JP5339193B2 - 排ガス熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラからの排ガスを用いてボイラへの給水を予熱する排ガス熱回収装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラとヒートポンプとを備え、被加熱媒体としての水に対する比較的低温域の加熱にヒートポンプを用い、比較的高温域の加熱にボイラを用いた蒸気供給システムが提案されている。具体的には、この蒸気供給システムでは、被加熱媒体である水の流れ方向に関して、上流側にヒートポンプが配置され、下流側にボイラが配置される。ヒートポンプは、大気から熱をくみ上げて、ボイラへの給水を予熱する。このようにして、被加熱媒体である水は、ヒートポンプの冷媒との熱交換により温度上昇した後、ボイラへ供給され蒸気化される。

一方、ボイラからの排ガスを用いてボイラへの給水を予熱するエコノマイザも知られている。この場合、ボイラへの給水は、エコノマイザにおいて排ガスにより予熱を図られた後、ボイラへ供給され蒸発化される。

特開２００６−３０８１６４号公報（請求項１、段落番号００１８、００１９、図１）

上述したいずれの方法も、蒸気供給システム全体の熱効率に改善の余地があった。特に、給水温度が高い場合、従来のエコノマイザでは、給水の加熱を十分に行うことができなかった。すなわち、ボイラへの給水タンクに蒸気使用設備から高温のドレンを戻して熱回収を図ると、高温のドレンにより給水タンク内の水は昇温し、給水温度が常温よりもかなり高くなることがあるが、その場合、従来のエコノマイザでは、給水の加熱を十分に行うことができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、給水温度が比較的高くても、ボイラへの給水の加熱を効率よく行うことができる排ガス熱回収装置を実現することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて構成されるヒートポンプを備え、前記蒸発器は、ボイラからの排ガスとの熱交換器とされ、前記凝縮器は、ボイラへの給水との熱交換器とされ、前記ボイラの煙道には、前記蒸発器が設けられると共に、前記蒸発器よりも排ガス流の上流側に、エコノマイザが設けられ、前記ボイラへの給水は、前記凝縮器を通された後、前記エコノマイザを通されて、前記ボイラへ供給され、前記エコノマイザは、排ガスの顕熱回収部とされ、前記蒸発器は、排ガスの潜熱回収部とされることを特徴とする排ガス熱回収装置である。

請求項１に記載の発明によれば、ヒートポンプを用いて、ボイラの排ガスから熱をくみ上げて、ボイラへの給水の加熱を有効に図ることができる。ボイラの排ガスから熱をくみ上げるヒートポンプを用いることで、比較的高温の給水も加熱することができる。

請求項１に記載の発明によれば、ヒートポンプをエコノマイザと併用し、エコノマイザよりも排ガス流の下流側で且つエコノマイザよりも給水の上流側に配置することで、より有効な熱回収を図ることができる。

さらに、請求項２に記載の発明は、前記蒸発器において、前記ヒートポンプの冷媒は、前記ボイラからの排ガス流の下流側から上流側へ流され、前記凝縮器において、前記ヒートポンプの冷媒は、前記ボイラへの給水の下流側から上流側へ流され、前記エコノマイザにおいて、前記ボイラへの給水は、前記ボイラからの排ガス流の下流側から上流側へ流されることを特徴とする請求項１に記載の排ガス熱回収装置である。

請求項２に記載の発明によれば、ヒートポンプの蒸発器では冷媒と排ガスとを対向流とし、ヒートポンプの凝縮器では冷媒と給水とを対向流とし、エコノマイザでは給水と排ガスとを対向流とすることで、一層効率よく熱回収を図ることができる。

本発明によれば、給水温度が比較的高くても、ボイラへの給水の加熱を効率よく行うことができる。

本発明の排ガス熱回収装置の実施例１の使用状態を示す概略図である。 本発明の排ガス熱回収装置の実施例２の使用状態を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明の排ガス熱回収装置は、下記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。

図１は、本発明の排ガス熱回収装置の実施例１の使用状態を示す概略図である。本実施例の排ガス熱回収装置は、ヒートポンプ１を用いてボイラ２の排ガスから熱をくみ上げて、ボイラ２への給水の加熱を図る装置である。

ボイラ２には、給水タンク３からの水が、給水路４を介して供給される。給水路４には、給水ポンプ５が設けられており、この給水ポンプ５の作動の有無により、ボイラ２への給水の有無が切り替えられる。給水タンク３は、補給水路６から適宜水が供給されて、所望水位に維持される。給水タンク３への補給水路６には純水装置または軟水装置（図示省略）が備えらており、純水または軟水が給水タンク３に供給される。

ボイラ２に供給された水は、ボイラ２で蒸気化される。ボイラ２からの蒸気は、所望により蒸気ヘッダ（図示省略）などを介して、一または複数の各種の蒸気利用機器７へ送られる。蒸気利用機器７にて生じるドレンは、スチームトラップ８を介して、ドレン回収路９により給水タンク３へ戻される。

ボイラ２では、給水を加熱して蒸気化するために燃料の燃焼がなされ、その排ガスは煙道１０を介して外部へ排出される。この煙道１０を通過する排ガスの熱を用いて、ヒートポンプ１によりボイラ２への給水の予熱を図ろうとするのが、排ガス熱回収装置である。

ヒートポンプ１は、圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４が順次環状に接続されて構成される。圧縮機１１は、冷媒を圧縮して高温高圧の気体にする。圧縮機１１からの気化冷媒は、凝縮器１２へ送られる。凝縮器１２は、圧縮機１１からの気化冷媒を凝縮液化する。凝縮器１２からの液化冷媒は、膨張弁１３へ送られる。膨張弁１３は、凝縮器１２からの液化冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器１４は、膨張弁１３からの冷媒を蒸発させる。

圧縮機１１は、電動機により駆動されてもよいが、蒸気エンジンにより駆動されてもよい。蒸気エンジンは、蒸気を用いて動力を起こす装置であり、たとえばスクリュ式蒸気エンジンとされる。蒸気エンジンは、蒸気利用機器７の一つとして、ボイラ２からの蒸気により駆動される。

凝縮器１２についてさらに詳細に説明すると、本実施例の凝縮器１２は、冷媒流路１５と水流路１６とを有する熱交換器であり、冷媒と水とを混ぜることなく熱交換する。圧縮機１１からの冷媒は、凝縮器１２の冷媒流路１５を通され、膨張弁１３へ送られる。一方、給水タンク３からの水は、凝縮器１２の水流路１６を通され、ボイラ２へ供給される。従って、給水タンク３からの水は、凝縮器１２を通過する間、冷媒から熱を奪い加熱を図られる。逆に、圧縮機１１からの冷媒は、凝縮器１２を通過する間、ボイラ２への給水で冷却を図られる。

蒸発器１４についてさらに詳細に説明すると、本実施例の蒸発器１４は、煙道１０内に設けられる冷媒流路１７であり、冷媒と排ガスとを混ぜることなく熱交換する。この際、蒸発器１４は、煙道１０の一部を構成する筒体と、この筒体内に設けられる冷媒流路１７とを、ユニットとして構成してもよい。また、煙道１０内に設けられる冷媒流路１７は、煙道１０内において適宜蛇行させるなど、従来公知の各種のエコノマイザと同様に構成できる。

ところで、ヒートポンプ１に用いる冷媒は、特に問わないが、比較的高温の給水の加熱を可能とするために、たとえばＲ−２４５ｆａを用いることが好ましい。但し、ヒートポンプ１に用いる冷媒は、このようなフロン系冷媒に限らず、水などの他の冷媒であってもよい。

以上のような構成であるから、ボイラ２からの排ガスは、煙道１０の蒸発器１４を通過した後、外部へ排出される。排ガスは、蒸発器１４を通過する間、冷媒により冷却され、体積の減少が図られる。その一方、膨張弁１３からの冷媒は、蒸発器１４を通過する間、排ガスにより温められ気化される。その後、冷媒は、圧縮機１１において高温高圧とされた状態で、凝縮器１２へ送られる。凝縮器１２では、冷媒と比べて低温の水が通されるので、ボイラ２への給水は冷媒の熱で加熱される一方、冷媒は給水により冷却されて膨張弁１３へ送られる。

このように、本実施例の排ガス熱回収装置によれば、ヒートポンプ１を用いて、排ガスから熱をくみ上げて、ボイラ２への給水の加熱を図ることができる。この際、ヒートポンプ１を介していることで、比較的高温の給水の加熱も図ることができる。すなわち、蒸気利用機器７からドレンを給水タンク３に回収する場合、ドレンを給水タンク３に回収しない場合と比べて、給水タンク３内の水は高温のドレンにより加熱され、常温を超え、場合によっては８０℃程度まで達することもある。そのような場合でも、本実施例の排ガス熱回収装置によれば、給水のさらなる加熱を実現できる。

図２は、本発明の排ガス熱回収装置の実施例２の使用状態を示す概略図である。本実施例２の排ガス熱回収装置は、基本的には前記実施例１と同様の構成である。そこで以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一に符号を付して説明する。

本実施例２の排ガス熱回収装置は、前記実施例１のヒートポンプ１に加えて、エコノマイザ１８をさらに備える。この際、ボイラ２の煙道１０には、蒸発器１４よりも排ガス流の上流側に、エコノマイザ１８を設けるのがよい。また、ボイラ２への給水は、凝縮器１２を通された後、エコノマイザ１８を通されて、ボイラ２へ供給するのがよい。ヒートポンプ１をエコノマイザ１８と併用し、エコノマイザ１８よりも排ガス流の下流側で且つエコノマイザ１８よりも給水の上流側に配置することで、より有効な熱回収を図ることができる。

本実施例２において、エコノマイザ１８は、排ガスの顕熱回収部とされ、蒸発器１４は、基本的には排ガスの潜熱回収部とされる。但し、蒸発器１４は、場合により、一部または全部が顕熱回収部とされてもよい。

また、図２では、ボイラ２の煙道１０において、エコノマイザ１８の上に蒸発器１４を設置しているが、排ガスからの凝縮水の処理を考慮して、蒸発器１４が設置される箇所の煙道１０を下向きとして、排ガスが上方から下方へ流れるように構成してもよい。これにより、蒸発器１４にて生じた凝縮水を下方へ落とすことができる。そして、蒸発器１４を通過後の排ガスは、上方へ向きを変えて外部へ排出される。

前記実施例１も同様であるが、蒸発器１４において、ヒートポンプ１の冷媒は、ボイラ２からの排ガス流の下流側から上流側へ流され、凝縮器１２において、ヒートポンプ１の冷媒は、ボイラ２への給水の下流側から上流側へ流されるよう構成するのがよい。つまり、ヒートポンプ１の蒸発器１４では冷媒と排ガスとを対向流とし、ヒートポンプ１の凝縮器１２では冷媒と給水とを対向流とするのがよい。さらに、本実施例２では、エコノマイザ１８において、ボイラ２への給水は、ボイラ２からの排ガス流の下流側から上流側へ流されるのがよい。つまり、エコノマイザ１８では給水と排ガスとを対向流とするのがよい。このように構成すれば、熱交換が効率よくなされ、熱回収効率を向上することができる。その他の構成および制御は、実施例１と同様のため、説明は省略する。

１ ヒートポンプ
２ ボイラ
３ 給水タンク
４ 給水路
７ 蒸気利用機器
９ ドレン回収路
１０ 煙道
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１８ エコノマイザ

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて構成されるヒートポンプを備え、
   前記蒸発器は、ボイラからの排ガスとの熱交換器とされ、
   前記凝縮器は、ボイラへの給水との熱交換器とされ、
   前記ボイラの煙道には、前記蒸発器が設けられると共に、前記蒸発器よりも排ガス流の上流側に、エコノマイザが設けられ、
   前記ボイラへの給水は、前記凝縮器を通された後、前記エコノマイザを通されて、前記ボイラへ供給され、
   前記エコノマイザは、排ガスの顕熱回収部とされ、前記蒸発器は、排ガスの潜熱回収部とされる
   ことを特徴とする排ガス熱回収装置。
2. 前記蒸発器において、前記ヒートポンプの冷媒は、前記ボイラからの排ガス流の下流側から上流側へ流され、
   前記凝縮器において、前記ヒートポンプの冷媒は、前記ボイラへの給水の下流側から上流側へ流され、
   前記エコノマイザにおいて、前記ボイラへの給水は、前記ボイラからの排ガス流の下流側から上流側へ流される
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス熱回収装置。

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