(57)【要約】  温水の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おいて、気液分離器で分離し、スケール原因物質の濃度上昇を抑制する目的で排出したブローダウン水を、温水供給流路に合流させることで、ブローダウン水の持つ熱エネルギーを最大限に利用しつつ、排熱回収器内のスケール付着を防止するヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することができる。
2016002878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水の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であって、
前記温水から熱を回収して冷媒を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を被加熱水に伝熱して熱水と蒸気の気液二相流または高圧熱水を生成する凝縮器、及び前記凝縮器を通過した冷媒を減圧して温度を下げて前記排熱回収器に戻す絞り膨張器を有する冷媒循環流路と、
前記温水を前記排熱回収器に供給する温水供給流路と、
前記温水を前記排熱回収器から系外へ排出する温水排出流路と、
前記凝縮器に前記被加熱水として供給水を導入する供給水流路と、
前記凝縮器で生成した前記気液二相流または前記高圧熱水を蒸気と熱水とに分離する気液分離部と、
前記凝縮器から前記気液分離部へ前記気液二相流または前記高圧熱水を供給する被分離流体流路と、
前記気液分離部で分離した蒸気を、蒸気利用設備に送る蒸気流路と、
前記気液分離部で分離した熱水を前記供給水流路に合流させる循環熱水流路と、
前記気液分離部で分離した熱水の一部を抽出し、当該抽出した熱水を前記温水供給流路に供給するブローダウン流路と、
を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
【請求項２】
前記ブローダウン流路は、前記気液分離部の底部もしくは底部近傍の側面から熱水の一部を抽出することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
【請求項３】
前記ブローダウン流路は、前記循環熱水流路の途中から熱水の一部を抽出することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
【請求項４】
前記温水供給流路の前記排熱回収器上流には、前記温水を貯留する温水タンクを備え、
前記ブローダウン流路が温水タンクに接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする請求項１〜請求項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。
【請求項５】
前記温水供給流路の前記排熱回収器上流には、前記温水を前記排熱回収器に供給する温水ポンプを備え、
前記ブローダウン流路が前記温水供給流路の温水ポンプと前記排熱回収器の間に接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする請求項１〜請求項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。
【請求項６】
前記温水供給流路の上流には、前記温水を貯留する温水タンクと、前記温水タンクの温水を前記排熱回収器に供給する温水ポンプを備え、
前記ブローダウン流路が前記温水供給流路の前記温水タンクと前記温水ポンプとの間に接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする請求項１〜請求項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。
【請求項７】
前記絞り膨張器は、電子膨張弁、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーのいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
蒸気生成装置の一つとして、ヒートポンプを利用したヒートポンプ式蒸気生成装置がある。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、工場排水や使用済冷却水などの排温水から排熱を回収して蒸気を生成するものである。この種のヒートポンプ式蒸気生成装置によれば、ボイラ設備などを利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べて、ランニングコストが低く、ＣＯ２の排出量を低減できるなどのメリットがある。【０００３】
蒸気の原料となる供給水には、ヒートポンプ式蒸気生成装置内へのスケール（水中の成分が析出したもの）の付着を防止するために、軟水装置などで処理された水が使用される。しかし、スケール原因物質を完全に除去することは難しく、例えば軟水装置ではシリカ（ＳｉＯ２）成分を除去できない。このため、蒸気を連続生成することによって、スケール原因物質が蒸気生成装置内に濃縮され、スケール付着の原因となる。【０００４】
特許文献１の図３に記載された従来例について説明する。
まず、従来例のヒートポンプ部について説明する。ヒートポンプ部には、排熱回収器１１０、圧縮機１２０、凝縮器１３０、絞り膨張器１４０が設けられ、この記載順に冷媒が循環流通するように冷媒流路Ｌ１０により接続されている。
ヒートポンプ部の排熱回収器１１０には、温水タンク２１０に貯留された温水が、温水供給流路Ｌ２０ａから温水ポンプＰ２１により供給される。排熱回収器１１０では、温水と冷媒との間の熱交換により冷媒を加熱し気化させている。なお、排熱回収器１１０で熱交換された温水は、温水排出流路Ｌ２０ｂにて系外へ排出される。
圧縮機１２０では、加熱された冷媒を気体のまま所定の圧力まで圧縮し、高温高圧の冷媒を生成する。この高温高圧の気体になった冷媒は、凝縮器１３０に供給される。そして、凝縮器１３０を通過して液化された冷媒は、絞り膨張器１４０に送られて所定圧力まで減圧された後、排熱回収器１１０に再び導入され、排熱回収器１１０を流通する温水からの熱回収に用いられる。
次に、蒸気生成部について説明する。給水源から供給水ポンプＰ３１によって供給された供給水は、気液分離器３１０から循環熱水流路Ｌ７０を介して送られてくる熱水（循環熱水）と合流し、循環熱水と供給水との混合熱水となり、供給水流路Ｌ３０によって凝縮器１３０に送液される。凝縮器１３０に導入された混合熱水は、高温高圧になった冷媒から熱を回収し、熱水及び蒸気の気液二相流を生成する。この気液二相流は被分離流体流路Ｌ４０を通って、気液分離器３１０に送られる。
気液分離器３１０で分離された蒸気は、蒸気流路Ｌ５０を経由して蒸気利用設備４１０に供給される。気液分離器３１０で分離された熱水の一部は、循環熱水系統の塩分の濃縮防止やスケール原因物質の低濃度化を目的として、気液分離器３１０の下部に接続されたブローダウン流路Ｌ６０から定期的又は一時的にブローダウン水として排出される。【０００５】
気液分離器３１０内は高圧になっているため、ブローダウン水は定常運転時では１００℃以上の熱水となり、大きな熱量を有しているが、通常はそのまま排水設備へ排出されるため、その熱量は無駄となっている。【０００６】
気液分離器からのブローダウン水を熱源として利用する例としては、特許文献２が挙げられる。特許文献２に示される従来例には、気液分離器で分離された液相を熱交換器へ導入し、濃溶液又は冷媒液にボイラ排熱を伝達する蒸気生成システムが開示されている。【０００７】
このような構成にすることによって、蒸気生成ヒートポンプの熱源としてブローダウン水の持つ熱エネルギーを有効活用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２４７１４６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７６３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このブローダウン水を熱源として利用する場合、ブローダウン水に含まれるスケール原因物質の濃度は運転を継続するに従って上昇していく。そのため、蒸気生成装置の熱交換器内でブローダウン水の温度が低下すると、スケール原因物質の溶解度が低下し、スケールが析出するようになる。このスケールが蒸気生成装置内の配管に付着することによって、熱交換性能が低下する問題があった。【００１０】
したがって本発明の目的は、大きな熱量を持つブローダウン水から熱エネルギーを効率的に回収し、かつ蒸気生成装置内の配管へのスケール付着を防止できるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、温水の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であって、前記温水から熱を回収して冷媒を加温する排熱回収器、前記排熱回収器を通過した冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を被加熱水に伝熱して熱水と蒸気の気液二相流または高圧熱水を生成する凝縮器、及び前記凝縮器を通過した冷媒を減圧して温度を下げて前記排熱回収器に戻す絞り膨張器を有する冷媒循環流路と、前記温水を前記排熱回収器に供給する温水供給流路と、前記温水を前記排熱回収器から系外へ排出する温水排出流路と、前記凝縮器に前記被加熱水として供給水を導入する供給水流路と、前記凝縮器で生成した前記気液二相流または前記高圧熱水を蒸気と熱水とに分離する気液分離部と、前記凝縮器から前記気液分離部へ前記気液二相流または前記高圧熱水を供給する被分離流体流路と、前記気液分離部で分離した蒸気を、蒸気利用設備に送る蒸気流路と、前記気液分離部で分離した熱水を前記供給水流路に合流させる循環熱水流路と、前記気液分離部で分離した熱水の一部を抽出し、当該抽出した熱水を前記温水供給流路に供給するブローダウン流路と、を備えることを特徴とする。【００１２】
また、本発明の請求項２に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１において、前記ブローダウン流路は、前記気液分離部の底部もしくは底部近傍の側面から熱水の一部を抽出することを特徴とする。【００１３】
また、本発明の請求項３に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１において、前記ブローダウン流路は、前記循環熱水流路の途中から熱水の一部を抽出することを特徴とする。【００１４】
また、本発明の請求項４に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記温水供給流路の前記排熱回収器上流には、前記温水を貯留する温水タンクを備え、前記ブローダウン流路が温水タンクに接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする。【００１５】
また、本発明の請求項５に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記温水供給流路の前記排熱回収器上流には、前記温水を前記排熱回収器に供給する温水ポンプを備え、前記ブローダウン流路が前記温水供給流路の温水ポンプと前記排熱回収器の間に接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする。【００１６】
また、本発明の請求項６に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記温水供給流路の上流には、前記温水を貯留する温水タンクと、前記温水タンクの温水を前記排熱回収器に供給する温水ポンプを備え、前記ブローダウン流路が前記温水供給流路の前記温水タンクと前記温水ポンプとの間に接続されて前記抽出した熱水が供給されることを特徴とする。【００１７】
また、本発明の請求項７に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、上述した請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、前記絞り膨張器は、電子膨張弁、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーのいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置は、ブローダウン水を温水に合流させた後に排熱回収器へ導入するため、ブローダウン水中のスケール原因物質は温水によって希釈され、蒸気生成装置内の配管へのスケール付着を防止することができる。したがって、シンプルなシステム構成で、ブローダウン水の持つ熱エネルギーを最大限に利用できるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置の変形例の概略構成図である。
【図３】図３は、特許文献１における、従来のヒートポンプ式蒸気生成装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の第一の実施形態を示す。従来例との相違点として、ブローダウン流路Ｌ６０に代わり、ブローダウン流路Ｌ８０を設けている。なお、図１において、図３と同じ構成要素は同じ符号で示すものとする。
このヒートポンプ式蒸気生成装置１は、大きく分けてヒートポンプ設備１００と蒸気生成設備３００とからなり、外部熱源として温水供給設備２００より温水を導入している。
【００２１】
ヒートポンプ設備１００では、冷媒が循環流通しており、冷媒を介して温水供給設備２００からの温水の熱を回収するとともに、蒸気生成設備３００を流通する被加熱水に冷媒の熱を伝熱するように構成されている。
【００２２】
次に、温水の経路について説明する。
温水供給設備２００には、温水タンク２１０、温水ポンプＰ２１が設けられている。温水供給設備２００には、排熱回収器１１０に温水が流れるように温水供給流路Ｌ２０ａによりヒートポンプ設備１００が接続されている。なお、排熱回収器１１０を通過した温水は、さらに接続された温水排出流路Ｌ２０ｂにより系外に排出されている。しかしながら、本発明ではこれに限らず、さらに別種の排熱回収装置によりカスケード的に利用される場合もある。
【００２３】
次に、蒸気生成設備３００について説明する。
蒸気生成設備３００には、供給水ポンプＰ３１、凝縮器１３０、気液分離器３１０が設けられ、外部の給水源より被加熱水である供給水が供給されている。
供給水は供給水流路Ｌ３０によって凝縮器１３０へ供給される。凝縮器１３０で供給水から生成された熱水と蒸気の気液二相流は、被分離流体流路Ｌ４０を通って、気液分離器３１０に供給される。
【００２４】
蒸気利用設備４１０に蒸気を供給するため、気液分離器３１０の上部には、蒸気流路Ｌ５０が接続されている。また、温水ポンプＰ２１と排熱回収器１１０との間の温水供給流路Ｌ２０ａにブローダウン水を供給するため、気液分離器３１０の下部には、ブローダウン流路Ｌ８０が接続されている。供給水流路Ｌ３０の凝縮器１３０よりも上流に熱水を戻すため、気液分離器３１０の下部には、循環熱水流路Ｌ７０が接続されている。
【００２５】
次に、本発明のヒートポンプ式蒸気生成装置の動作について、熱の流れに沿って説明する。
【００２６】
（冷媒について）
ヒートポンプ設備１００には、排熱回収器１１０、圧縮機１２０、凝縮器１３０、絞り膨張器１４０が設けられ、この記載順に冷媒が循環流通するように冷媒流路Ｌ１０により接続されている。
【００２７】
冷媒は、排熱回収器１１０において、温水供給流路Ｌ２０ａから供給された温水との熱交換により加温されて気体となり、圧縮機１２０に送られる。
【００２８】
冷媒は、圧縮機１２０において、気体のまま所定の圧力まで圧縮され高温高圧になる。この高温高圧の冷媒は、凝縮器１３０において、供給水流路Ｌ３０から供給された供給水との間で熱交換が行われる。
【００２９】
凝縮器１３０を通過して液化された冷媒は、絞り膨張器１４０において、所定圧力まで減圧された後、排熱回収器１１０に再び導入され、排熱回収器１１０を流通する温水からの熱回収に用いられる。
【００３０】
ここで挙げられた絞り膨張器１４０としては、電子膨張弁が最も好適であるが、用途や構成に合わせ、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーなどを適宜選択しても良い。
【００３１】
一方、供給水流路Ｌ３０からの供給水は、凝縮器１３０において、高温高圧になった冷媒と熱交換され、熱水及び蒸気の気液二相流になる。
【００３２】
（供給水について）
給水源から供給水ポンプＰ３１で供給される供給水は、供給水の質量流量Ｑ１が、蒸気流路Ｌ５０から取出される蒸気の質量流量Ｑ２及びブローダウン流路Ｌ８０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場合が多い。
【００３３】
次に、供給水は、気液分離器３１０から循環熱水流路Ｌ７０を介して送られてくる熱水（循環熱水）と合流し、循環熱水との混合熱水となって凝縮器１３０に送液される。凝縮器１３０に導入された混合熱水は、前述したように凝縮器１３０において、高温高圧になった冷媒と熱交換され、熱水及び蒸気の気液二相流になる。この気液二相流が気液分離器３１０に送られる。
【００３４】
気液分離器３１０では、熱水及び蒸気の気液二相流を蒸気と熱水とに分離する。そして、気液分離器３１０の気相部に貯留された蒸気は、蒸気流路Ｌ５０を経由して蒸気利用設備４１０に供給される。また、気液分離器３１０の液相部に貯留された熱水は、循環熱水流路Ｌ７０を通して供給水流路Ｌ３０内を流通する供給水と混合され循環利用される。
【００３５】
また、気液分離器３１０の下部に接続されたブローダウン流路Ｌ８０からは、循環熱水系統の塩分の濃縮防止やスケール原因物質の低濃度化を目的として、定期的又は一時的にブローダウン水が排出される。
【００３６】
ここで、前記気液二相流については、圧力を加え高圧熱水の状態で移送しても良い。この場合には気液分離手段として、気液分離器の代わりにフラッシュタンクを設け、減圧により高圧熱水を気化させた上で気液分離を行っても良い。
【００３７】
（温水について）
温水タンク２１０には、使用後の工業用水、冷却水、蒸気ドレンなどの温水が貯留される。温水タンク２１０に貯留された温水は、温水供給流路Ｌ２０ａを流通し、温水ポンプＰ２１、排熱回収器１１０を経由して温水排出流路Ｌ２０ｂを流通し、系外へ排出される。温水ポンプＰ２１は、排熱回収器１１０へ供給する温水量を調節する。排熱回収器１１０では、温水の熱を、冷媒流路Ｌ１０を流通する冷媒に伝熱して冷媒を加温する。
【００３８】
ブローダウン流路Ｌ８０は温水供給流路Ｌ２０ａに接続されており、ブローダウン水は温水供給流路Ｌ２０ａへと導入されて温水と混合される。ブローダウン流路Ｌ８０の中途には、調節弁や逆止弁など各種弁を適宜設けても良い。
【００３９】
次に、第二の実施形態について説明する。図２は第二の実施形態の概略構成図である。第二の実施形態では、ブローダウン流路Ｌ９０を循環熱水流路Ｌ７０より分岐させている点が図１のブローダウン流路Ｌ８０と異なっている。なお、その他の構成要素については図１、図２で共通であるので、詳細な説明は省略する。
【００４０】
このように、ブローダウン流路Ｌ９０を循環熱水流路Ｌ７０から分岐させることにより、気液分離器３１０から取り出される合計熱水量を循環熱水流路Ｌ７０のみで調整でき、適宜バルブなどを設けることで、循環熱水流路Ｌ７０とブローダウン流路Ｌ９０とを流通する熱水の比率を容易にコントロールすることが出来るようになる。
【００４１】
また、ブローダウン流路Ｌ８０およびＬ９０の接続先は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１内に限定されず、排熱回収器１１０の温水上流側であればよく、図１および図２の破線で示されるように、温水タンク２１０と温水ポンプＰ２１の間でも良い。この場合、ブローダウンされる熱水の量に関わらず、温水ポンプＰ２１によって排熱回収器１１０へ流入する温水の総量を調節することが出来る。
【００４２】
また、ブローダウン流路Ｌ８０およびＬ９０を温水タンク２１０へ直接接続してもよい。これにより、ブローダウンされた熱水が温水供給流路Ｌ２０ａへ流入した際に生じる温度差により、配管内に部分的に真空状態が作られることを原因とする、水撃作用を防止することが出来る。
【００４３】
また、ブローダウン流路Ｌ８０およびＬ９０を上記接続先の内２か所以上に分岐させ、条件に応じて適宜切り替えるようにしても良い。これにより、機器停止時など温水を必要としない工程時にはブローダウン水を温水タンク２１０へ導入し、タンク内に貯留させるなどの操作を行うことが可能となり、ブローダウン水をより有効に活用することが出来る。
【００４４】
以上のように、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、熱交換器配管内へのスケール付着を防止しつつ、ブローダウン水の持つ熱エネルギーを効率的に回収することにより、系全体でのエネルギー効率を改善させることが出来る。
【符号の説明】
【００４５】
１：ヒートポンプ式蒸気生成装置
１００：ヒートポンプ設備
１１０：排熱回収器
１２０：圧縮機
１３０：凝縮器
１４０：絞り膨張器
２００：温水供給設備
２１０：温水タンク
３００：蒸気生成設備
３１０：気液分離器
４１０：蒸気利用設備
Ｌ１０：冷媒流路
Ｌ２０ａ：温水供給流路
Ｌ２０ｂ：温水排出流路
Ｌ３０：供給水流路
Ｌ４０：被分離流体流路
Ｌ５０：蒸気流路
Ｌ６０：ブローダウン流路
Ｌ７０：循環熱水流路
Ｌ８０、Ｌ９０：ブローダウン流路
Ｐ２１：温水ポンプ
Ｐ３１：供給水ポンプ
【図１】
2016002878.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2016002878.tif 000006
2016002878.tif 000007
2016002878.tif 000008
2016002878.tif 000009