構造や高度な断熱構造は必要はなく、該集熱器に要するコストを削減することができる。
(4)本発明にかかる蒸気供給装置が備える蒸気発生装置は、蒸気インジェクタの吐出側に接続する蒸気使用機器で要求される全蒸気量を供給可能な能力を備える。これにより、天候等の影響により上記集熱器で周囲環境との熱交換が見込めずに、該集熱器における蒸気の発生量が低下する場合は、上記蒸気発生装置の蒸気発生量を増やすことで容易に要求される全蒸気量を供給できる。このため、バックアップ用の蒸気発生機器を別途必要とすることはなく、設備コストを引き下げる効果が期待できる。
(5)したがって、工場や建築物等で使用する蒸気(プロセス蒸気)の供給に要する設備コスト及び運転コストの削減化を図ることが可能となる。
(6)蒸気発生装置を、高圧蒸気発生ボイラとした構成とすることにより、上記(1)(2)(3)(4)(5)の効果を有する蒸気供給装置の構成を容易に実現することができる。
(7)集熱器を、太陽熱集熱器とすることにより、太陽熱集熱器に太陽光が照射されるときに該太陽熱集熱器の内部の水を昇温させることができる。このため、蒸気インジェクタの駆動時に減圧される上記太陽熱集熱器の内部で、上記昇温された水を効率よく沸騰、蒸発させて多くの蒸気を発生させることが可能になる。よって、この太陽熱集熱器で発生する蒸気を、上記蒸気インジェクタへ導いて、蒸気発生装置で発生させた蒸気に多く混合することができる。このように、所要の蒸気使用機器へ要求量に見合う量の蒸気を供給する場合に、上記蒸気発生装置で発生させる蒸気量をより削減することができる。これにより、該蒸気発生装置の燃料消費量を更に低減させて、運転コストの更なる削減化を図ることが可能になる。
(8)太陽熱集熱器を、太陽熱の吸収により昇温する熱媒を循環利用して蒸発器の内部に貯留した水を昇温させる閉ループ形式の構成とすることにより、太陽熱集熱器における太陽熱の集熱機能と蒸発機能とを分けることができる。このため、上記熱媒に太陽熱を吸収させる部分と、上記蒸発器を、太陽熱の集熱機能と蒸発機能にそれぞれ最適設計することができる。更に、上記太陽熱集熱器を閉ループ形式とすることで、上記熱媒に太陽熱を吸収させる部分では水を直接蒸発させることがなくなる。このため、該部分ではスケールが発生する虞を未然に防止できて、スケールの発生が懸念される箇所を上記蒸発器に限定できる。よって、該蒸発器を、予めスケール発生時のメンテナンスを行い易いように設計することが可能になり、スケール発生時のメンテナンスに要する手間を削減する効果が期待できる。
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
図1に、本発明の蒸気供給装置の実施の一形態を示す。
高圧、高温の蒸気を発生させる蒸気発生装置としての高圧蒸気発生ボイラ19の蒸気出口19aに、蒸気インジェクタ20の蒸気入口20aが蒸気ライン21を介して接続される。
蒸気インジェクタ20の吸入口20bに、周囲環境の熱により水を昇温させるための集熱器としての太陽熱集熱器22が、吸入ライン23を介して接続される。太陽熱集熱器22は、内部を減圧しても形状を保持可能な中空の容器を太陽光24に曝露できるように設置される。太陽熱集熱器22は、この容器中に水を貯留でき、太陽光24が照射されると、この太陽光24の保有するエネルギーの吸収により上記容器内に貯留してある水を昇温させることができる。なお、太陽熱集熱器22は、太陽光24の保有するエネルギーで水を昇温させるという機能上、太陽光24を受光する面積はできるだけ大きい方が望ましい。又、後述するように、太陽熱集熱器22は、蒸気インジェクタ20による吸引に伴って減圧される容器内部で水を蒸発させる際の効率を高める観点からすると、容器内部に貯留する水の表面積ができるだけ大きくなるような容器形状としてあることが望ましい。
蒸気インジェクタ20の吐出口20cには、蒸気使用機器25が、蒸気供給ライン26を介して接続される。蒸気使用機器25としては、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる高圧、高温の蒸気27の圧力及び温度よりも低い圧力及び温度条件の蒸気(プロセス蒸気)27aを要求する機器が用いられる。
換言すると、高圧蒸気発生ボイラ19は、蒸気使用機器25で要求される全蒸気量を供給可能な能力を備える。
図1において、符号28は太陽熱集熱器22で発生する蒸気を示す。また、符号29は吸入ライン23上に設けた遮断弁を示す。
本実施の形態に係る蒸気供給装置を使用する場合には、太陽熱集熱器22に太陽光24が照射されるように太陽熱集熱器22を設置する。そして、この太陽熱集熱器22の内部に貯留された水が、照射される太陽光24のエネルギーを吸収して昇温されるようにする。
この状態で高圧蒸気発生ボイラ19を運転すると、高圧蒸気発生ボイラ19で生成された蒸気27が蒸気出口19aより蒸気ライン21を経て蒸気インジェクタ20の蒸気入口20aに導かれる。この蒸気入口20aより流入する蒸気27が吐出口20c側へ通過するときに蒸気インジェクタ20が駆動される。蒸気インジェクタ20の駆動が行なわれると、吸入口20bの圧力低下が生じる。
蒸気インジェクタ20の駆動により吸入口20bの圧力低下が生じると、吸入口20bに接続されている太陽熱集熱器22の内部が減圧(低圧)状態になる。太陽熱集熱器22の内部が減圧状態になると、この太陽熱集熱器22の内部では、太陽光24のエネルギーにより昇温された水の温度が1気圧の下での沸点である100℃未満であっても沸騰、蒸発が生じて蒸気28が生成される。そうすると、この減圧された太陽熱集熱器22の内部で生じる蒸気28が蒸気インジェクタ20の吸入口20bへ連続的に吸入される。この蒸気インジェクタ20では、高圧蒸気発生ボイラ19より蒸気入口20aへ流入する高圧、高温の蒸気27と、太陽熱集熱器22より吸入口20bへ吸入される低圧、低温の蒸気28との混合が行われて、中圧、中温の蒸気27aが生成される。この混合により生成される中圧、中温の蒸気27aが、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させた蒸気27の量よりも太陽熱集熱器22で生じる蒸気28が混合された分増量された状態で、吐出口20cより蒸気供給ライン26を通して蒸気使用機器25へ供給される。
したがって、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量は、蒸気使用機器25で要求される蒸気量よりも少ない量でよい。このため、高圧蒸気発生ボイラ19の運転に要する燃料の量は、蒸気使用機器25で要求される蒸気量の全量を発生させる場合に比して低減される。
ところで、天候の影響等により太陽熱集熱器22に太陽光24の照射がないか、あるいは、太陽光24の照射量が少ない場合は、太陽熱集熱器22にて水の昇温が十分に行われなくなる。
この場合は、高圧蒸気発生ボイラ19を運転して、この高圧蒸気発生ボイラ19より供給される高圧、高温の蒸気27によって蒸気インジェクタ20を駆動しても、吸入口20bに生じる圧力低下に起因して減圧される太陽熱集熱器22の内部では水の沸騰、蒸発が十分に行われない。よって、太陽熱集熱器22より蒸気インジェクタ20の吸入口20bへ吸入される低圧、低温の蒸気28の量、すなわち、蒸気インジェクタ20にて高圧蒸気発生ボイラ19より供給される蒸気27に混入される蒸気28の量が減少してしまう。
この場合は、太陽熱集熱器22より蒸気インジェクタ20へ吸入される低圧、低温の蒸気28の減少分を補填できるように、高圧蒸気発生ボイラ19の運転を強めて、この高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量を増加すればよい。
又、太陽熱集熱器22に対する太陽光24の照射が全くない場合や、冬期等で太陽熱集熱器22における水の昇温が全く期待できない場合は、蒸気インジェクタ20を駆動しても、太陽熱集熱器22の内部での水の沸騰、蒸発がほとんど生じない。このような場合は、吸入ライン23上の遮断弁29を閉止させ、この状態で、高圧蒸気発生ボイラ19を、この高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27によって蒸気使用機器25で要求される蒸気量の全量をまかなえるように運転するようにしてもよい。
このようにすれば、高圧蒸気発生ボイラ19で生成した蒸気27が、蒸気インジェクタ20を通過するときの圧損に応じて減圧、減温された状態で、蒸気使用機器25へ、その要求量に見合う蒸気量で供給される。
このように、本実施の形態に係る蒸気供給装置によれば、太陽熱集熱器22に太陽光24が照射されて、この太陽熱集熱器22で水の昇温が行われる場合は、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量を、蒸気使用機器25の要求する蒸気量より少なくすることができる。よって、蒸気使用機器25へ要求量に応じた蒸気27aを供給する際における高圧蒸気発生ボイラ19の燃料消費量を低減できて、運転コストの削減化を図ることができる。
又、蒸気発生に用いることができるような排熱が生じない工場や建築物等であっても、蒸気使用機器25へ、要求される所定の圧力及び温度条件に合致した圧力及び温度の蒸気27aを、要求量に応じて供給することが可能になる。
太陽熱集熱器22は、照射される太陽光24によって内部に貯留されている水を、蒸気インジェクタ20の駆動による吸入口20bの圧力低下に伴って該太陽熱集熱器22の内部が減圧されるときに沸騰、蒸発可能となる温度まで昇温させることができればよい。このため、特に高度な断熱構造とする必要はない。よって、太陽熱集熱器22としては、水を貯留でき且つ内部を減圧しても変形しない程度の強度を備えていれば、高価なガラス製としたり、複雑な構造とする必要はない。たとえば、内部空間が所要間隔で並列配置されたリブによって補強された樹脂製の中空パネル等を太陽熱集熱器22として用いることができる。このため、太陽熱集熱器22に要するコストを、従来一般的に用いられている太陽熱集熱器に比して大幅に削減することができる。
天候等の影響により太陽熱集熱器22での蒸気28の発生量が低下したり、蒸気28の発生が見込めない場合であっても、蒸気使用機器25で要求される蒸気量の全量を供給可能な能力を元々備えるようにしてある高圧蒸気発生ボイラ19の運転を強めることで、蒸気使用機器25へ、要求量に応じた蒸気を供給することができる。従って、バックアップ用の蒸気発生機器を別途必要とすることはない。
したがって、工場や建築物等で使用する蒸気(プロセス蒸気)の供給用に本実施の形態に係る蒸気供給装置を採用することで、設備コスト及び運転コストの削減化を図ることが可能となる。
次に、本発明の実施の他の形態として、図1に示す実施の形態の応用例を図2に示す。図2に示す蒸気供給装置では、高圧蒸気発生ボイラ19の蒸気出口19aと、蒸気インジェクタ20の蒸気入口20aとを接続する蒸気ライン21の途中位置より、開閉弁31と減圧弁32を上流側より順に備えたバイパスライン30が分岐させて設けられる。バイパスライン30の下流側端部は、蒸気インジェクタ20の吐出口20cと蒸気使用機器とを接続した蒸気供給ライン26の途中位置に接続される。
更に、蒸気ライン21におけるバイパスライン30の分岐個所よりも下流側に、遮断弁33が設けられる。
図2に示す蒸気供給装置では、図1に示した吸入ライン23上の遮断弁29は省略される。その他の構成は図1に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
本実施の形態の蒸気供給装置を使用する場合は、予め蒸気ライン21上の遮断弁33は開けておく。バイパスライン30上の開閉弁31は閉じておく。
又、太陽熱集熱器22に太陽光24が照射されるようにする。これにより、太陽熱集熱器22の内部に貯留された水が、照射される太陽光24のエネルギーを吸収して昇温されるようにする。
この状態で、高圧蒸気発生ボイラ19を運転すると、図1の実施の形態の蒸気供給装置と同様に、高圧蒸気発生ボイラ19で生成された蒸気27により蒸気インジェクタ20が駆動され、吸入口20bの圧力低下に伴って減圧される太陽熱集熱器22の内部で、太陽光24により昇温された水が沸騰、蒸発する。この際生成される蒸気28が、蒸気インジェクタ20の吸入口20bへ連続的に吸入される。吸入された蒸気28は、蒸気インジェクタ20において、高圧蒸気発生ボイラ19からの高圧、高温の蒸気27と混合される。蒸気27に蒸気28が混合されたことで増量された中圧、中温の蒸気27aが蒸気インジェクタ20の吐出口20cより吐出され、蒸気供給ライン26を通して蒸気使用機器25へ供給される。
この場合、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量を、蒸気使用機器25で要求される蒸気量よりも少なくすることができる。このため、図1に示す実施の形態と同様に、高圧蒸気発生ボイラ19の燃料消費量を削減して、運転コストの低減化を図ることができる。
一方、天候の影響等により太陽熱集熱器22に太陽光24の照射がないか、あるいは、太陽光24の照射量が少なくて、太陽熱集熱器22にて水の昇温が十分に行われない場合は、蒸気ライン21上の遮断弁33を閉止させると共に、バイパスライン30上の開閉弁31を開放する。この状態で、高圧蒸気発生ボイラ19を、この高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27によって蒸気使用機器25で要求される蒸気量の全量を供給できるように運転する。これにより、高圧蒸気発生ボイラ19で生成された蒸気27は、図2に二点鎖線で示すように、その全量が蒸気ライン21の途中位置より分岐させた減圧弁32付きのバイパスライン30と、蒸気供給ライン26を経て蒸気使用機器25へ供給される。従って、バイパスライン30上に設けてある減圧弁32を、予め蒸気使用機器25で要求される蒸気の圧力及び温度条件に応じて適宜調整しておくことにより、減圧弁32にて蒸気使用機器25で要求される蒸気の圧力及び温度条件に一致した圧力及び温度に確実に調整された蒸気27を、蒸気使用機器25へ供給することができる。
したがって、本実施の形態によっても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次いで、本発明の実施の更に他の形態として、図1の実施の形態の別の応用例を図3に示す。図3に示す蒸気供給装置は、図1に示す蒸気供給装置に備えられていた太陽熱集熱器22を、太陽熱集熱器34に置き換えたものである。図1に示す太陽熱集熱器22は、蒸気インジェクタ20の吸入口20bに、吸入ライン23を介して接続される。太陽熱集熱器22では、太陽光24に曝露できるよう設置された容器内部を蒸気インジェクタ20による吸引に伴って減圧できる。一方、図3に示す蒸気供給装置が備える太陽熱集熱器34は、太陽熱の吸収により昇温する熱媒35を循環させて蒸発器36の内部に貯留した水37を昇温させることができる閉ループ形式の太陽熱集熱器である。太陽熱集熱器34が備える蒸発器36が、蒸気インジェクタ20の吸入口20bに、吸入ライン23を介して接続される。
太陽熱集熱器34は、水37を貯留でき且つ蒸気インジェクタ20による吸引により減圧しても変形しない程度の強度を有する中空容器である蒸発器36の内部に、熱交換部38が設けられる。
更に、蒸発器36の外部に、太陽光24に曝露できるように太陽熱受熱容器39が設置される。太陽熱受熱容器39と、蒸発器36内部の熱交換部38の上端部とが熱媒ライン40で接続される。太陽熱受熱容器39と、熱交換部38の下端部とが、循環ポンプ42を備える熱媒ライン41で接続される。太陽熱受熱容器39と、熱交換部38と各熱媒ライン40、41により形成される閉ループ内に、熱媒35が充填される。
太陽熱集熱器34は、循環ポンプ42を運転することで、熱媒35を、太陽熱受熱容器39と、熱媒ライン40と、熱交換部38と、熱媒ライン41とを順に経て循環させることができる。
太陽熱受熱容器39では、太陽光24が照射されると、この太陽熱受熱容器39内部を流通する熱媒35を、太陽光24の保有するエネルギーの吸収により昇温させることができる。
よって、蒸発器36では、その内部に設置してある熱交換部38に、太陽熱受熱容器39にて太陽光24の保有するエネルギーを吸収して昇温された熱媒35が順次流通する。従って、熱交換部38を流通する昇温した熱媒35との熱交換により、この蒸発器36の内部に貯留した水37を昇温させることができる。
太陽熱受熱容器39は、太陽光24の保有するエネルギーで内部に充填された熱媒を効率よく昇温できるようにするために、太陽光24を受光する面積はできるだけ大きい方が望ましい。又、熱媒35は、水に限られるものではなく、圧力損失が低いもの、沸点が高いもの等を適宜選定して使用する。
その他の構成は図1に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
本実施の形態の蒸気供給装置を使用する場合は、太陽熱集熱器34の太陽熱受熱容器39に太陽光24が照射されるようにする。これにより、循環ポンプ42を運転して、太陽熱集熱器34の蒸発器36の内部に貯留された水37が、照射される太陽光24の保有するエネルギーを熱源として昇温されるようにする。
この状態で、高圧蒸気発生ボイラ19を運転すると、高圧蒸気発生ボイラ19で生成された蒸気27により蒸気インジェクタ20が駆動される。蒸気インジェクタ20が駆動されると、吸入口20bの圧力低下に伴って太陽熱集熱器34の蒸発器36の内部が減圧される。太陽熱集熱器34の蒸発器36の内部が減圧されると、太陽熱24の保有するエネルギーを熱源として昇温された水37が、100℃未満であっても沸騰、蒸発する。この際生成される低圧、低温の蒸気28が、蒸気インジェクタ20の吸入口20bへ連続的に吸入される。
したがって、蒸気インジェクタ20の吐出口20cからは、高圧蒸気発生ボイラ19からの高圧、高温の蒸気27に太陽熱集熱器34の蒸発器36より吸入される低圧、低温の蒸気28が混合されることで増量された中圧、中温の蒸気27aが吐出される。蒸気インジェクタ20の吐出口20cから吐出された蒸気27aは、蒸気供給ライン26を通して蒸気使用機器25へ供給される。
よって、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量を、蒸気使用機器25で要求される蒸気量よりも少なくすることができる。このため、図1に示す実施の形態と同様に、高圧蒸気発生ボイラ19の燃料消費量を削減して、運転コストの低減化を図ることができる。
一方、天候の影響等により太陽熱集熱器34の太陽熱受熱容器39に太陽光24の照射がないか、あるいは、太陽光24の照射量が少ない場合は、太陽熱受熱容器39にて熱媒35の昇温が十分に行われなくなる。このため、蒸発器36の内部の水37の昇温も十分に行われなくなる。
この場合は、高圧蒸気発生ボイラ19を運転して、高圧蒸気発生ボイラ19より供給される高圧、高温の蒸気27により蒸気インジェクタ20を駆動しても、吸入口20bに生じる圧力低下に起因して減圧される太陽熱集熱器34の蒸発器36の内部では水37の沸騰、蒸発が十分に行われない。このため、蒸発器36より蒸気インジェクタ20の吸入口20bへ吸入される低圧、低温の蒸気28の量、すなわち、蒸気インジェクタ20にて高圧蒸気発生ボイラ19より供給される蒸気27に混入される蒸気28の量が減少してしまう。
よって、この場合は、太陽熱集熱器34の蒸発器36より蒸気インジェクタ20へ吸入される低圧、低温の蒸気28の減少分を補填できるように、高圧蒸気発生ボイラ19の運転を強めて、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27の量を増加させればよい。
又、太陽熱集熱器34の太陽熱受熱容器39に対する太陽光24の照射が全くない場合や、冬期等で太陽熱集熱器34の蒸発器36における水37の昇温が全く期待できず、蒸気インジェクタ20を駆動しても、太陽熱集熱器34の蒸発器36での水の沸騰、蒸発がほとんど生じない場合は、図1の実施の形態と同様に、吸入ライン23上に設けてある遮断弁29を閉止させた状態で、高圧蒸気発生ボイラ19を、この高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる蒸気27によって蒸気使用機器25で要求される蒸気量の全量を供給できるように運転すればよい。これにより、高圧蒸気発生ボイラ19で生成した蒸気27を、蒸気インジェクタ20を通過させるときの圧損に応じて減圧、減温させた状態で、蒸気使用機器25へ、その要求量に見合う蒸気量で供給することができる。
このように、本実施の形態によっても、図1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
更に、本実施の形態に係る蒸気供給装置においては、太陽熱集熱器34における太陽熱の集熱機能と蒸発機能とを、太陽熱受熱容器39と蒸発器36に個別に分担させることができる。このため、太陽熱受熱容器39と蒸発器36を、太陽熱の集熱機能と蒸発機能にそれぞれ最適に設計することができる。
更に又、太陽熱集熱器34を閉ループ形式とすることで、太陽熱受熱容器39内で水を直接蒸発させることがなくなる。このため、太陽熱受熱容器39の内部ではスケールが発生する可能性を未然に防止できて、スケールの発生が懸念される個所を蒸発器36に限定できる。従って、蒸発器36を、予めスケール発生に対応するためのメンテナンスを行ない易いように設計しておくことで、スケール発生時のメンテナンスに要する手間を削減する効果が期待できる。
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図2の実施の形態において、太陽熱集熱器22に代えて図3に示した閉ループ形式の太陽熱集熱器34を用いるようにしてもよい。
上記各実施の形態において、蒸気インジェクタ20の吸入口20bに、太陽熱集熱器22、34に代えて、地熱を集熱して貯留した水の温度を昇温させることができる地熱集熱器を接続してもよい。この場合は、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる高圧、高温の蒸気27により蒸気インジェクタ20が駆動されると、吸入口20bの圧力低下に伴って減圧される上記地熱集熱器の内部では、常温でも水の沸騰、蒸発が生じるようになる。これにより、この地熱集熱器での水の沸騰、蒸発により生成する蒸気を、蒸気インジェクタ20へ導いて高圧蒸気発生ボイラ19で発生させた高圧、高温の蒸気27に混合させて、増量された中圧、中温の蒸気を生成させることが可能となる。
又、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる高圧、高温の蒸気27により駆動することで、吸入口20bを常温でも水が沸騰、蒸発するようになる低い圧力まで圧力低下させることができる機能(性能)を備える蒸気インジェクタ20を用いる場合は、この蒸気インジェクタ20の吸入口20bに、太陽熱集熱器22、34に代えて、貯留した水の熱を周囲の大気等の周囲環境の熱と熱交換できる形式の集熱器を接続してもよい。この場合は、高圧蒸気発生ボイラ19で発生させる高圧、高温の蒸気27により蒸気インジェクタ20が駆動されると、吸入口20bの圧力低下に伴って減圧される上記集熱器の内部では、常温でも水の沸騰、蒸発が生じる。上記集熱器では、蒸発熱によって熱が奪われる水の温度が、周囲環境の熱との熱交換により常温付近に維持されることで、水の沸騰、蒸発を連続して行なわせることができる。このため、上記集熱器での常温の水の沸騰、蒸発により生成する蒸気を、蒸気インジェクタ20へ導いて高圧蒸気発生ボイラ19で発生させた高圧、高温の蒸気27に混合させることで、増量された中圧、中温の蒸気を生成させて、蒸気使用機器25へ供給できる効果が期待できる。更に、上記集熱器の構成をよりシンプルなものとすることができると共に、太陽光の照射の有無に関わらず設置することができる。このため、設備コストの更なる低減化を図る効果も期待できる。
蒸気発生装置は、蒸気インジェクタ20を駆動可能な高圧の蒸気を、蒸気使用機器25で要求される蒸気量に応じた量で発生させることができるのであれば、ヒーターやヒートポンプのような電力を利用した熱源を用いて蒸気を発生させる装置等、高圧蒸気発生ボイラ19以外のいかなる形式の蒸気発生装置を採用してもよい。
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明の実施例として、図1に示す実施の形態の蒸気供給装置を実際に運転した結果を図4に示す。実施例として運転に用いた蒸気供給装置では、高圧蒸気発生ボイラ19として、化石燃料を燃やして蒸気を発生させるボイラを用いている。このボイラは、180℃、850kPaの蒸気を発生させる性能を有する。太陽熱集熱器22には、太陽光集熱パネルを用いる形式の太陽熱集熱器を用いている。太陽光集熱パネルにより太陽熱24を集熱し、内部の水を昇温させる。従って、実施例に用いた蒸気供給装置では、太陽光集熱パネルの温度を計測することにより、内部の水の温度を検知することができる。
図4において、横軸は経過時間を表わす。経過時間は秒で表示してあり、図4に示す運転結果は、運転開始から3時間経過するまでの結果を表わしている。左側の縦軸は、太陽熱集熱器で用いられている太陽光集熱パネルの温度を表わす。右側の縦軸は、蒸気インジェクタの駆動圧力及び日射量を表わす。蒸気インジェクタ駆動圧力の単位はkPaGである。日射量の単位はW/m2である。蒸気インジェクタ駆動圧力とは、ボイラの出力としての圧力を意味する。
図4に示すように、横軸に示す経過時間が3600(sec)の位置、つまり運転開始前の状態では、パネル温度は約100℃を示していた。一方、蒸気インジェクタ駆動圧力はほぼゼロであった。経過時間が3600(sec)から僅かに右にシフトした位置(十数分経過後)において、高圧蒸気発生ボイラ19であるボイラが起動すると、蒸気インジェクタ駆動圧力は約600kPaGまで急激に増加した。600kPaGに到達した後は蒸気インジェクタの駆動圧力の増加は緩やかになり、ボイラ起動から約2400(sec)経過した時点で850kPaGの圧力を示して安定した。パネル出口温度は、ボイラ起動時に一度75℃付近まで低下した。しかしその後緩やかに上昇し、経過時間が7200(sec)の時点で110℃まで上昇した。
経過時間が7200(sec)の時点で、蒸気インジェクタを駆動した。蒸気インジェクタの駆動とは、遮断弁29を開き、太陽熱集熱器22の内部を減圧することを意味する。
蒸気インジェクタが駆動されると、太陽熱集熱器22内部の減圧に伴って、内部に貯留された水の沸点が低下し、水の温度が低下する。本実施例においては、蒸気インジェクタの駆動により水の沸点が低下し、パネル温度から検知できる水の温度が約80℃まで低下した。水の温度は、約80℃まで低下した後安定し、本実施例において蒸気インジェクタを駆動していた約2時間の間、ほぼ一定の温度を示し続けた。蒸気インジェクタ駆動圧力は、蒸気インジェクタの駆動開始から蒸気供給装置の運転停止となるまでの2時間の間、ほぼ一定して約850kPaGの圧力を示し続けた。
図4に示すように、本発明に係る蒸気供給装置は、蒸気インジェクタを駆動している間、蒸気インジェクタ駆動圧力、パネル温度(水の温度)のいずれもほぼ一定の温度を示した。これにより、本発明に係る蒸気供給装置は非常に安定した出力特性を示すことが実証された。
次に、本発明に係る蒸気供給装置の実施例として、図4に示す実施例で用いた蒸気供給装置に基づいて、蒸気供給装置の性能シミュレーションを行なった結果を図5に示す。
シミュレーションは、高圧蒸気発生用のボイラのサイズを一定として、太陽熱集熱器が備える太陽光集熱パネルの面積を変化させたときの、蒸気供給装置の性能を予測して行なった。蒸気供給装置の性能は、パネル効率と、ソーラーシェアと、パネル温度の三通りで評価した。
パネル効率とは、太陽熱集熱器22に照射される太陽熱24のエネルギのうち、蒸気28のエネルギに変換され有効に利用できる割合を意味する。
ソーラシェアとは、蒸気インジェクタから吐出される蒸気27aに占める、太陽熱集熱器22で生成された蒸気28の割合を意味する。
パネル温度とは、太陽熱集熱器22に備えられる太陽光集熱パネルの温度を意味する。
パネル効率とは、太陽熱集熱器22に照射される太陽熱24のエネルギのうち、蒸気28のエネルギに変換され有効に利用できる割合を意味する。
ソーラシェアとは、蒸気インジェクタから吐出される蒸気27aに占める、太陽熱集熱器22で生成された蒸気28の割合を意味する。
パネル温度とは、太陽熱集熱器22に備えられる太陽光集熱パネルの温度を意味する。
図5において、左側の縦軸がパネル効率とソーラーシェアを表わす。また、図5において、右側の縦軸がパネル温度を表わす。図5の横軸はパネル面積を表わす。図5中、四角の記号はパネル温度を表わす。三角の記号は、パネル効率を表わす。菱形の記号は、ソーラーシェアを表わす。また、パネル温度、パネル効率、ソーラーシェアのいずれも、黒塗りの記号は実際に運転した結果である実験データを表わし、白抜きの記号はシミュレーション結果を表わす。
パネル面積が小さいと、パネル効率は高く、ソーラーシェアは低い。例えばシミュレーション範囲で想定している最小のパネル面積である20m2の条件下では、パネル効率が約46%であるのに対し、ソーラーシェアは約10%である。しかし、パネル面積が増加するに従って、パネル効率は減少し、ソーラーシェアは増加する。例えば、シミュレーション範囲で最大のパネル面積である180m2の条件下では、パネル効率は約20%に減少する。しかしソーラーシェアは約30%に増加する。これは、ボイラのサイズが一定で、同一の蒸気インジェクタを使用する条件下では、蒸気インジェクタの駆動による減圧量が一定であるため、パネル面積が増加すると、蒸気インジェクタの駆動による減圧量の影響が小さくなるためである。しかし、パネル面積が大きくなると内部に貯留される水の量も多くなり、蒸気インジェクタに吸入される蒸気28の量が増加する。このためソーラーシェアはパネル面積の増加に伴って増大する。
パネル温度は、パネル面積が増加するに従って増加する。
パネル温度は、パネル面積が増加するに従って増加する。
図5において、黒塗りの記号で示す実測値のうち、ソーラーシェアはシミュレーション結果に近い値を示している。しかし、パネル温度の実験データはシミュレーション結果よりも高い値を示し、パネル効率の実験データはシミュレーション結果よりも低い値を示している。これは、蒸気インジェクタの駆動により太陽熱集熱器内で生成可能な蒸気28の量に対し、太陽熱集熱器内に貯留されている水の量が不足し、太陽熱集熱器内でドライアウトが生じたためだと考えられる。ドライアウトが生じないよう適切な量の水を太陽熱集熱器内に貯留することで、パネル温度、パネル効率共にシミュレーション結果に近い値を示すと考えられる。
以上図5に示したように、本発明に係る蒸気供給装置では、太陽熱集熱器22のパネル面積を変化させることにより、蒸気使用機器25に要求される蒸気条件、あるいはボイラに求められる燃料消費率や運転コストに応じて運転条件を適切に設定することが可能であることがわかる。
本発明に係る蒸気供給装置は、蒸気発生装置で発生させる蒸気の量を、蒸気使用機器の要求する蒸気量より少なくすることができる。また、天候等の影響により集熱器における蒸気の発生量が低下する場合は、蒸気発生装置の蒸気発生量を増やすことで容易に要求される全蒸気量を供給することができる。これにより、蒸気発生に用いることができるような排熱が生じない工場や建築物等であっても、蒸気使用機器に要求される所定の圧力及び温度条件に合致した圧力及び温度の蒸気(プロセス蒸気)を、天候等の自然条件に影響されずに必要量供給することができる。このため、設備コストや運転コストの削減化を図ることができる。
19 高圧蒸気発生ボイラ(蒸気発生装置)
19a 蒸気出口
20 蒸気インジェクタ
20a 蒸気入口
20b 吸入口
20c 吐出口
22 太陽熱集熱器(集熱器)
25 蒸気使用機器
27,27a 蒸気
28 蒸気
34 太陽熱集熱器
35 熱媒
36 蒸発器
37 水
19a 蒸気出口
20 蒸気インジェクタ
20a 蒸気入口
20b 吸入口
20c 吐出口
22 太陽熱集熱器(集熱器)
25 蒸気使用機器
27,27a 蒸気
28 蒸気
34 太陽熱集熱器
35 熱媒
36 蒸発器
37 水
Claims (7)
- 蒸気発生装置と、
前記蒸気発生装置の蒸気出口に、蒸気入口が接続される蒸気インジェクタと、
前記蒸気インジェクタの吸入口に接続され、内部に水を貯留し、自然エネルギーによって前記水を昇温させる集熱器と、
前記蒸気インジェクタの吐出口に接続される蒸気使用機器と、
を備え、
前記蒸気インジェクタは、前記蒸気発生装置で発生させる蒸気で駆動され、
前記蒸気インジェクタの駆動により、前記集熱器内が減圧されて前記集熱器内で蒸気が生成され、
前記蒸気発生装置より供給される蒸気と、前記集熱器内で生成された蒸気とを、前記蒸気インジェクタで混合して前記蒸気使用機器へ供給する
蒸気供給装置。 - 前記蒸気発生装置は、前記蒸気使用機器で要求される全蒸気量を供給可能な能力を備える請求項1記載の蒸気供給装置。
- 前記蒸気発生装置は、高圧蒸気発生ボイラである請求項1又は2記載の蒸気供給装置。
- 前記集熱器は、太陽熱集熱器である請求項1又は2記載の蒸気供給装置。
- 前記集熱器は、太陽熱集熱器である請求項3記載の蒸気供給装置。
- 前記太陽熱集熱器は、太陽熱の吸収により昇温する熱媒を循環させる閉ループ形式の太陽熱集熱器であって、前記熱媒を循環させて内部に貯留した水を昇温させる請求項4記載の蒸気供給装置。
- 前記太陽熱集熱器は、太陽熱の吸収により昇温する熱媒を循環する閉ループ形式の太陽熱集熱器であって、前記熱媒を循環させて内部に貯留した水を昇温させる請求項5記載の蒸気供給装置。
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