JP6677063B2 - 熱回収システム - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器を用いて冷却水から温水を製造する熱回収システムに関する。
従来から、加温対象の冷却水と高温流体との間で熱交換を行って冷却水から温水を製造する熱回収システムが知られている。この種の熱回収システムを開示するものとして例えば特許文献1や特許文献2がある。特許文献1,2に開示された熱回収システムは、いずれも給油式の空気圧縮機で生じる圧縮熱の回収を目的とするものであり、潤滑油と冷却水を熱交換すると共に、圧縮空気と冷却水を熱交換することにより、冷却水から温水を製造する。特に、特許文献1は、熱回収用の熱交換器として、プレート式熱交換器を用いることを開示する。
特開2012−067743号公報 特開2012−087664号公報
ところで、前述のプレート式熱交換器には、流体の温度差を大きく取るために、伝熱プレートに沿った流体の流れを折り返す多パス設計のものが存在する。このような熱交換器では、冷却水の流れがターンする箇所(特に、上昇流から下降流に転じる箇所)に気泡が溜まりやすく、この気泡の滞留によって伝熱プレートの腐食が生じてしまい、熱交換器のパンクに繋がることがある。熱交換器内で発生する気泡は、冷却水の加熱によって水中の溶存気体が分離したものであり、気体の溶解度が温度に依存する以上は避けられないものと考えられてきた。しかしながら、熱交換器のパンクによる修理・交換費用の発生は、熱回収のメリットを相殺してしまうため、溶存気体に起因する熱交換器の腐食を効果的に抑制することが望まれていた。
本発明は、熱交換器を組み込んだ熱回収システムにおいて、溶存気体に起因する熱交換器の腐食を効果的に抑制することを目的とする。
本発明は、冷却水と高温流体との間で熱交換を行って冷却水から温水を製造する熱交換器と、前記熱交換器への冷却水が流通する冷却水ラインと、前記熱交換器からの温水が流通する温水ラインと、前記温水ラインに配置され、前記温水ラインの流路を絞ることにより前記熱交換器の内部の圧力を上昇させる圧力付与部と、を備える熱回収システムに関する。
前記熱交換器は、直列に接続された複数の熱交換器からなり、前記圧力付与部は、最も下流側に位置する前記熱交換器からの温水が流通する前記温水ラインに配置されることが好ましい。
前記熱回収システムは、前記圧力付与部として前記温水ラインに配置され、弁開度を調節可能な比例制御弁と、温水の温度を検出する温水温度検出部と、温水の圧力を検出する温水圧力検出部と、前記比例制御弁を制御する制御部と、を更に備え、前記制御部は、冷却水の溶存気体濃度を取得する溶存気体濃度取得部と、前記溶存気体濃度取得部で取得された溶存気体濃度、及び前記温水温度検出部の検出温度に基づいて、温水の溶存気体濃度が冷却水の溶存気体濃度を上回ることのできる温水の目標圧力を算出する目標圧力算出部と、前記温水圧力検出部の検出圧力が前記目標圧力となるように前記比例制御弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、を有することが好ましい。
前記熱回収システムは、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部を更に備え、前記溶存気体濃度取得部は、前記冷却水温度検出部の検出温度に基づいて、前記溶存気体濃度を取得することが好ましい。
前記弁開度調節部は、前記温水温度検出部の検出温度が予め設定された目標温度以上になるように前記比例制御弁の弁開度を調節することが好ましい。
前記圧力付与部として前記温水ラインに配置されたオリフィスを備え、前記オリフィスは、予め設定された冷却水の溶存気体濃度、及び温水の目標温度に基づいて、温水の溶存気体濃度が冷却水の溶存気体濃度を上回ることのできる温水の目標圧力となるように、圧力損失が設定されることが好ましい。
本発明によれば、熱交換器を組み込んだ熱回収システムにおいて、溶存気体に起因する熱交換器の腐食を効果的に抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る熱回収システムの構成を模式的に示す図である。 第1実施形態の制御部と圧力付与に関わる構成との電気的な接続関係を示すブロック図である。 第1実施形態の比例制御弁による圧力付与の流れを示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る熱回収システムの構成を模式的に示す図である。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る熱回収システム1の構成を模式的に示す図である。図2は、第1実施形態の制御部90と圧力付与に関わる構成との電気的な接続関係を示すブロック図である。本実施形態の熱回収システム1は、圧縮機ユニット10と、熱回収ユニット20と、ポンプユニット30とから構成されている。熱回収システム1は、圧縮機ユニット10で生じる圧縮熱を熱回収ユニット20で回収することにより冷却水W1から温水W2を製造し、この温水W2をボイラ給水として蒸気ボイラ5へ供給するものである。
〔圧縮機ユニット10〕
図1に示すように、圧縮機ユニット10は、圧縮機11と、オイルセパレータ12と、第1エアクーラ13と、第1オイルクーラ14と、制御部90と、を主要な構成要素として備える。これらの構成要素は、一つの筐体内に収められ、パッケージ化されている。
圧縮機11は、スクリュー機構、スクロール機構、ロータリー機構等の空気圧縮機構(図示省略)を有している。圧縮機11は、空気圧縮機構の駆動軸に接続されたモータ15を駆動させることにより、外気を吸入・断熱圧縮して圧縮空気A1を生成する。本実施形態の圧縮機11は、給油式であって、圧縮空気A1の生成過程で潤滑油H1を空気圧縮機構内に導入することにより、空気圧縮機構の冷却、即ち圧縮熱の除去を行う。なお、モータ15は、電気駆動モータや蒸気駆動モータ等種々の駆動方式を採用できる。
圧縮機11の吐出口には、圧縮空気A1を送出するための送気ラインL1が接続されている。送気ラインL1には、上流側から順に、オイルセパレータ12、第1エアクーラ13、及びドライヤ16が設けられている。オイルセパレータ12は、圧縮機11から吐出された圧縮空気A1に含まれる潤滑油H1の分離器である。オイルセパレータ12には、分離・回収された潤滑油H1を空気圧縮機構内に再導入するための送油ラインL2が接続されている。送油ラインL2には、上流側から順に、三方弁17、及び第1オイルクーラ14が設けられている。三方弁17の残りポートには、第1オイルクーラ14をバイパスさせて潤滑油H1を流通させるバイパスラインL3が接続されている。
第1エアクーラ13は、送気ラインL1を流通する圧縮空気A1(後述する第2エアクーラ21で熱回収された後の圧縮空気A1)を冷却するための熱交換器である。また、第1オイルクーラ14は、送油ラインL2を流通する潤滑油H1(後述する第2オイルクーラ22で熱回収された後の潤滑油H1)を冷却するための熱交換器である。第1エアクーラ13及び第1オイルクーラ14としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器を採用することができる。第1エアクーラ13及び第1オイルクーラ14には、圧縮機ユニット10の外部に設置された冷却器2から供給される冷却水W3を循環流通させるための水循環ラインL4が接続されている。冷却器2は、例えばクーリングタワーである。なお、水循環ラインL4上では、圧縮空気A1の冷却効率を高める観点から、第1エアクーラ13を第1オイルクーラ14よりも上流側に直列配置するのが好ましい。
ドライヤ16は、送気ラインL1を流通する圧縮空気A1(後述する第2エアクーラ21で熱回収され、かつ第1エアクーラ13で冷却された後の圧縮空気A1)から水分を除去する。ドライヤ16で乾燥された圧縮空気A1は、圧縮空気利用機器(図示省略)に送られる。
〔熱回収ユニット20〕
図1に示すように、熱回収ユニット20は、第2エアクーラ21と、第2オイルクーラ22と、比例制御弁23と、を主要な構成要素として備える。これらの構成要素は、一つの筐体内に収められ、パッケージ化されている。熱回収ユニット20は、圧縮機ユニット10とは別体に構成されているため、既設の圧縮機ユニット10に対しても後付けが可能である。
熱回収ユニット20は、圧縮空気A1(高温流体)及び潤滑油H1(高温流体)の熱回収を行うため、送気ラインL1及び送油ラインL2の一部を熱回収ユニット20内に組み込んでいる。具体的には、オイルセパレータ12から延びる送気ラインL1は、第1エアクーラ13に至る途中で圧縮機ユニット10の外部に引き出され、熱回収ユニット20の内部で適宜の位置に配設されたのちに、再び圧縮機ユニット10の内部に戻されている。一方、オイルセパレータ12から延びる送油ラインL2は、第1オイルクーラ14に至る途中で圧縮機ユニット10の外部に引き出され、熱回収ユニット20の内部で適宜の位置に配設されたのちに、再び圧縮機ユニット10の内部に戻されている。そして、熱回収ユニット20の内部において、送気ラインL1には、第2エアクーラ21が設けられ、送油ラインL2には、第2オイルクーラ22が設けられている。
第2エアクーラ21は、第1エアクーラ13の上流側の送気ラインL1を流通する圧縮空気A1の持つ圧縮熱を回収するための熱交換器である。また、第2オイルクーラ22は、第1オイルクーラ14の上流側の送油ラインL2を流通する潤滑油H1の持つ圧縮熱を回収するための熱交換器である。第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22としては、例えば、プレート式熱交換器を採用することができる。第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22には、冷却水W1を供給するための冷却水ラインL5が接続されている。また、第2オイルクーラ22には、温水W2を取り出すための温水ラインL6が接続されている。なお、冷却水ラインL5上では、圧縮空気A1の冷却効率を高める観点から、第2エアクーラ21を第2オイルクーラ22よりも上流側に直列配置するのが好ましい。
ここで、第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22は、いずれも冷却水W1と高温流体(圧縮空気A1又は潤滑油H1)との間で熱交換を行って冷却水W1から温水W2を製造する熱交換器40として備えられている。そして、冷却水ラインL5は、熱交換器40への冷却水W1が流通する管路であり、温水ラインL6は、熱交換器40からの温水W2が流通する管路である。
温水ラインL6には、第2オイルクーラ22側から順に、温水圧力センサ24(温水圧力検出部)、比例制御弁23、温水温度センサ25(温水温度検出部)が設けられている。温水圧力センサ24は、温水W2の圧力を検出する。温水圧力センサ24の検出圧力Pは、制御部90に送信される。温水温度センサ25は、温水W2の温度を検出する。温水温度センサ25の検出温度Tは、制御部90に送信される。比例制御弁23は、熱交換器40のうち、最も下流側に位置する第2オイルクーラ22からの温水W2が流通する温水ラインL6に配置されている。比例制御弁23は、弁開度を調節することにより温水W2の流量調節部として機能する。比例制御弁23は、制御部90と電気的に接続されており、制御部90からの指令信号によって駆動される。
〔ポンプユニット30〕
図1に示すように、ポンプユニット30は、給水ポンプ31を主要な構成要素として備える。これらの構成要素は、一つの筐体内に収められ、パッケージ化されている。ポンプユニット30は、圧縮機ユニット10とは別体に構成されているため、既設の圧縮機ユニット10に対しても後付けが可能である。
冷却水ラインL5の上流側の端部は、給水ラインL7と接続されている。ポンプユニット30は、この給水ラインL7に設けられている。ポンプユニット30の内部において、給水ラインL7には、上流側から順に、冷却水温度センサ32(冷却水温度検出部)、冷却水圧力センサ33、及び給水ポンプ31が設けられている。冷却水温度センサ32は、給水ポンプ31で加圧される前の冷却水W1の温度を検出する。冷却水温度センサ32の検出温度Tは、制御部90に送信される。冷却水圧力センサ33は、給水ポンプ31で加圧される前の冷却水W1の圧力を検出する。冷却水圧力センサ33の検出圧力Pは、制御部90に送信される。給水ポンプ31は、熱交換器40のうち、最も上流側に位置する第2エアクーラ21に向けて冷却水W1を圧送する。給水ポンプ31は制御部90と電気的に接続されており、制御部90からの指令信号によって駆動される。
本実施形態では、冷却水W1を圧送する給水ポンプ31は、制御部90によって定圧運転されている。そのため、後述するように、比例制御弁23は、温水ラインL6の経路を絞ることにより熱交換器40(第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22)の内部の圧力を上昇させる圧力付与部としても機能する。
〔蒸気ボイラ5及び付帯設備〕
ポンプユニット30の下流側の給水ラインL7には、冷却水W1を軟水化するため、硬水軟化装置3が設けられている。冷却水W1は、硬水軟化装置3で軟水化された後、熱回収ユニット20に送られる。
温水ラインL6の下流側の端部は、給水タンク4に接続されている。給水タンク4には、水位センサ41が設けられる。水位センサ41の検出水位は、制御部90に送信される。蒸気ボイラ5と給水タンク4は、ボイラ給水ラインL8によって接続される。ボイラ給水ラインL8には、給水ポンプ42及び逆止弁43が設けられている。給水タンク4に貯留されている温水W2は、給水ポンプ42の駆動により蒸気ボイラ5に送られる。蒸気ボイラ5では、ボイラ給水ラインL8を通じて送られた温水W2を加熱して蒸気を発生させる。発生した蒸気は、蒸気使用設備(図示省略)に供給される。
〔比例制御弁23の弁開度制御〕
次に、制御部90による比例制御弁23の弁開度制御について説明する。図2に示すように、本実施形態の制御部90は、目標温度設定部91と、溶存気体濃度取得部92と、目標圧力算出部93と、弁開度調節部94と、を備える。
目標温度設定部91は、温水W2の目標温度T(例えば、65℃)を設定する。目標温度Tは、予め設定されるものでもよいし、蒸気ボイラ5の負荷(水の使用量)や給水タンク4内の水位のほか、圧縮機ユニット10の運転状態に応じて設定されるものであってもよい。
溶存気体濃度取得部92は、熱交換器40の上流側の条件から冷却水W1の溶存気体濃度を算出する。水中の溶存気体濃度C及び水に対する気体溶解度Sは、冷却水W1の温度Tと圧力Pの関数fとして式(1)のように表すことができる。溶存気体濃度取得部92は、冷却水温度センサ32の検出温度T及び冷却水圧力センサ33の検出圧力Pをそれぞれ式(1)に代入し、冷却水W1の溶存気体濃度C(mgO/L)を算出する。
C=S=f(T,P) … (1)
なお、溶存気体濃度の算出対象となる気体は、空気のほか、空気の主要成分であって溶解度の温度依存性が高い酸素を例示することができる。
目標圧力算出部93は、熱交換器40から流出する温水W2から溶存気体が遊離しない(即ち、熱交換器40の内部において気泡が発生しない)条件となる温水W2の目標圧力Pを冷却水W1の溶存気体濃度C(mgO/L)、及び温水温度センサ28の検出温度Tに基づいて算出する。具体的には、温水W2から溶存気体が遊離しない条件は、冷却水W1の溶存気体濃度Cよりも、温水W2の気体溶解度S(=溶存気体濃度C)が大きくなること、即ちS>Cが成立することが条件となる。ここで、安全率α(例えば、1.05〜1.20の範囲)を置くことにより、S>Cの条件を満たす式(2)の関係が成立する。そして、式(2)で求めた温水W2の気体溶解度S、及び温水温度センサ28の検出温度Tをそれぞれ式(1)に代入すると、温水W2の溶存気体濃度Cが冷却水W1の溶存気体濃度Cを上回ることのできる温水W2の目標圧力Pが算出される。
=C×α … (2)
弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pに応じて比例制御弁23の弁開度を調節する。具体的には、弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pをフィードバック値として、検出圧力Pが目標圧力Pになるように比例制御弁23の弁開度を調節するPID制御を行う。
また、弁開度調節部94は、温水温度センサ25の検出温度Tが目標温度設定部91に設定された目標温度T以上になるように比例制御弁23の弁開度を調節する。具体的には、弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pが目標圧力Pになるように比例制御弁23の弁開度を調節した後、温水温度センサ25の検出温度Tが目標温度T以上の場合には、調節済みの弁開度を保持する。一方、弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pが目標圧力Pになるように比例制御弁23の弁開度を調節した後、温水温度センサ25の検出温度Tが目標温度T未満の場合には、温水温度センサ28の検出温度Tをフィードバック値として、検出温度Tが目標温度Tになるように比例制御弁23の弁開度を調節するPID制御を行う。温水W2の温度を目標温度Tに向かって上昇させる場合、温水W2の流量を下げるために比例制御弁23の弁開度を絞ることになるから、同時に熱交換器40の内部圧力も高められることになる。その結果、熱交換器40の内部で気泡の発生を抑制しつつ、所望温度の温水W2を製造することができる。
〔制御部90による制御フロー例〕
次に、熱交換器40の内部の圧力を目標圧力P以上に維持する制御の流れの一例について説明する。図3は、第1実施形態の比例制御弁23による圧力付与の流れを示すフローチャートである。
図3に示すように、弁開度調節部94は、目標温度設定部91により設定された目標温度Tを取得する(ステップS101)。次に、弁開度調節部94は、目標圧力算出部93により算出された温水W2の目標圧力Pを取得する(ステップS102)。前述したように、溶存気体濃度取得部92は、冷却水W1側の温度・圧力条件(冷却水温度センサ32の検出温度T及び冷却水圧力センサ33の検出圧力P)に基づいて冷却水W1の溶存気体濃度Cを算出する。また、目標圧力算出部93は、冷却水W1の溶存気体濃度Cと、温水W2側の温度条件(温水温度センサ25の検出温度T)とに基づいて温水W2の目標圧力Pを算出する。
弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pを取得し、この値が目標圧力Pになるように、比例制御弁23の弁開度を操作する圧力フィードバック制御を行う(ステップS103)。圧力フィードバック制御では、PIDアルゴリズムにより弁開度(操作量)が逐次演算され、熱交換器40の内部圧力が増減される。この際、熱交換器40では、冷却水W1の流量が増減されることで高温流体からの伝熱量が変化し、温水W2の温度が変化することになる。
弁開度調節部94は、圧力フィードバック制御の実行を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する(ステップS104)。ステップS104の処理で所定時間が経過していない場合は、ステップS103に戻って圧力フィードバック制御を継続する。一方、ステップS104の処理で所定時間が経過した場合は、ステップS105の処理に移行する。
弁開度調節部94は、温水温度センサ25の検出温度Tを取得し、この値が目標温度T未満であるか否かを判定する(ステップS105)。ステップS105の処理で検出温度Tが目標温度T以上の場合は、ステップS103に戻って圧力フィードバック制御を継続する。即ち、温水ラインL6の流路を絞ることにより、熱交換器40を構成する第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22の内部圧力を上昇させ、温水W2から溶存気体が遊離しない状態を保持する。一方、ステップS105の処理で検出温度Tが目標温度T未満の場合は、ステップS106の処理に移行する。
弁開度調節部94は、温水温度センサ25の検出温度Tを取得し、この値が目標温度Tになるように、比例制御弁23の弁開度を操作する温度フィードバック制御を行う(ステップS106)。温度フィードバック制御では、PIDアルゴリズムにより弁開度(操作量)が逐次演算され、温水W2の流量が減少される。つまり、熱交換器40では、内部圧力が高められたまま、冷却水W1の流量を減少されることで温水W2の温度が目標温度Tに向かって高められることになる。
弁開度調節部94は、温度フィードバック制御の実行を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する(ステップS107)。ステップS107の処理で所定時間が経過していない場合は、ステップS106に戻って温度フィードバック制御を継続する。一方、ステップS107の処理で所定時間が経過した場合は、ステップS108の処理に移行する。
弁開度調節部94は、温水圧力センサ24の検出圧力Pを取得し、この値が目標圧力P未満であるか否かを判定する(ステップS108)。ステップS108の処理で検出圧力Pが目標圧力P以上の場合は、ステップS106に戻って温度フィードバック制御を継続する。即ち、熱交換器40の内部で温水W2から溶存気体が遊離しない状態を保持する。一方、ステップS108の処理で検出圧力Pが目標圧力P未満の場合は、熱交換器40の内部で温水W2から溶存気体が遊離する状態になっているため、ステップS101に戻り、再びステップS103の処理で圧力フィードバック制御を実行する。
制御部90は、ステップS101からステップS108の処理中に給水停止信号を受信すると、例えば割り込み処理等により給水停止制御を行う。給水停止信号としては、例えば、水位センサ41によって上限設定水位に達したことを示す水位検出信号を用いることができる。給水停止制御では、給水ポンプ31の停止及び比例制御弁23を全閉状態にする処理を行う。一方、制御部90は、給水停止中に給水開始信号を受信すると、給水開始制御を行う。給水開始信号としては、例えば、水位センサ41によって下限設定水位に達したことを示す水位検出信号を用いることができる。給水開始後のステップS102では、直近に算出された目標圧力Pの値(例えば、給水停止直前の値)を用いるのが好ましい。直近に算出された目標圧力Pの値を用いることにより、熱交換器40の内部圧力を速やかに高めることができる。
以上説明した第1実施形態の熱回収システム1によれば、以下のような効果を奏する。
即ち、熱回収システム1は、冷却水W1と高温流体(圧縮空気A1、潤滑油H1)との間で熱交換を行って冷却水W1から温水W2を製造する熱交換器40と、熱交換器40への冷却水W1が流通する冷却水ラインL5と、熱交換器40からの温水W2が流通する温水ラインL6と、温水ラインL6に配置され、温水ラインL6の流路を絞ることにより熱交換器40(第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22)の内部の圧力を上昇させる圧力付与部としての比例制御弁23と、を備える。
これにより、比例制御弁23によって熱交換器40の下流側の流路を狭めて圧力損失を大きくすることにより、熱交換器40(第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22)の内部圧力を上昇させて熱交換器40の内部を流通する水の気体溶解度Sを下げることができる。従って、冷却水W1の加熱によって水中の溶存気体が分離して気泡が生じる事態を効果的に抑制し、溶存気体に起因する熱交換器40の腐食を防止できる。熱交換器40の内部構造を変更する必要がなく、既存設備への適用も容易である。
また、本実施形態の熱交換器40は、直列に接続された第2エアクーラ21と第2オイルクーラ22からなり、比例制御弁23は、最も下流側に位置する第2オイルクーラ22からの温水W2が流通する温水ラインL6に配置される。
これにより、最も下流側に位置する第2オイルクーラ22の下流側に圧力付与部としての比例制御弁23が配置されることになるので、第2オイルクーラ22の内部圧力を上昇させるだけでなく、第2オイルクーラ22の上流側にある第2エアクーラ21の内部圧力を上昇させることができる。即ち、圧力付与部として一つの比例制御弁23を配置することによって第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22(複数の熱交換器)の溶存気体に起因する内部配管の腐食を防止できる。
また、本実施形態の熱回収システム1は、弁開度を調節可能な比例制御弁23と、温水W2の温度を検出する温水温度センサ25と、温水W2の圧力を検出する温水圧力センサ24と、圧力付与部としての比例制御弁23を制御する制御部90と、を備える。制御部90は、冷却水W1の溶存気体濃度C(気体溶解度S)を取得する溶存気体濃度取得部92と、溶存気体濃度取得部92で取得された溶存気体濃度C、及び温水温度センサ25の検出温度Tに基づいて、温水W2の溶存気体濃度C(気体溶解度S)が冷却水W1の溶存気体濃度Cを上回ることのできる温水W2の目標圧力Pを算出する目標圧力算出部93と、温水圧力センサ24の検出圧力Pが目標圧力Pとなるように比例制御弁23の弁開度を調節する弁開度調節部94と、を有する。
これにより、温水W2から溶存気体が遊離しない条件として設定される目標圧力P以上になるように熱交換器40内部の圧力が保持されるので、熱交換器40の内部での気泡の発生をより一層確実に抑制できる。本実施形態では、出湯温度のフィードバック制御に用いられる比例制御弁23を利用しているので、温度フィードバック制御を行う機器を備える従来の熱回収システムにも容易に適用することができる。
熱回収システム1は、冷却水W1の温度を検出する冷却水温度センサ32を更に備え、溶存気体濃度取得部92は、冷却水温度センサ32の検出温度に基づいて、溶存気体濃度Cを取得する。
これにより、冷却水温度センサ32の検出温度Tに基づいて溶存気体濃度Cが算出されるので、目標圧力Pの算出に実際の冷却水W1の温度を反映することができ、目標圧力Pに基づいた熱交換器40内部の圧力上昇制御をより正確に行うことができる。
弁開度調節部94は、温水温度センサ25の検出温度Tが予め設定された目標温度T以上になるように比例制御弁23の弁開度を調節する。
これにより、温水W2から溶存気体が遊離しない状態を維持しつつ、所望温度の温水W2を製造することができる。
以上説明した第1実施形態の熱回収システム1の構成は、事情に応じて適宜変更することができる。例えば、第1実施形態では、温度センサや圧力センサを用いて間接的に溶存気体濃度を算出しているが、溶存酸素濃度センサ(DO計)を用いて直接的に冷却水W1又は温水W2又はこれら両方の溶存酸素濃度を測定して取得する構成としてもよい。
また、上記第1実施形態では、冷却水圧力センサ33の検出圧力Pに基づいて溶存気体濃度を算出しているが、冷却水W1の圧力を大気圧(1atm)とみなして溶存気体濃度を算出する構成としてもよい。例えば、給水ラインL7が接続される水源(図示省略)で冷却水W1がタンク受けされており、該タンクに接続される配管が密閉配管で大気圧下での飽和濃度とみなせる場合等である。また、冷却水W1の温度を季節や時間帯に応じた固定値(例えば、常温20℃)として溶存気体濃度Cを算出する構成としてもよい。また、溶存気体濃度Cを一定の値(例えば、1atm,20℃の条件下で8.84mg/Lの溶存酸素濃度)として目標圧力Pの算出を行ってもよい。また、熱交換器40(第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22)での圧力損失は小さいので、熱交換器40の二次側圧力≒一次側圧力とみなすこともできる。これを利用して冷却水ラインL5における給水ポンプ31と熱交換器40の間に圧力センサを配置し、この圧力センサの検出圧力を温水W2の圧力とみなして目標圧力Pと検出圧力Pの比較を行う構成としてもよい。また、図3を参照して説明した制御の流れは一例であり、処理の順番を入れ替えたり、並行処理を行ったりする等、制御方法は事情に応じて適宜変更することができる。
<第2実施形態>
第1実施形態では、圧力付与部として比例制御弁23を用いる構成を例に本発明を説明したが、圧力付与部に比例制御弁23以外のものを用いることもできる。次に、圧力付与部に比例制御弁23以外のものを用いた熱回収システムの例として第2実施形態について説明する。図4は、本発明の第2実施形態に係る熱回収システム201の構成を模式的に示す図である。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。
図4に示す熱回収システム201は、第1実施形態で熱交換器40の内部の圧力を上昇させた比例制御弁23に替わり、オリフィス223を用いた点が第1実施形態と異なっている。また、冷却水温度センサ32及び冷却水圧力センサ33が第1実施形態の構成から省略されている。
オリフィス223は、圧力付与部であり、温水ラインL6に配置される。本実施形態のオリフィス223は、熱交換器40のうち最も下流側に位置する第2オイルクーラ22の下流側に配置される。第2実施形態のオリフィス223は、温水ラインL6の流路を絞ることによって熱交換器40(第2エアクーラ21及び第2オイルクーラ22)の内部圧力を上昇させるように構成される。オリフィス223に設定される圧力損失は、熱回収システム201の装置構成、配管構成及び使用環境等の使用条件に基づいて温水W2に対して目標圧力Pを付与するように設定される。
即ち、第2実施形態の熱回収システム201は、圧力付与部として温水ラインL6に配置されたオリフィス223を備え、オリフィス223は、予め設定された冷却水W1の溶存気体濃度C(気体溶解度S)、及び温水W2の目標温度Tに基づいて、温水W2の溶存気体濃度C(気体溶解度S)が冷却水W1の溶存気体濃度Cを上回ることのできる温水W2の目標圧力Pとなるように、圧力損失が設定される。
これにより、使用条件等に基づいて圧力損失が設定されたオリフィス223により、温水W2から溶存気体が遊離しない条件である目標圧力P以上になるよう熱交換器40の内部の圧力が保持されるので、溶存気体に起因する熱交換器の腐食を確実に防止できる。熱交換器40の構成を変更することなく腐食防止を実現できるので従来の設備にも容易に適用でき、熱交換器のパンクによる修理・交換費用の発生を抑制して熱回収システムの安定的な運用を実現できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
上記第2実施形態では圧力付与部としてオリフィス223を用いたが、オリフィス223に替えて温水ラインL6の配管距離を長くしたり、流路の径を細くしたりする等して圧力損失を生じさせ、熱交換器40の内部の圧力を上昇させる構成としてもよい。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態では、熱を回収する対象の高温流体として圧縮空気及び潤滑油を用いるものを例として説明したが、この構成に限定されるわけではなく、単独の熱交換器で熱回収を行う構成や圧縮空気又は潤滑油以外のガス媒体を高温流体として用いる構成に変更することができる。このように、本発明は、冷却水と高温流体との間で熱交換を行って冷却水から温水を製造する熱交換器を用いる種々の熱回収システムに適用することができる。
1 熱回収システム
21 第2エアクーラ(熱交換器)
22 第2オイルクーラ(熱交換器)
23 比例制御弁(圧力付与部)
24 温水圧力センサ(温水圧力検出部)
25 温水温度センサ(温水温度検出部)
32 冷却水温度センサ(冷却水温度検出部)
33 冷却水圧力センサ(冷却水温度検出部)
40 熱交換器
90 制御部
91 目標温度設定部
92 溶存気体濃度取得部
93 目標圧力算出部
94 弁開度調節部
201 熱回収システム
223 オリフィス(圧力付与部)
L5 冷却水ライン
L6 温水ライン

Claims (6)

  1. 冷却水と高温流体との間で熱交換を行って冷却水から温水を製造する熱交換器と、
    前記熱交換器への冷却水が流通する冷却水ラインと、
    前記熱交換器からの温水が流通する温水ラインと、
    前記温水ラインに配置され、前記温水ラインの流路を絞ることにより前記熱交換器の内部の圧力を上昇させる圧力付与部と、
    を備える熱回収システム。
  2. 前記熱交換器は、直列に接続された複数の熱交換器からなり、
    前記圧力付与部は、最も下流側に位置する前記熱交換器からの温水が流通する前記温水ラインに配置される請求項1に記載の熱回収システム。
  3. 前記圧力付与部として前記温水ラインに配置され、弁開度を調節可能な比例制御弁と、
    温水の温度を検出する温水温度検出部と、
    温水の圧力を検出する温水圧力検出部と、
    前記比例制御弁を制御する制御部と、を更に備え、
    前記制御部は、
    冷却水の溶存気体濃度を取得する溶存気体濃度取得部と、
    前記溶存気体濃度取得部で取得された溶存気体濃度、及び前記温水温度検出部の検出温度に基づいて、温水の溶存気体濃度が冷却水の溶存気体濃度を上回ることのできる温水の目標圧力を算出する目標圧力算出部と、
    前記温水圧力検出部の検出圧力が前記目標圧力となるように前記比例制御弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、を有する請求項1又は2に記載の熱回収システム。
  4. 冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部を更に備え、
    前記溶存気体濃度取得部は、
    前記冷却水温度検出部の検出温度に基づいて、前記溶存気体濃度を取得する請求項3に記載の熱回収システム。
  5. 前記弁開度調節部は、
    前記温水温度検出部の検出温度が予め設定された目標温度以上になるように前記比例制御弁の弁開度を調節する
    請求項3又は4に記載の熱回収システム。
  6. 前記圧力付与部として前記温水ラインに配置されたオリフィスを備え、
    前記オリフィスは、
    予め設定された冷却水の溶存気体濃度、及び温水の目標温度に基づいて、温水の溶存気体濃度が冷却水の溶存気体濃度を上回ることのできる温水の目標圧力となるように、圧力損失が設定される請求項1又は2に記載の熱回収システム。
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