JP5068966B2 - ヒートポンプ式熱回収装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプを用いて排温水などの排熱源から熱を回収し、水などの媒体を加熱して高温水や蒸気を発生させるヒートポンプ式の熱回収装置に関する。
各種工場においては、蒸気や高温水を必要とする一方で排温水が排出されているケースが多く、特に食品加工工場では蒸気殺菌や加熱および洗浄の工程で、多量の低圧蒸気や９０℃以上の高温水を使用しており、これら各工程からは５０〜８０℃程度の排温水が多量に排出される。
これら排温水を低圧蒸気や高温水生成のための給水と単に熱交換させて熱回収を行うのみでは得られる温水の温度が低いため、この排温水を熱源として給水を直接に蒸気や高温水にすることのできる熱回収形のヒートポンプ装置が各種提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
図５は、特開昭６１−１２５５４７号公報に報告されている低圧蒸気を得るための従来例であり、ヒートポンプ装置の冷媒回路は圧縮機１、凝縮器として作用する蒸気発生用熱交換器２および給水予熱用熱交換器３、減圧装置として作用する膨張弁４、蒸発器として作用する熱回収用熱交換器５が、圧縮機１から蒸気発生用熱交換器２に至る冷媒吐出配管６、熱回収用熱交換器５から圧縮機１に至る冷媒吸入配管７およびその他の冷媒配管で環状に接続され構成されている。
また、低圧蒸気を得る熱出力側の蒸気ドラム８には、給水予熱熱交換器３を経由した給水管９と、蒸気発生用熱交換器２を経由した蒸気管１０と、低圧蒸気取出管１１が接続されており、一方排温水からの熱回収側は排温水管１２が熱回収用熱交換器５に接続されている。
図６は、特開平７−１３９８４７号公報に報告されている他の実施例の一部であり、圧縮機１、凝縮器として作用する蒸気発生用熱交換器２、減圧装置として作用する毛細管４ａ、蒸発器として作用する熱回収用熱交換器５、付属機器であるアキュムレータ１３が冷媒吐出配管６、冷媒吸入配管７およびその他の配管で環状に接続され、蒸気発生用熱交換器２には蒸気管１０が、熱回収用熱交換器５には排温水管１２が接続されている。
これらの従来例では、例えば７０℃の排温水を利用して１００℃の蒸気を得る熱回収運転時は、圧縮機１で圧縮されてその凝縮温度が例えば１１０℃となった高温高圧の冷媒蒸気は、冷媒吐出管６を経て蒸気発生用熱交換器２に送られ、同熱交換器２において１１０℃で凝縮して蒸気管１０からの熱水に熱を与えて１００℃の水蒸気を生成し、さらに給水予熱用熱交換器３で給水管９を流れる水を加熱した後、膨張弁４や毛細管４ａで減圧され、例えば蒸発温度が５０℃の低圧の冷媒液となり、熱回収用熱交換器５で排温水管１２からの７０℃の排温水と熱交換して蒸発し６０℃程度の低圧蒸気となって冷媒吸入配管７を経て圧縮機１に帰り、圧縮されて再び凝縮温度が１１０℃の高温高圧蒸気となるサイクルを繰返す。
前述した従来のヒートポンプ式熱回収装置では、設置後や長時間の運転停止後は装置各部の温度は例えば２０℃程度の室温になっており、この状態でヒートポンプによる熱回収運転を実施すると、ヒートポンプ回路を流れる冷媒は起動時には熱回収用熱交換器５で７０℃の排温水から熱回収することによって蒸発温度５０℃で蒸発して６０℃程度の蒸気となるが、圧縮機１に戻る途中で２０℃の冷媒吸入管７やアキュムレータ１３を通るときに冷却され凝縮し再び液となって圧縮機１に戻り、圧縮機１を損傷させる。あるいは圧縮機内油温が３０℃であった場合には油により冷媒蒸気が凝縮液化して液戻り状態と同様になり油圧低下するなどの課題があった。
上述の課題を解決するため、本発明の第１に係るヒートポンプ式熱回収装置は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器をこの順に環状に接続し、前記凝縮器に外部から供給される水を同凝縮器における冷媒の凝縮潜熱により加熱して蒸気・高温水を供給するとともに、前記蒸発器に外部から供給される排熱を熱源として同蒸発器における冷媒を蒸発させる構成のヒートポンプ式熱回収装置において、装置起動時に前記蒸発器に供給する排熱の熱量を制御する熱量制御手段を設ける構成のものとしてある。
すなわち、本発明の第１に係るものでは、ヒートポンプの起動にあたってスタート時は冷媒の蒸発温度を低く抑えて冷媒吸入管や圧縮機内での冷媒の凝縮を防ぎ、その後蒸発温度を上昇させていき、排温水によって蒸発・過熱させられた冷媒で冷媒吸入管を加温し昇温させていく予熱運転時間を設定する。
また、本発明の第２に係るヒートポンプ式熱回収装置は、前記熱量制御手段を、蒸発器入口の排温水供給回路に設けられ、外部から供給される排温水と、排温水出口回路からの蒸発器通過後の排水とを所要の割合で混合する三方弁で構成し、この三方弁の開度制御によって蒸発器への供給排温水の温度を制御する構成のものとしてある。
また、本発明の第３に係るヒートポンプ式熱回収装置は、前記熱量制御手段を、蒸発器入口の排温水出口回路に設けられ、蒸発器通過後の排水を所要の割合で分流して排温水供給回路に送る三方弁で構成し、この三方弁の開度制御によって蒸発器への供給排温水の温度を制御する構成のものとしてある。
また、本発明の第４に係るヒートポンプ式熱回収装置は、装置起動時にあって、蒸発器から圧縮機に至る配管および機器類の温度あるいは圧縮機内油温を検知する温度センサーの値が、排熱温度から設定される蒸発器での冷媒蒸発温度より低いことを検知したときは、蒸発器に入る高温排熱の温度を前記温度センサーの値プラスα１、α２（α１＜α２）と順次設定して排熱温度に至るまで上昇させていく制御とすることを特徴としている。
また、本発明の第５に係るヒートポンプ式熱回収装置は、前記熱量制御手段として、蒸発器に供給する排温水の流量を制御することを特徴としている。
また、本発明の第６に係るヒートポンプ式熱回収装置は、装置起動時に、蒸発器から圧縮機に至る配管および機器類の温度または圧縮機内油温を検知する温度センサーの値が、蒸発器での冷媒蒸発温度より低いことを検知したときは、蒸発器への供給排熱量を減少させ、前記温度センサーの値の上昇とともに順次増加させる制御とすることを特徴としている。
本発明によれば、運転スタート後のヒートポンプによる熱回収運転に入る前に、冷媒の蒸発温度を冷媒吸入管温度等あるいは圧縮機内油温より低く制御し、熱回収用熱交換器で蒸発し過熱した冷媒蒸気によって冷媒吸入管の温度を上昇させていく予熱運転を設定したため、熱回収運転起動後に前記熱回収用熱交換器から圧縮機吸入口の間で冷媒が急速に冷却され凝縮液化する、あるいは圧縮機内部で冷媒が油により凝縮液化し不具合を生じるという危険性が無く熱回収運転を立ち上げることができる。
以下、本発明に係る装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す図であり、図において１〜１３は図５、６に示した従来例のものと同じであるが、熱回収用熱交換器５への排温水管１２の入口側に混合形の三方弁１４を設け、弁の各接続口のうち入口側は排温水入口管１２と接続し、出口側は熱回収用熱交換器５に行く排温水出口管１５に接続し、吸入側の低温水吸入管１６は熱回収用熱交換器５からの出口配管１７に接続し、三方弁の弁開度調整用センサー１８を排温水出口管１５に設置し、さらに冷媒吸入管７やアキュムレータ１３の温度を検知する温度センサー１９を、例えば、アキュムレータ１３に取り付けてあり、また圧縮機内油温の温度を検知する温度センサー２０を圧縮機１のクランクケース下部に取り付けてあって、これら温度センサー１９、２０は少なくともいずれか一方設けてあれば事が足りる。なお、排温水側のポンプ類等は図示を省略している。なお、冷媒にはＲ−２４５ｆａを採用するのが好適である。
図１は、本発明の一実施例を示す図であり、図において１〜１３は図５、６に示した従来例のものと同じであるが、熱回収用熱交換器５への排温水管１２の入口側に混合形の三方弁１４を設け、弁の各接続口のうち入口側は排温水入口管１２と接続し、出口側は熱回収用熱交換器５に行く排温水出口管１５に接続し、吸入側の低温水吸入管１６は熱回収用熱交換器５からの出口配管１７に接続し、三方弁の弁開度調整用センサー１８を排温水出口管１５に設置し、さらに冷媒吸入管７やアキュムレータ１３の温度を検知する温度センサー１９を、例えば、アキュムレータ１３に取り付けてあり、また圧縮機内油温の温度を検知する温度センサー２０を圧縮機１のクランクケース下部に取り付けてあって、これら温度センサー１９、２０は少なくともいずれか一方設けてあれば事が足りる。なお、排温水側のポンプ類等は図示を省略している。なお、冷媒にはＲ−２４５ｆａを採用するのが好適である。
図２は、停止中のヒートポンプ機器や配管が２０℃、排温水温度が７０℃、熱回収用熱交換器５は排温水温度と冷媒蒸発温度との温度差が２０℃で設計されている場合の熱回収用熱交換器５入口の排温水温度制御の一例を示す図である。
同図において、起動時には排熱温度が７０℃であり、このまま熱回収運転に入ると冷媒蒸発温度は５０℃になるが、このとき温度センサー１９によって検知されるヒートポンプの機器・配管温度あるいは温度センサー２０によって検知される圧縮機内油温度は２０℃と低いため、起動後ただちに熱回収運転に入ることなく、まず予熱運転が設定される。
この予熱運転では、冷媒蒸発温度を２０℃より低い温度である、例えば約１０℃に制御するため、まず予熱Ｉの区間では熱回収用熱交換器５の排温水入口温度を３０℃に制御しており、このため熱回収用熱交換器５で蒸発して排温水の温度である３０℃近まで加熱された冷媒蒸気が冷媒吸入管７やアキュムレータ１３などの機器類を加温して３０℃近く（例えば２８℃）まで上昇させる。あるいは、この間圧縮機油はクランクケースヒーターにより３０℃近くまで加熱される。
冷媒吸入管７やアキュムレータ１３などの機器類温度が３０℃近くまで昇温したことを温度センサー１９で検知する、あるいは圧縮機内油温が３０℃近くまで昇温したことを温度センサー２０で検知すると、熱回収用熱交換器５への排温水入口温度を５０℃に設定し冷媒の蒸発温度を約３０℃に制御しようとする予熱の区間に移行する。
この区間でも前記蒸発温度が１０℃の場合と同じように、５０℃の排温水によって蒸発し過熱されて５０℃近くになった冷媒蒸気が、冷媒吸入管７やアキュムレータ１３などの機器類を５０℃近く（例えば４８℃）まで加温させていく、あるいはこの間、圧縮機油はクランクケースヒーターにより５０℃近くまで加熱される状態を示している。
上述のように構成した本発明によるヒートポンプ式熱回収装置では、装置の運転信号とともに排温水が排温水管１２を流れるが、このとき温度センサー１９で検知されるヒートポンプの冷媒吸入管７側の温度、あるいは温度センサー２０で検知される圧縮機内油温が弁開度調整センサー１８で検知される温度より設定値ΔＴ（ 例えば上記図２の例でみたように２０℃ ）以上低い場合は、三方弁１４によって熱回収用熱交換器５への供給排温水温度が制御される予熱運転がスタートする。
スタート時に温度センサー１９あるいは温度センサー２０の検知温度が図２に示す２０℃の場合、蒸発温度をこれより低い例えば１０℃に制御するためには、蒸発温度と排熱温度との温度差ΔＴが２０℃で設計された熱回収用熱交換器５では、ここへの排温水入口温度を３０℃と設定すればよい。
このとき、三方弁１４の動作は弁開度調整用センサー１８の設置されている排温水出口管１５の温度が３０℃となるように、排温水入口管１２からの高温の排温水と、熱回収用熱交換器５で冷媒に熱を供給して冷却された出口配管１７の低温水を低温水吸入管１６を介して混合させる弁開度に調整されるが、スタート時は各配管１５、１６、１７および熱回収用熱交換器５内もほぼ２０℃になっているため、三方弁１４の排温水入口管１２側が若干の開となって７０℃の温水が吸入管１６からの２０℃の水と混合されて３０℃が達成される。
この状態でヒートポンプ装置が駆動すると、圧縮機１で圧縮され高温高圧となった冷媒は、冷媒吐出管６から蒸気発生用熱交換器２、給水予熱熱交換器３に行き、スタート後しばらくの間は蒸気の生成もしくは給水の予熱を行ったあと、膨張弁４で減圧され低圧となって熱回収用熱交換器５に送られ、ここで三方弁１４の排温水出口管１５からの３０℃の排温水と熱交換して蒸気となる。
このとき、熱回収用熱交換器５は冷媒蒸発温度と排熱温度との温度差が約２０℃となるように設計されているため、排温水出口管１５の温度３０℃の設定に対しては冷媒の蒸発温度はほぼ１０℃で動作する運転となり、冷媒は熱回収用熱交換器５で熱を奪われて蒸発した後、排熱温度の３０℃近くまで過熱され、一方排温水側は冷媒に熱を奪われるため３０℃以下となって出口配管１７から出て行く。
その温度が３０℃近くになって熱回収用熱交換器５を出た過熱状態の冷媒は、冷媒吸入管７やアキュムレータ１３を通過する間に、これら配管や機器を加熱するとともに冷媒自体は冷却されるが、周囲は２０℃であるため２０℃以下となって凝縮することはなく、蒸気の状態で圧縮機１に吸入され、再び圧縮されるサイクルを繰り返す。
前述した状態の運転の継続により熱回収用熱交換器５からの過熱冷媒蒸気によって冷媒吸入配管７およびアキュムレータ１３の温度、あるいは圧縮機内油温は上昇していくが、これら温度が３０℃近くの所定の温度に達したことを温度センサー１９あるいは温度センサー２０が検知すると運転は、図２に示す予熱Iの区間から予熱IIの区間の運転に移行する。
予熱IIの区間では、三方弁１４からの温水出口管１５の温度は５０℃に設定されるため、三方弁１４において排温水管１２からの排温水の混合割合が増加して５０℃が達成される。
このときのヒートポンプの動作も前述した区間Iの動作と同じになるが、熱回収用熱交換器５では排温水の入口温度が５０℃に設定されているため、ここでの冷媒の蒸発温度が３０℃程度となるヒートポンプ運転となり、冷媒は３０℃で蒸発したあと排温水温度近くの温度まで過熱され、一方排温水側は冷媒に熱を奪われるため５０℃以下となって出口配管１７から出て行く。
その温度が５０℃近くになって熱回収用熱交換器５を出た過熱状態の冷媒は、冷媒吸入管７やアキュムレータ１３を通過する間に、これら配管や機器を加熱するとともに冷媒自体は冷却されるが、周囲は予熱Ｉの運転でほぼ３０℃であるため凝縮することはなく、蒸気の状態で圧縮機１に吸入され、再び圧縮されるサイクルを繰り返す。
前述の予熱IIの運転の継続により熱回収用熱交換器５からの過熱冷媒蒸気によって冷媒吸入配管７およびアキュムレータ１３の温度、あるいは圧縮機内油温は上昇していくが、この温度が５０℃近くの所定の温度に達したことを温度センサー１９あるいは温度センサー２０が検知すると運転は図２に示す予熱IIの区間から熱回収の運転に移行する。
熱回収運転時は、低温水吸入管１６側が閉となり、排温水入口管１２の排温水が排温水出口管１５に流れ、ヒートポンプ装置では、圧縮機１で圧縮され高温高圧となった冷媒は、冷媒吐出管６から蒸気発生用熱交換器２、給水予熱熱交換器３に送られ、蒸気の生成および給水の予熱を行ったあと、膨張弁４で減圧され低圧となって熱回収用熱交換器５に送られ、ここで三方弁１４を通った排温水出口管１５からの排温水と熱交換して蒸気となり、冷媒吸入管７、アキュムレータ１３などを通って圧縮機１に戻り再び圧縮されるサイクルを繰り返す。
この際、冷媒吸入管７やアキュムレータ１３の温度、あるいは圧縮機内油温は、前述した予熱Ｉおよび予熱IIの運転で熱回収運転時の冷媒蒸発温度５０℃近傍にまで到達しているため、冷媒がこれらを通過するときに凝縮液化することはなく、蒸気状態で圧縮機１に吸入される。あるいは圧縮機内で凝縮されずに蒸気状態を保つ。
上述した実施例の装置においては、熱回収用熱交換器５への排温水温度の制御を混合形の三方弁を用いて行ったが、図３に示すように分流形の三方弁２０を用いて熱回収用熱交換器５からの出口配管１７を流れる冷媒の蒸発によって冷却された排水を排温水入口管１２からの排温水と混合させて熱回収用熱交換器５への排温水温度を制御してもよい。
また、ヒートポンプにおいては熱回収用熱交換器５における冷媒の蒸発温度は、同熱回収用熱交換器内を流れる熱源の温度とともに熱源の流量にも依存した動作となるため、特に図示はしないが熱回収用熱交換器５を流れる排温水の流量を制御することによって熱回収用熱交換器５での冷媒の蒸発温度を制御する場合もある。
この場合は、図２における予熱Iから予熱II、熱回収運転へと順次排温水の流量を増加させることによっても、熱回収用熱交換器５への入口排温水温度を変化させるときと同様の効果を得ることができる。
なお、上記の実施例では予熱運転を図２に示すIIの２種類の区間としたが、これに限定されることなく、停止時の装置の温度や排温水の温度によって１種類もしくは３種類以上の区間を設定してもよい。
また、温度センサー１９はアキュムレータ１３に設置している例を図示しているが、設置場所はここに限定されることなく、冷媒吸入回路の温度を代表できる位置でよく、複数個設置してもよい。あるいは温度センサー２０は圧縮機クランクケース下部に設置している例を図示しているが、設置場所はここに限定されることなく、圧縮機内油の温度を代表できる位置でよい。
さらに、図１に示したヒートポンプ回路は基本構成機器よりなり、これ以外に圧縮機を２台備えた２段圧縮式の回路を採用してもよく、また各種の制御弁や回路および油分離器、ドライヤ、受液器などの機器が付属されていても良いことはいうまでもない。
また、熱出力側の低圧蒸気を得る回路も、それぞれが蒸気ドラム８に接続されている給水予熱の給水管９と低圧蒸気を得る蒸気管１０から構成されている例を示したが、これに限定されることなく、給水管９は蒸気ドラム８に接続することなく、図４に示されるように温水の取出し管として独立させる場合もある。
さらに、図４のものの構成における給水予熱熱交換器３からの温水出口と蒸気発生用熱交換器２の給水口とを直接または制御弁を介して接続し、給水予熱熱交換器３からの温水をそのまま蒸気発生用熱交換器２に供給したり、上記制御弁の操作によって給水予熱熱交換器３からの温水の一部を外部に導出するとともに、残余を蒸気発生用熱交換器２に直接または外部からの給水と混合して送ったりするように構成する場合もある。
１ 圧縮機
２ 蒸気発生用熱交換器
２ａ 蒸気発生用熱交換器冷媒配管
２ｂ 蒸気発生用熱交換器水配管
３ 給水予熱用熱交換器
３ａ 給水予熱用熱交換器冷媒配管
３ｂ 給水予熱用熱交換器水配管
４ 膨張弁
４ａ 毛細管
５ 熱回収用熱交換器
５ａ 熱回収用熱交換器冷媒配管
５ｂ 熱回収用熱交換器水配管
６ 冷媒吐出管
７ 冷媒吸入管
８ 蒸気ドラム
９ 給水管
１０ 蒸気管
１１ 低圧蒸気取出管
１２ 排温水入口管
１３ アキュムレータ
１４ 混合形の三方弁
１５ 排温水出口管
１６ 低温水吸入管
１７ 出口配管
１８ 弁開度調整用センサー
１９ 温度センサー
２０ 温度センサー
２１ 分流形の三方弁
２ 蒸気発生用熱交換器
２ａ 蒸気発生用熱交換器冷媒配管
２ｂ 蒸気発生用熱交換器水配管
３ 給水予熱用熱交換器
３ａ 給水予熱用熱交換器冷媒配管
３ｂ 給水予熱用熱交換器水配管
４ 膨張弁
４ａ 毛細管
５ 熱回収用熱交換器
５ａ 熱回収用熱交換器冷媒配管
５ｂ 熱回収用熱交換器水配管
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９ 給水管
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１１ 低圧蒸気取出管
１２ 排温水入口管
１３ アキュムレータ
１４ 混合形の三方弁
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１８ 弁開度調整用センサー
１９ 温度センサー
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２１ 分流形の三方弁
Claims (3)
- 圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器をこの順に環状に接続し、前記凝縮器に外部から供給される水を同凝縮器における冷媒の凝縮潜熱により加熱して蒸気・高温水を供給するとともに、前記蒸発器に外部から供給される排熱を熱源として同蒸発器における冷媒を蒸発させる構成のヒートポンプ式熱回収装置において、装置起動時に前記蒸発器に供給する排熱の熱量を制御する熱量制御手段として、前記蒸発器へ流れる供給排温水の温度を制御する熱量制御手段を設ける構成とし、装置起動時にあって、蒸発器から圧縮機に至る配管および機器類の温度あるいは圧縮機内油温を検知する温度センサーの値が、排熱温度から設定される蒸発器での冷媒蒸発温度より低いことを検知したときは、蒸発器へ流れる供給排温水の温度を前記温度センサーの値プラスα１の設定温度に設定し、更に前記蒸発器から圧縮機に至る配管および機器類の温度あるいは圧縮機内油温を検知する温度センサーの値が、排熱温度から設定される蒸発器での冷媒蒸発温度より低いことを検知したときは、蒸発器へ流れる供給排温水の温度を装置起動時における前記温度センサーの値プラスα２の設定温度（α１＜α２）に設定する制御を、蒸発器から圧縮機に至る配管および機器類の温度あるいは圧縮機内油温を検知する温度センサーの値が排熱温度に至るまで順次設定していく制御とすることを特徴とするヒートポンプ式熱回収装置。
- 前記熱量制御手段を、蒸発器入口の排温水供給回路に設けられ、外部から供給される排温水と、排温水出口回路からの蒸発器通過後の排水とを所要の割合で混合する三方弁で構成し、この三方弁の開度制御によって蒸発器への供給排温水の温度を制御する構成としてなる請求項１に記載のヒートポンプ式熱回収装置。
- 前記熱量制御手段を、蒸発器入口の排温水出口回路に設けられ、蒸発器通過後の排水を所要の割合で分流して排温水供給回路に送る三方弁で構成し、この三方弁の開度制御によって蒸発器への供給排温水の温度を制御する構成としてなる請求項１に記載のヒートポンプ式熱回収装置。
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