(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気利用プロセスで低温化した低温蒸気を、再加熱して高温蒸気とし、該高温蒸気を前記蒸気利用プロセスに再度供給する蒸気再加熱装置であって、
熱媒体を高温熱源と熱交換させ、前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ、前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備えたヒートポンプと、
前記低温蒸気を、前記ヒートポンプの前記蒸発器に前記高温熱源として供給する低温蒸気導入ラインと、
該低温蒸気導入ラインからの前記低温蒸気が前記蒸発器にて前記熱媒体と熱交換して凝縮された熱水を、前記ヒートポンプの前記凝縮器に前記低温熱源として供給するための昇圧ラインと、
該昇圧ラインに設けられ、前記熱水を昇圧して前記凝縮器に供給する昇圧ポンプと、
前記昇圧ラインからの前記熱水が前記凝縮器にて前記熱媒体と熱交換して蒸発した前記高温蒸気を、前記蒸気利用プロセスに供給する高温蒸気供給ラインとを備えたことを特徴とする蒸気再加熱装置。
【請求項２】
前記低温蒸気と前記高温蒸気の温度差が５〜３０℃である請求項１記載の蒸気再加熱装置。
【請求項３】
前記ヒートポンプは、前記凝縮器で凝縮された前記熱媒体を過冷却するための過冷却器をさらに備える請求項１または２記載の蒸気再加熱装置。
【請求項４】
前記過冷却器は、前記凝縮器と一体に形成される請求項３記載の蒸気再加熱装置。
【請求項５】
前記過冷却器に給水を供給し、前記過冷却器にて前記給水を前記熱媒体と熱交換させ、前記熱媒体を過冷却すると共に、前記給水を加熱して温水を得るようにした請求項３または４記載の蒸気再加熱装置。
【請求項６】
前記過冷却器に、前記蒸気利用プロセスで回収された低圧蒸気ドレンを供給し、前記過冷却器にて前記低圧蒸気ドレンを前記熱媒体と熱交換させ、前記熱媒体を過冷却すると共に、前記低圧蒸気ドレンを加熱して低圧蒸気を得るようにした請求項３または４記載の蒸気再加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
蒸気利用プロセスで低温化した低温蒸気を、再加熱して高温蒸気とし、該高温蒸気を蒸気利用プロセスに再度供給する蒸気再加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気プロセスでは、一般に、ボイラで蒸気（水蒸気）を生成してこれを蒸気ヘッダ（蒸気溜め）に送り、蒸気ヘッダから各蒸気利用プロセスに蒸気を分配する。分配された蒸気は、各蒸気利用プロセスで熱を放出して低温低圧化し、最終的に蒸気ドレンに排出される。
【０００３】
このような蒸気プロセスでは、蒸気利用プロセスで低温化（乾き度が低下）した低温蒸気を再加熱して高温蒸気とし、高温蒸気を蒸気ヘッダや蒸気利用プロセスに再度供給する蒸気再加熱装置が用いられている。蒸気再加熱装置を用いることにより、ボイラで生成する蒸気の量を少なくでき、省エネルギーを実現できる。
【０００４】
従来の蒸気再加熱装置として、蒸気利用プロセスで低温化した低温蒸気を圧縮機で再圧縮（再加熱）する、所謂、蒸気再圧縮（Vapor Re-Compression；以下、ＶＲＣという）式の蒸気再加熱装置がある。
【０００５】
一例として、図４に示すＶＲＣ式の蒸気再加熱装置４１では、煮沸釜４２で発生した蒸気（例えば１００℃の蒸気）を圧縮機４３で圧縮して高温蒸気（例えば１３６℃の蒸気）とし、この高温蒸気を加熱器４４にて煮沸釜４２で煮沸される液体（例えば麦汁）と熱交換させて、加熱した液体を煮沸釜４２内に戻し、煮沸釜４２にて効率よく煮沸を行えるようにしている。
【０００６】
なお、蒸気再加熱装置のような付帯設備を用いない場合には、予め蒸気流量や圧力を過剰にすることで、蒸気利用プロセスにおける蒸気の乾き度の低下を抑制する対策が取られている。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−７１４１９号公報
【特許文献２】特開２００８−４５８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、付帯設備を用いない場合には、必要な蒸気量に対して過剰な蒸気供給を行うため不経済となり、省エネルギーの観点からも好ましくない。
【００１０】
したがって、蒸気再加熱装置を用いることが望ましいが、従来のＶＲＣ式の蒸気再加熱装置では、圧縮機にて蒸気を圧縮しており、蒸気を圧縮する圧縮機が現状で１３０〜１３５℃程度までの昇温にしか対応できないので、１３０〜１３５℃程度の低温蒸気プロセスにしか適用できないという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温蒸気プロセスにも適用可能であり、経済的で省エネルギーを実現可能な蒸気再加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、蒸気利用プロセスで低温化した低温蒸気を、再加熱して高温蒸気とし、該高温蒸気を前記蒸気利用プロセスに再度供給する蒸気再加熱装置であって、熱媒体を高温熱源と熱交換させ、前記熱媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発させた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された前記熱媒体を低温熱源と熱交換させ、前記熱媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮させた前記熱媒体を膨張させて前記蒸発器に供給する膨張弁とを備えたヒートポンプと、前記低温蒸気を、前記ヒートポンプの前記蒸発器に前記高温熱源として供給する低温蒸気導入ラインと、該低温蒸気導入ラインからの前記低温蒸気が前記蒸発器にて前記熱媒体と熱交換して凝縮された熱水を、前記ヒートポンプの前記凝縮器に前記低温熱源として供給するための昇圧ラインと、該昇圧ラインに設けられ、前記熱水を昇圧して前記凝縮器に供給する昇圧ポンプと、前記昇圧ラインからの前記熱水が前記凝縮器にて前記熱媒体と熱交換して蒸発した前記高温蒸気を、前記蒸気利用プロセスに供給する高温蒸気供給ラインとを備えた蒸気再加熱装置である。
【００１３】
前記低温蒸気と前記高温蒸気の温度差が５〜３０℃であるとよい。
【００１４】
前記ヒートポンプは、前記凝縮器で凝縮された前記熱媒体を過冷却するための過冷却器をさらに備えてもよい。
【００１５】
前記過冷却器は、前記凝縮器と一体に形成されてもよい。
【００１６】
前記過冷却器に給水を供給し、前記過冷却器にて前記給水を前記熱媒体と熱交換させ、前記熱媒体を過冷却すると共に、前記給水を加熱して温水を得るようにしてもよい。
【００１７】
前記過冷却器に、前記蒸気利用プロセスで回収された低圧蒸気ドレンを供給し、前記過冷却器にて前記低圧蒸気ドレンを前記熱媒体と熱交換させ、前記熱媒体を過冷却すると共に、前記低圧蒸気ドレンを加熱して低圧蒸気を得るようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高温蒸気プロセスにも適用可能であり、経済的で省エネルギーを実現可能な蒸気再加熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る蒸気再加熱装置を用いた蒸気利用システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明において、ヒートポンプの熱媒の熱サイクルを示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る蒸気再加熱装置を用いた蒸気利用システムを示す概略構成図である。
【図４】従来の蒸気再加熱装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る蒸気再加熱装置を用いた蒸気利用システムの概略構成図である。
【００２２】
図１に示すように、蒸気利用システム１は、高温高圧の蒸気を生成する複数（図１では２つ）のボイラ２と、ボイラ２で生成した高温高圧の蒸気を貯留する蒸気ヘッダ３と、蒸気ヘッダ３からの高温高圧の蒸気を蒸気利用装置４に供給する蒸気供給配管５と、蒸気利用装置４で放熱して低温低圧化した蒸気（以下、単に低温蒸気という）を排出する蒸気排出配管６と、蒸気排出配管６から排出された低温蒸気を低圧蒸気ドレンとして回収する蒸気ドレン７と、本発明の蒸気再加熱装置８とを主に備えている。
【００２３】
蒸気再加熱装置８は、蒸気利用プロセス（ここでは蒸気利用装置４）で低温低圧化した低温蒸気を、再加熱して高温高圧の蒸気（以下、単に高温蒸気という）とし、該高温蒸気を蒸気利用プロセス（蒸気利用装置４）に再度供給（再循環）するものである。
【００２４】
蒸気再加熱装置８は、ヒートポンプ９と、低温蒸気導入ライン１０、昇圧ライン１１、高温蒸気供給ライン１２の各ラインを主に備えている。
【００２５】
ヒートポンプ９は、熱媒体を高温熱源と熱交換させ、熱媒体を蒸発させる蒸発器１３と、蒸発器１３で蒸発させた熱媒体を圧縮する圧縮機１４と、圧縮機１４で圧縮された熱媒体を低温熱源と熱交換させ、熱媒体を凝縮させる凝縮器１５と、凝縮器１５で凝縮させた熱媒体を過冷却する過冷却器１６と、過冷却器１６からの熱媒体を膨張させて蒸発器１３に供給する膨張弁１７とを備えている。
【００２６】
低温蒸気導入ライン１０は、その一端が蒸気利用装置４の下流側の蒸気排出配管６に接続され、他端がヒートポンプ９の蒸発器１３に接続されており、蒸気利用装置４から蒸気排出配管６に排出される低温蒸気の一部を、ヒートポンプ９の蒸発器１３に高温熱源として供給するようにされている。
【００２７】
昇圧ライン１１は、その一端がヒートポンプ９の蒸発器１３に接続され、他端がヒートポンプ９の凝縮器１５に接続されており、昇圧ライン１１には、昇圧ポンプ１８が設けられている。昇圧ライン１１は、蒸発器１３にて低温蒸気が熱媒体と熱交換して凝縮され液体となった熱水（低圧熱水）を、昇圧ポンプ１８で昇圧して高圧熱水とし、その高圧熱水をヒートポンプ９の凝縮器１５に低温熱源として供給するようにされている。昇圧ポンプ１８は、熱水を昇圧して蒸気ヘッダ３よりもやや高圧化し、高圧熱水とする。
【００２８】
高温蒸気供給ライン１２は、その一端がヒートポンプ９の凝縮器１５に接続され、他端が蒸気利用装置４の上流側の蒸気供給配管５に接続されており、高圧熱水が凝縮器１５にて熱媒体と熱交換して蒸発した高温蒸気を、蒸気供給配管５を介して蒸気利用装置４に供給するようにされている。
【００２９】
過冷却器１６には、凝縮器１５で凝縮させた熱媒体を過冷却すべく、低温の過冷却用熱源を供給するための過冷却用熱源供給ライン１９が接続されている。過冷却用熱源供給ライン１９には、過冷却用熱源の流量を調節するための調節弁２０が設けられている。
【００３０】
低温蒸気と高温蒸気の温度差ΔＴは、温度差ΔＴが大きくなるほどヒートポンプ９の効率が低下してしまうことから、ヒートポンプ９の効率を考慮して、適宜設定するようにすればよい。具体的には、低温蒸気と高温蒸気の温度差ΔＴが、２０〜３０℃の範囲であると実用性が高いと考えられるが、温度差ΔＴは５℃以上あれば十分な機能を持つ。
【００３１】
また、低温蒸気の温度は、１００℃以上であることが望ましい。これは、低温蒸気の温度を１００℃未満とした場合、それ自体、蒸気排出配管６が負圧で作動していることを意味するが、実用上ほとんどないこと、及び上述のヒートポンプ９の効率を考慮して、十分な量の高温蒸気が得られないおそれがあるためである。また、高温蒸気の温度は１８０℃以下であることが望ましく、低温蒸気と高温蒸気の温度差ΔＴを２０〜３０℃の範囲とすることを考慮すると、低温蒸気の温度は１００〜１６０℃、高温蒸気の温度は１２０〜１８０℃の範囲となるように設定するとよい。本実施の形態では、低温蒸気の温度を１４０℃、高温蒸気の温度を１６０℃とし、低温蒸気と高温蒸気の温度差ΔＴを２０℃としている。
【００３２】
ヒートポンプ９に用いる熱媒体としては、特に限定されるものではないが、低温蒸気（ここでは１４０℃）を高温蒸気（ここでは１６０℃）に再生する温度条件を考慮して、適切な蒸発・凝縮温度を有する熱媒体を適宜選択して使用するようにすればよい。これにより、ヒートポンプ９は、低圧蒸気を凝縮できる熱媒体低圧温度と高圧熱水を蒸発できる熱媒体高圧温度を保持するヒートポンプサイクルを形成する。
【００３３】
過冷却器１６に供給する過冷却用熱源としては、蒸気ドレン７に回収した低圧蒸気ドレンや、給水を用いるとよい。これにより、低圧蒸気ドレンを過冷却器１６にて加熱し、低圧蒸気として系外の低圧蒸気ラインに供給したり、あるいは、給水を過冷却器１６にて加熱し、温水として系外の温水系統やボイラ給水としてボイラ２に供給することが可能となり、省エネルギー性をより高めることが可能となる。
【００３４】
次に、蒸気再加熱装置８の動作を説明する。
【００３５】
蒸気利用装置４から蒸気排出配管６に排出された低温蒸気は、その一部が低温蒸気導入ライン１０を介してヒートポンプ９の蒸発器１３に導入される。
【００３６】
蒸発器１３では、低温蒸気導入ライン１０からの低温蒸気を熱媒体と熱交換させ、低温蒸気の潜熱を熱媒体に与えて熱媒体を蒸発させると共に、低温蒸気を凝縮させて熱水（ここでは１４０℃の熱水）とする。
【００３７】
蒸発器１３にて蒸発させた熱媒体は、圧縮機１４にて加圧（加熱）されて、凝縮器１５に供給される。他方、蒸発器１３にて低温蒸気が凝縮された熱水は、昇圧ポンプ１８にて昇圧されて高圧熱水となり、昇圧ライン１１を介して凝縮器１５に供給される。
【００３８】
凝縮器１５では、昇圧ライン１１からの高圧熱水を熱媒体と熱交換させ、熱媒体の潜熱を高圧熱水に与えて、高圧熱水を蒸発させて高温高圧の高温蒸気（ここでは１６０℃の高温蒸気）とすると共に、熱媒体を凝縮させる。
【００３９】
凝縮器１５にて凝縮させた熱媒体は、過冷却器１６にて過冷却用熱源と熱交換してさらに冷却された後、膨張弁１７にて膨張されて、蒸発器１３に供給される。他方、凝縮器１５にて高圧熱水を蒸発させた高温蒸気は、高温蒸気供給ライン１２を介して蒸気供給配管５に供給され、蒸気利用装置４に再び供給される。
【００４０】
ここで、ヒートポンプ９における熱媒体の熱サイクル（ヒートポンプサイクル）について説明しておく。
【００４１】
図２に示すように、ヒートポンプ９の熱媒体は、蒸発・圧縮・凝縮・膨張のサイクルを繰返す。
【００４２】
本実施の形態では、蒸発過程における吸熱（受熱）は、蒸発器１３にて低温蒸気の凝縮潜熱を授受することによって行われるが、このときの吸熱量（低圧側受熱量）と凝縮過程における放熱量（高圧側放出熱量）とでは、後者の方が大きくなる。つまり、ヒートポンプ９では、蒸気再加熱に必要な熱量（低温蒸気を高温蒸気とするのに必要な熱量）に加えて、余剰な熱量を放出できることとなる。
【００４３】
この余剰な熱量は、ヒートポンプサイクルの圧力温度設定と熱媒体の種類で制限が加わるが、例えば、上記の温度（低温蒸気１４０℃、高温蒸気１６０℃）で検討すれば、低圧蒸気または温水を製造するのに十分な熱量となる。
【００４４】
より具体的には、熱媒体の熱サイクルにおける凝縮過程は、熱媒体を気体（気相）から液体（液相）に凝縮する際の凝縮潜熱を放熱する潜熱放熱過程と、液体となった熱媒体の顕熱をさらに放熱して冷却する過冷却過程に分けることができる。本実施の形態では、凝縮器１５にて熱媒体の凝縮潜熱を放熱し、過冷却器１６にて液体となった熱媒体の顕熱を放熱して熱媒体を過冷却するようにしている。
【００４５】
昇圧ライン１１から供給された高圧熱水は、凝縮器１５にて熱媒体の凝縮潜熱（高圧熱水の蒸発潜熱）を授受し、高温高圧の蒸気（高温蒸気）となる。また、過冷却用熱源供給ライン１９から供給された過冷却用熱源（例えば、低圧蒸気ドレンや給水）は、過冷却器１６にて熱媒体の顕熱を授受し、加熱されて、例えば、低圧蒸気や温水となる。
【００４６】
このように、蒸気再加熱装置８では、ヒートポンプ９から、蒸気再加熱に必要な熱量以外に、低圧蒸気や温水等を生成可能な熱量が付随して発生するため、主プロセス以外の熱源を兼ねることができる。
【００４７】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４８】
本実施の形態に係る蒸気再加熱装置８では、低温蒸気導入ライン１０にて低温蒸気をヒートポンプ９の蒸発器１３に供給し、低温蒸気が蒸発器１３にて熱媒体と熱交換して凝縮された熱水を、昇圧ポンプ１８で昇圧し、昇圧ライン１１にてヒートポンプ９の凝縮器１５に低温熱源として供給し、熱水が凝縮器１５にて熱媒体と熱交換して蒸発した高温蒸気を、高温蒸気供給ライン１２にて蒸気利用プロセスに供給するようにしている。
【００４９】
上述のように、従来のＶＲＣ式の蒸気再加熱装置では、圧縮機にて蒸気を気相で圧縮する必要があるために、現状の圧縮機の性能では１３０〜１３５℃程度の低温蒸気プロセスにしか適用できなかった。
【００５０】
これに対して、本実施の形態では、ヒートポンプ９の蒸発器１３にて低温蒸気を凝縮させて熱水とし、この熱水を昇圧ポンプ１８にて液相で昇圧している。蒸気を圧縮することは困難であるが、液相圧縮（ポンプ昇圧）は高圧化が比較的容易であるため、このような液相圧縮をヒートポンププロセスに組み込むことで、より高温の蒸気プロセスにも適用可能となり、温度設計の自由度が高い蒸気再加熱装置８を実現できる。
【００５１】
したがって、蒸気再加熱装置８によれば、従来のＶＲＣ式の蒸気再加熱装置で対応できない１５０℃以上の蒸気プロセスにも適用可能となる。ＶＲＣは主に食品分野に適用されているが、１５０℃以上の蒸気プロセスを持つ産業分野は多岐にわたるため、本発明の蒸気再加熱装置８は、食品分野はもちろん食品分野以外の分野にも広く適用可能である。
【００５２】
さらに、蒸気再加熱装置８では、蒸気利用装置４にて低温化した低温蒸気をヒートポンプ９で再加熱して蒸気利用装置４の上流側の蒸気供給配管５に再循環させているため、ボイラ２で製造する蒸気量を低減でき、ボイラ燃料費やＣＯ2排出量を削減でき、経済的で省エネルギーな蒸気再加熱装置８を実現できる。
【００５３】
また、蒸気再加熱装置８では、低温蒸気と高温蒸気の温度差ΔＴを２０〜３０℃としているため、ヒートポンプ９の効率を低下させることなく、蒸気再加熱を行うことが可能となる。温度差ΔＴを小さくすれば、蒸気再加熱度は低下するが、ヒートポンプ９の効率はさらに高くなる。
【００５４】
さらに、蒸気再加熱装置８では、ヒートポンプ９にて蒸気再加熱に必要な熱量に加えて、低圧蒸気や温水等を生成可能な熱量が付随して発生するため、この付随して発生する熱量を主プロセス以外の熱源、例えば、給水を加熱して温水とするための熱源や、蒸気ドレン７で回収された低圧蒸気ドレンを加熱して低圧蒸気とするための熱源として用いることで、省エネルギー性をより高めることができる。
【００５５】
上記実施の形態では、凝縮器１５と過冷却器１６を別体としたが、凝縮器１５と過冷却器１６を一体としてもよい。
【００５６】
図３に示す蒸気再加熱装置３１は、図１で説明した蒸気再加熱装置８において、過冷却器１６を省略し、過冷却機能を有する凝縮器３２を備えたものである。凝縮器３２は、蒸気再加熱装置８における凝縮器１５と過冷却器１６とを一体化したものであり、熱媒体を凝縮させると共に過冷却するためのものである。
【００５７】
凝縮器３２には、昇圧ライン１１、高温蒸気供給ライン１２に加え、過冷却用熱源供給ライン１９が接続されており、熱媒体と高圧熱水とを熱交換させると共に、熱媒体と過冷却用熱源とを熱交換させるように構成されている。
【００５８】
このように、凝縮器と過冷却器を一体とすることにより、過冷却器を省略して熱交換器を１つ減らすことができるため、設備コストを低減できる。
【００５９】
また、上記実施の形態では、ヒートポンプ９の凝縮器１５，３２からの高温蒸気を蒸気利用装置４の上流側の蒸気供給配管５に供給するようにしたが、これに限らず、例えば、高温蒸気を蒸気ヘッダ３に供給するようにしてもよい。
【００６０】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６１】
１  蒸気利用システム
２  ボイラ
３  蒸気ヘッダ
４  蒸気利用装置
５  蒸気供給配管
６  蒸気排出配管
７  蒸気ドレン
８  蒸気再加熱装置
９  ヒートポンプ
１０  低温蒸気導入ライン
１１  昇圧ライン
１２  高温蒸気供給ライン
１３  蒸発器
１４  圧縮機
１５  凝縮器
１６  過冷却器
１７  膨張弁
１８  昇圧ポンプ
１９  過冷却用熱源供給ライン
２０  調節弁
【図１】
0005387263.tif 000002
【図２】
0005387263.tif 000003
【図３】
0005387263.tif 000004
【図４】
0005387263.tif 000005