JP5845590B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、工場排水などから排熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

従来より、エアコンや冷蔵庫などにおいて、ヒートポンプ循環経路が設けられている。また、近年では、蒸気生成装置にもヒートポンプ循環経路が用いられている。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、工場排水など排熱を回収して蒸気を生成するものであって、燃焼系蒸気生成装置に比べて、ランニングコストが低く、ＣＯ_２の排出量を低減できるなどのメリットがある。

特許文献１には、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、蒸気生成用熱交換器、温水生成用熱交換器、膨張弁、熱回収器を介して前記圧縮機の吸入側に接続された冷媒回路を備え、熱回収器において外部熱源からの熱を回収し、蒸気生成用熱交換器で蒸気を生成し、温水生成用熱交換器で温水を生成するように構成されたヒートポンプ式蒸気・温水発生装置が開示されている。

ヒートポンプ循環経路では、圧縮機で媒体（以下、「ヒートポンプ媒体」ともいう）を圧縮して高温の過熱蒸気にするが、圧縮機に液体が混入すると、液圧縮が生じて圧縮機が損傷するおそれがある。このため、圧縮機に液体が混入しないようにすることが求められている。特許文献１では、膨張弁を絞ってヒートポンプ媒体の流量を減らすことにより圧縮機入口の温度を昇温して、圧縮機への液体の混入を抑制している。しかしながら、この方法では、ヒートポンプ媒体の流量を低減させると排熱回収器、媒体凝縮器、媒体冷却器での各交換熱量が減るためにヒートポンプとしての能力が低下するという問題点がある。

また、圧縮機入口温度を昇温する別の手段として、排熱回収器の性能を高くする方法が考えられるが、この場合は排熱回収器が大型化し、コストも高くなるという問題点があった。

また、さらに別の手段として、ヒータ等により外部から昇温する方法があるが、この場合は、ヒータ加熱にエネルギーが必要になるために、装置全体としてのエネルギー効率が低くなる問題点があった。

一方、特許文献２には、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒の放熱を行う放熱器と、前記放熱器において放熱した冷媒を減圧する膨張機構と、前記膨張機構において減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とが接続されることによって構成されており、分子式：Ｃ_３Ｈ_ｍＦ_ｎ（但し、ｍ＝１〜５、ｎ＝１〜５、かつ、ｍ＋ｎ＝６）で示され、かつ、分子構造中に二重結合を１個有する冷媒からなる単一冷媒、又は、前記冷媒を含む混合冷媒が充填された冷媒回路と、冷媒回路に設けられており、放熱器から膨張機構に送られる冷媒によって蒸発器から圧縮機に送られる冷媒を加熱する第１内部熱交換器とを備えた冷凍装置が開示されている。

特許文献２の冷凍装置によれば、第１内部熱交換器にて、放熱器から膨張機構に送られる比較的高温の冷媒を用いて蒸発器から圧縮機に送られる冷媒を加熱して、圧縮機に吸入される冷媒が湿り状態になるのを防ぐようにしている（すなわち、圧縮機に吸入される冷媒が過熱状態になるようにしている）ため、圧縮機において液圧縮が生じるおそれを少なくすることができるとされている。

特開２００７−２３２３５７号公報 特開２００９−２２２３４８号公報

特許文献２は、冷凍装置を対象としたものであって、蒸気生成装置に比べてヒートポンプから取出される温度は低い。このため、冷凍装置のヒートポンプ媒体と、ヒートポンプ式蒸気生成装置のヒートポンプ媒体とは異なる特性を有するものが用いられている。

ヒートポンプ式蒸気生成装置のヒートポンプ媒体には、より多くの熱量を取り出す必要があるため、臨界温度の高いものを用いる必要があり、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３、以下、Ｒ２４５ｆａという）、プロパンなどが用いられている。特許文献１においても、Ｒ２４５ｆａをヒートポンプ媒体として用いている。

しかしながら、図３に示すように、Ｒ２４５ｆａのＰＨ線図は過熱蒸気領域において、飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きいため、圧縮機で昇圧する際にヒートポンプ媒体が過熱蒸気領域から気液領域に移行して凝縮する可能性があった。また、ペンタンにおいても、図４のＰＨ線図に示されるように、過熱蒸気領域において飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きいため、圧縮機で昇圧する際にヒートポンプ媒体が過熱蒸気領域から気液領域に移行して凝縮する可能性があった。

したがって、本発明の目的は、ヒートポンプ媒体の圧縮機での凝縮を抑制し、長期にわたって安定して蒸気を取り出すことが可能なヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することにある。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、
外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を減圧して温度を下げる膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、水蒸気と水とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相部に設けられた蒸気取出し経路と、
前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記媒体が、ＰＨ線図の過熱蒸気領域において、飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きく、臨界温度が１５０℃以上の媒体であり、
前記ヒートポンプ循環経路に、前記媒体凝縮器から前記膨張機に向かう湿り蒸気の媒体と、前記排熱回収器から前記圧縮機に向かう湿り蒸気の媒体とを熱交換して、前記圧縮機に導入される媒体を加熱する内部熱交換器が配置されており、前記媒体凝縮器を通過した媒体は、前記内部熱交換器内で過冷却液体となり前記膨張機に導入され、前記排熱回収器を通過した媒体は、前記内部熱交換器内で過熱蒸気となり前記圧縮機に導入されることを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記媒体が、ｎ−ペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３）、１，１，１，２，２，３，３−ヘプタフルオロ−３−メトキシプロパン（Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３）から選ばれる１種であることが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の前記内部熱交換器は、前記圧縮機で前記媒体を圧縮して目的温度まで昇温する際において、該媒体が凝縮することなく目的温度まで昇温可能な温度に達するまで、前記圧縮機に導入される媒体を加熱することが好ましい。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、前記内部熱交換器から前記膨張機に向かう媒体と、前記媒体凝縮器に向かう供給水とを熱交換して、前記媒体凝縮器に向かう供給水を予備加熱する媒体冷却器が配置されていることが好ましい。

ＰＨ線図の過熱蒸気領域において、飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きい媒体は、十分に過熱されないまま圧縮機に導入されると、圧縮時に凝縮することがあったが、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ循環経路に、媒体凝縮器から膨張機に向かう媒体と、排熱回収器から圧縮機に向かう媒体とを熱交換して、圧縮機に導入される媒体を加熱する内部熱交換器を配置したことにより、圧縮機に導入される媒体が加熱され、圧縮機内部における媒体の凝縮を防止できる。このため、圧縮機の損傷を抑え、長期にわたって安定して蒸気を取り出すことができる。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の第１の実施形態の概略構成図である。 本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の第２の実施形態の概略構成図である。 Ｒ２４５ｆａのＰＨ線図である。 ペンタンのＰＨ線図である。

図１は、本発明を適用するヒートポンプ式蒸気生成装置の第１の実施形態の概略図である。

図１に示すように、このヒートポンプ式蒸気生成装置は、排熱回収器１の出口側から伸びた配管Ｌ１が、内部熱交換器１０の低温媒体部、圧縮機２、媒体凝縮器３、内部熱交換器１０の高温媒体部、膨張機５の順に経由して、排熱回収器１の入り口側に接続したヒートポンプ循環経路２０を備える。

ヒートポンプ循環経路２０では、媒体（以下、ヒートポンプ媒体という）が循環流通しており、ヒートポンプ媒体を介して外部熱源から送られてくる熱媒体（この実施形態では、熱媒体として排温水を使用している）の熱を回収するとともに、給水源から送られてくる供給水にヒートポンプ媒体の熱を伝熱して蒸気を生成するように構成されている。

ヒートポンプ媒体としては、ＰＨ線図の過熱蒸気領域において、飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きい媒体を用いる。好ましくは、Ｒ２４５ｆａ（ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３）、ｎ−ペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）、１，１，１，２，２，３，３−ヘプタフルオロ−３−メトキシプロパン（Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３、３Ｍ社製品名：「ＨＦＥ−７０００」）である。これらは、臨界温度が１５０℃以上であり、地球温暖化係数が低く、オゾン破壊係数が低いため、好ましく用いられる。

外部熱源から伸びた、排温水が流通する配管Ｌ２は、排熱回収器１を経由して系外に接続している。

給水源から伸びた、供給水が流通する配管Ｌ３は、図示していない給水ポンプ、媒体凝縮器３の順に経由して、気液分離器７の気相部に接続している。

気液分離器７は、気相部に、蒸気取出し用の開閉弁Ｖ１を介装した配管Ｌ４が設けられている。また、液相部に、系外の排水系へと伸びる開閉弁Ｖ２を介装した配管Ｌ５と、媒体凝縮器３に接続する配管Ｌ６が設けられている。

次に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の定常運転時における動作について、ヒートポンプ媒体としてＲ２４５ｆａを用いた場合を例に挙げて、熱の流れに沿って説明する。

（排温水）
工場排水系等の外部熱源から送られる排温水（この実施形態では７０℃）は、配管Ｌ２を流通し、排熱回収器１を通過して排水（この実施形態では６０℃）として系外へと送られる。
排熱回収器１では、排温水の熱を、配管Ｌ１を流通するヒートポンプ媒体に伝熱してヒートポンプ媒体を加温する。

（ヒートポンプ媒体）
排熱回収器１にて、排温水との熱交換により加温されたヒートポンプ媒体（この実施形態では６０℃の湿り蒸気）は、内部熱交換器１０の低温媒体部に送られる。そして、内部熱交換器１０の高温媒体部に送られる、媒体凝縮器３を通過したヒートポンプ媒体（この実施形態では１３０℃の湿り蒸気）との熱交換により加熱されて、圧縮機２に送られる。内部熱交換器１０では、圧縮機２でヒートポンプ媒体を圧縮して目的温度まで昇温する際において、ヒートポンプ媒体が凝縮することなく目的温度まで昇温可能な温度に達するまで加熱することが好ましい。すなわち、この実施形態では、ヒートポンプ媒体が７０℃以上の過熱蒸気になるまで行うことが好ましい。

圧縮機２では、内部熱交換器１０で加熱されたヒートポンプ媒体（この実施形態では７０℃の過熱蒸気）を所定の圧力まで圧縮して高温高圧媒体（この実施形態では１３０℃の過熱蒸気）とする。この高温高圧媒体は、媒体凝縮器３を通過して、配管Ｌ３を流通する供給水との熱交換に利用される。

媒体凝縮器３では、高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を、配管Ｌ３を流通する被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する。

媒体凝縮器３を通過したヒートポンプ媒体は、内部熱交換器１０の高温媒体部に送られ、前述したように内部熱交換器１０の低温媒体部に送られるヒートポンプ媒体との熱交換により、内部熱交換器１０の低温媒体部を流通するヒートポンプ媒体を加熱する。そして、内部熱交換器１０の高温媒体部を通過したヒートポンプ媒体（この実施形態では１２０℃の過冷却液体）は、膨張機５にて所定圧力まで膨張し、排熱回収器１に再び導入して、配管Ｌ２を流通する排温水の熱回収に用いられる。

（供給水）
給水源から図示していない給水ポンプで供給される供給水（この実施形態では２５℃）は、供給水の質量流量Ｑ１が、配管Ｌ４から取出される蒸気の質量流量Ｑ２及び配管Ｌ５からの排水流量Ｑ３との合計量（Ｑ２＋Ｑ３）となるように制御される。

次に、供給水は、配管Ｌ６から送られてくる、気液分離器７内の温水（以下、循環水という。この実施形態では１２０℃）と合流して、循環水と供給水との混合水（この実施形態では１００℃）が形成され、媒体凝縮器３に送液される。媒体凝縮器３に導入された混合水は、前述したように高温高圧媒体（ヒートポンプ媒体）の熱を回収し、温水及び蒸気の気液二相流（この実施形態では１２５℃）を生成して、気液分離器７に送られる。

気液分離器７では、温水及び蒸気の気液二相流を蒸気と温水とに分離する。そして、気液分離器７の気相部に貯留された蒸気は、外部の需要に応じて開閉弁Ｖ１を開閉し、配管Ｌ４から取出される。また、気液分離器７の液相部に貯留された温水は、配管Ｌ６を通して配管Ｌ３内を流通する供給水と混合して循環利用される。

気液分離器７の液相部に接続された配管Ｌ５に設けられた開閉弁Ｖ２は、循環水系統の塩分の濃縮防止を目的としてブローダウンするために、定期的又は一時的に開閉制御を行う。

本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置によれば、内部熱交換器１０によって、圧縮機２に送られるヒートポンプ媒体が、媒体凝縮器３を通過したヒートポンプ媒体によって加熱されるので、排熱回収器を大型化したり、ヒータ等で加熱しなくても、圧縮機２入口前のヒートポンプ媒体の温度を昇温して過熱蒸気状態にできる。このため、装置コストや運転コストを増加させることなく、圧縮機２内部におけるヒートポンプ媒体の凝縮を効果的に防止できる。

次に、本発明の図２を用いて、本発明を適用するヒートポンプ式蒸気生成装置の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態のヒートポンプ式蒸気生成装置と同一箇所は同一符号を付して、その説明を省略する。

この実施形態では、ヒートポンプ循環経路２０に、内部熱交換器１０の高温媒体部と、膨張機５との間の経路に、媒体冷却器４が配置され、媒体冷却器４にて、媒体凝縮器３に導入される供給水を予備加熱できるように構成されている。

この実施形態によれば、供給水（２５℃）が、内部熱交換器１０の高温媒体部を通過したヒートポンプ媒体（この実施形態では１２０℃の過冷却液体）によって予備加熱（この実施形態では９０℃に加熱）されるので、媒体凝縮器３において、蒸気を効率よく発生させることができる。

１：排熱回収器
２：圧縮機
３：媒体凝縮器
４：媒体冷却器
５：膨張機
７：気液分離器
１０：内部熱交換器
２０：ヒートポンプ循環経路
Ｌ１〜Ｌ６：配管
Ｖ１，Ｖ２：開閉弁

Claims (4)

1. 外部熱源から熱を回収して媒体を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した媒体を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された媒体の熱を被加熱水に伝熱して温水及び蒸気の気液二相流を生成する媒体凝縮器、及び前記媒体凝縮器を通過した媒体を減圧して温度を下げる膨張機を有するヒートポンプ循環経路と、
   前記媒体凝縮器に供給水を導入する給水経路と、
   前記媒体凝縮器で生成した、温水及び蒸気の気液二相流を、水蒸気と水とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の気相部に設けられた蒸気取出し経路と、
   前記気液分離器の液相部と前記給水経路とを接続する水循環経路とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記媒体が、ＰＨ線図の過熱蒸気領域において、飽和蒸気線の傾きよりも、等エントロピー線の傾きの方が大きく、臨界温度が１５０℃以上の媒体であり、
   前記ヒートポンプ循環経路に、前記媒体凝縮器から前記膨張機に向かう湿り蒸気の媒体と、前記排熱回収器から前記圧縮機に向かう湿り蒸気の媒体とを熱交換して、前記圧縮機に導入される媒体を加熱する内部熱交換器が配置されており、前記媒体凝縮器を通過した媒体は、前記内部熱交換器内で過冷却液体となり前記膨張機に導入され、前記排熱回収器を通過した媒体は、前記内部熱交換器内で過熱蒸気となり前記圧縮機に導入されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 前記媒体が、ｎ−ペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＣＨＦ_２ＣＨ_２ＣＦ_３）、１，１，１，２，２，３，３−ヘプタフルオロ−３−メトキシプロパン（Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３）から選ばれる１種である、請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
3. 前記内部熱交換器は、前記圧縮機で前記媒体を圧縮して目的温度まで昇温する際において、該媒体が凝縮することなく目的温度まで昇温可能な温度に達するまで、前記圧縮機に導入される媒体を加熱する、請求項１又は２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 前記内部熱交換器から前記膨張機に向かう媒体と、前記媒体凝縮器に向かう供給水とを熱交換して、前記媒体凝縮器に向かう供給水を予備加熱する媒体冷却器が配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。