KR20140023273A - 증기 발생 시스템 - Google Patents

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KR20140023273A
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compressor
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KR1020137021376A
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마사요시 카나마루
아키노리 카와카미
미카 타사카
아키오 모리타
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미우라고교 가부시키카이샤
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Abstract

히트 펌프로 끌어올리는 온도차를 저감시켜서 효율이 좋은 증기 발생 시스템을 제공한다. 제 1 히트 펌프(2)는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)를 갖는다. 제 2 히트 펌프(3)는 상기 제 1 증발기(7)를 겸하는 최상단의 응축기(10)를 통해서 제 1 히트 펌프(2)와 접속된다. 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에 열원 유체가 순서대로 통과되고, 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킨다.

Description

증기 발생 시스템{STEAM GENERATION SYSTEM}
본 발명은 히트 펌프를 이용하여 증기를 발생시키는 증기 발생 시스템에 관한 것이다. 본원은 2011년 3월 31일에 일본에 출원된 특허출원 2011-079370호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 하기 특허문헌 1에 개시되는 바와 같이 증발기에 있어서 배온수 등으로부터 열을 끌어올리고, 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시키는 히트 펌프가 알려져 있다.
또한, 하기 특허문헌 2에 개시되는 바와 같이 히트 펌프를 상하 복수단으로 구성하고, 상하의 히트 펌프를 접속하는 열교환기(하단 히트 펌프의 응축기이며, 또한 상단 히트 펌프의 증발기이기도 함)를 통과시켜서 급수를 가열하고, 최상단의 히트 펌프의 응축기로부터 증기를 인출하는 시스템도 제안되어 있다.
또한, 하기 특허문헌 3에 개시되는 바와 같이 히트 펌프를 좌우 병렬로 설치하고, 각 히트 펌프의 응축기에 물을 순서대로 통과시켜서 고온수를 얻는 장치도 제안되어 있다.
일본 특허 공개 소 58-40451호 공보(도 2) 일본 특허 공개 2006-348876호 공보(도 1, 도 2) 일본 실용신안 공개 소 60-23669호 공보(도 2)
그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 발명과 같이 단단(單段)의 히트 펌프를 사용하는 것만으로는 열을 끌어올리는 온도차, 즉 증발기측과 응축기측의 온도차가 커서 히트 펌프의 효율이 나쁘다.
또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 발명과 같이, 히트 펌프를 단순히 상하 복수단으로 설치해도 최하단의 증발기로부터만 열을 끌어올리는 것에서는 상기 특허문헌 1에 기재된 발명과 마찬가지로 히트 펌프 전체로 보았을 경우의 끌어올리는 온도차가 커서 히트 펌프의 효율 향상에 한계가 있다.
또한, 상기 특허문헌 3에 기재된 발명과 같이, 히트 펌프를 좌우 병렬로 설치해도 좌우의 히트 펌프가 동일 구성이며, 최하단의 증발기로부터만 열을 끌어올리는 것에서는 상기 특허문헌 2에 기재된 발명과 마찬가지로 끌어올리는 온도차가 커서 히트 펌프의 효율 향상에 한계가 있다.
또한, 열원 유체가 온수나 배기 가스 등이며, 히트 펌프에 열(현열)을 주면서 자신은 온도 저하를 수반하는 경우, 좌우 동일 구성이며 병렬로 설치된 히트 펌프에 열원 유체를 통과시키는 것만으로는 하류측의 히트 펌프에서는 열원 유체의 온도가 저하되어버리므로 이것을 고려할 필요도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시스템 전체로 보았을 경우에 있어서의 끌어올림 온도차를 저감시키고, 그것에 의해 시스템의 효율 향상을 도모하는 것에 있다. 또한, 열원 유체가 히트 펌프에 현열을 줄 경우, 그것에 수반되는 온도 저하에도 대응할 수 있는 증기 발생 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 청구항 1에 기재된 발명은 단단 또는 복수단으로 구성되고 적어도 최하단에 제 1 증발기와 제 2 증발기를 갖는 제 1 히트 펌프와, 단단 또는 복수단으로 구성되고 상기 최하단의 제 1 증발기를 겸하는 최상단의 응축기를 통해서 상기 제 1 히트 펌프와 접속되는 제 2 히트 펌프를 구비하고, 상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 열원 유체가 순서대로 통과되고, 상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템이다.
청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기로부터 열을 끌어올려서 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 증기를 발생시킬 수 있다. 이때, 열원 유체는 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기를 통과한 후, 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 통과된다. 이에 따라, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기에 있어서 열원 유체가 냉각된 만큼을 제 2 히트 펌프가 커버하여 제 2 증발기를 통과한 후의 열원 유체로부터도 다시 열을 끌어올릴 수 있다. 또한, 제 1 히트 펌프에서는 끌어올리는 온도차를 저감시킬 수 있고, 그만큼 압축기의 전력을 적게 할 수 있어서 증기 발생 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명은 상기 제 2 히트 펌프는 단단의 히트 펌프로 구성되고, 상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 순서대로 통과되는 열원 유체로부터 열을 끌어올리고, 상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 단단 또는 복수단의 제 1 히트 펌프와 단단의 제 2 히트 펌프를 구비하고, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 열원 유체를 순서대로 통과시켜서 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 증기를 발생시킬 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프는 복수단의 히트 펌프로 구성되고, 그 중의 일부 또는 전부의 히트 펌프는 증발기로서 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 구비하고, 상기 각 제 1 증발기는 인접하는 상하의 히트 펌프끼리를 접속하고, 열원 유체는 상단의 히트 펌프부터 순차적으로 하단의 히트 펌프에 상기 각 제 2 증발기를 순서대로 통과하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 증기 발생 시스템 전체로 보면 3단 이상의 히트 펌프로 구성되게 된다. 그리고, 열원 유체는 상단의 히트 펌프부터 순차적으로 하단의 히트 펌프로 제 1 히트 펌프의 각 제 2 증발기를 순서대로 통과한 후, 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 통과되어 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킬 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프를 구성하는 각 단의 히트 펌프는 증발기로서 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 열원 유체는 제 1 히트 펌프의 각 단의 제 2 증발기를 통과한 후 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 통과되어, 간이한 구성으로 효율적으로 열을 끌어올려서 증기를 발생시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프를 구성하는 단단 또는 복수단의 히트 펌프 중, 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 갖는 단의 히트 펌프는 그 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매 유로에 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기가 직렬 또는 병렬로 설치되거나, 응축기로부터 압축기로의 냉매 유로에 제 1 팽창 밸브 및 상기 제 1 증발기와, 제 2 팽창 밸브 및 상기 제 2 증발기가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼4 중 어느 1항에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 제 1 증발기와 제 2 증발기를 직렬 또는 병렬로 설치하거나, 제 1 팽창 밸브 및 제 1 증발기와, 제 2 팽창 밸브 및 제 2 증발기를 병렬로 설치하고, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기로부터 열을 끌어올려서 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 증기를 발생시킬 수 있다.
청구항 6에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프는 다음의 (a)∼(c) 중 어느 하나의 관계로 접속되는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼5 중 어느 1항에 기재된 증기 발생 시스템이다.
(a) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기를 구비하고, 이 간접 열교환기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
(b) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
(c) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환함과 아울러, 이 양쪽 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 응축기로부터 팽창 밸브를 통하지 않고 상기 제 2 히트 펌프의 팽창 밸브에 공급되는 냉매를 섞지 않고 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 제 1 히트 펌프와 제 2 히트 펌프를 간접 열교환기 또는 중간 냉각기로 접속하여 증기 발생 시스템을 구성할 수 있다.
청구항 7에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프 및/또는 상기 제 2 히트 펌프는 복수단일 경우, 인접하는 단의 히트 펌프끼리가 다음의 (a)∼(c) 중 어느 하나의 관계로 접속되는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼6 중 어느 1항에 기재된 증기 발생 시스템이다.
(a) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기를 구비하고, 이 간접 열교환기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
(b) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
(c) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환함과 아울러, 이 양쪽 냉매와 상단 히트 펌프의 응축기로부터 팽창 밸브를 통하지 않고 하단 히트 펌프의 팽창 밸브에 공급되는 냉매를 섞지 않고 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 제 1 히트 펌프 및/또는 제 2 히트 펌프를 복수단으로 구성할 수 있고, 인접하는 단의 히트 펌프끼리를 간접 열교환기 또는 중간 냉각기로 접속하여 증기 발생 시스템을 구성할 수 있다.
청구항 8에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 청구항 6의 (b)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매는 상기 중간 냉각기에 공급하는 것 대신에 또는 그것에 추가하여, 상기 중간 냉각기로부터 압축기로의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매를 중간 냉각기에 넣는 것을 억제함으로써 중간 냉각기를 구성하는 열교환기를 작게 구성할 수 있다. 또한, 제 2 히트 펌프의 압축기의 윤활유가 중간 냉각기에 고이는 것을 방지할 수 있음과 아울러 제 1 히트 펌프의 압축기의 기름 떨어짐을 방지할 수 있다.
청구항 9에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 청구항 6의 (c)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매는 상기 중간 냉각기에 공급하는 것 대신에 또는 그것에 추가하여, 상기 제 1 히트 펌프의 중간 냉각기로부터 압축기로의 냉매 유로, 또는 팽창 밸브로부터 중간 냉각기 또는 압축기로의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 9에 기재된 발명에 의하면, 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매를 중간 냉각기에 넣는 것을 억제함으로써 중간 냉각기를 구성하는 열교환기를 작게 구성할 수 있다.
청구항 10에 기재된 발명은 상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 청구항 6의 (c)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 기액 분리하는 세퍼레이터를 구비하고, 이 세퍼레이터에 의해 분리된 기상분을 상기 제 2 증발기로부터 압축기까지의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 10에 기재된 발명에 의하면, 세퍼레이터를 설치하여 기상분을 중간 냉각기 및/또는 제 2 증발기에 들어가지 않는 구성으로 함으로써 이들을 구성하는 열교환기를 작게 구성할 수 있다.
청구항 11에 기재된 발명은 다음의 (a)∼(d) 중 어느 하나 이상의 서브 열교환기를 구비하고, 상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기와 제 1 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 1 서브 열교환기로의 물이나 증기의 유통 순서에 대해서, 상기 제 1 서브 열교환기가 설치될 경우에는 이 제 1 서브 열교환기가 앞이 되도록 설정되고, 상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 제 4 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기와, 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기와, 제 2 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 2 서브 열교환기로의 열원 유체의 유통 순서에 대해서 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기가 뒤가 되도록 설정되고, 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기와, 제 3 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 3 서브 열교환기와, 상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와, 제 4 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기로의 냉매의 유통 순서에 대해서 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기를 상기 제 3 서브 열교환기 및 상기 제 4 서브 열교환기보다 앞이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼10 중 어느 1항에 기재된 증기 발생 시스템이다.
(a) 상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기로부터 팽창 밸브로의 냉매와 물의 제 1 서브 열교환기.
(b) 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기로부터 압축기로의 냉매와 열원 유체의 제 2 서브 열교환기.
(c) 상기 제 1 증발기가 간접 열교환기인 경우에 있어서, 상기 제 1 히트 펌프의 최하단의 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매와, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터 제 1 증발기로의 냉매의 제 3 서브 열교환기.
(d) 상기 제 1 히트 펌프의 최하단의 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매와 열원 유체의 제 4 서브 열교환기.
청구항 11에 기재된 발명에 의하면, 제 1 서브 열교환기를 냉매의 과냉각기로 하거나, 제 2 서브 열교환기를 냉매의 과열기로 하거나, 제 4 서브 열교환기를 냉매의 과열기로 하거나, 또한 제 3 서브 열교환기를 적당하게 설치하거나 해서 증기 발생 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 청구항 12에 기재된 발명은 상기 열원 유체는 증기 사용 설비로부터의 드레인(drain)이 되는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼11 중 어느 1항에 기재된 증기 발생 시스템이다.
청구항 12에 기재된 발명에 의하면, 증기 사용 설비로부터의 드레인으로부터 열회수하여 증기를 발생시킬 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 시스템 전체로 보았을 경우에 있어서의 끌어올림 온도차를 저감시키고, 그것에 의해 시스템의 효율 향상을 도모할 수 있다. 또한, 열원 유체가 히트 펌프에 현열을 줄 경우, 그것에 수반되는 온도 저하에도 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 1을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제 4 서브 열교환기와, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와, 제 2 서브 열교환기와, 제 2 히트 펌프의 증발기로의 열원 유체의 유통 순서를 나타내는 도면이다.
도 3은 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기와, 제 3 서브 열교환기와, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와, 제 4 서브 열교환기로의 제 1 히트 펌프의 냉매의 유통 순서를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 증기 발생 시스템과 종래 공지의 2단 히트 펌프의 성적계수를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 증기 발생 시스템과 종래 공지의 2단 히트 펌프의 상하 각 단의 압축기 흡입 체적 유량을 비교한 그래프이다.
도 6a는 이상 사이클의 T-S선도이다.
도 6b는 종래 공지의 단단의 히트 펌프[역카르노 사이클(converse Carnot's cycle)]의 T-S선도이다.
도 7은 본 실시예의 증기 발생 시스템의 T-S선도이다.
도 8은 도 7에 있어서, 히트 펌프의 단수를 늘렸을 경우를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 2를 나타내는 개략도이다.
도 10은 실시예 2의 증기 발생 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 3을 나타내는 개략도이다.
도 12는 실시예 3의 증기 발생 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 4를 나타내는 개략도이다.
도 14는 실시예 4에 있어서, 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기와 제 3 서브 열교환기로의 제 1 히트 펌프의 냉매의 유통 순서를 나타냄과 아울러, 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 제 4 서브 열교환기로의 제 1 히트 펌프의 냉매의 유통 순서를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 5를 나타내는 개략도이다.
도 16은 실시예 5의 증기 발생 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
도 17은 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 6을 나타내는 개략도이다.
도 18은 실시예 6의 증기 발생 시스템의 변형예 1을 나타내는 개략도이다.
도 19는 실시예 6의 증기 발생 시스템의 변형예 2를 나타내는 개략도이다.
도 20은 제 1 세퍼레이터와, 제 2 세퍼레이터와, 제 3 세퍼레이터의 설치의 조합을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 7을 나타내는 개략도이다.
도 22는 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 8을 나타내는 개략도이다.
도 23은 실시예 8의 증기 발생 시스템의 변형예 1을 나타내는 개략도이다.
도 24는 실시예 8의 증기 발생 시스템의 변형예 2를 나타내는 개략도이다.
도 25는 본 발명의 증기 발생 시스템의 실시예 9를 나타내는 개략도이다.
도 26은 실시예 9의 증기 발생 시스템의 변형예 1을 나타내는 개략도이다.
도 27은 실시예 9의 증기 발생 시스템의 변형예 2를 나타내는 개략도이다.
도 28은 제 1 세퍼레이터와 제 2 세퍼레이터의 설치의 조합을 나타내는 도면이다.
도 29a는 3단 이상의 히트 펌프로 구성한 본 발명의 증기 발생 시스템의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 29b는 제 1 히트 펌프를 단단, 제 2 히트 펌프를 2단으로 했을 경우의 T-S선도이다.
도 29c는 복수단의 제 1 히트 펌프의 각 단에 제 1 증발기와 제 2 증발기를 설치하고, 제 2 히트 펌프를 단단으로 했을 경우의 T-S선도이다.
도 30은 실시예 1의 증기 발생 시스템을 사용한 증기 시스템의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 31은 도 30의 증기 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 증기 발생 시스템은 복수단의 히트 펌프를 구비하고, 최하단을 제외한 각 단의 히트 펌프 중 일부 또는 전부의 히트 펌프는 증발기로서 제 1 증발기와 제 2 증발기를 구비하고, 각 제 1 증발기는 인접하는 상하의 히트 펌프끼리를 접속한다. 그리고, 상단의 히트 펌프부터 순차적으로 하단의 히트 펌프에 각 제 2 증발기를 열원 유체가 순서대로 통과하고, 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킨다.
이하, 본 발명의 구체적 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 1을 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)은 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)를 구비한다.
제 1 히트 펌프(2)는 증기 압축식의 히트 펌프이며, 본 실시예에서는 단단의 히트 펌프로 구성된다. 구체적으로는, 제 1 히트 펌프(2)는 압축기(4), 응축기(5), 팽창 밸브(6) 및 증발기(7, 8)가 순차적으로 환상으로 접속되어서 구성된다. 여기에서, 제 1 히트 펌프(2)는 증발기로서 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)의 2개의 증발기를 구비하고, 이들 증발기(7, 8)는 본 실시예에서는 직렬로 접속되어 있다. 즉, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)를 순서대로(또는 후술하는 바와 같이 반대로) 통과한 후, 압축기(4)로 이송된다.
그리고, 압축기(4)는 가스 냉매를 압축해서 고온 고압으로 한다. 또한, 응축기(5)는 압축기(4)로부터의 가스 냉매를 응축 액화한다. 또한, 팽창 밸브(6)는 응축기(5)로부터의 액 냉매를 통과시킴으로써 냉매의 압력과 온도를 저하시킨다. 그리고, 증발기(7, 8)는 팽창 밸브(6)로부터의 냉매의 증발을 도모한다.
따라서, 제 1 히트 펌프(2)는 증발기(7, 8)에 있어서 냉매가 외부로부터 열을 빼앗아서 기화되는 한편, 응축기(5)에 있어서 냉매가 외부로 방열되어서 응축되게 된다. 이것을 이용하여, 제 1 히트 펌프(2)는 증발기(7, 8)에 있어서 열원 유체 등으로부터 열을 끌어올리고, 응축기(5)에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킨다.
열원 유체[각 히트 펌프(2, 3)의 열원]는 특별하게 상관없지만, 각 히트 펌프(2, 3)에 현열을 주는 것, 즉 각 히트 펌프(2, 3)에 열을 주면서 자신은 온도 저하를 수반하는 유체가 바람직하게 사용된다. 예를 들면, 증기 사용 설비로부터의 드레인이나, 보일러 등으로부터의 배기 가스가 사용된다.
또한, 히트 펌프(2)의 회로에는 소망에 의해 압축기(4)의 출구측에 기름 분리기를 설치하거나, 응축기(5)의 출구측에 수액기를 설치하거나, 압축기(4)의 입구측에 어큐물레이터를 설치하거나, 응축기(5)로부터 팽창 밸브(6)로의 냉매와 증발기(7, 8)로부터 압축기(4)로의 냉매를 섞지 않고 열교환하는 액 가스 열교환기를 설치하거나 해도 좋다. 이것은 제 1 히트 펌프(2)에 한하지 않고, 제 2 히트 펌프(3)에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 제 1 히트 펌프(2)나 제 2 히트 펌프(3)가 복수단일 경우에는 그것을 구성하는 각 단의 히트 펌프에 대해서도 마찬가지이다.
제 2 히트 펌프(3)는 증기 압축식의 히트 펌프이며, 본 실시예에서는 단단의 히트 펌프로 구성된다. 제 2 히트 펌프(3)는 기본적으로는 상술한 제 1 히트 펌프(2)와 마찬가지의 구성이다. 즉, 제 2 히트 펌프(3)는 압축기(9), 응축기(10), 팽창 밸브(11) 및 증발기(12)가 순차적으로 환상으로 접속되어서 구성된다. 단, 제 2 히트 펌프(3)는 제 1 히트 펌프(2)와 같이 2종류의 증발기를 구비할 필요는 없다. 그리고, 제 2 히트 펌프(3)는 증발기(12)에 있어서 열원 유체로부터 열을 끌어올리고, 응축기(10)에 있어서 제 1 히트 펌프(2)의 냉매를 가열해서 자신은 응축을 도모한다.
제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)는 다음과 같이 해서 접속된다. 즉, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기(13)를 구비하고, 이 간접 열교환기(13)가 제 2 히트 펌프(3)의 응축기(10)임과 아울러 제 1 히트 펌프(2)의 제 1 증발기(7)로 된다. 또한, 각 히트 펌프(2, 3)의 냉매는 동일해도 좋고, 다르게 해도 좋다. 또한, 사용하는 냉매는 특별히 상관없지만, 탄소수가 4 이상인 하이드로플루오로카본(HFC)(예를 들면, R-365mfc) 또는 이것에 물 및/또는 소화액을 첨가한 것, 알콜[예를 들면, 에틸알콜, 메틸알콜 또는 트리플루오로에탄올(TFE)] 또는 이것에 물 및/또는 소화액을 첨가한 것, 또는 물(예를 들면, 순수 또는 연수)이 바람직하게 사용된다.
상세한 것은 후술하지만, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에는 열원 유체가 통과된다. 따라서, 증기 발생 시스템(1)은 이들 증발기(8, 12)에 있어서 열원 유체로부터 열을 끌어올리고, 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킨다.
증기 발생 시스템(1)에는 이하에 서술하는 각종 서브 열교환기(14∼17) 중 어느 하나 이상의 서브 열교환기를 설치해도 좋다.
(a) 제 1 서브 열교환기(14)는 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터 팽창 밸브(6)로의 냉매와 물의 간접 열교환기이며, 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 과냉각기로서 기능한다.
(b) 제 2 서브 열교환기(15)는 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)로부터 압축기(9)로의 냉매와 열원 유체의 간접 열교환기이며, 제 2 히트 펌프(3)의 냉매의 과열기로서 기능한다.
(c) 제 3 서브 열교환기(16)는 제 1 증발기(7)가 간접 열교환기(13)인 경우에 있어서, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 압축기(4)로의 냉매와, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터 제 1 증발기(7)로의 냉매의 간접 열교환기이며, 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 과열기로서 기능한다.
(d) 제 4 서브 열교환기(17)는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 압축기(4)로의 냉매와 열원 유체의 간접 열교환기이며, 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 과열기로서 기능한다.
이어서, 물이나 증기의 유통 경로에 대하여 설명한다.
제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)와 소망에 의해 설치되는 제 1 서브 열교환기(14)는 물이 공급되어서 증기가 도출된다. 이 물이나 증기의 유통 순서에 대해서, 제 1 서브 열교환기(14)가 설치되는 경우에는 이 제 1 서브 열교환기(14)를 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)보다 앞이 되도록 설정한다. 그리고, 통상 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터 포화 증기를 도출한다. 또한, 각 히트 펌프(2, 3)의 응축기(5, 10)는 도시예에서는 각각 하나씩 설치하고 있지만, 직렬 또는 병렬로 복수의 열교환기로 구성해도 좋다.
이어서, 열원 유체의 유통 경로에 대하여 설명한다.
제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와, 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)와, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)와, 소망에 의해 설치되는 제 2 서브 열교환기(15)는 적당한 순서로 설치되어 열원 유체가 통과되지만, 그 유통 경로에 대해서는 도 2에 나타내는 어느 하나가 사용된다.
도 2는 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)와, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와, 소망에 의해 설치되는 제 2 서브 열교환기(15)와, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)로의 열원 유체의 유통 순서를 나타내는 도면이다. 도면 중의 번호는 각 열교환기(17, 8, 15, 12)로의 유통 순서를 나타내고 있고, 번호가 0이란 그 열교환기를 설치하지 않는 것을 나타내고 있다. 또한, 동일 번호는 병렬로 설치하는 것을 나타내고 있지만, 동일 번호의 열교환기끼리는 서로 교체 가능하다. 또한, 각 히트 펌프(2, 3)의 증발기(8, 12)는 도시예에서는 각각 하나씩 설치하고 있지만, 직렬 또는 병렬로 복수의 열교환기로 구성해도 좋다.
구체예를 몇 가지 설명하면, 예를 들면 1행째에는 1-2-3-4로 있다. 즉, 제 4 서브 열교환기(17)가 1, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)가 2, 제 2 서브 열교환기(15)가 3, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)가 4이다. 이 경우, 열원 유체는 제 4 서브 열교환기(17), 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8), 제 2 서브 열교환기(15), 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 순서대로 통과한다.
또한, 2행째에는 1-2-1-3으로 있다. 즉, 제 4 서브 열교환기(17)가 1, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)가 2, 제 2 서브 열교환기(15)가 1, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)가 3이다. 이 경우, 열원 유체는 제 4 서브 열교환기(17)와 제 2 서브 열교환기(15)를 병렬로 통과한 후, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 순서대로 통과한다.
또한, 4행째에는 1-2-0-3으로 있다. 즉, 제 4 서브 열교환기(17)가 1, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)가 2, 제 2 서브 열교환기(15)가 0, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)가 3이다. 이 경우 제 2 서브 열교환기(15)는 설치되지 않고, 열원 유체는 제 4 서브 열교환기(17)를 통과한 후, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 순서대로 통과한다.
어느 것으로 해도, 기본적으로는 열원 유체의 유통 순서에 대해서 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)가 뒤가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 열원 유체는 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)를 통과한 후 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에 통과된다.
도 3은 제 1 히트 펌프(2)의 제 1 증발기(7)와, 소망에 의해 설치되는 제 3 서브 열교환기(16)와, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와, 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)로의 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 유통 순서를 나타내는 도면이다. 도면 중의 번호는 각 열교환기(7, 16, 8, 17)로의 유통 순서를 나타내고 있고, 번호가 0이란 그 열교환기를 설치하지 않는 것을 나타내고 있다. 또한, 동일 번호는 병렬로 설치하는 것을 나타내고 있다.
구체예를 몇 가지 설명하면, 예를 들면 1행째에는 1-3-2-3으로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 3, 제 2 증발기(8)가 2, 제 4 서브 열교환기(17)가 3이다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)를 순서대로 통과한 후, 제 3 서브 열교환기(16)와 제 4 서브 열교환기(17)를 병행으로 통과해서 압축기(4)로 이송된다.
또한, 2행째에는 1-3-2-4로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 3, 제 2 증발기(8)가 2, 제 4 서브 열교환기(17)가 4이다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7), 제 2 증발기(8), 제 3 서브 열교환기(16) 및 제 4 서브 열교환기(17)를 순서대로 통과해서 압축기(4)로 이송된다.
또한, 4행째에는 1-3-2-0으로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 3, 제 2 증발기(8)가 2, 제 4 서브 열교환기(17)가 0이다. 이 경우, 제 4 서브 열교환기(17)는 설치되지 않고, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7), 제 2 증발기(8) 및 제 3 서브 열교환기(16)를 순서대로 통과해서 압축기(4)로 이송된다.
어느 것으로 해도, 기본적으로는 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 유통 순서에 대해서 제 1 증발기(7) 및 제 2 증발기(8)를 제 3 서브 열교환기(16) 및 제 4 서브 열교환기(17)보다 앞이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 증기 발생 시스템(1)은 상술한 바와 같이, 열원 유체로서 예를 들면 드레인이 사용된다. 일례로서, 158℃의 드레인이 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)에 공급되어 125℃로 배출된 후, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에 공급되어서 80℃로 배출된다. 제 2 히트 펌프(3)는 저온측[압축기(9)의 입구측]의 냉매 온도가 75℃로 되고, 제 1 히트 펌프(2)는 저온측[압축기(4)의 입구측]의 냉매 온도가 120℃, 고온측[압축기(4)의 출구측]의 냉매 온도가 163℃로 되고, 응축기(5)에서는 158℃의 증기를 발생시킨다.
본 실시예의 증기 발생 시스템(1)에 의하면, 열원 유체는 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)를 통과한 후 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에 통과된다. 이에 따라, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)에 있어서 드레인이 냉각된 만큼을 제 2 히트 펌프(3)가 커버하여 제 2 증발기(8)를 통과한 후의 드레인으로부터도 다시 열을 끌어올릴 수 있다. 또한, 제 1 히트 펌프(2)에서는 끌어올리는 온도차를 저감시킬 수 있고, 그만큼 압축기(4)의 전력을 적게 할 수 있어서 증기 발생 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
바꿔 말하면, 증기 발생 시스템(1)은 전체로 보면 마치 복수단(본 실시예에서는 2단)의 히트 펌프(2, 3)로 구성되어서 이루어지고, 끌어올리는 에너지의 일부(전형적으로는 절반)가 중단으로부터 끌어올리게 되므로 성적계수를 증가시킬 수 있다. 또한, 최하단으로부터 끌어올리는 에너지를 줄일(전형적으로는 절반으로 함) 수 있으므로 저단측[제 2 히트 펌프(3)]의 압축기(9)의 용량을 작게 할 수 있다.
도 4는 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)과 종래 공지의 2단 히트 펌프의 성적계수를 비교한 그래프이다. 도면 중, 실선이 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)을 나타내고 있고, 파선이 종래 공지의 2단의 히트 펌프를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는 열원 유체로서 드레인을 사용했을 경우를 나타내고 있고, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 통과한 후의 최종적인 드레인 온도를 횡축으로 하고, 이론상의 성적계수를 종축으로 하고 있다. 또한, 냉매는 R-365mfc이며, 또한 상술한 조건, 즉 초기 온도 158℃의 드레인을 사용하여 158℃[5kgf/㎠(G)]의 증기를 발생시킬 경우에 대해서 검토했다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 열원 유체(드레인)의 온도에 상관없이 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)에 의한 쪽이 종래 공지의 2단의 히트 펌프보다 효율이 높아진다. 또한, 종래 공지의 2단 히트 펌프란, 말하자면 도 1에 있어서 제 2 증발기(8)의 설치를 생략하고, 최하단의 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)만으로부터 열을 끌어올리는 구성과 동등하다.
도 5는 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)과 종래 공지의 2단 히트 펌프의, 상하 각 단의 압축기 흡입 체적 유량을 비교한 그래프이다. 도면 중, 실선이 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)을 나타내고 있고, 파선이 종래 공지의 2단의 히트 펌프를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는 열원 유체로서 드레인을 사용했을 경우를 나타내고 있고, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 통과한 후의 최종적인 드레인 온도를 횡축으로 하고, 압축기 흡입 체적 유량을 종축으로 하고 있다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 열원 유체(드레인)의 온도에 상관없이 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)에 의한 쪽이 압축기 흡입 체적 유량을 적게 할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 증기 발생 시스템(1)에 의한 쪽이 종래 공지의 2단의 히트 펌프보다 효율이 높아진다.
도 6a는 열을 부여받는 유체의 입구부의 상태가 Th의 포화수, 열을 부여받는 유체의 출구부의 상태가 Th의 포화 증기이며(즉, 열을 부여받는 유체는 잠열을 부여받음), 열을 주는 유체의 입구부의 상태가 Th의 포화수, 열을 주는 유체의 출구부의 상태가 Tl의 과냉각수(즉, 열을 주는 유체는 현열을 빼앗김)인 조건에 있어서 이상적으로 열을 끌어올리는 경우(이하, 이상 사이클이라고 함)의 T-S선도이다. 즉, 종축이 온도, 횡축이 엔트로피를 나타내고 있다.
이 이상 사이클, 즉 실선으로 둘러싸인 삼각형의 면적이 상기 조건을 실현하기 위한 최소 동력(이상 동력)이 된다. 그리고, 이때의 성적계수 COP=2×[Th/(Th-Tl)]이 된다.
한편, 도 6b는 종래 공지의 단단의 히트 펌프(역카르노 사이클)의 T-S선도이다. 단, 도 6b는 팽창 밸브 출구 손실, 압축기 과열 손실은 무시하고, 열교환 성능을 무한대로 했을 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 성적계수 COP=Th/(Th-Tl)이 된다. 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이, 히트 펌프를 상하 2단으로 해도 마찬가지이다.
도 6a와 도 6b를 비교하면, 도 6b의 사각형의 면적에서 도 6a의 삼각형의 면적을 뺀 만큼이 이상 사이클과 비교해서 여분인 동력이라고 할 수 있고, 그만큼 성적계수는 저하된다.
한편, 도 7은 본 실시예의 증기 발생 시스템의 T-S선도이다. 이 경우, 성적계수 COP=(4/3)×[Th/(Th-Tl)]이 된다. 즉, 종래 공지의 단단의 히트 펌프의 효율의 4/3배가 된다. 또한, Tm=(Th+Tl)/2, Sm=(S1+S2)/2로 했다. 도 6b와 비교해서 오른쪽 아래의 개소가 결여됨으로써 이만큼 동력을 경감하여 효율을 늘릴 수 있다.
그런데, 도 7에서는 단수를 2단으로 했지만, 단수를 늘리면 도 8에 나타내는 바와 같이 사이클로 둘러싸이는 면적을 더욱 적게 할 수 있고, 증기 발생 시스템(1)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 단수를 무한대로 했을 경우, 이론상 COP=2×[Th/(Th-Tl)]이 된다. 즉, 종래 공지의 단단의 히트 펌프의 효율의 2배로 할 수 있다. 단수를 늘린 증기 발생 시스템(1)의 구체적 구성에 대해서는 후술한다.
[실시예 2]
도 9는 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 2를 나타내는 개략도이다. 본 실시예 2의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 1과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
본 실시예 2에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)의 접속의 구성에 있어서 상기 실시예 1과 다르다. 상기 실시예 1에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)를 간접 열교환기(13)로 접속했지만, 본 실시예 2에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)를 중간 냉각기(18)로 접속하고 있다.
구체적으로는, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환하는 중간 냉각기(18)를 구비하고, 이 중간 냉각기(18)가 제 2 히트 펌프(3)의 응축기(10)임과 아울러 제 1 히트 펌프(2)의 증발기(7)로 된다. 보다 상세하게는, 중간 냉각기(18)로서 중공 탱크(직접 열교환기)가 사용되고, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매를 받아들여서 탱크 내에서 직접적으로 접촉시킴으로써, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매의 응축과 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매의 기화를 도모한다. 그리고, 그것에 의해 얻어지는 액 냉매를 제 2 히트 펌프(3)의 팽창 밸브(11)로 이송하는 한편, 기액 혼합 냉매는 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)를 통해서 압축기(4)로 이송하면 좋다.
본 실시예 2에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 기본적으로 중간 냉각기(18)와 제 2 증발기(8)를 순서대로 통해서 압축기(4)로 이송된다. 제 2 증발기(8)에 있어서도 냉매를 비등시키는 관계상, 중간 냉각기(18)로부터 제 2 증발기(8)로는 기상분과 액상분을 소정 비율로 혼합해서 이송된다. 이 혼합 비율의 조정은, 예를 들면 중간 냉각기(18)로부터의 기상분의 냉매 유로와 액상분의 냉매 유로에 각각 설치한 밸브(도시 생략)의 개방도 조정에 의해 행해진다.
또한, 본 실시예 2에서는 제 3 서브 열교환기(16)는 설치되지 않는다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 1과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 2의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대하여 설명한다. 이때, 도 9와 다른 점을 중심으로 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 10은 본 실시예 2의 증기 발생 시스템(1)의 변형예를 나타내는 개략도이다. 도 9의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(18)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(18)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프(2)의 중간 냉각기(18)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급된다. 이때, 제 2 증발기(8)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋고, 제 4 서브 열교환기(17)가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기(17)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋다. 또한, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(18)로의 냉매 유로에 합류시켜도 좋다.
[실시예 3]
도 11은 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 3을 나타내는 개략도이다. 본 실시예 3의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 1과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
본 실시예 3에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)의 접속의 구성에 있어서 상기 실시예 1과 다르다. 상기 실시예 1에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)를 간접 열교환기(13)로 접속했지만, 본 실시예 3에서는 제 1 히트 펌프(2)와 제 2 히트 펌프(3)를 중간 냉각기(19)로 접속하고 있다.
구체적으로는, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환함과 아울러, 이 양쪽 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터 팽창 밸브(6)을 통하지 않고 제 2 히트 펌프(3)의 팽창 밸브(11)에 공급되는 냉매를 섞지 않고 열교환하는 중간 냉각기(19)를 구비하고, 이 중간 냉각기(19)가 제 2 히트 펌프(3)의 응축기(10)임과 아울러 제 1 히트 펌프(2)의 증발기(7)이다. 보다 상세하게는, 중간 냉각기(19)로서 제 1 영역(20)과 제 2 영역(21)의 각 유체를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기가 사용되고, 제 1 영역(20)에 있어서 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매가 직접적으로 열교환되는 한편, 제 2 영역(21)에 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터 팽창 밸브(6)를 통하지 않고 냉매를 통과시켜서 제 2 히트 펌프(3)의 팽창 밸브(11)에 공급하면 좋다. 이 경우, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)에 있어서 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매에 의해 중간 냉각을 도모한 후, 제 1 히트 펌프(2)의 압축기(4)에 있어서 더욱 고압 고온의 가스 냉매로 되고, 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)에서 응축된다. 그리고, 그 액 냉매의 일부는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)를 통해서 중간 냉각기(19)의 제 1 영역(20)으로 이송되는 한편, 나머지 액 냉매는 중간 냉각기(19)의 제 2 영역(21)을 통해서 제 2 히트 펌프(3)의 팽창 밸브(11)에 의해 감압되고, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)에 있어서 기화된 후, 다시 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로 되돌려진다.
이러한 구성에 따라, 본 실시예 3에서는 제 3 서브 열교환기(16)는 설치되지 않는다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 1과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 3의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대하여 설명한다. 이때, 도 11과 다른 점을 중심으로 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 12는 본 실시예 3의 증기 발생 시스템(1)의 변형예를 나타내는 개략도이다. 도 11의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(19)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프(2)의 중간 냉각기(19)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급된다. 이때, 제 2 증발기(8)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋고, 제 4 서브 열교환기(17)가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기(17)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋다. 또한, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 공급해도 좋다. 또한, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 후술하는 세퍼레이터(22)를 설치할 경우에는 그 팽창 밸브(6)로부터 세퍼레이터(22)로의 냉매 유로라도 좋고, 세퍼레이터(22)로부터의 기상분의 냉매 유로(23)에 공급해도 좋다.
또한, 본 변형예에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)의 출구측에 세퍼레이터(22)를 설치하고 있다. 이 경우, 세퍼레이터(22)에서 분리된 액상분은 중간 냉각기(19)에 공급되고, 기상분은 유로(23)로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프(2)의 중간 냉각기(19)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급된다. 이때, 제 2 증발기(8)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋고, 제 4 서브 열교환기(17)가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기(17)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋다.
또한, 세퍼레이터(22)는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 설치하는 것 대신에 또는 이것에 추가하여, 중간 냉각기(19)로부터 제 2 증발기(8)로의 냉매 유로에 설치해도 좋다. 그 경우, 액상분은 제 2 증발기(8)에 공급되고, 기상분은 제 2 증발기(8)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로의 어느 개소에 공급해도 좋다.
[실시예 4]
도 13은 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 4를 나타내는 개략도이다. 본 실시예 4의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 1과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 1에서는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)가 직렬로 설치되었지만, 본 실시예 4에서는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)가 병렬로 설치된다. 즉, 본 실시예에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와, 소망에 의해 설치되는 제 3 서브 열교환기(16)를 통해서 압축기(4)에 공급됨과 아울러, 제 2 증발기(8)와 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)를 통해서 압축기(4)에 공급된다.
도 14는 본 실시예 4에 있어서, 제 1 히트 펌프(2)의 제 1 증발기(7)와 소망에 의해 설치되는 제 3 서브 열교환기(16)로의 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 유통 순서를 나타냄과 아울러, 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)로의 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 유통 순서를 나타내는 도면이다. 도면 중의 번호는 각 열교환기(7, 16, 8, 17)로의 유통 순서를 나타내고 있고, 번호가 0이란 그 열교환기를 설치하지 않는 것을 나타내고 있다. 또한, 동일 번호는 병렬로 설치하는 것을 나타내고 있다.
구체예를 몇 가지 설명하면, 예를 들면 1행째에는 1-2-1-2로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 2, 제 2 증발기(8)가 1, 제 4 서브 열교환기(17)가 2이다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 3 서브 열교환기(16)를 순서대로 통과하는 냉매 유로와, 제 2 증발기(8)와 제 4 서브 열교환기(17)를 순서대로 통과하는 냉매 유로를 병렬로 통과하여 압축기(4)로 이송된다.
또한, 2행째에는 1-2-1-3으로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 2, 제 2 증발기(8)가 1, 제 4 서브 열교환기(17)가 3이다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)에 병렬에 통과된 후, 제 3 서브 열교환기(16)와 제 4 서브 열교환기(17)를 순서대로 통과해서 압축기(4)로 이송된다. 또는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 3 서브 열교환기(16)를 순서대로 통과함과 아울러, 이것과 병행으로 제 2 증발기(8)에도 통과된 후, 양자는 합류해서 제 4 서브 열교환기(17)를 통해서 압축기(4)로 이송된다.
또한, 4행째에는 1-0-1-1로 있다. 즉, 제 1 증발기(7)가 1, 제 3 서브 열교환기(16)가 0, 제 2 증발기(8)가 1, 제 4 서브 열교환기(17)가 1이다. 이 경우, 제 3 서브 열교환기(16)는 설치되지 않고, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)와 제 4 서브 열교환기(17)를 병렬로 통과한 후, 압축기(4)로 이송된다.
어느 것으로 해도, 기본적으로는 제 1 히트 펌프(2)의 냉매의 유통 순서에 대해서 제 1 증발기(7) 및 제 2 증발기(8)를 제 3 서브 열교환기(16) 및 제 4 서브 열교환기(17)보다 앞이 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 1과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
[실시예 5]
도 15는 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 5를 나타내는 개략도이다. 본 실시예 5의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 2와 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 2에서는 중간 냉각기(18)로부터 기상분과 액상분이 소정의 혼합 비율로 제 2 증발기(8)와 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)를 통해서 압축기(4)에 공급되었지만, 본 실시예 5에서는 중간 냉각기(18)의 기상부와 압축기(4)를 연결하는 냉매 유로와, 중간 냉각기(18)의 액상부와 압축기(4)를 연결하는 냉매 유로가 병렬로 설치된다. 그리고, 후자의 냉매 유로에는 제 2 증발기(8)와 소망에 의해 제 4 서브 열교환기(17)가 설치된다. 또한, 중간 냉각기(18)로부터의 기상분의 냉매는 직접적으로 압축기(4)의 입구측에 공급하는 것 이외에, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 4 서브 열교환기(17)가 설치될 경우에는 그 앞쪽에 공급해도 좋다.
상기 실시예 4에 대한 본 실시예 5의 관계는 상기 실시예 1에 대한 상기 실시예 2의 관계와 대응된다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 2와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 5의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대해서 설명한다. 이때, 도 15와 다른 점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 16은 본 실시예 5의 증기 발생 시스템(1)의 변형예를 나타내는 개략도이다. 도 15의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(18)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(18)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(18)로부터 압축기(4)로의 기상분의 냉매 유로에 공급하거나, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(18)로부터 압축기(4)로의 액상분의 냉매 유로에 공급한다. 후자의 경우, 제 2 증발기(8)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋고, 제 4 서브 열교환기(17)가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기(17)의 입구측이라도 좋고 출구측이라도 좋다. 또한, 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(18)로의 냉매 유로에 합류시켜도 좋다.
[실시예 6]
도 17은 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 6을 나타내는 개략도이다. 본 실시예 6의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 3과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 3에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19) 및 제 2 증발기(8)를 통해서 압축기(4)에 공급되었지만, 본 실시예 6에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)를 통하지만 제 2 증발기(8)는 통하지 않고 압축기(4)에 공급됨과 아울러, 이것과 병렬로 중간 냉각기(19)는 통하지 않고 제 2 증발기(8)를 통해서 압축기(4)에 공급된다.
또한, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매의 공급은 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매와 합류시켜서 행해도 좋다. 또한, 2점 쇄선(X)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(19)로부터 압축기(4)로의 냉매는 경우에 따라 제 4 서브 열교환기(17)의 앞쪽에 공급해도 좋다.
상기 실시예 4에 대한 본 실시예 6의 관계는 상기 실시예 1에 대한 상기 실시예 3의 관계와 대응된다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 3과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 6의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대하여 설명한다. 이때, 도 17과 다른 점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 18은 본 실시예 6의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 1을 나타내는 개략도이다. 도 17의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(19)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 합류시켜도 좋고, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 팽창 밸브(6)로부터 제 2 증발기(8)를 통한 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급해도 좋고, 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(19)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급해도 좋다.
도 19는 본 실시예 6의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 2를 나타내는 개략도이다. 본 변형예에서는 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)의 출구측에 세퍼레이터[22(22A∼22C)]를 설치하고 있다. 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 공통 유로(24)를 통해서 제 2 증발기(8)로의 유로(25)와, 중간 냉각기(19)로의 유로(26)로 분기되지만, 그 어느 개소에 세퍼레이터(22)를 설치해도 좋다. 공통 유로(24)에 설치되는 것을 제 1 세퍼레이터(22A), 제 2 증발기(8)로의 유로(25)에 설치되는 것을 제 2 세퍼레이터(22B), 중간 냉각기(19)로의 유로(26)에 설치되는 것을 제 3 세퍼레이터(22C)로 해서 도 20에 나타내는 조합으로 설치 가능하다. 도 20에서는 1이 설치, 0이 무설치를 나타내고 있다.
도 20 중, 1행째의 패턴에서는 어느 세퍼레이터도 설치되지 않는다. 2행째의 패턴에서는 제 1 세퍼레이터(22A)만이 설치된다. 이 경우, 세퍼레이터(22A)에서 분리된 액상분이 중간 냉각기(19) 및 제 2 증발기(8)에 공급되고, 기상분이 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)부터 압축기(4)까지 중 어느 하나의 개소에 공급된다.
또한, 3행째의 패턴에서는 제 2 세퍼레이터(22B)만이 설치된다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)와 세퍼레이터(22B)에 공급되고, 세퍼레이터(22B)에서 분리된 액상분이 제 2 증발기(8)에 공급되고, 기상분이 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)로부터 압축기(4)까지 중 어느 하나의 개소에 공급된다.
또한, 4행째의 패턴에서는 제 3 세퍼레이터(22C)만이 설치된다. 이 경우, 제 1 히트 펌프(2)의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매는 제 2 증발기(8)와 세퍼레이터(22C)에 공급되고, 세퍼레이터(22C)에서 분리된 액상분이 중간 냉각기(19)에 공급되고, 기상분이 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)부터 압축기(4)까지 중 어느 하나의 개소에 공급된다.
또한, 5행째의 패턴에 나타내는 바와 같이 제 2 세퍼레이터(22B)와 제 3 세퍼레이터(22C)의 쌍방을 설치해도 좋다. 어느 것으로 해도, 세퍼레이터(22)를 설치하여 기상분을 중간 냉각기(19)나 제 2 증발기(8)에 들어가지 않는 구성으로 함으로써 이들을 구성하는 열교환기를 작게 할 수 있다.
[실시예 7]
도 21은 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 7을 나타내는 개략도이다. 본 실시예 7의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 4와 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 4에서는 제 1 증발기(7)와 제 2 증발기(8)가 병렬로 설치되고, 공통의 팽창 밸브(6)를 통한 냉매가 각각 통과되었지만, 본 실시예 7에서는 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터의 냉매는 제 1 팽창 밸브(6A)와 제 1 증발기(7)를 구비하는 냉매 유로와, 제 2 팽창 밸브(6B)와 제 2 증발기(8)를 구비하는 냉매 유로를 병렬로 통과한 후, 압축기(4)에 공급된다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 4와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
[실시예 8]
도 22는 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 8을 나타내는 개략도이다. 본 실시예 8의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 5와 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 5에서는 중간 냉각기(18)로부터의 기상분의 냉매 유로와 액상분의 냉매 유로가 병렬로 설치되고, 공통의 팽창 밸브(6)를 통한 냉매가 각각 통과되었지만, 본 실시예 8에서는 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터의 냉매는 제 1 팽창 밸브(6A)를 통해서 중간 냉각기(18)에 공급됨과 아울러, 이것과 병행으로 제 2 팽창 밸브(6B)를 통해서 제 2 증발기(8)에도 공급된다. 그리고, 중간 냉각기(18)의 기상부와 압축기(4)가 냉매 유로에 의해 접속된다. 한편, 제 2 팽창 밸브(6B)로부터의 냉매는 제 2 증발기(8)나 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)를 통해서 압축기(4)에 공급된다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 5와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 8의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대하여 설명한다. 이때, 도 22와 다른 점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 23은 본 실시예 8의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 1을 나타내는 개략도이다. 도 22의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(18)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(18)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(18)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급해도 좋고, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 제 2 팽창 밸브(6B)로부터 제 2 증발기(8)를 통한 압축기(4)로의 냉매 유로 중 어느 개소에 공급해도 좋다. 또는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이, 제 1 히트 펌프(2)의 제 1 팽창 밸브(6A)로부터의 냉매와 합류시켜서 중간 냉각기(18)에 공급해도 좋다.
도 24는 본 실시예 8의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 2를 나타내는 개략도이다. 본 변형예에서는 제 2 팽창 밸브(6B)로부터 제 2 증발기(8)로의 냉매 유로에 세퍼레이터(22)를 설치하고 있다. 이에 따라, 제 2 팽창 밸브(6B)로부터의 냉매는 세퍼레이터(22)에서 기액 분리되고, 그 액상분이 제 2 증발기(8)에 공급되고, 기상분은 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로 중 어느 하나의 개소에 공급된다.
[실시예 9]
도 25는 본 발명의 증기 발생 시스템(1)의 실시예 9를 나타내는 개략도이다. 본 실시예 9의 증기 발생 시스템(1)은 기본적으로는 상기 실시예 6과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
상기 실시예 6에서는 제 1 히트 펌프(2)에서는 공통의 팽창 밸브(6)로부터의 냉매가 중간 냉각기(19)와 제 2 증발기(8)에 병렬로 통과되어서 압축기(4)에 공급되었지만, 본 실시예 9에서는 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)로부터의 냉매는 제 1 팽창 밸브(6A)를 통해서 중간 냉각기(19)에 공급됨과 아울러, 이것과 병행으로 제 2 팽창 밸브(6B)를 통해서 제 2 증발기(8)에도 공급된다. 또한, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 팽창 밸브(6B)로부터의 냉매는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매와 합류시켜서 중간 냉각기(19)에 공급해도 좋다. 그 밖의 구성은 상기 실시예 6과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이어서, 본 실시예 9의 증기 발생 시스템(1)의 변형예에 대하여 설명한다. 이때, 도 25와 다른 점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
도 26은 본 실시예 9의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 1을 나타내는 개략도이다. 도 25의 증기 발생 시스템(1)에서는 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터의 냉매는 중간 냉각기(19)에 공급되었지만, 본 변형예에서는 중간 냉각기(19)로의 공급 대신에 또는 이것에 추가하여, 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 1 팽창 밸브(6A)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 합류시켜도 좋고, 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 중간 냉각기(19)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로에 공급해도 좋고, 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이 제 2 팽창 밸브(6B)로부터 제 2 증발기(8)를 통한 압축기(4)로의 냉매 유로 중 어느 개소에 공급해도 좋다.
도 27은 본 실시예 9의 증기 발생 시스템(1)의 변형예 2를 나타내는 개략도이다. 본 변형예에서는 제 2 팽창 밸브(6B)로부터 제 2 증발기(8)로의 냉매 유로에 제 1 세퍼레이터(22A)를 설치하고 있다. 이에 따라, 제 2 팽창 밸브(6B)로부터의 냉매는 제 1 세퍼레이터(22A)에서 기액 분리되고, 그 액상분이 제 2 증발기(8)에 공급되고, 기상분은 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로 중 어느 하나의 개소에 공급된다. 또한, 제 1 팽창 밸브(6A)로부터 중간 냉각기(19)로의 냉매 유로에 제 2 세퍼레이터(22B)를 설치해도 좋다. 이에 따라, 제 1 팽창 밸브(6A)로부터의 냉매는 제 2 세퍼레이터(22B)에서 기액 분리되고, 그 액상분이 중간 냉각기(19)에 공급되고, 기상분은 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이 제 2 증발기(8)로부터 압축기(4)로의 냉매 유로 중 어느 하나의 개소에 공급된다.
도 28은 제 1 세퍼레이터(22A)와 제 2 세퍼레이터(22B)의 설치의 조합을 나타내는 도면이다. 이 도면에서는 1이 설치, 0이 무설치를 나타내고 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 양쪽 세퍼레이터(22A, 22B)를 설치해도 좋고, 어느 한쪽의 세퍼레이터만을 설치해도 좋고, 양쪽의 세퍼레이터의 설치를 생략해도 좋다.
[실시예 10]
상기 각 실시예에서는 제 1 히트 펌프(2)를 단단으로 구성하고, 제 2 히트 펌프(3)도 단단으로 구성했지만, 각 히트 펌프(2, 3)의 단수는 적당하게 변경 가능하다. 바꿔 말하면, 상기 각 실시예에서는 단단의 제 1 히트 펌프(2)와 단단의 제 2 히트 펌프(3)를 조합시켜서 증기 발생 시스템(1) 전체로 보면 마치 2단의 히트 펌프로 구성한 예를 나타냈지만, 증기 발생 시스템(1)을 구성하는 히트 펌프의 단수는 적당하게 변경 가능하다. 또한, 복수단(다단)의 히트 펌프에는 도 9와 같은 일원 다단의 히트 펌프 외에, 도 1과 같은 복수원(다원)의 히트 펌프, 또는 양자의 조합의 히트 펌프가 포함된다.
예를 들면, 도 29a는 제 1 히트 펌프(2)를 상하 2단으로 구성하고, 제 2 히트 펌프(3)를 단단으로 구성한 예를 나타내고 있다. 바꿔 말하면, 증기 발생 시스템(1)을 3단의 히트 펌프로 구성하고 있다. 또한, 제 2 히트 펌프(3)에 대해서도 종래 공지의 2단 히트 펌프와 마찬가지로 2단 또는 그 이상의 복수단으로 구성해도 좋다.
도 29a의 증기 발생 시스템(1)에서는 최하단의 히트 펌프[제 2 히트 펌프(3)]를 제외하고, 각 히트 펌프[각 단의 제 1 히트 펌프(2A, 2B)]의 증발기로서 제 1 증발기(7A, 7B)와 제 2 증발기(8A, 8B)가 설치되고, 제 1 증발기(7A, 7B)에서 상하 인접하는 히트 펌프끼리를 접속하고, 제 2 증발기(8A, 8B)에는 열원 유체가 통과된다. 이때, 인접하는 상하의 히트 펌프끼리는 상기 각 실시예에서 설명한 어느 관계로 접속해도 좋다. 즉, 상하에 인접하는 히트 펌프끼리는 도시예에서는 간접 열교환기[13(13A, 13B)]로 접속되어 있지만, 상술한 바와 같은 중간 냉각기(18, 19)로 접속되어도 좋다. 또한, 제 1 히트 펌프(2)를 구성하는 각 단의 히트 펌프는 상기 실시예 1의 구성에 한하지 않고, 그 밖의 실시예의 구성으로 해도 좋다. 그리고, 열원 유체는 전형적으로는 최상단의 히트 펌프로부터 순차적으로 하단의 히트 펌프로 각각의 제 2 증발기[8(8A, 8B)]를 순서대로 통과시킨다.
증기 발생 시스템(1)을 3단 이상의 히트 펌프로 구성할 경우[바꿔 말하면, 제 1 히트 펌프(2)를 복수단으로 할 경우], 최하단의 히트 펌프[제 2 히트 펌프(3)]를 제외하고, 모든 단의 제 1 히트 펌프(2A, 2B)에 있어서 증발기로서 제 1 증발기(7A, 7B)와 제 2 증발기(8A, 8B)를 설치하고, 각 제 1 증발기(7A, 7B)에서 상하 인접하는 히트 펌프끼리를 접속하고, 각 제 2 증발기(8A, 8B)에는 상단으로부터 하단을 향해서 열원 유체가 순차적으로 통과되는 것이 바람직하다.
이렇게 구성하는 것이 바람직한 이유는 다음과 같다. 즉, 도 29b는 제 1 히트 펌프(2)를 단단, 제 2 히트 펌프(3)를 2단으로 했을 경우의 T-S선도이며, 도 29c는 제 1 히트 펌프(2)가 2단이며 그 각 단에 제 1 증발기(7A, 7B)와 제 2 증발기(8A, 8B)를 설치하고, 제 2 히트 펌프(3)를 단단으로 했을 경우의 T-S선도이다. 도 29b와 도 29c를 비교했을 경우, 해칭을 실시한 손실분의 면적은 도 29c 쪽이 적게 할 수 있다. 따라서, 증기 발생 시스템(1)은 최하단의 히트 펌프(3)를 제외하고, 각 단의 히트 펌프(2A, 2B)에 제 2 증발기(8A, 8B)를 설치해서 열원 유체를 통과시키는 것이 바람직하다.
이렇게 하여 증기 발생 시스템(1)을 3단 이상의 히트 펌프로 구성할 경우[바꿔 말하면, 제 1 히트 펌프(2)를 복수단으로 할 경우]에 있어서, 제 1 서브 열교환기(14)를 설치하려고 할 때에는 제 1 서브 열교환기(14)는 최상단의 히트 펌프[제 1 히트 펌프(2)의 최상단의 히트 펌프(2A)]에 설치하면 좋다.
또한, 증기 발생 시스템(1)을 3단 이상의 히트 펌프로 구성할 경우에 있어서, 제 2 서브 열교환기(15)를 설치하려고 할 때에는 제 2 서브 열교환기(15)는 최하단의 히트 펌프[제 2 히트 펌프(3)의 최하단의 히트 펌프]에 설치하면 좋다.
또한, 증기 발생 시스템(1)을 3단 이상의 히트 펌프로 구성할 경우에 있어서, 제 3 서브 열교환기(16) 및/또는 제 4 서브 열교환기(17)를 설치하려고 할 때에는 제 3 서브 열교환기(16) 및/또는 제 4 서브 열교환기(17)는 각 단의 제 1 히트 펌프[2(2A, 2B)]에 설치할 수 있다. 이 경우에 있어서, 최하단의 제 1 히트 펌프(2B)에서는 제 3 서브 열교환기(16)는 제 1 히트 펌프(2)의 최하단의 팽창 밸브(6B)로부터 압축기(4B)로의 냉매와, 제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)로부터 제 1 증발기(7B)로의 냉매의 간접 열교환기가 되지만, 그것보다 상단의 각 제 1 히트 펌프(2A)에서는 제 3 서브 열교환기(16)는 그 단의 제 1 히트 펌프(2A)의 팽창 밸브(6A)로부터 압축기(4A)로의 냉매와, 1개 하단의 제 1 히트 펌프(2B)의 압축기(4B)로부터 제 1 증발기(7A)로의 냉매의 간접 열교환기가 된다.
도 30은 상기 실시예 1의 증기 발생 시스템(1)을 사용한 증기 시스템(27)의 일례를 나타내는 개략도이다. 여기에서는 설명의 편의상 제 1 히트 펌프(2)의 제 2 증발기(8)와, 소망에 의해 설치되는 제 4 서브 열교환기(17)와, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)와, 소망에 의해 설치되는 제 2 서브 열교환기(15)를 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)라고 하기로 한다. 또한, 제 1 히트 펌프(2)의 응축기(5)와 소망에 의해 설치되는 제 1 서브 열교환기(14)를 증기 발생용 열교환기(5, 14)라고 하기로 한다.
증기 시스템(27)은 증기 발생 시스템(1)과 보일러(28)를 구비한다.
증기 발생 시스템(1)은 실시예 1의 구성을 사용하고 있지만, 상술한 그 밖의 실시예의 구성인 것을 사용해도 좋다. 어느 것으로 해도, 증기 발생 시스템(1)은 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)에 있어서 드레인의 열을 끌어올리고, 증기 발생용 열교환기(5, 14)에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시킨다. 그 때문에, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)에는 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인이 통과된다. 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)로서의 각 증발기(8, 12)나 각 서브 열교환기(17, 15)로의 드레인의 통과 방법은 도 2에 의거하여 설명한 바와 같다.
한편, 증기 발생용 열교환기(5, 14)에는 급수 펌프(30)에 의해 물이 공급 가능하게 되고, 증기 발생용 열교환기(5, 14)에는 원하는 양의 물이 저류된다. 구체적으로는, 순수 또는 연수, 또는 이것 대신에 또는 이것에 섞여서 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인이 급수 펌프(30), 급수 밸브(31), 역지 밸브(32)를 통해서 증기 발생용 열교환기(5, 14)에 공급된다. 증기 발생용 열교환기(5, 14)로서의 응축기(5)나 제 1 서브 열교환기(14)로의 물이나 증기의 통과 방법도 상기 각 실시예에서 설명한 바와 같다.
보일러(28)는 전형적으로는 연료 연소 보일러 또는 전기 보일러이다. 연료 연소 보일러는 연료의 연소에 의해 물을 증기화하는 장치이며, 증기압을 소망으로 유지하도록 연소의 유무나 양이 조정된다. 또한, 전기 보일러는 전기 히터에 의해 물을 증기화하는 장치이며, 증기압을 소망으로 유지하도록 전기 히터로의 급전의 유무나 양이 조정된다. 보일러(28)에는 급수 펌프(33)와 역지 밸브(34)를 통해서 물이 공급 가능하게 되고, 보일러(28)의 통체 내의 수위는 소망으로 유지된다.
증기 발생용 열교환기(5, 14)로부터의 증기로(35)와, 보일러(28)로부터의 증기로(36)는 합류하도록 구성된다. 이 합류는 증기 헤더를 이용하여 행할 수도 있다. 또한, 증기 발생용 열교환기(5, 14)로부터의 증기로(35)에는 합류부보다 상류측에 역지 밸브(37)가 설치된다. 이에 따라, 증기 발생 시스템(1)이 정지 중, 보일러(28)로부터의 증기가 증기 발생용 열교환기(5, 14)로 역류되는 것이 방지된다.
또한, 보일러(28)로부터의 증기로(36)에는 합류부보다 상류측에 보일러 증기 공급 밸브(38)가 설치된다. 보일러 증기 공급 밸브(38)는 도시예에서는 자력식의 감압 밸브(2차 압력 조정 밸브)로 된다. 또한, 보일러 증기 공급 밸브(38)보다 상류측은 하류측보다 보일러(28)에 의해 고압으로 유지된다.
증기 발생 시스템(5, 14)이나 보일러(28)로부터의 증기는 하나 또는 복수의 증기 사용 설비(29)로 이송된다. 증기 사용 설비(29)의 드레인은 제 1 증기 트랩(39)을 통해서 중공 용기 형상의 세퍼레이터 탱크(40)로 배출된다. 세퍼레이터 탱크(40)에는 상부에 제 1 유로(41)가 접속되고, 하부에 제 2 유로(42)가 접속된다.
제 1 유로(41)에는 세퍼레이터 탱크(40)의 측으로부터 순서대로 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)와 제 2 증기 트랩(43)이 설치된다. 이러한 구성이기 때문에, 증기 사용 설비(29)의 드레인은 제 1 증기 트랩(39)에 의해 저압 하에 배출된 후, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과한 후에 제 2 증기 트랩(43)에 의해 더욱 저압 하(전형적으로는 대기압 하)에 배출된다. 즉, 증기 사용 설비(29)의 드레인은 제 1 증기 트랩(39)을 통해서 배출됨으로써 플래시 증기 및 그 응축수가 되고, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)에 통과되어서 냉각(과냉각을 포함함)된 후 제 2 증기 트랩(43)으로부터 배출된다. 이러한 구성인 경우, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)에 있어서 냉매에 열을 주는 유체는 대기압을 초과하는 압력이며, 100℃를 초과하는 온도로 유지할 수 있다. 또한, 제 2 증기 트랩(43)으로부터의 배수는 그대로 버려도 좋고, 보일러(28) 및/또는 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수 탱크(44)에 공급해도 좋고, 이러한 급수 탱크(44)를 통하지 않고 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수로서 사용해도 좋다.
한편, 제 2 유로(42)에는 배출 밸브(45)가 설치된다. 배출 밸브(45)는 도시예에서는 자력식의 감압 밸브(1차 압력 조정 밸브)로 된다. 이러한 구성이기 때문에, 증기 사용 설비(29)의 드레인은 제 1 증기 트랩(39)에 의해 저압 하에 배출된 후, 배출 밸브(45)에 의해 더욱 저압 하(전형적으로는 대기압 하)에 배출 가능하게 된다. 그리고, 배출 밸브(45)로부터의 유체는 그대로 버려도 좋고, 보일러(28) 및/또는 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수 탱크(44)에 공급해도 좋고, 이러한 급수 탱크(44)를 통하지 않고 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수로서 사용해도 좋다.
또한, 긴급시나 정전시를 위해서 제 1 유로(41)에는 세퍼레이터 탱크(40)와 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15) 사이에 노멀 클로즈드형의 전자 밸브(46)를 설치하는 한편, 제 2 유로(42)에는 배출 밸브(45)와 병행으로 노멀 오픈형의 전자 밸브(47)를 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 통상시에는 제 1 유로(41)의 전자 밸브(46)는 개방된 상태로 유지되고, 제 2 유로(42)의 전자 밸브(47)는 폐쇄된 상태로 유지된다. 그리고, 긴급시나 정전시에는 제 1 유로(41)의 전자 밸브(46)가 폐쇄되고, 제 2 유로(42)의 전자 밸브(47)가 개방되므로 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인은 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통하지 않고 배출된다.
증기 발생용 열교환기(5, 14)로는 순수 또는 연수, 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인, 또는 이러한 드레인과 순수 또는 연수의 혼합수가 공급된다. 그것을 위한 급수계통은 특별히 상관없지만, 예를 들면 이하의 구성으로 할 수 있다. 또한, 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인은 액체만의 상태인 것 외에 기액 2상의 상태(대기압을 초과하는 상태의 드레인을 그것보다 저압 하에 방출했을 경우에 발생하는 플래시 증기와 그 응축수)라도 좋다.
(A) 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터 탱크(40)에서 분리된 액체로 이루어지는 드레인을 배출 밸브(45)보다 상류측으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다.
(B) 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과 후의 드레인을 제 2 증기 트랩(43)보다 상류측으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다. 또한, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)는 복수의 열교환기로 구성되지만, 2점 쇄선(B')으로 나타내는 바와 같이 일부의 열교환기를 통과한 후에 드레인을 분기시켜서 급수 펌프(30)의 입구측에 공급해도 좋다.
(C) 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과한 후의 드레인을 제 2 증기 트랩(43)보다 하류측으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다.
(D) 도 30 하부의 파선 영역에 나타내는 바와 같이, 제 2 증기 트랩(43)으로부터의 드레인, 및/또는 배출 밸브(45)로부터의 드레인 등을 일단 급수 탱크(44)에 모으고, 이 급수 탱크(44) 내의 물을 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다. 급수 탱크(44)에는 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인 외에 순수 또는 연수가 적당하게 공급되어도 좋다.
(E) 상기 A∼D 중 어느 2 이상의 조합이라도 좋다. 이 경우, 2 이상의 급수로가 합류해서 증기 발생용 열교환기(5, 14)에 급수되지만, 각 급수로 내의 압력이 다른 경우에는 각 급수로가 합류한 후에 급수 펌프(30)를 설치하는 것이 아니라 합류부보다 앞쪽에 있어서 각 급수로에 급수 펌프를 설치하면 좋다.
증기 발생용 열교환기(5, 14)로부터의 증기와 보일러(28)로부터의 증기의 합류 증기의 압력을 검출 가능한 위치에는 압력 센서로 이루어지는 제 1 센서(48)가 설치된다. 또한, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과하는 유체의 압력 또는 온도를 검출 가능하게 압력 센서 또는 온도 센서로 이루어지는 제 2 센서(49)가 설치된다. 그리고, 증기 발생 시스템(1)은 제 1 센서(48)와 제 2 센서(49)의 한쪽 또는 쌍방의 검출값에 의거하여 제어된다.
예를 들면, 제 1 센서(48)의 검출 압력에 의거하여 최상단의 히트 펌프의 압축기[제 1 히트 펌프의 압축기(4)]를 제어함과 아울러, 그것보다 하단의 각 히트 펌프의 압축기[제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)]는 그 단의 응축기(10) 또는 1개 상단의 증발기(7, 8)의 냉매의 압력에 의거하여 제어하면 좋다.
또는, 제 2 센서(49)의 검출 압력 또는 검출 온도에 의거하여 최하단의 히트 펌프의 압축기[제 2 히트 펌프(3)의 압축기(9)]를 제어함과 아울러, 그것보다 상단의 각 히트 펌프의 압축기[제 1 히트 펌프(2)의 압축기(4)]는 그 단의 증발기(7, 8) 또는 1개 하단의 응축기(10)의 냉매의 압력 또는 온도에 의거하여 제어하면 좋다.
도 31은 도 30의 증기 시스템(27)의 변형예를 나타내는 개략도이다. 도 31의 증기 시스템(27)도 기본적으로는 도 30과 마찬가지이다. 그래서, 이하에 있어서는 양자의 다른 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 개소에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.
본 변형예에서는 증기 사용 설비(29)의 드레인은 일단 드레인 저류부로서의 버퍼 탱크(50)에 모아진다. 그리고, 버퍼 탱크(50)의 드레인은 제 1 유로(41)에 의해 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)에 공급 가능하게 됨과 아울러 제 3 유로(51)에 의해 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통하지 않고 배출 가능하게 된다.
구체적으로는, 버퍼 탱크(50)에는 하부에 제 1 유로(41)가 접속되고, 그것보다 상부에 제 3 유로(51)가 접속된다. 제 1 유로(41)에는 버퍼 탱크(50)의 측으로부터 순서대로 도입 밸브(52), 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15) 및 제 2 증기 트랩(43)이 설치된다. 도입 밸브(52)는 본 변형예에서는 자력식의 감압 밸브(2차 압력 조정 밸브)로 된다.
이러한 구성이기 때문에, 증기 사용 설비(29)의 드레인은 도입 밸브(52)에 의해 저압 하에 배출된 후, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과한 후에 제 2 증기 트랩(43)에 의해 더욱 저압 하(전형적으로는 대기압 하)에 배출된다. 그리고, 제 2 증기 트랩(43)으로부터의 배수는 그대로 버려도 좋고, 보일러(28) 및/또는 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수 탱크(44)에 공급해도 좋고, 이러한 급수 탱크(44)를 통하지 않고 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수로서 사용해도 좋다.
한편, 제 3 유로(51)에는 제 3 증기 트랩(53)이 설치된다. 버퍼 탱크(50)에 대하여 제 3 유로(51)는 제 1 유로(41)보다 상방에 접속되어 있으므로 버퍼 탱크(50)로부터 오버플로우되는 드레인이 제 3 유로(51)로부터 배출된다. 그리고, 그 배수는 제 3 증기 트랩(53)을 통해서 배출된다. 그리고, 제 3 증기 트랩(53)으로부터의 배수는 그대로 버려도 좋고, 보일러(28) 및/또는 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수 탱크(44)에 공급해도 좋고, 이러한 급수 탱크(44)를 통하지 않고 증기 발생용 열교환기(5, 14)로의 급수로서 사용해도 좋다.
또한, 긴급시나 정전시를 위해서 제 1 유로(41)에는 도입 밸브(52)와 버퍼 탱크(50) 사이에 노멀 클로즈드형의 전자 밸브(46)를 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 통상시에는 제 1 유로(41)의 전자 밸브(46)는 개방된 상태로 유지된다. 그리고, 긴급시나 정전시에는 제 1 유로(41)의 전자 밸브(46)가 폐쇄되므로 증기 사용 설비(29)의 드레인은 제 3 유로(51)에 의해 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통하지 않고 배출된다.
본 변형예의 경우도 증기 발생용 열교환기(5, 14)로는 순수 또는 연수, 증기 사용 설비로부터의 드레인, 또는 이러한 드레인과 순수 또는 연수의 혼합수가 공급된다. 그것을 위한 급수 계통은 특별하게 상관없지만, 예를 들면 도 30의 경우와 마찬가지로 이하의 구성으로 할 수 있다.
(A) 2점 쇄선(A)으로 나타내는 바와 같이, 버퍼 탱크(50)로부터의 드레인을 도입 밸브(52)보다 상류측[전자 밸브(46)를 설치하는 경우에는 그것보다 상류측 또는 하류측의 어느 쪽이라도 좋음]으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다.
(B) 2점 쇄선(B)으로 나타내는 바와 같이, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과한 후의 드레인을 제 2 증기 트랩(43)보다 상류측으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다. 또한, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)는 복수의 열교환기로 구성되지만, 2점 쇄선(B')으로 나타내는 바와 같이 일부의 열교환기를 통과한 후에 드레인을 분기시켜서 급수 펌프(30)의 입구측에 공급해도 좋다.
(C) 2점 쇄선(C)으로 나타내는 바와 같이, 열 끌어올림용 열교환기(8, 17, 12, 15)를 통과한 후의 드레인을 제 2 증기 트랩(43)보다 하류측으로부터 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다.
(D) 도 31 하부의 파선 영역에 나타내는 바와 같이, 제 2 증기 트랩(43)으로부터의 드레인, 및/또는 제 3 증기 트랩(53)으로부터의 드레인 등을 일단 급수 탱크(44)에 모으고, 이 급수 탱크(44) 내의 물을 급수 펌프(30)의 입구측에 공급한다. 급수 탱크(44)에는 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인 외에, 순수 또는 연수가 적당하게 공급되어도 좋다. 또한, 급수 탱크(44)는 도 30의 경우이지만, 상방으로 개구되지 않고 대기압을 초과하는 압력으로 드레인을 저류 가능으로 해도 좋다.
(E) 상기 A∼D 중 어느 2 이상의 조합이라도 좋다. 이 경우, 2 이상의 급수로가 합류해서 증기 발생용 열교환기(8, 17, 12, 15)에 급수되지만, 각 급수로 내의 압력이 다른 경우에는 각 급수로가 합류한 후에 급수 펌프(30)를 설치하는 것이 아니라 합류부보다 앞쪽에 있어서 각 급수로에 급수 펌프를 설치하면 좋다.
본 발명의 증기 발생 시스템(1)은 상기 각 실시예의 구성에 한하지 않고, 적당하게 변경 가능하다. 예를 들면, 증기 발생 시스템(1)의 적용예로서 도 30 및 도 31에 나타내는 증기 시스템(27)을 사용했지만, 이것 이외의 시스템에도 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다. 또한, 증기 발생 시스템(1)의 열원으로서 증기 사용 설비(29)로부터의 드레인을 사용한 예를 설명했지만, 드레인에 한하지 않고 예를 들면 보일러 등으로부터의 배기 가스, 그 배기 가스의 냉각수로서 사용한 물, 공장 등으로부터 배출되는 배온수, 압축기의 냉각수로서 사용한 물, 엔진(압축기 등의 구동 장치)의 오일 쿨러에 있어서 냉각수로서 사용한 물, 엔진의 재킷의 냉각수로서 사용한 물 등을 사용해도 좋다.
또한, 증기 발생 시스템(1)은 열원 유체의 온도를 낮추면서 그 열로 증기를 발생시키는 경우에 한정하지 않는다. 예를 들면, 증기 사용 설비(29)로부터의 배증기를 열원 유체로서 사용해도 좋다. 그 경우, 예를 들면 도 1에 있어서 제 1 히트 펌프(2)의 제 4 서브 열교환기(17) 및 제 2 증발기(8)에는 배증기가 통과되고, 이 제 2 증발기(8)를 통과한 후에 증기 트랩, 오리피스 또는 감압 밸브에 의해 감압되고, 제 2 히트 펌프(3)의 제 2 서브 열교환기(15) 및 증발기(12)에 통과되어도 좋다. 배증기의 유로에는 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)의 출구측에도 증기 트랩 등을 설치해도 좋고, 설치하지 않아도 좋다. 즉, 제 2 히트 펌프(3)의 증발기(12)를 통과하는 증기는 대기압을 초과하는 상태로 해도 좋고, 대기압으로 해도 좋다. 또한, 제 4 서브 열교환기(17) 및 제 2 서브 열교환기(15)의 한쪽 또는 쌍방은 생략 가능한 것은 말할 필요도 없다.
1 : 증기 발생 시스템 2 : 제 1 히트 펌프
3 : 제 2 히트 펌프 4 : (제 1 히트 펌프의)압축기
5 : (제 1 히트 펌프의)응축기 6 : (제 1 히트 펌프의)팽창 밸브
7 : (제 1 히트 펌프의)제 1 증발기
8 : (제 1 히트 펌프의)제 2 증발기 9 : (제 2 히트 펌프의)압축기
10 : (제 2 히트 펌프의)응축기 11 : (제 2 히트 펌프의)팽창 밸브
12 : (제 2 히트 펌프의)증발기 13 : 간접 열교환기
14 : 제 1 서브 열교환기 15 : 제 2 서브 열교환기
16 : 제 3 서브 열교환기 17 : 제 4 서브 열교환기
18 : 중간 냉각기 19 : 중간 냉각기
22 : 세퍼레이터 27 : 증기 시스템
29 : 증기 사용 설비

Claims (12)

  1. 단단 또는 복수단으로 구성되고, 적어도 최하단에 제 1 증발기와 제 2 증발기를 갖는 제 1 히트 펌프와,
    단단 또는 복수단으로 구성되고, 상기 최하단의 제 1 증발기를 겸하는 최상단의 응축기를 통해서 상기 제 1 히트 펌프와 접속되는 제 2 히트 펌프를 구비하고,
    상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 열원 유체가 순서대로 통과되고,
    상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 히트 펌프는 단단의 히트 펌프로 구성되고,
    상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기에 순서대로 통과되는 열원 유체로부터 열을 끌어올리고,
    상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기에 있어서 물을 가열해서 증기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프는 복수단의 히트 펌프로 구성되고, 그 중의 일부 또는 전부의 히트 펌프는 증발기로서 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 구비하고,
    상기 각 제 1 증발기는 인접하는 상하의 히트 펌프끼리를 접속하고,
    열원 유체는 상단의 히트 펌프로부터 순차적으로 하단의 히트 펌프에 상기 각 제 2 증발기를 순서대로 통과하는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프를 구성하는 각 단의 히트 펌프는 증발기로서 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 구비하는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프를 구성하는 단단 또는 복수단의 히트 펌프 중, 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기를 갖는 단의 히트 펌프는 그 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매 유로에 상기 제 1 증발기와 상기 제 2 증발기가 직렬 또는 병렬로 설치되거나, 응축기로부터 압축기로의 냉매 유로에 제 1 팽창 밸브 및 상기 제 1 증발기와, 제 2 팽창 밸브 및 상기 제 2 증발기가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프는 다음의 (a)∼(c) 중 어느 하나의 관계로 접속되는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
    (a) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기를 구비하고, 이 간접 열교환기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
    (b) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
    (c) 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환함과 아울러, 이 양쪽 냉매와 상기 제 1 히트 펌프의 응축기로부터 팽창 밸브를 통하지 않고 상기 제 2 히트 펌프의 팽창 밸브에 공급되는 냉매를 섞지 않고 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 상기 제 2 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기이다.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프 및/또는 상기 제 2 히트 펌프는 복수단일 경우, 인접하는 단의 히트 펌프끼리가 다음의 (a)∼(c) 중 어느 하나의 관계로 접속되는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
    (a) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 섞지 않고 열교환하는 간접 열교환기를 구비하고, 이 간접 열교환기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
    (b) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
    (c) 하단 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매와 상단 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 받아서 양쪽 냉매를 직접적으로 접촉시켜서 열교환함과 아울러, 이 양쪽 냉매와 상단 히트 펌프의 응축기로부터 팽창 밸브를 통하지 않고 하단 히트 펌프의 팽창 밸브에 공급되는 냉매를 섞지 않고 열교환하는 중간 냉각기를 구비하고, 이 중간 냉각기가 하단 히트 펌프의 응축기임과 아울러 상단 히트 펌프의 증발기이다.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 상기 (b)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매는 상기 중간 냉각기에 공급하는 것 대신에 또는 그것에 추가하여, 상기 중간 냉각기로부터 압축기로의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 상기 (c)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터의 냉매는 상기 중간 냉각기에 공급하는 것 대신에 또는 그것에 추가하여, 상기 제 1 히트 펌프의 중간 냉각기로부터 압축기로의 냉매 유로, 또는 팽창 밸브로부터 중간 냉각기 또는 압축기로의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 히트 펌프와 상기 제 2 히트 펌프가 상기 (c)의 관계로 접속될 경우, 상기 제 1 히트 펌프의 팽창 밸브로부터의 냉매를 기액 분리하는 세퍼레이터를 구비하고,
    이 세퍼레이터에 의해 분리된 기상분을 상기 제 2 증발기로부터 압축기까지의 냉매 유로에 공급하는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 (a)∼(d) 중 어느 하나 이상의 서브 열교환기를 구비하고,
    상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기와 제 1 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 1 서브 열교환기로의 물이나 증기의 유통 순서에 대해서 상기 제 1 서브 열교환기가 설치될 경우에는 이 제 1 서브 열교환기가 앞이 되도록 설정되고,
    상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와, 제 4 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기와, 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기와, 제 2 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 2 서브 열교환기로의 열원 유체의 유통 순서에 대해서 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기가 뒤가 되도록 설정되고,
    상기 제 1 히트 펌프의 제 1 증발기와, 제 3 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 3 서브 열교환기와, 상기 제 1 히트 펌프의 제 2 증발기와, 제 4 서브 열교환기가 설치될 경우에는 그 제 4 서브 열교환기로의 냉매의 유통 순서에 대해서 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기를 상기 제 3 서브 열교환기 및 상기 제 4 서브 열교환기보다 앞이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
    (a) 상기 제 1 히트 펌프의 최상단의 응축기로부터 팽창 밸브로의 냉매와 물의 제 1 서브 열교환기.
    (b) 상기 제 2 히트 펌프의 최하단의 증발기로부터 압축기로의 냉매와 열원 유체의 제 2 서브 열교환기.
    (c) 상기 제 1 증발기가 간접 열교환기인 경우에 있어서, 상기 제 1 히트 펌프의 최하단의 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매와, 상기 제 2 히트 펌프의 압축기로부터 제 1 증발기로의 냉매의 제 3 서브 열교환기.
    (d) 상기 제 1 히트 펌프의 최하단의 팽창 밸브로부터 압축기로의 냉매와 열원 유체의 제 4 서브 열교환기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열원 유체는 증기 사용 설비로부터의 드레인이 되는 것을 특징으로 하는 증기 발생 시스템.
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