以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態にかかる蒸気生成システムを示す概略図である。図1において、蒸気生成システムS1は、作動媒体(第1媒体)が流れるヒートポンプ10と、被加熱媒体(第2媒体)の供給経路20と、圧縮機30と、制御装置70と、冷凍機(蒸気圧縮冷凍機)90とを備える。本実施形態において、被加熱媒体は水である。制御装置70は、システム全体を統括的に制御する。蒸気生成システムS1の構成は、蒸気生成システムS1の設計要求に応じて様々に変更可能である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a steam generation system according to the first embodiment. In FIG. 1, a steam generation system S1 includes a heat pump 10 through which a working medium (first medium) flows, a supply path 20 for a medium to be heated (second medium), a compressor 30, a control device 70, a refrigerator ( A vapor compression refrigerator) 90. In the present embodiment, the medium to be heated is water. The control device 70 comprehensively controls the entire system. The configuration of the steam generation system S1 can be variously changed according to the design requirements of the steam generation system S1.
ヒートポンプ10及び冷凍機90は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプ及び冷凍機は一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。
The heat pump 10 and the refrigerator 90 are devices that pump heat from a low-temperature object and apply heat to the high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion processes. Heat pumps and refrigerators generally have the advantage of relatively high energy efficiency and, as a result, relatively low emissions of carbon dioxide and the like.
本実施形態において、ヒートポンプ10は、吸熱部11、圧縮部12、放熱部(第1放熱部13A、第2放熱部13B、第3放熱部13E)、及び膨張部14を有し、これらは配管を介して接続されている。
In the present embodiment, the heat pump 10 includes a heat absorbing part 11, a compressing part 12, a heat radiating part (a first heat radiating part 13A, a second heat radiating part 13B, a third heat radiating part 13E), and an expansion part 14, which are piping. Connected through.
ヒートポンプ10の吸熱部11では、主経路15内を流れる作動媒体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ10の吸熱部11は、冷凍機90の放熱部91に熱的に接続されている。
In the heat absorption part 11 of the heat pump 10, the working medium flowing in the main path 15 absorbs the heat of the heat source outside the cycle. In this embodiment, the heat absorption part 11 of the heat pump 10 is thermally connected to the heat dissipation part 91 of the refrigerator 90.
ヒートポンプ10の圧縮部12は、圧縮機等によって作動媒体を圧縮する。この際、通常、作動媒体の温度が上がる。本実施形態において、圧縮部12は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図1に示す圧縮部12は、第1圧縮部12A及び第2圧縮部12Bを含む2段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。圧縮部12は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部12は、各圧縮部12A,12Bに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部12は、同軸圧縮構造を有することができる。本実施形態において、圧縮部12A及び12Bが同軸に構成され、その軸に動力が供給される。各圧縮部12A,12Bの圧縮比(圧力比)は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定される。
The compression unit 12 of the heat pump 10 compresses the working medium using a compressor or the like. At this time, the temperature of the working medium usually increases. In the present embodiment, the compression unit 12 has a structure for compressing the working medium in multiple stages. The compression unit 12 illustrated in FIG. 1 has a two-stage compression structure including a first compression unit 12A and a second compression unit 12B. The number of stages of compression is set according to the specification of the steam generation system S1, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Among the various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor, a compressor suitable for compressing the working medium is applied. Power is supplied to the compressor. The compression unit 12 can have a multiaxial compression structure in which the rotation speeds corresponding to the compression units 12A and 12B are individually controlled. Alternatively, the compression unit 12 can have a coaxial compression structure. In the present embodiment, the compression units 12A and 12B are configured coaxially, and power is supplied to the shaft. The compression ratio (pressure ratio) of each compression part 12A, 12B is set according to the specification of the steam generation system S1.
放熱部13A,13B,13Eは、圧縮部12で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、主経路15内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、3つの放熱部13A,13B,13Eが直列に配置されている。放熱部の数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、10、あるいは11以上である。第1放熱部13Aは圧縮部12Aと12Bとの段間に配置され、第3放熱部13Eは、第2放熱部13Bの下流位置に配置される。
The heat radiating units 13A, 13B, and 13E have pipes through which the working medium compressed by the compressing unit 12 flows, and give the heat of the working medium flowing in the main path 15 to a heat source outside the cycle. In the present embodiment, three heat radiating portions 13A, 13B, and 13E are arranged in series along the flow direction of the working medium. The number of heat radiation units is set according to the specifications of the steam generation system S1, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or 11 or more. 13 A of 1st thermal radiation parts are arrange | positioned between the compression parts 12A and 12B, and the 3rd thermal radiation part 13E is arrange | positioned in the downstream position of the 2nd thermal radiation part 13B.
膨張部14は、減圧弁またはタービン等によって作動媒体を膨張させる。この際、通常、作動媒体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部14から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部12に供給してもよい。ヒートポンプ10に使用される作動媒体として、フロン系媒体(245、134など)、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気生成システムS1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。
The expansion unit 14 expands the working medium using a pressure reducing valve, a turbine, or the like. At this time, the temperature of the working medium usually decreases. When a turbine is used, power can be taken out from the expansion unit 14, and the power may be supplied to the compression unit 12, for example. As a working medium used for the heat pump 10, various known heat mediums such as a chlorofluorocarbon medium (245, 134, etc.), ammonia, water, carbon dioxide, air, and the like depend on the specifications and heat balance of the steam generation system S1. Used.
本実施形態において、冷凍機90は、ヒートポンプ10と同様に、放熱部91、膨張部92、吸熱部93、及び圧縮部94を有し、これらは配管を介して接続されている。冷凍機90において、放熱部91を流れる媒体(冷媒など)の熱がヒートポンプ10の吸熱部11に吸収され、吸熱部93からの冷熱が外部の設備に供給される。
In this embodiment, the refrigerator 90 has the heat radiating part 91, the expansion | swelling part 92, the heat absorption part 93, and the compression part 94 similarly to the heat pump 10, These are connected via piping. In the refrigerator 90, the heat of the medium (refrigerant, etc.) flowing through the heat radiating unit 91 is absorbed by the heat absorbing unit 11 of the heat pump 10, and the cold heat from the heat absorbing unit 93 is supplied to external equipment.
本実施形態において、圧縮部94における圧縮の段数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、1、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。冷凍機90に使用される作動媒体として、フロン系媒体、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気生成システムS1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。冷凍機90は蒸気圧縮冷凍機に限定されない。
In the present embodiment, the number of compression stages in the compression unit 94 is set according to the specification of the steam generation system S1, and is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. As the working medium used in the refrigerator 90, various known heat mediums such as a chlorofluorocarbon medium, ammonia, water, carbon dioxide, and air are used according to the specifications and heat balance of the steam generation system S1. The refrigerator 90 is not limited to a vapor compression refrigerator.
他の実施形態において、冷凍機(蒸気圧縮冷凍機)90に代えて又は加えて、吸収式冷凍機(ガス直焚き吸収式冷凍機、蒸気吸収式冷凍機など)、吸着式冷凍機などを採用することができる。あるいは、冷凍機90に代えて又は加えて、冷蔵装置、内燃機関など、排エネルギー(温排熱)を有する媒体を流す様々な装置を採用することができる。ヒートポンプ10の吸熱部11に熱的に接続された放熱部を備えた装置において、排熱(排エネルギー)の少なくとも一部がヒートポンプ10に回収される。
In another embodiment, instead of or in addition to the refrigerator (vapor compression refrigerator) 90, an absorption refrigerator (a gas direct absorption absorption refrigerator, a vapor absorption refrigerator, etc.), an adsorption refrigerator, or the like is employed. can do. Alternatively, in place of or in addition to the refrigerator 90, various devices such as a refrigeration device and an internal combustion engine that flow a medium having waste energy (hot waste heat) can be employed. In an apparatus including a heat radiating part thermally connected to the heat absorbing part 11 of the heat pump 10, at least a part of exhaust heat (exhaust energy) is recovered by the heat pump 10.
本実施形態において、ヒートポンプ10の吸熱部11と冷凍機90の放熱部91との熱交換部に対して蓄熱部110が設けられている。蓄熱部110は、ヒートポンプ10からの冷熱を蓄える蓄熱材111を有する。冷凍機90の放熱部91からの温熱は、蓄熱材111に伝わる。蒸気生成システムS1の仕様に応じて、蓄熱材111の材料特性が定められる。
In this embodiment, the heat storage part 110 is provided with respect to the heat exchange part of the heat absorption part 11 of the heat pump 10 and the heat dissipation part 91 of the refrigerator 90. The heat storage unit 110 includes a heat storage material 111 that stores cold heat from the heat pump 10. The heat from the heat radiating portion 91 of the refrigerator 90 is transmitted to the heat storage material 111. The material characteristics of the heat storage material 111 are determined according to the specifications of the steam generation system S1.
本実施形態において、蓄熱材111は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。すなわち、蓄熱材111は、凝固する際に冷熱を蓄え、融解する際に冷熱を放出する。蓄熱材111の融点が、ヒートポンプ10の吸熱部11内の作動媒体の温度と同程度以上(例えば、30〜90℃以上)であるのが望ましい。蓄熱材111としては、例えば、酢酸ナトリウム三水和物、アルカン類等の炭化水素、ワックス系(パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等)等が挙げられる。アルカン類は、目標の融点となるように、側鎖の水素を水酸基に置換した物質を構築するなどにより、分子の大きさが適宜調節することができる。潜熱蓄熱材は、相変化に伴う体積変化が小さく、装置のコンパクト化に有利である。蓄熱材111として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。
In the present embodiment, the heat storage material 111 includes a latent heat storage material that stores and radiates heat with a liquid-solid phase change. That is, the heat storage material 111 stores cold heat when solidifying and releases cold heat when melting. It is desirable that the melting point of the heat storage material 111 is equal to or higher than the temperature of the working medium in the heat absorbing part 11 of the heat pump 10 (for example, 30 to 90 ° C. or higher). Examples of the heat storage material 111 include hydrocarbons such as sodium acetate trihydrate and alkanes, wax systems (paraffin wax, microcrystalline wax, etc.), and the like. Alkanes can be appropriately adjusted in molecular size, for example, by constructing a substance in which hydrogen in the side chain is substituted with a hydroxyl group so as to achieve a target melting point. The latent heat storage material has a small volume change accompanying the phase change, and is advantageous for downsizing the apparatus. As the heat storage material 111, other substances such as a sensible heat storage material and a chemical reaction heat storage material may be used.
図2A〜2Dは、蓄熱部110が設けられた熱交換器の構造例を示す断面図である。図2Aにおいて、熱交換器は、筐体112内で、ヒートポンプ10の吸熱部11の配管と冷凍機90の放熱部91の配管とが直接接触した構造を有する。また、吸熱部11の配管と放熱部91の配管とを覆うように、筐体112内に蓄熱材111が配置されている。放熱部91は、吸熱部11と直接的に熱的に接続されている。
2A to 2D are cross-sectional views illustrating structural examples of the heat exchanger provided with the heat storage unit 110. 2A, the heat exchanger has a structure in which the piping of the heat absorption unit 11 of the heat pump 10 and the piping of the heat radiation unit 91 of the refrigerator 90 are in direct contact within the housing 112. In addition, a heat storage material 111 is disposed in the housing 112 so as to cover the piping of the heat absorption unit 11 and the piping of the heat dissipation unit 91. The heat radiating part 91 is directly and thermally connected to the heat absorbing part 11.
図2Bにおいて、熱交換器は、ヒートポンプ10の吸熱部11の配管と冷凍機90の放熱部91の配管とが筐体112内に配置された構造を有する。また、吸熱部11の配管と放熱部91の配管との隙間を含む、筐体112内の内部空間に蓄熱材111が、両配管を覆うように、配置されている。吸熱部11は、蓄熱材111を介して放熱部91に熱的に接続されている。放熱部91の配管から吸熱部11の配管への熱移動促進のために、蓄熱材111が熱伝導物質を含んでもよい。
In FIG. 2B, the heat exchanger has a structure in which the piping of the heat absorption unit 11 of the heat pump 10 and the piping of the heat dissipation unit 91 of the refrigerator 90 are arranged in the housing 112. In addition, the heat storage material 111 is disposed in the internal space in the housing 112 including the gap between the pipe of the heat absorbing unit 11 and the pipe of the heat radiating unit 91 so as to cover both pipes. The heat absorbing part 11 is thermally connected to the heat radiating part 91 via the heat storage material 111. In order to promote heat transfer from the piping of the heat radiating unit 91 to the piping of the heat absorbing unit 11, the heat storage material 111 may include a heat conductive material.
図2Cにおいて、熱交換器は、環状断面の流路を有するヒートポンプ10の吸熱部11の配管の内方に冷凍機90の放熱部91の配管が配置された構造を有する。また、吸熱部11の配管と放熱部91の配管との隙間に蓄熱材111が配置されている。吸熱部11は、蓄熱材111を介して放熱部91に熱的に接続されている。吸熱部11の配管を囲む筐体112を設け、筐体112と吸熱部11の配管との隙間にも蓄熱材111を配置することが可能である。他の実施形態において、熱交換器は、環状断面の流路を有する放熱部91の配管の内方に吸熱部11の配管が配置されてもよい。
In FIG. 2C, the heat exchanger has a structure in which the piping of the heat radiating portion 91 of the refrigerator 90 is arranged inside the piping of the heat absorbing portion 11 of the heat pump 10 having a channel having an annular cross section. Further, a heat storage material 111 is arranged in a gap between the pipe of the heat absorbing unit 11 and the pipe of the heat radiating unit 91. The heat absorbing part 11 is thermally connected to the heat radiating part 91 via the heat storage material 111. A housing 112 surrounding the piping of the heat absorbing unit 11 is provided, and the heat storage material 111 can be disposed also in a gap between the housing 112 and the piping of the heat absorbing unit 11. In another embodiment, in the heat exchanger, the pipe of the heat absorbing unit 11 may be arranged inside the pipe of the heat radiating unit 91 having a channel having an annular cross section.
図2Dにおいて、熱交換器は、環状断面の流路を有する吸熱部11の配管の内方に放熱部91の複数(本例では2つ)の配管が配置された構造を有する。放熱部91の各配管が吸熱部11の配管に直接接触している。また、吸熱部11の配管の内方空間に蓄熱材111が配置されている。吸熱部11は、直接的に放熱部91に熱的に接続され、あるいは蓄熱材111を介して放熱部91に熱的に接続されている。吸熱部11の配管を囲む筐体112を設け、筐体112と吸熱部11の配管との隙間にも蓄熱材111を配置することが可能である。
In FIG. 2D, the heat exchanger has a structure in which a plurality of (two in this example) pipes of the heat radiating section 91 are arranged inside the pipe of the heat absorbing section 11 having a channel having an annular cross section. Each piping of the heat radiating portion 91 is in direct contact with the piping of the heat absorbing portion 11. In addition, a heat storage material 111 is disposed in the inner space of the pipe of the heat absorbing unit 11. The heat absorbing part 11 is directly thermally connected to the heat radiating part 91 or is thermally connected to the heat radiating part 91 via the heat storage material 111. A housing 112 surrounding the piping of the heat absorbing unit 11 is provided, and the heat storage material 111 can be disposed also in a gap between the housing 112 and the piping of the heat absorbing unit 11.
なお、各配管の形状、配列、材質などは任意に設定可能であり、蓄熱部110が設けられた熱交換器について様々な形態が適用可能である。この熱交換器には、断熱材が必要に応じて配置される。各配管にはフィンが必要に応じて設けられる。
In addition, the shape, arrangement | sequence, material, etc. of each piping can be set arbitrarily, and various forms are applicable about the heat exchanger in which the heat storage part 110 was provided. In this heat exchanger, a heat insulating material is arrange | positioned as needed. Each pipe is provided with fins as necessary.
本実施形態において、ヒートポンプ10はさらに、バイパス経路17と、再生器18とを有する。バイパス経路17の入口端がヒートポンプ10の主経路15における第2放熱部13Bと第3放熱部13Eとの間の配管に流体的に接続される。バイパス経路17の出口端が主経路15における第3放熱部13Eと膨張部14との間の配管に流体的に接続される。バイパス経路17の入口に、作動媒体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路17において、第2放熱部13Bからの作動媒体の一部が、第3放熱部13Eを迂回し、膨張部14の手前で第3放熱部13Eからの作動媒体と合流する。第2放熱部13Bからの残りの作動媒体は、第3放熱部13Eを流れ、第1熱交換器41においてその作動媒体と供給経路20内の水とが熱交換する。
In the present embodiment, the heat pump 10 further includes a bypass path 17 and a regenerator 18. The inlet end of the bypass path 17 is fluidly connected to a pipe between the second heat radiating part 13B and the third heat radiating part 13E in the main path 15 of the heat pump 10. An outlet end of the bypass path 17 is fluidly connected to a pipe between the third heat radiating part 13 </ b> E and the expansion part 14 in the main path 15. A flow rate control valve for controlling the bypass flow rate of the working medium can be provided at the inlet of the bypass path 17. In the bypass path 17, a part of the working medium from the second heat radiating part 13 </ b> B bypasses the third heat radiating part 13 </ b> E and merges with the working medium from the third heat radiating part 13 </ b> E before the expansion part 14. The remaining working medium from the second heat radiating section 13B flows through the third heat radiating section 13E, and the working medium and water in the supply path 20 exchange heat in the first heat exchanger 41.
再生器18は、バイパス経路17の配管の一部と、ヒートポンプ10の主経路15の配管(吸熱部11と圧縮部12との間の配管)の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両配管が互いに接触あるいは隣接して配置される。ヒートポンプ10において、吸熱部11からの作動媒体に比べて、第2放熱部13Bからの作動媒体は高温である。再生器18において、バイパス経路17を流れる第2放熱部13Bからの作動媒体と、ヒートポンプ10の主経路15を流れる吸熱部11からの作動媒体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路17内の作動媒体の温度が降下し、主経路15内の作動媒体の温度が上昇する。再生器18は、低温の流体(主経路15内の作動媒体)と高温の流体(バイパス経路17内の作動媒体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、再生器18は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。
The regenerator 18 has a configuration in which a part of the pipe of the bypass path 17 and a part of the pipe of the main path 15 of the heat pump 10 (a pipe between the heat absorption unit 11 and the compression unit 12) are thermally connected. Have. For example, both pipes are arranged in contact with or adjacent to each other. In the heat pump 10, the working medium from the second heat radiating unit 13 </ b> B is hotter than the working medium from the heat absorbing unit 11. In the regenerator 18, the working medium from the second heat radiating unit 13 </ b> B flowing through the bypass path 17 and the working medium from the heat absorbing unit 11 flowing through the main path 15 of the heat pump 10 exchange heat. By this heat exchange, the temperature of the working medium in the bypass path 17 is lowered, and the temperature of the working medium in the main path 15 is raised. The regenerator 18 may have a countercurrent heat exchange system in which a low-temperature fluid (a working medium in the main path 15) and a high-temperature fluid (a working medium in the bypass path 17) face each other. Alternatively, the regenerator 18 may have a parallel flow type heat exchange system in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel.
供給経路20は、加温部21と、蒸発部22と、蒸発部22と圧縮機30とを流体的に接続するダクト23とを有する。
The supply path 20 includes a heating unit 21, an evaporation unit 22, and a duct 23 that fluidly connects the evaporation unit 22 and the compressor 30.
加温部21は、ヒートポンプ10の第3放熱部13Eに熱的に接続されかつ供給源(不図示)からの水が流れる配管を含む。加温部21と第3放熱部13Eとを含んで第1熱交換器41が構成される。第1熱交換器41は、低温の流体(供給経路20内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第1熱交換器41は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、第1熱交換器41の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。加温部21の配管と第3放熱部13Eの配管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、第3放熱部13Eの配管を、加温部21の配管の外周面や内部に配設することができる。加温部21において、ヒートポンプ10の第3放熱部13Eからの伝達熱によって、供給経路20内の水が温度上昇する。
The heating unit 21 includes a pipe that is thermally connected to the third heat radiating unit 13E of the heat pump 10 and through which water from a supply source (not shown) flows. The 1st heat exchanger 41 is comprised including the heating part 21 and the 3rd thermal radiation part 13E. The first heat exchanger 41 can have a countercurrent heat exchange system in which a low-temperature fluid (water in the supply path 20) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) flow in opposition. Alternatively, the first heat exchanger 41 may have a parallel flow type heat exchange system in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. In the present embodiment, various known ones can be adopted as the heat exchange structure of the first heat exchanger 41. The piping of the heating unit 21 and the piping of the third heat radiation unit 13E are arranged in contact with or adjacent to each other. For example, the piping of the third heat radiating unit 13E can be disposed on the outer peripheral surface or inside of the piping of the heating unit 21. In the heating unit 21, the temperature of the water in the supply path 20 rises due to the heat transferred from the third heat radiating unit 13 </ b> E of the heat pump 10.
蒸発部22は、必要に応じて脱気槽49と、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜するタンク47と、タンク47に流体的に接続された循環配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B)とを有する。脱気槽49とタンク47との間には、必要に応じて流体駆動部49Cが配置される。脱気槽49には、ポンプ49A及び放出管49Bが流体的に接続される。脱気槽49の内部に気液分離器を配置してもよい。脱気槽49において、加温部21からの水が脱気され、その気体がポンプ49A及び放出管49Bを介して外部(大気)に適宜に放出される。タンク47には、脱気槽49(加温部21)からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク47は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50と、気液分離器(不図示)とを有する。
The evaporation unit 22 includes a deaeration tank 49, a tank 47 for storing at least a liquid medium to be heated (water), and a circulation pipe (first circulation pipe 48A, first fluid) fluidly connected to the tank 47 as necessary. 2 circulation piping 48B). A fluid drive unit 49C is disposed between the deaeration tank 49 and the tank 47 as necessary. A pump 49A and a discharge pipe 49B are fluidly connected to the deaeration tank 49. A gas-liquid separator may be disposed inside the deaeration tank 49. In the deaeration tank 49, water from the heating unit 21 is degassed, and the gas is appropriately discharged to the outside (atmosphere) through the pump 49A and the discharge pipe 49B. The tank 47 is provided with a water supply port from the deaeration tank 49 (heating unit 21) and a steam discharge port. The tank 47 includes a level sensor 50 that measures the liquid level and a gas-liquid separator (not shown) as necessary.
本実施形態において、1つのタンク47に対して各循環配管48A,48Bが流体的に接続されている。すなわち、循環配管48A,48Bの各入口端と各出口端とがタンク47に流体的に接続される。循環配管の数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。第1循環配管48Aは、ヒートポンプ10の第1放熱部13Aに熱的に接続される蒸発管51Aと、ポンプ52Aと、必要に応じてバルブ53Aとを有する。同様に、第2循環配管48Bは、ヒートポンプ10の第2放熱部13Bに熱的に接続される蒸発管51Bと、ポンプ52Bと、必要に応じてバルブ53Bとを有する。バルブ53A,53Bは、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。本実施形態において、蒸発管51A,51Bは、個々に独立してタンク47に流体的に接続される。また、蒸発管51A,51Bは、タンク47及び供給経路20に対して並列に配置される。被加熱媒体(水)の熱対流及び/又は外部との差圧などを利用してポンプ52A,52Bの少なくとも1つを省いてもよい。
In this embodiment, each circulation pipe 48 </ b> A, 48 </ b> B is fluidly connected to one tank 47. That is, each inlet end and each outlet end of the circulation pipes 48 </ b> A and 48 </ b> B are fluidly connected to the tank 47. The number of circulation pipes is set according to the specification of the steam generation system S1, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. 48 A of 1st circulation piping has the evaporation pipe | tube 51A thermally connected to the 1st thermal radiation part 13A of the heat pump 10, the pump 52A, and the valve | bulb 53A as needed. Similarly, the 2nd circulation piping 48B has the evaporation pipe | tube 51B thermally connected to the 2nd thermal radiation part 13B of the heat pump 10, the pump 52B, and the valve | bulb 53B as needed. The valves 53A and 53B are, for example, regulators, flow rate control valves, or open / close valves. In the present embodiment, the evaporation pipes 51A and 51B are fluidly connected to the tank 47 independently of each other. The evaporation pipes 51 </ b> A and 51 </ b> B are arranged in parallel with the tank 47 and the supply path 20. At least one of the pumps 52A and 52B may be omitted by utilizing thermal convection of the medium to be heated (water) and / or differential pressure with the outside.
蒸発管51Aと第1放熱部13Aとを含んで第2熱交換器42が構成される。同様に、蒸発管51Bと第2放熱部13Bとを含んで第3熱交換器43が構成される。第2及び第3熱交換器42,43は、低温の流体(蒸発管51A及び51B内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第2及び第3熱交換器42,43は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第2及び第3熱交換器42,43の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ10の各放熱部13A,13Bの配管と、蒸発管51A,51Bとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ10の各放熱部13A,13Bの配管を、蒸発管51A,51Bの外周面や内部に配設することができる。
A second heat exchanger 42 is configured including the evaporation pipe 51A and the first heat radiation part 13A. Similarly, the 3rd heat exchanger 43 is comprised including the evaporation pipe | tube 51B and the 2nd thermal radiation part 13B. The second and third heat exchangers 42 and 43 are countercurrent heat exchanges in which a low-temperature fluid (water in the evaporation pipes 51A and 51B) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) flow opposite to each other. You can have a scheme. Alternatively, the second and third heat exchangers 42 and 43 may have a parallel flow type heat exchange system in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. Various known heat exchange structures for the second and third heat exchangers 42 and 43 can be employed. The pipes of the heat radiating portions 13A and 13B of the heat pump 10 and the evaporation pipes 51A and 51B are arranged in contact with or adjacent to each other. For example, the pipes of the heat radiating portions 13A and 13B of the heat pump 10 can be disposed on the outer peripheral surface and inside of the evaporation pipes 51A and 51B.
蒸発部22において、加温部21で温度上昇した水が供給口を介してタンク47に供給され、タンク47及び循環配管48A,48B内に水が貯溜される。タンク47内の液面が所定範囲内になるように、タンク47への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50の計測結果に基づいて、タンク47への水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の第1及び第2放熱部13A,13Bからの伝達熱によって蒸発管51A,51B内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。タンク47は、ダクト23を介して圧縮機30に流体的に接続されている。タンク47の内部空間は、タンク47の排出口及びダクト23を介して圧縮機30によって吸引される。タンク47内の蒸気は、ダクト23内を圧縮機30に向けて流れる。
In the evaporation unit 22, the water whose temperature has increased in the heating unit 21 is supplied to the tank 47 through the supply port, and the water is stored in the tank 47 and the circulation pipes 48 </ b> A and 48 </ b> B. The amount of water supplied to the tank 47 is controlled so that the liquid level in the tank 47 falls within a predetermined range. For example, the amount of water supplied to the tank 47 is controlled based on the measurement result of the level sensor 50. The water in the evaporation pipes 51A and 51B is heated by the heat transferred from the first and second heat radiation portions 13A and 13B of the heat pump 10, and at least a part of the water evaporates. The tank 47 is fluidly connected to the compressor 30 via the duct 23. The internal space of the tank 47 is sucked by the compressor 30 through the discharge port of the tank 47 and the duct 23. The steam in the tank 47 flows in the duct 23 toward the compressor 30.
圧縮機30は、供給経路20上に配設され、その配設位置はタンク47に対して下流である。圧縮機30としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機30は、タンク47からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
The compressor 30 is disposed on the supply path 20 and is disposed downstream of the tank 47. As the compressor 30, various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor are applied, and those suitable for vapor compression are used. The compressor 30 compresses the steam from the tank 47 and flows the pressurized steam downstream.
圧縮機30及び/又は供給経路20には、蒸気に対して水を供給するノズル35が、必要に応じて配設される。ノズル35の配設位置は、例えば、圧縮機30の入口及び/又は出口である。圧縮機30が多段式である場合には、ノズル35を圧縮機30の段間に配設することができる。本実施形態において、圧縮機30は、第1圧縮部30A及び第2圧縮部30Bを含む2段圧縮構造を有する。圧縮機30の多段圧縮構造は、後述する蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機30は、各圧縮部30A,30Bに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮機30は、同軸圧縮構造を有することができる。本実施形態において、圧縮部30A及び30Bが同軸に構成され、その軸に動力が供給される。各圧縮部30A,30Bの圧縮比(圧力比)は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定される。本実施形態において、各段間にノズル35が配設される。ノズル35とタンク47の液相位置とが配管36を介して流体的に接続することができる。この配管構成では、比較的高温であるタンク47内の液体がノズル35への供給に有効利用される。ノズル35からの液体の排出(スプレイ)には、ポンプ37などの動力源を用いてもよく、配管36の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
In the compressor 30 and / or the supply path 20, a nozzle 35 that supplies water to the steam is disposed as necessary. The arrangement position of the nozzle 35 is, for example, an inlet and / or an outlet of the compressor 30. When the compressor 30 is a multistage type, the nozzle 35 can be disposed between the stages of the compressor 30. In the present embodiment, the compressor 30 has a two-stage compression structure including a first compression unit 30A and a second compression unit 30B. The multistage compression structure of the compressor 30 is advantageous for increasing the temperature and pressure of steam, which will be described later. The compressor 30 can have a multiaxial compression structure in which the rotation speeds corresponding to the compression units 30A and 30B are individually controlled. Alternatively, the compressor 30 can have a coaxial compression structure. In the present embodiment, the compression units 30A and 30B are configured coaxially, and power is supplied to the shaft. The compression ratio (pressure ratio) of each compression unit 30A, 30B is set according to the specification of the steam generation system S1. In this embodiment, the nozzle 35 is arrange | positioned between each stage. The nozzle 35 and the liquid phase position of the tank 47 can be fluidly connected via the pipe 36. In this piping configuration, the liquid in the tank 47 having a relatively high temperature is effectively used for supply to the nozzle 35. For discharging (spraying) the liquid from the nozzle 35, a power source such as a pump 37 may be used, or a pressure difference between the inlet and the outlet of the pipe 36 may be used.
圧縮機30による吸引作用により、供給経路20におけるヒートポンプ10による加熱部位での内部空間、すなわちタンク47の内部空間が減圧される。例えば、タンク47の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧(陰圧)となるように、供給経路20上の制御弁(流量制御弁など。不図示)や圧縮機30を制御することができる。この制御は、例えば、タンク47の内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。
Due to the suction action by the compressor 30, the internal space at the heating portion by the heat pump 10 in the supply path 20, that is, the internal space of the tank 47 is decompressed. For example, the control valve (such as a flow rate control valve (not shown)) or the compressor 30 on the supply path 20 can be controlled so that the internal pressure of the tank 47 becomes a negative pressure (negative pressure) lower than the atmospheric pressure. it can. This control is performed based on a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the tank 47, for example.
また、タンク47及びヒートポンプ10は、タンク47の内部圧力の設定値に対して、水が蒸発するように設計(容量設計、能力設計など)されている。ヒートポンプ10の成績係数は、被加熱媒体(水)の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数(COP)が低下する場合がある。タンク47の内部空間が減圧されることにより、加熱温度領域(入出力温度差)を比較的狭く設定し、高いCOPでのヒートポンプ10の使用が可能である。例えば、水の入力温度(初期温度)は約20℃であり、蒸発部22からの水の出力温度は約90〜160℃である。
The tank 47 and the heat pump 10 are designed (capacity design, capacity design, etc.) so that water evaporates with respect to the set value of the internal pressure of the tank 47. The coefficient of performance of the heat pump 10 changes according to the difference between the input temperature and the output temperature of the medium to be heated (water), and if the temperature difference is excessively large, the coefficient of performance (COP) may decrease. By reducing the internal space of the tank 47, the heating temperature region (input / output temperature difference) is set to be relatively narrow, and the heat pump 10 can be used at a high COP. For example, the input temperature (initial temperature) of water is about 20 ° C., and the output temperature of water from the evaporation unit 22 is about 90 to 160 ° C.
次に、蒸気生成システムS1の基本的な動作について説明する。蓄熱部110を利用した蒸気生成システムS1の各種運転方法については後述する。
Next, the basic operation of the steam generation system S1 will be described. Various operation methods of the steam generation system S1 using the heat storage unit 110 will be described later.
図1に示すように、まず、第1熱交換器41において、供給経路20内の水がヒートポンプ10の第3放熱部13Eからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。その後、第2及び第3熱交換器42,43において、第1及び第2放熱部13A,13Bからの伝達熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が第1熱交換器41において行われ、水の潜熱加熱が第2及び第3熱交換器42,43において行われる。第1熱交換器41が顕熱交換に適した形態であり、第2及び第3熱交換器42,43が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が生成される。
As shown in FIG. 1, first, in the first heat exchanger 41, the temperature of the water in the supply path 20 rises to near the boiling point due to the heat transferred from the third heat radiating part 13 </ b> E of the heat pump 10. Thereafter, in the second and third heat exchangers 42 and 43, the water undergoes a phase change and evaporates due to the heat transferred from the first and second heat radiating portions 13A and 13B. That is, sensible heat heating of water is performed in the first heat exchanger 41, and latent heat heating of water is performed in the second and third heat exchangers 42 and 43. The first heat exchanger 41 is in a form suitable for sensible heat exchange, and the second and third heat exchangers 42 and 43 are in a form suitable for latent heat exchange. Accordingly, steam is generated via a preferred heating process.
ボイラのエネルギー効率が一般に約0.7〜0.8(70〜80%)であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数(COP:coefficient of performance)は一般に2.5〜5.0である。ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体(水)の入出力温度差に応じて変化し、比較的高い入出力温度差においてその成績係数が低下する傾向がある。本実施形態において、顕熱交換及び潜熱交換に対応してヒートポンプが個別の加熱部を有することにより、入出力温度差を抑え、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。
The energy efficiency of the boiler is generally about 0.7 to 0.8 (70 to 80%), whereas the coefficient of performance (COP) as the energy efficiency of the heat pump is generally 2.5 to 5. 0. The coefficient of performance of the heat pump changes according to the input / output temperature difference of the medium to be heated (water), and the coefficient of performance tends to decrease at a relatively high input / output temperature difference. In this embodiment, since the heat pump has individual heating units corresponding to the sensible heat exchange and the latent heat exchange, it is possible to suppress the input / output temperature difference and generate steam with higher energy efficiency than the boiler.
また、本実施形態において、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A〜13C)からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ10で加熱された水が、圧縮機30による圧縮によってさらに加熱され、これにより、高温蒸気が発生する。蒸気生成システムS1からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。
In the present embodiment, the water in the supply path 20 becomes steam having a relatively low pressure and low temperature by heat transfer from the heat pump 10 (heat radiation units 13 </ b> A to 13 </ b> C), and is compressed by the compressor 30 to have a relatively high pressure. And it becomes high temperature steam. That is, the water heated by the heat pump 10 is further heated by the compression by the compressor 30, thereby generating high-temperature steam. The steam from the steam generation system S1 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, a power plant, and the like.
図3は、蒸気生成システムS1による水の状態変化の一例を示す T-s 線図である。図3に示すように、水は、第1熱交換器41(図1参照)において沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま第2及び第3熱交換器42,43において相変化する。このとき、圧力P0の状態において、飽和蒸気d0が発生する。
FIG. 3 is a Ts diagram illustrating an example of a state change of water by the steam generation system S1. As shown in FIG. 3, the temperature of the water rises to near the boiling point in the first heat exchanger 41 (see FIG. 1), and then changes in phase in the second and third heat exchangers 42 and 43 while keeping the temperature constant. At this time, saturated steam d0 is generated in the state of pressure P0.
次に、その飽和蒸気d0は、圧縮機30(図1参照)による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気(過熱蒸気e2)になる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。圧力P2の過熱蒸気e2を定圧下で冷却することにより、比較的高温の飽和蒸気得ることができる(図3の破線a)。同様に、大気圧(約0.1MPa)の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約100℃の飽和蒸気d1を得ることができる。
Next, the saturated steam d0 becomes a relatively high-pressure and high-temperature steam (superheated steam e2) by compression by the compressor 30 (see FIG. 1). That is, the temperature of the steam rises with the compression. By cooling the superheated steam e2 at the pressure P2 under a constant pressure, a relatively high-temperature saturated steam can be obtained (broken line a in FIG. 3). Similarly, saturated steam d1 at about 100 ° C. can be obtained by cooling superheated steam at atmospheric pressure (about 0.1 MPa) under constant pressure.
過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機30の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。
By directly mixing liquid water or hot water into the cooling from superheated steam to saturated steam, the volume of steam is increased. In this case, for example, water or hot water is supplied to the steam at the outlet of the compressor 30.
水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気d0から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気d2への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機30の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機30の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機30の出口で飽和蒸気d2に変化する(図3の破線c1(スプレー)及びc2(圧縮))。または、圧縮機30の中間で圧縮機30の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機30の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機30の出口で飽和蒸気d2に変化する(図3の破線b)。すなわち、圧縮機30による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機30から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。
By optimizing the supply amount and timing of water or hot water, the change from the relatively low pressure and low temperature saturated steam d0 to the relatively high pressure and high temperature saturated steam d2 can be made more direct. For example, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam at the inlet of the compressor 30, the saturated steam d0 at the inlet of the compressor 30 changes to saturated steam d2 at the outlet of the compressor 30 (FIG. 3). Broken lines c1 (spray) and c2 (compression)). Alternatively, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam for each stage of the compressor 30 in the middle of the compressor 30, the saturated steam d0 at the inlet of the compressor 30 becomes saturated steam d2 at the outlet of the compressor 30. (Broken line b in FIG. 3). That is, by optimizing the combination of compression by the compressor 30 and cooling by water or warm water, steam close to a saturated state can be efficiently discharged from the compressor 30.
このように、本実施形態において、図1に示すヒートポンプ10による2段加熱と圧縮機30による加熱とを含む3段順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。すなわち、ヒートポンプ10による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機30による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。つまり、蒸気生成システムS1は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。
Thus, in this embodiment, both saturated steam and superheated steam can be easily generated by three-stage sequential heating including two-stage heating by the heat pump 10 and heating by the compressor 30 shown in FIG. That is, after generating saturated steam at a negative pressure lower than the atmospheric pressure by heating by the heat pump 10, superheated steam or saturated steam at a pressure higher than atmospheric pressure or atmospheric pressure is generated by compression by the compressor 30. be able to. That is, the steam generation system S1 is highly flexible with respect to the steam specifications.
また、本実施形態において、蒸気生成のための加熱過程の一部を圧縮機30が補うから、高いCOPでヒートポンプ10が使用され、したがって、蒸気生成システムS1は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。すなわち、被加熱媒体(水)に対する比較的高温域の加熱に圧縮機30を利用することは、熱伝達のみを利用した加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。
In the present embodiment, since the compressor 30 supplements a part of the heating process for steam generation, the heat pump 10 is used with a high COP. Therefore, the steam generation system S1 has a reduction in the primary energy as a whole. Be expected. That is, the use of the compressor 30 for heating in a relatively high temperature range with respect to the medium to be heated (water) is advantageous in shortening the temperature rise and suppressing heat loss compared to heating using only heat transfer. It is.
また、本実施形態において、バイパス経路17を介して作動媒体の一部が第1熱交換器41を迂回するから、第1熱交換器41に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。
Moreover, in this embodiment, since a part of working medium bypasses the 1st heat exchanger 41 via the bypass path | route 17, optimization of the flow volume of the working medium which enters the 1st heat exchanger 41 is achieved. This is advantageous in effectively using the retained heat of the working medium.
また、本実施形態において、バイパス経路17を介して作動媒体の一部が第1熱交換器41を迂回することにより、第1熱交換器41への作動媒体の流入量が制御され、その結果、第1〜第3熱交換器41〜43のそれぞれに対して、必要に応じた熱量を有する作動媒体が供給される。
Moreover, in this embodiment, when a part of working medium bypasses the 1st heat exchanger 41 via the bypass path | route 17, the inflow amount of the working medium to the 1st heat exchanger 41 is controlled, As a result The working medium having an amount of heat as required is supplied to each of the first to third heat exchangers 41 to 43.
バイパス経路17を流れる作動媒体は、再生器18において、ヒートポンプ10の主経路15を流れる吸熱部11からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路17内の作動媒体の温度が降下し、ヒートポンプ10の主経路15内の作動媒体の温度が上昇する。圧縮部12に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部12の動力の低減が図られる。なお、作動媒体のバイパス量は、被加熱媒体及び作動媒体の各物性値(比熱など)に応じて定められる。
The working medium flowing through the bypass path 17 exchanges heat with the working medium from the heat absorbing unit 11 flowing through the main path 15 of the heat pump 10 in the regenerator 18. By this heat exchange, the temperature of the working medium in the bypass path 17 is lowered, and the temperature of the working medium in the main path 15 of the heat pump 10 is raised. Due to the increase in the input temperature of the working medium to the compression unit 12, the power of the compression unit 12 is reduced. Note that the amount of bypass of the working medium is determined according to each physical property value (such as specific heat) of the medium to be heated and the working medium.
また、本実施形態において、再生器18で温度降下したバイパス経路17内の作動媒体は、膨張部14の手前で、ヒートポンプ10の主経路15を流れる第1熱交換器41(第3放熱部13E)からの作動媒体と合流する。前述したように、第1熱交換器41からの作動媒体の出力温度は比較的低く設定される。膨張部14に対する作動媒体の入力温度の降下により、作動媒体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部11においてサイクル外の熱源(冷凍機90の放熱部91を流れる媒体及び/又は蓄熱部110の蓄熱材111)から有効に熱が吸収される。
Further, in the present embodiment, the working medium in the bypass path 17 whose temperature has dropped in the regenerator 18 is the first heat exchanger 41 (the third heat radiating section 13E) that flows through the main path 15 of the heat pump 10 before the expansion section 14. ) From the working medium. As described above, the output temperature of the working medium from the first heat exchanger 41 is set to be relatively low. By reducing the input temperature of the working medium to the expansion unit 14, the liquid gas ratio of the working medium is optimized, and as a result, the heat absorption unit 11 has a heat source outside the cycle (the medium flowing through the heat radiation unit 91 of the refrigerator 90 and / or Alternatively, heat is effectively absorbed from the heat storage material 111) of the heat storage unit 110.
このように、本実施形態において、水の蒸発に用いた後の作動媒体が水の加温と作動媒体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。
As described above, in the present embodiment, the working medium after being used for water evaporation is used for warming water and regenerating the working medium, thereby effectively using heat.
また、本実施形態において、圧縮部12が多段式である点からも、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部12の段間の放熱部13Aの熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部12の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動媒体の温度上昇と、段間の放熱部(13A)における作動媒体の温度降下との繰り返しの数(再熱の段数)は、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である。
In the present embodiment, the energy efficiency is also improved from the point that the compression unit 12 is a multistage type. That is, the heat of the heat radiating portion 13A between the stages of the multistage compression unit 12 is deprived, thereby suppressing the temperature rise of the working medium in the process of compressing the working medium. As a result, the compression efficiency of the compression unit 12 is improved and The power of the compressor can be reduced. The number of repetitions of the temperature rise of the working medium accompanying compression and the temperature drop of the working medium in the heat radiating section (13A) between the stages (the number of reheating stages) is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, or 10 or more. It is advantageous for improving energy efficiency that the number of stages of reheating is large within the range of restrictions on the apparatus configuration.
また、本実施形態において、多段式の圧縮部12に対する作動媒体の入力温度が再生器18によって高められている点も、圧縮部12の動力低減に有利である。また、段間の放熱部13Aの冷却を利用して、被加熱媒体である水を加熱する点からも、熱の有効利用が図られる。
In the present embodiment, the point that the input temperature of the working medium to the multistage compression unit 12 is increased by the regenerator 18 is also advantageous in reducing the power of the compression unit 12. Moreover, effective use of heat is also achieved from the point of heating water that is a medium to be heated by using cooling of the heat radiation part 13A between the stages.
また、本実施形態において、供給経路20が複数の蒸発管51A,51Bを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体(蒸気)の比率が高くなり、蒸気生成の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、質量及びボリュームとして水が支配的であるのが好ましい。供給経路20が複数の蒸発管51A,51Bを有することにより、気体の比率が高い水に対する加熱が回避され、その結果、蒸気生成に伴う熱伝達率の低下が抑制される。また、熱交換面積の拡大のために蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管51A,51Bが個々に独立していると差圧が小さくて済み、熱交換面積の拡大に伴う水輸送動力の増加が抑制される。蒸発管51A,51Bが並列配置されていることは、複数の蒸発管51A,51Bが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。
In the present embodiment, since the supply path 20 includes a plurality of evaporation pipes 51A and 51B, energy efficiency can be improved. In the evaporation pipe, the ratio of the gas (vapor) to the liquid increases along the direction of water flow, and the heat transfer coefficient decreases as the vapor generation proceeds. In the evaporator tube, it is preferable that water is dominant as a mass and a volume. Since the supply path 20 includes the plurality of evaporation pipes 51A and 51B, heating of water with a high gas ratio is avoided, and as a result, a decrease in heat transfer coefficient associated with steam generation is suppressed. In addition, if the length of the evaporation pipe is increased in order to increase the heat exchange area, the pressure difference between the inlet and outlet of the evaporation pipe increases, which may increase the power required to flow water through the evaporation pipe. is there. When the plurality of evaporation pipes 51A and 51B are independent from each other, the differential pressure is small, and the increase in water transport power accompanying the expansion of the heat exchange area is suppressed. The fact that the evaporation tubes 51A and 51B are arranged in parallel facilitates the realization of a configuration in which the plurality of evaporation tubes 51A and 51B are individually independent, which is advantageous for simplification of the apparatus.
また、本実施形態において、独立した複数の蒸発管51A,51Bを供給経路20が有することにより、熱バランス制御の向上が図られる。ヒートポンプ10においては、放熱部13A,13Bの間で、作動媒体の状態(圧力など)が異なる。各放熱部13A,13Bに対応する複数の蒸発管51A,51Bを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、放熱部13A,13Bを有する多段式の圧縮部12における再熱制御の最適化が図られる。
In the present embodiment, the supply path 20 includes a plurality of independent evaporation pipes 51A and 51B, thereby improving the heat balance control. In the heat pump 10, the state (pressure etc.) of a working medium differs between the thermal radiation parts 13A and 13B. Reheating in the multistage compression unit 12 having the heat radiation units 13A and 13B is achieved by individually controlling the flow rate of water flowing through the plurality of evaporation pipes 51A and 51B corresponding to the heat radiation units 13A and 13B. The control is optimized.
図4は、蒸発管51Aにおける水の流量を制御する構成の一例を示す。ヒートポンプ10において、蒸発管51Aに対応する第1放熱部13Aの出口温度を計測するセンサ71が設けられている。制御装置70は、センサ71の計測結果に基づいて、蒸発管51A用のポンプ52Aを介して蒸発管51Aを流れる単位時間あたりの水の流量を制御する。これにより、第1放熱部13Aにおける作動媒体の出口温度を目標値に設定することができる。第1放熱部13Aの入口温度を計測するセンサ72を用いてもよい。図1において、他の蒸発管51B及び対応する放熱部13Bもこれと同様の構成を採用することができる。
FIG. 4 shows an example of a configuration for controlling the flow rate of water in the evaporation pipe 51A. The heat pump 10 is provided with a sensor 71 that measures the outlet temperature of the first heat radiating portion 13A corresponding to the evaporation pipe 51A. The control device 70 controls the flow rate of water per unit time flowing through the evaporation pipe 51A via the pump 52A for the evaporation pipe 51A based on the measurement result of the sensor 71. Thereby, the exit temperature of the working medium in the first heat radiating portion 13A can be set to the target value. You may use the sensor 72 which measures the inlet_port | entrance temperature of 13 A of 1st thermal radiation parts. In FIG. 1, the other evaporator tubes 51 </ b> B and the corresponding heat radiating portions 13 </ b> B can adopt the same configuration.
次に、蒸気生成システムS1の運転方法について説明する。図5A、5B、及び5Cはそれぞれ運転モードの一例を模式的に示す。
Next, an operation method of the steam generation system S1 will be described. 5A, 5B, and 5C each schematically show an example of the operation mode.
図5Aにおいて、ヒートポンプ10及び蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)が稼動され、冷凍機90が停止される。ヒートポンプ10及び蒸気生成部の稼動に伴い、蒸気が生成される。すなわち、循環配管48A,48Bのポンプ52A,52B(図1参照)、圧縮機30、及びポンプ37等が駆動される。循環配管48A,48Bのバルブ53A,53B(図1参照)はオープンしている。タンク47内の温水が循環配管48A,48Bを通って循環する。圧縮機30の吸引作用により、蒸発部22の内部空間が減圧される。ヒートポンプ10からの伝達熱によって蒸発管51A,51B内の温水が加熱される。その結果、供給経路20内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。
In FIG. 5A, the heat pump 10 and the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like) are operated, and the refrigerator 90 is stopped. Steam is generated with the operation of the heat pump 10 and the steam generation unit. That is, the pumps 52A and 52B (see FIG. 1), the compressor 30, and the pump 37 of the circulation pipes 48A and 48B are driven. The valves 53A and 53B (see FIG. 1) of the circulation pipes 48A and 48B are open. Hot water in the tank 47 circulates through the circulation pipes 48A and 48B. Due to the suction action of the compressor 30, the internal space of the evaporator 22 is decompressed. The hot water in the evaporation pipes 51A and 51B is heated by the heat transferred from the heat pump 10. As a result, the water in the supply path 20 becomes steam at a relatively low pressure and low temperature, and then becomes steam at a relatively high pressure and high temperature by compression by the compressor 30.
また、図5Aにおいて、ヒートポンプ10の稼動に伴い、蓄熱材111がヒートポンプ10からの冷熱を蓄える。すなわち、ヒートポンプ10の吸熱部11において、作動媒体が蓄熱材111の熱を吸収し、作動媒体の少なくとも一部が蒸発する。蓄熱部110において、蓄熱材111が液相から固相に変化する。また、蓄熱部110において、蓄熱材111の凝固に伴い、蓄熱材111の凝固潜熱が蓄えられる。制御装置70は、システムを統括的に制御する。
In FIG. 5A, the heat storage material 111 stores the cold energy from the heat pump 10 as the heat pump 10 is operated. That is, in the heat absorption part 11 of the heat pump 10, the working medium absorbs the heat of the heat storage material 111, and at least a part of the working medium evaporates. In the heat storage unit 110, the heat storage material 111 changes from a liquid phase to a solid phase. In the heat storage unit 110, the solidification latent heat of the heat storage material 111 is stored as the heat storage material 111 is solidified. The control device 70 comprehensively controls the system.
図5Bにおいて、ヒートポンプ10及び蒸気生成部が停止され、冷凍機90が稼動される。冷凍機90の稼動に伴い、蓄熱材111が冷熱を放出する。すなわち、冷凍機90の放熱部91からの温熱が蓄熱材111に伝わる。蓄熱部110において、冷凍機90からの熱を吸収した蓄熱材111が固相から液相に変化する。冷凍機90において、放熱部91からの温熱が蓄熱材111に回収され、吸熱部93からの冷熱が外部に供給される。
In FIG. 5B, the heat pump 10 and the steam generation unit are stopped, and the refrigerator 90 is operated. With the operation of the refrigerator 90, the heat storage material 111 releases cold heat. That is, the heat from the heat radiating unit 91 of the refrigerator 90 is transmitted to the heat storage material 111. In the heat storage unit 110, the heat storage material 111 that has absorbed the heat from the refrigerator 90 changes from a solid phase to a liquid phase. In the refrigerator 90, the heat from the heat radiating unit 91 is collected in the heat storage material 111, and the cold from the heat absorbing unit 93 is supplied to the outside.
図5Cにおいて、ヒートポンプ10、蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)、及び冷凍機90が稼動される。ヒートポンプ10及び蒸気生成部の稼動に伴い、蒸気が生成される。また、冷凍機90の稼動に伴い、冷凍機90からの冷熱が外部に供給される。冷凍機90の冷熱供給に関わるエネルギーに比べて、ヒートポンプ10の蒸気生成に関わるエネルギーが多い場合、そのエネルギーの差に基づいて、蓄熱部110に冷熱が蓄えられる。
In FIG. 5C, the heat pump 10, the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like), and the refrigerator 90 are operated. Steam is generated with the operation of the heat pump 10 and the steam generation unit. Further, with the operation of the refrigerator 90, cold heat from the refrigerator 90 is supplied to the outside. When there is more energy related to steam generation of the heat pump 10 than energy related to cold supply of the refrigerator 90, cold energy is stored in the heat storage unit 110 based on the energy difference.
このように、本実施形態では、ヒートポンプ10と冷凍機90との組み合わせにより、蒸気及び冷熱の個別供給が可能である。また、ヒートポンプ10と冷凍機90との熱交換部に設けられた蓄熱部110に熱エネルギーがバッファされるから、両者の稼動タイミングの不一致が許容される。そのため、蒸気需要及び/又は冷熱需要に応じて、蒸気生成及び冷熱供給のタイミング及び量を容易に調整できる。すなわち、蒸気生成システムS1は、蒸気供給及び冷熱供給について高い柔軟性及び制御性を有する。
Thus, in this embodiment, the steam and cold supply can be individually supplied by the combination of the heat pump 10 and the refrigerator 90. Moreover, since thermal energy is buffered in the heat storage part 110 provided in the heat exchange part of the heat pump 10 and the refrigerator 90, inconsistency of both operation timing is permitted. Therefore, it is possible to easily adjust the timing and amount of steam generation and cold supply according to the steam demand and / or the cold demand. That is, the steam generation system S1 has high flexibility and controllability for steam supply and cold supply.
なお、蓄熱材111による蓄冷熱は、バッテリを使用した蓄熱に比べて、イニシャルコストの抑制に有利であり、また、同等以上の蓄熱効率を期待できる。電力補完的に、バッテリを使用することも可能である。
In addition, the cold storage heat by the heat storage material 111 is advantageous in suppressing initial cost as compared with heat storage using a battery, and can be expected to have a heat storage efficiency equal to or higher than that. It is also possible to use a battery as a power complement.
また、本実施形態では、ヒートポンプ10の低温熱源として、冷凍機90の温排熱が用いられる。これは、ヒートポンプ10の低温熱源と高温熱源の温度差縮小、ひいてはヒートポンプ10のCOP向上に有利である。本実施形態において、ヒートポンプ10の吸熱部11に対する、冷凍機90の作動媒体の供給温度(排熱温度)は、蒸気生成用の水の初期温度(ヒートポンプ10の加温部21に対する水の供給温度)に比べて高く設定される。例えば、冷凍機90の排熱温度は、30℃以上40℃未満、40℃以上50℃未満、50℃以上60℃未満、60℃以上70℃未満、70℃以上80℃未満、80℃以上90℃未満、又は90℃以上である。
In the present embodiment, the hot exhaust heat of the refrigerator 90 is used as the low temperature heat source of the heat pump 10. This is advantageous in reducing the temperature difference between the low-temperature heat source and the high-temperature heat source of the heat pump 10 and thus improving the COP of the heat pump 10. In this embodiment, the supply temperature (exhaust heat temperature) of the working medium of the refrigerator 90 to the heat absorption unit 11 of the heat pump 10 is the initial temperature of water for steam generation (the supply temperature of water to the heating unit 21 of the heat pump 10). ) Is set higher than For example, the exhaust heat temperature of the refrigerator 90 is 30 ° C or higher and lower than 40 ° C, 40 ° C or higher and lower than 50 ° C, 50 ° C or higher and lower than 60 ° C, 60 ° C or higher and lower than 70 ° C, 70 ° C or higher and lower than 80 ° C, 80 ° C or higher and lower than 90 ° C. It is less than 90 ° C or 90 ° C or more.
ヒートポンプ10の低温熱源の温度が大気よりも高く設定されることにより、熱源温度差の縮小に基づくヒートポンプ10のコンパクト化及び/又は簡素化が達成される。この場合、例えば、大気を低温熱源とする形態に比べて、圧縮部12の段数の低減、加温部21及び再生器18における熱交換器のコンパクト化が達成可能である。蒸気の需要温度が比較的低い場合、高温熱源の設定温度を下げることで、ヒートポンプ10の熱源温度差のさらなる縮小が可能である。蒸気の需要温度に応じて、(圧縮部30A,30Bなど)を削除した構成を採用することもできる。
By setting the temperature of the low-temperature heat source of the heat pump 10 higher than that of the atmosphere, the heat pump 10 can be made compact and / or simplified based on the reduction of the heat source temperature difference. In this case, for example, the number of stages of the compression unit 12 can be reduced, and the heat exchangers in the heating unit 21 and the regenerator 18 can be made compact compared to a mode in which the atmosphere is a low-temperature heat source. When the demand temperature of steam is relatively low, the heat source temperature difference of the heat pump 10 can be further reduced by lowering the set temperature of the high-temperature heat source. It is also possible to adopt a configuration in which (compressors 30A, 30B, etc.) are deleted according to the steam demand temperature.
こうした蒸気生成システムS1は、例えば、加熱と冷却とを繰り返す食品製造プロセスに好ましく利用される。食品製造プロセスに限らず、蒸気需要と冷熱需要とが発生する様々な設備及びプロセスに蒸気生成システムS1は好ましく利用可能である。
Such a steam generation system S1 is preferably used, for example, in a food manufacturing process in which heating and cooling are repeated. The steam generation system S1 can be preferably used not only for the food production process but also for various facilities and processes that generate steam demand and cold demand.
他の実施形態において、前述したように、冷凍機90の圧縮部94の段数を複数段にしてもよい。また、1つのヒートポンプ10に対して複数の冷凍機90が熱的に接続された構成を採用してもよい。
In another embodiment, as described above, the number of stages of the compression unit 94 of the refrigerator 90 may be a plurality of stages. Further, a configuration in which a plurality of refrigerators 90 are thermally connected to one heat pump 10 may be employed.
次に、第2実施形態について図面を参照して説明する。
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings.
図6は、第2実施形態にかかる蒸気生成システムを示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 6 is a schematic view showing a steam generation system according to the second embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図6に示すように、蒸気生成システムS2は、第1実施形態と異なり、ヒートポンプ10の放熱部13A,13Bと供給経路20の蒸発部22との熱交換部に別の蓄熱部100が設けられている。
As shown in FIG. 6, the steam generation system S <b> 2 is different from the first embodiment in that another heat storage unit 100 is provided in the heat exchange unit between the heat radiation units 13 </ b> A and 13 </ b> B of the heat pump 10 and the evaporation unit 22 of the supply path 20. ing.
本実施形態において、第2及び第3熱交換器42,43に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A,51Bに伝わる。蒸気生成システムS2の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。すなわち、蓄熱材101は、融解する際に熱を蓄え、凝固するときに放熱する。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the second and third heat exchangers 42 and 43. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A and 51B. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S2. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and radiates heat with a liquid-solid phase change. That is, the heat storage material 101 stores heat when melting and dissipates heat when solidified.
本実施形態において、蓄熱材101の融点は、蓄熱材111の融点に比べて高く設定される。蓄熱材101の融点は、蒸発管51A,51B内の水の蒸発温度と同程度以上(例えば、90〜150℃)であるのが望ましい。蓄熱材101としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系(パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等)等が挙げられる。エリスリトールは、融点が117〜120℃程度であり、単位質量当たりの蓄熱量(蓄熱効率)が比較的高い。アルカン類は、目標の融点となるように、側鎖の水素を水酸基に置換した物質を構築するなどにより、分子の大きさが適宜調節することができる。蓄熱材101として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。
In this embodiment, the melting point of the heat storage material 101 is set higher than the melting point of the heat storage material 111. It is desirable that the melting point of the heat storage material 101 is equal to or higher than the evaporation temperature of water in the evaporation tubes 51A and 51B (for example, 90 to 150 ° C.). Examples of the heat storage material 101 include hydrocarbons such as erythritol and alkanes, wax systems (paraffin wax, microcrystalline wax, etc.), and the like. Erythritol has a melting point of about 117 to 120 ° C. and has a relatively high heat storage amount (heat storage efficiency) per unit mass. Alkanes can be appropriately adjusted in molecular size, for example, by constructing a substance in which hydrogen in the side chain is substituted with a hydroxyl group so as to achieve a target melting point. As the heat storage material 101, other substances such as a sensible heat storage material and a chemical reaction heat storage material may be used.
図7A及び7Bは、蓄熱部100の構成例である。図7Aにおいて、熱交換器42,43に対して1つの蓄熱部100が設けられている。図7Bにおいて、各熱交換器42,43に対して独立した蓄熱部100が設けられている。
7A and 7B are configuration examples of the heat storage unit 100. In FIG. 7A, one heat storage unit 100 is provided for the heat exchangers 42 and 43. In FIG. 7B, independent heat storage units 100 are provided for the heat exchangers 42 and 43.
蓄熱部100が設けられた熱交換器の構造例として、前述した図2A〜2Dと同様の構成を採用することができる。また、蓄熱部100と蓄熱部110とが一体的に設けられた構成を採用することもできる。
As a structural example of the heat exchanger provided with the heat storage unit 100, the same configuration as that of FIGS. Moreover, the structure by which the heat storage part 100 and the heat storage part 110 were provided integrally can also be employ | adopted.
図8は、蓄熱部100と蓄熱部110とが一体的に設けられた熱交換器の構造例を示す断面図である。図8において、熱交換器は、蓄熱部110の内方に蓄熱部100が配置された構造を有する。この熱交換器の中心側において、環状断面の流路を有する蒸発管51A,51Bの内方にヒートポンプ10の放熱部13A,13Bの配管が配置されている。また、蒸発管51A,51Bと放熱部13A,13Bの配管との隙間に蓄熱材101が配置されている。この熱交換器の外側において、環状断面の流路を有するヒートポンプ10の吸熱部11の配管の内方に、環状断面の流路を有する冷凍機90の放熱部91の配管が配置されている。また、吸熱部11の配管と放熱部91の配管との隙間に蓄熱材111が配置されている。放熱部91の配管と蒸発管51A,51Bとの間に断熱材120を配置することができる。吸熱部11の配管を囲む筐体を設け、その筐体と吸熱部11の配管との隙間にも蓄熱材111を配置することが可能である。蒸発管51A,51Bは、蓄熱材101を介して放熱部13A,13Bに熱的に接続されている。吸熱部11は、蓄熱材111を介して放熱部91に熱的に接続されている。本構造のように、流体温度が高い配管を、流体温度が低い配管で覆うことにより、熱損失の低減が図られる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structural example of a heat exchanger in which the heat storage unit 100 and the heat storage unit 110 are integrally provided. In FIG. 8, the heat exchanger has a structure in which the heat storage unit 100 is disposed inside the heat storage unit 110. On the center side of the heat exchanger, the pipes of the heat radiating portions 13A and 13B of the heat pump 10 are arranged inside the evaporation pipes 51A and 51B having flow passages having an annular cross section. Moreover, the heat storage material 101 is arrange | positioned in the clearance gap between evaporation pipe 51A, 51B and piping of the thermal radiation part 13A, 13B. Outside the heat exchanger, a pipe of the heat radiating portion 91 of the refrigerator 90 having the annular cross-section flow path is disposed inside the heat absorption section 11 of the heat pump 10 having the annular cross-section flow path. Further, a heat storage material 111 is arranged in a gap between the pipe of the heat absorbing unit 11 and the pipe of the heat radiating unit 91. The heat insulating material 120 can be disposed between the piping of the heat radiating portion 91 and the evaporation tubes 51A and 51B. A housing surrounding the piping of the heat absorbing unit 11 is provided, and the heat storage material 111 can also be disposed in a gap between the housing and the piping of the heat absorbing unit 11. The evaporation pipes 51A and 51B are thermally connected to the heat radiating portions 13A and 13B via the heat storage material 101. The heat absorbing part 11 is thermally connected to the heat radiating part 91 via the heat storage material 111. As in this structure, heat loss can be reduced by covering a pipe having a high fluid temperature with a pipe having a low fluid temperature.
蓄熱部100の蓄熱材101と蓄熱部110の蓄熱材111との体積比は、例えば、ヒートポンプ10と冷凍機90との間の体積比に基づいて定めることができる。なお、各配管の形状、配列、材質などは任意に設定可能であり、蓄熱部100が設けられた熱交換器について様々な形態が適用可能である。この熱交換器には、断熱材が必要に応じて配置される。各配管にはフィンが必要に応じて設けられる。
The volume ratio between the heat storage material 101 of the heat storage unit 100 and the heat storage material 111 of the heat storage unit 110 can be determined based on, for example, the volume ratio between the heat pump 10 and the refrigerator 90. In addition, the shape, arrangement | sequence, material, etc. of each piping can be set arbitrarily, and various forms are applicable about the heat exchanger in which the heat storage part 100 was provided. In this heat exchanger, a heat insulating material is arrange | positioned as needed. Each pipe is provided with fins as necessary.
次に、蒸気生成システムS2の運転方法について図6、図9A、及び図9Bを参照して説明する。図9A及び9Bはそれぞれ運転モードの一例を模式的に示す。
Next, an operation method of the steam generation system S2 will be described with reference to FIGS. 6, 9A, and 9B. 9A and 9B schematically show examples of operation modes.
図9Aにおいて、ヒートポンプ10が稼動され、蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)及び冷凍機90が停止される。ヒートポンプ10の稼動に伴い、蓄熱材101がヒートポンプ10からの温熱を蓄える。ヒートポンプ10の稼動は、例えば、蒸気需要が少なくかつ電力料金が低く設定されている時間帯(例えば夜間)とすることができる。第2及び第3熱交換器42,43において、ヒートポンプ10の第1及び第2放熱部13A,13Bからの熱が蓄熱材101に蓄えられる。すなわち、第1及び第2放熱部13A,13Bによって蓄熱材101が加熱され、蓄熱材101が固相から液相に変化する。蓄熱部100において、蓄熱材101の液状化に伴い、蓄熱材101の融解潜熱が蓄えられる。制御装置70は、システムを統括的に制御する。
In FIG. 9A, the heat pump 10 is operated, and the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like) and the refrigerator 90 are stopped. As the heat pump 10 is operated, the heat storage material 101 stores the heat from the heat pump 10. The operation of the heat pump 10 can be, for example, a time zone (for example, nighttime) in which the demand for steam is low and the power rate is set low. In the second and third heat exchangers 42 and 43, heat from the first and second heat radiating portions 13 </ b> A and 13 </ b> B of the heat pump 10 is stored in the heat storage material 101. That is, the heat storage material 101 is heated by the first and second heat radiation units 13A and 13B, and the heat storage material 101 changes from a solid phase to a liquid phase. In the heat storage unit 100, the latent heat of fusion of the heat storage material 101 is stored with the liquefaction of the heat storage material 101. The control device 70 comprehensively controls the system.
また、ヒートポンプ10の稼動に伴い、蓄熱材111がヒートポンプ10からの冷熱を蓄える。すなわち、ヒートポンプ10の吸熱部11において、作動媒体が蓄熱材111の熱を吸収し、作動媒体の少なくとも一部が蒸発する。蓄熱部110において、蓄熱材111が液相から固相に変化する。また、蓄熱部110において、蓄熱材111の凝固に伴い、蓄熱材111の凝固潜熱が蓄えられる。
Further, with the operation of the heat pump 10, the heat storage material 111 stores the cold energy from the heat pump 10. That is, in the heat absorption part 11 of the heat pump 10, the working medium absorbs the heat of the heat storage material 111, and at least a part of the working medium evaporates. In the heat storage unit 110, the heat storage material 111 changes from a liquid phase to a solid phase. In the heat storage unit 110, the solidification latent heat of the heat storage material 111 is stored as the heat storage material 111 is solidified.
また、供給経路20の加温部21(第1熱交換器41)において、ヒートポンプ10の第3放熱部13Eからの伝達熱によって、不図示の供給源からの水が温度上昇する(例えば、約90℃)。タンク47は、加温部21からの温水を蓄える。タンク47の容量は、例えば、昼間に消費される蒸気量に対応して設定される。蓄熱材101の蓄熱容量は、タンク47の容量に対応する。蓄熱材101の温度は、タンク47内の温水よりも高く、例えば100〜150℃である。
In addition, in the heating unit 21 (first heat exchanger 41) of the supply path 20, the temperature of water from a supply source (not shown) rises due to the heat transferred from the third heat radiating unit 13E of the heat pump 10 (for example, about 90 ° C). The tank 47 stores hot water from the heating unit 21. The capacity of the tank 47 is set corresponding to the amount of steam consumed in the daytime, for example. The heat storage capacity of the heat storage material 101 corresponds to the capacity of the tank 47. The temperature of the heat storage material 101 is higher than the hot water in the tank 47, and is, for example, 100 to 150 ° C.
この蓄熱プロセスにおいて、蒸発管51A,51B内に水が存在してもしなくてもよい。蒸発部22内の水の沸騰を防ぐ処置が必要に応じてなされる。例えば、少なくとも圧縮機30及びポンプ37が停止される。加温部21からの温水の供給に伴って、蒸発部22の内部圧力が上昇し、水の蒸発が抑えられる。循環配管48A,48Bのバルブ53A,53Bが圧力調整機能を有する場合には、蒸発部22の内部圧力を、バルブ53A,53Bによって設定できる。あるいは、バルブ53A,53Bがクローズされる。ポンプ52A,52Bを駆動して、蒸発部22の循環配管48A,48Bの内部に所定の圧力を与えてもよい。
In this heat storage process, water may or may not exist in the evaporation pipes 51A and 51B. Treatment for preventing boiling of water in the evaporating unit 22 is performed as necessary. For example, at least the compressor 30 and the pump 37 are stopped. Along with the supply of hot water from the heating unit 21, the internal pressure of the evaporation unit 22 rises and water evaporation is suppressed. When the valves 53A and 53B of the circulation pipes 48A and 48B have a pressure adjusting function, the internal pressure of the evaporator 22 can be set by the valves 53A and 53B. Alternatively, the valves 53A and 53B are closed. The pumps 52 </ b> A and 52 </ b> B may be driven to apply a predetermined pressure to the circulation pipes 48 </ b> A and 48 </ b> B of the evaporation unit 22.
図9Aにおいて、所定時間を経過すると、タンク47に温水が蓄えられ、蓄熱材101に温熱が蓄えられ、蓄熱材111に冷熱が蓄えられる。例えば、時刻、処理時間、及び/又はタンク47の貯水量に基づいて、蓄熱プロセスの終了が判断される。必要に応じて、蓄熱プロセスの少なくとも一部を繰り返してもよい。
In FIG. 9A, when a predetermined time elapses, warm water is stored in the tank 47, warm heat is stored in the heat storage material 101, and cold heat is stored in the heat storage material 111. For example, the end of the heat storage process is determined based on the time, the processing time, and / or the amount of water stored in the tank 47. You may repeat at least one part of a thermal storage process as needed.
図9Bにおいて、ヒートポンプ10が停止され、蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)及び冷凍機90が稼動される。例えば、昼間において、このモードが実行される。
In FIG. 9B, the heat pump 10 is stopped, and the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like) and the refrigerator 90 are operated. For example, this mode is executed in the daytime.
蒸気生成部の稼動において、循環配管48A,48Bのポンプ52A,52B(図1参照)、圧縮機30、及びポンプ37等が駆動される。循環配管48A,48Bのバルブ53A,53B(図1参照)はオープンしている。タンク47内の温水が循環配管48A,48Bを通って循環する。圧縮機30の吸引作用により、蒸発部22の内部空間が減圧される。ヒートポンプ10からの伝達熱によって蒸発管51A,51B内の温水が加熱される。その結果、供給経路20内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。
During the operation of the steam generation unit, the pumps 52A and 52B (see FIG. 1) of the circulation pipes 48A and 48B, the compressor 30, the pump 37, and the like are driven. The valves 53A and 53B (see FIG. 1) of the circulation pipes 48A and 48B are open. Hot water in the tank 47 circulates through the circulation pipes 48A and 48B. Due to the suction action of the compressor 30, the internal space of the evaporator 22 is decompressed. The hot water in the evaporation pipes 51A and 51B is heated by the heat transferred from the heat pump 10. As a result, the water in the supply path 20 becomes steam at a relatively low pressure and low temperature, and then becomes steam at a relatively high pressure and high temperature by compression by the compressor 30.
また、冷凍機90の稼動に伴い、蓄熱材111が冷熱を放出する。すなわち、冷凍機90の放熱部91からの温熱が蓄熱材111に伝わる。蓄熱部110において、冷凍機90からの熱を吸収した蓄熱材111が固相から液相に変化する。冷凍機90において、放熱部91からの温熱が蓄熱材111に回収され、吸熱部93からの冷熱が外部に供給される。
Moreover, with the operation of the refrigerator 90, the heat storage material 111 releases cold. That is, the heat from the heat radiating unit 91 of the refrigerator 90 is transmitted to the heat storage material 111. In the heat storage unit 110, the heat storage material 111 that has absorbed the heat from the refrigerator 90 changes from a solid phase to a liquid phase. In the refrigerator 90, the heat from the heat radiating unit 91 is collected in the heat storage material 111, and the cold from the heat absorbing unit 93 is supplied to the outside.
図9Bにおいて、所定時間を経過すると、タンク47内の温水が減り、蓄熱材101及び蓄熱材111の蓄熱量が減少する。再び夜間において、図9Aに示す蓄熱プロセスが行われる。
In FIG. 9B, when a predetermined time elapses, the hot water in the tank 47 decreases, and the heat storage amount of the heat storage material 101 and the heat storage material 111 decreases. Again at night, the heat storage process shown in FIG. 9A is performed.
このように、本実施形態では、例えば、電気料金の低い夜間にヒートポンプ10を稼動し、蒸気需要及び/又は冷熱需要がある昼間に蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)及び冷凍機90を稼動する。すなわち、蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS2における電力消費が夜間と昼間とに振り分けられる。その結果、蒸気生成システムS2のピークパワー及び平均消費電力が低く抑えられる。これは、受電設備の簡素化及び低コスト化、並びに契約電力(電力基本料金)の抑制に有利である。
As described above, in this embodiment, for example, the heat pump 10 is operated at night when the electricity rate is low, and a steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like) and a refrigerator in the daytime when there is a demand for steam and / or cold energy. Run 90. That is, by using heat storage, power consumption in the steam generation system S2 is distributed between nighttime and daytime. As a result, the peak power and average power consumption of the steam generation system S2 can be kept low. This is advantageous for simplification and cost reduction of the power receiving equipment, and suppression of contract power (electric power basic charge).
また、蓄熱の利用により、蒸気需要に応じて、蒸気生成のタイミング及び量を容易に調整できる。すなわち、蒸気生成システムS2は、蒸気供給について高い柔軟性及び制御性を有する。蓄熱プロセスでは、蓄熱材101と、タンク47との2箇所で蓄熱される。タンク47に温水が蓄えられることにより、蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。
Further, the use of heat storage makes it possible to easily adjust the timing and amount of steam generation according to the steam demand. That is, the steam generation system S2 has high flexibility and controllability for the steam supply. In the heat storage process, heat is stored at two locations, the heat storage material 101 and the tank 47. The hot water is stored in the tank 47, which is advantageous for shortening the rise time of the steam generation process.
本実施形態において、第1熱交換器41に蓄熱材を配置することができる。この場合、蓄熱プロセスにおいて、タンク47の温水貯溜に代えて、第1熱交換器41の蓄熱材に熱が蓄えられる。蒸発部22への水供給を避けることで、蓄熱プロセスにおいて、蒸発部22内の水の沸騰を防ぐ処置が不要となる。また、再生器18など、他の箇所に蓄熱材を配置することも可能である。
In the present embodiment, a heat storage material can be disposed in the first heat exchanger 41. In this case, in the heat storage process, heat is stored in the heat storage material of the first heat exchanger 41 instead of the hot water storage in the tank 47. By avoiding the supply of water to the evaporation unit 22, it is not necessary to take measures to prevent the water in the evaporation unit 22 from boiling in the heat storage process. It is also possible to arrange the heat storage material in other places such as the regenerator 18.
蓄熱材101及び温水による蓄温熱は、バッテリを使用した蓄熱に比べて、イニシャルコストの抑制に有利であり、また、同等以上の蓄熱効率を期待できる。電力補完的に、バッテリを使用することも可能である。例えば、バッテリに蓄えたエネルギーによって、タンク47内の水を補完的に加熱することが可能である。
The heat storage heat by the heat storage material 101 and hot water is advantageous in suppressing initial cost compared to heat storage using a battery, and can be expected to have a heat storage efficiency equal to or higher than that. It is also possible to use a battery as a power complement. For example, the water in the tank 47 can be complementarily heated by the energy stored in the battery.
なお、本モードにおいて、設備的に問題がなければ、タンク47の温水及び蓄熱材101の熱を使い切った場合において、ヒートポンプ10及び蒸発部22を稼動することにより、さらなる蒸気需要に対応することが可能である。
In this mode, if there is no problem in terms of equipment, when the hot water in the tank 47 and the heat of the heat storage material 101 are used up, the heat pump 10 and the evaporation unit 22 can be operated to meet further steam demand. Is possible.
なお、本実施形態において、図9A及び9B以外の運転モードを採用することが可能である。
In the present embodiment, operation modes other than those shown in FIGS. 9A and 9B can be employed.
1つの運転モードにおいて、ヒートポンプ10が実質的に連続稼動される。蒸気需要が無いとき、蓄熱材101,111に熱が蓄えられるとともに、蒸気需要が有るとき、ヒートポンプ10及び/又は蓄熱材101を使用して蒸気が生成される。また、冷熱需要が有るとき、蓄熱材111を使用して冷凍機90からの冷熱が外部の設備に供給される。
In one operation mode, the heat pump 10 is operated substantially continuously. When there is no steam demand, heat is stored in the heat storage materials 101 and 111, and when there is steam demand, steam is generated using the heat pump 10 and / or the heat storage material 101. Further, when there is a cold demand, cold heat from the refrigerator 90 is supplied to an external facility using the heat storage material 111.
この運転モードでは、ヒートポンプ10が実質的に連続稼動され、蒸気需要が無いときあるいは少ないときに、蓄熱材101に熱が蓄えられる。蒸気需要が有るときは、ヒートポンプ10からの直接的な伝達熱に加え、蓄熱材101に蓄えられた熱を使用して蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ10の熱が蒸気生成に使用されるに際して、熱補助及びバッファの役割を蓄熱材101及びタンク47が果たす。蒸気需要に応じた蓄熱容量の最適化により、特に、ヒートポンプ10のピークパワー及び平均消費電力を低く抑えることができる。これは、ヒートポンプ10の小サイズ化及び低コスト化に有利である。冷凍機90からの冷熱供給に対しても蒸気生成と同様である。
In this operation mode, the heat pump 10 is operated substantially continuously, and heat is stored in the heat storage material 101 when there is no or little steam demand. When there is a demand for steam, steam is generated using heat stored in the heat storage material 101 in addition to direct heat transfer from the heat pump 10. That is, when the heat of the heat pump 10 is used for steam generation, the heat storage material 101 and the tank 47 play the role of heat assistance and buffer. By optimizing the heat storage capacity according to the steam demand, in particular, the peak power and average power consumption of the heat pump 10 can be kept low. This is advantageous in reducing the size and cost of the heat pump 10. It is the same as the steam generation for the cold supply from the refrigerator 90.
別の1つの運転モードにおいて、特に蒸気生成システムS2の初期稼動時に、蓄熱を利用して蒸気が生成される。蒸気生成システムS2の通常稼動時においては、ヒートポンプ10及び蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)が稼動され、蒸気が生成される。また、冷凍機90の稼動に伴い、冷凍機90からの冷熱が外部の設備に供給される。蒸気生成プロセスの終了時において、ヒートポンプ10が稼動状態で、蒸気生成部(蒸発部22、圧縮機30など)及び冷凍機90が停止される。蓄熱材101,111に熱が蓄えられるとともに、タンク47に温水が蓄えられる。その後、ヒートポンプ10も停止される。
In another operation mode, particularly during the initial operation of the steam generation system S2, steam is generated using heat storage. During normal operation of the steam generation system S2, the heat pump 10 and the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30, etc.) are operated to generate steam. Moreover, with the operation of the refrigerator 90, the cold heat from the refrigerator 90 is supplied to external equipment. At the end of the steam generation process, the heat pump 10 is in an operating state, and the steam generation unit (evaporation unit 22, compressor 30 and the like) and the refrigerator 90 are stopped. Heat is stored in the heat storage materials 101 and 111 and hot water is stored in the tank 47. Thereafter, the heat pump 10 is also stopped.
蒸気生成システムS2の次の初期稼動時において、蓄熱材101の熱を使って蒸気が生成される。その後、蒸気生成システムS2(ヒートポンプ10の放熱部13A,13B,13Eなど)の暖機(warm-up)が完了すると、前述した蒸気生成システムS1の通常稼動が実行される。冷凍機90からの冷熱供給に対しても蒸気生成と同様である。
During the next initial operation of the steam generation system S2, steam is generated using the heat of the heat storage material 101. Thereafter, when the warm-up of the steam generation system S2 (such as the heat radiating portions 13A, 13B, and 13E of the heat pump 10) is completed, the normal operation of the steam generation system S1 described above is executed. It is the same as the steam generation for the cold supply from the refrigerator 90.
この運転モードでは、蒸気生成システムS2の暖機に要する時間を削減することができる。すなわち、蒸気生成プロセス及び/又は冷熱供給プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。この運転モードでは、蓄熱容量は、初期稼動時に消費される量でよい。上述した他の運転モードに比べて装置コストの低減が可能である。
In this operation mode, the time required to warm up the steam generation system S2 can be reduced. That is, it is advantageous for shortening the rise time of the steam generation process and / or the cold supply process. In this operation mode, the heat storage capacity may be the amount consumed during initial operation. Compared with the other operation modes described above, the apparatus cost can be reduced.
次に、本発明の第3実施形態について図面を参照して説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図10は、第3実施形態にかかる蒸気生成システムを示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 10 is a schematic view showing a steam generation system according to the third embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図10に示すように、蒸気生成システムS3は、上記実施形態と異なり、ヒートポンプ10の圧縮部12が4つの圧縮室12A,12B,12C,12Dを有する。また、供給経路20における水を貯溜するタンクが、複数の蒸発管51A〜51Dに対応する複数の個別タンク47A〜47Dを有する。冷凍機90の構成は、上記実施形態のそれと同様である。
As shown in FIG. 10, in the steam generation system S3, unlike the above embodiment, the compression unit 12 of the heat pump 10 includes four compression chambers 12A, 12B, 12C, and 12D. The tank for storing water in the supply path 20 has a plurality of individual tanks 47A to 47D corresponding to the plurality of evaporation pipes 51A to 51D. The configuration of the refrigerator 90 is the same as that of the above embodiment.
供給経路20は、加温部21と、蒸発部22と、蒸発部22と圧縮機30とを流体的に接続するダクト23とを有する。蒸発部22は、必要に応じて脱気槽49と、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜するタンク(第1タンク47A、第2タンク47B、第3タンク47C、第4タンク47D)と、各タンク47A〜47Dに流体的に接続された循環配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B、第3循環配管48C、第4循環配管48D)とを有する。脱気槽49とタンク(47A〜47D)との間には、必要に応じて流体駆動部49Cが配置される。各タンク47A〜47Dには、加温部21(脱気槽49)からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク47A〜47Dは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50A〜50Dと、気液分離器(不図示)とを有する。
The supply path 20 includes a heating unit 21, an evaporation unit 22, and a duct 23 that fluidly connects the evaporation unit 22 and the compressor 30. The evaporation unit 22 includes a deaeration tank 49 and tanks (first tank 47A, second tank 47B, third tank 47C, fourth tank 47D) for storing at least a liquid medium to be heated (water) as necessary. And circulation pipes (first circulation pipe 48A, second circulation pipe 48B, third circulation pipe 48C, and fourth circulation pipe 48D) fluidly connected to the tanks 47A to 47D. A fluid drive unit 49C is disposed between the deaeration tank 49 and the tanks (47A to 47D) as necessary. Each of the tanks 47A to 47D is provided with a water supply port from the heating unit 21 (deaeration tank 49) and a steam discharge port. The tanks 47A to 47D include level sensors 50A to 50D that measure the liquid level and a gas-liquid separator (not shown) as necessary.
本実施形態において、第1タンク47Aに対して、蒸発管51Aを有する第1循環配管48Aが流体的に接続されている。すなわち、第1循環配管48Aの各入口端と各出口端とが第1タンク47Aに流体的に接続される。同様に、第2タンク47Bに対して蒸発管51Bを有する第2循環配管48Bが流体的に接続されている。第3タンク47Cに蒸発管51Cを有する第3循環配管48Cが流体的に接続され、第4タンク47Dに蒸発管51Dを有する第4循環配管48Dが流体的に接続されている。蒸発管51Aは、ヒートポンプ10の第1放熱部13Aに熱的に接続される。同様に、蒸発管51B、51C、及び51Dはそれぞれ、ヒートポンプ10の第2放熱部13B、第3放熱部13C、及び第4放熱部13Dに熱的に接続される。タンク及び循環配管(蒸発管)の数は、蒸気生成システムS2の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。本実施形態において、タンク47A〜47Dと蒸発管51A〜51Dの各ペアが、供給経路20に対して並列に配置される。
In the present embodiment, a first circulation pipe 48A having an evaporation pipe 51A is fluidly connected to the first tank 47A. That is, each inlet end and each outlet end of the first circulation pipe 48A are fluidly connected to the first tank 47A. Similarly, a second circulation pipe 48B having an evaporation pipe 51B is fluidly connected to the second tank 47B. A third circulation pipe 48C having an evaporation pipe 51C is fluidly connected to the third tank 47C, and a fourth circulation pipe 48D having an evaporation pipe 51D is fluidly connected to the fourth tank 47D. The evaporation pipe 51 </ b> A is thermally connected to the first heat radiating part 13 </ b> A of the heat pump 10. Similarly, the evaporation tubes 51B, 51C, and 51D are thermally connected to the second heat radiating portion 13B, the third heat radiating portion 13C, and the fourth heat radiating portion 13D of the heat pump 10, respectively. The number of tanks and circulation pipes (evaporation pipes) is set according to the specification of the steam generation system S2, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. In the present embodiment, each pair of the tanks 47 </ b> A to 47 </ b> D and the evaporation pipes 51 </ b> A to 51 </ b> D is arranged in parallel with the supply path 20.
蒸発管51Aと第1放熱部13Aとを含んで第2熱交換器42が構成される。同様に、蒸発管51Bと第2放熱部13Bとを含んで第3熱交換器43が構成される。蒸発管51Cと第3放熱部13Cとを含んで第4熱交換器44が構成され、蒸発管51Dと第4放熱部13Dとを含んで第5熱交換器45が構成される。第2〜第5熱交換器42〜45は、低温の流体(蒸発管51A〜51D内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第2〜第5熱交換器42〜45は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第2〜第5熱交換器42〜45の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ10の各放熱部13A,13B,13C,13Dの配管と、蒸発管51A,51B,51C,51Dとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ10の各放熱部13A,13B,13C,13Dの配管を、蒸発管51A,51B,51C,51Dの外周面や内部に配設することができる。
A second heat exchanger 42 is configured including the evaporation pipe 51A and the first heat radiation part 13A. Similarly, the 3rd heat exchanger 43 is comprised including the evaporation pipe | tube 51B and the 2nd thermal radiation part 13B. A fourth heat exchanger 44 is configured including the evaporation pipe 51C and the third heat radiating portion 13C, and a fifth heat exchanger 45 is configured including the evaporation pipe 51D and the fourth heat radiating portion 13D. The second to fifth heat exchangers 42 to 45 are counter-current heat exchanges in which a low-temperature fluid (water in the evaporation pipes 51A to 51D) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) face each other. You can have a scheme. Alternatively, the second to fifth heat exchangers 42 to 45 may have a parallel flow type heat exchange system in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. Various known heat exchange structures for the second to fifth heat exchangers 42 to 45 can be employed. The pipes of the heat radiation portions 13A, 13B, 13C, and 13D of the heat pump 10 and the evaporation pipes 51A, 51B, 51C, and 51D are arranged in contact with or adjacent to each other. For example, the pipes of the heat radiating portions 13A, 13B, 13C, and 13D of the heat pump 10 can be disposed on the outer peripheral surface and the inside of the evaporation pipes 51A, 51B, 51C, and 51D.
本実施形態において、第2〜第5熱交換器42〜45に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A〜51Dに伝わる。蒸気生成システムS1の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、第1実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In this embodiment, the heat storage part 100 is provided with respect to the 2nd-5th heat exchangers 42-45. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A to 51D. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S1. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and radiates heat with a liquid-solid phase change, as in the first embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
蒸発部22において、加温部21で温度上昇した水が分岐して各タンク47A〜47Dに供給され、各タンク47A〜47D及び各循環配管48A〜48D内に水が貯溜される。供給経路20は、各タンク47A〜47Dへの水の供給量を制御するバルブ80A〜80Dを有する。各タンク47A〜47D内の液面が所定範囲内になるように、バルブ80A〜80Dを介して各タンク47A〜47Dへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50A〜50Dの計測結果に基づいて、各タンク47A〜47Dへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の第1〜第4放熱部13A〜13Dからの熱伝達によって蒸発管51A〜51D内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。各タンク47A〜47Dは、ダクト23を介して圧縮機30に流体的に接続されている。タンク47A〜47Dの内部空間は、各タンク47A〜47Dの排出口及びダクト23を介して圧縮機30によって吸引される。
In the evaporation unit 22, the water whose temperature has been increased in the heating unit 21 is branched and supplied to the tanks 47A to 47D, and water is stored in the tanks 47A to 47D and the circulation pipes 48A to 48D. The supply path 20 includes valves 80A to 80D that control the amount of water supplied to the tanks 47A to 47D. The amount of water supplied to each of the tanks 47A to 47D is controlled via the valves 80A to 80D so that the liquid levels in the tanks 47A to 47D are within a predetermined range. For example, the amount of water supplied to each of the tanks 47A to 47D is controlled based on the measurement results of the level sensors 50A to 50D. The water in the evaporation pipes 51A to 51D is heated by heat transfer from the first to fourth heat radiation portions 13A to 13D of the heat pump 10, and at least a part of the water is evaporated. Each tank 47 </ b> A to 47 </ b> D is fluidly connected to the compressor 30 via the duct 23. The internal spaces of the tanks 47 </ b> A to 47 </ b> D are sucked by the compressor 30 through the discharge ports and the ducts 23 of the tanks 47 </ b> A to 47 </ b> D.
圧縮機30(または供給経路20)には、蒸気に対して水を供給するノズル35が、必要に応じて配設される。ノズル35の配設位置は、例えば、圧縮機30の入口及び/又は出口である。圧縮機30が多段式である場合には、ノズル35を圧縮機30の段間に配設することもできる。ノズル35と少なくとも1つのタンク47A〜47Dの液相位置とが配管36を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温である少なくとも1つのタンク47A〜47D内の液体がノズル35への供給に有効利用される。ノズル35からの液体の排出(スプレイ)には、ポンプ37などの動力源を用いてもよく、配管36の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
In the compressor 30 (or the supply path 20), a nozzle 35 that supplies water to the steam is disposed as necessary. The arrangement position of the nozzle 35 is, for example, an inlet and / or an outlet of the compressor 30. In the case where the compressor 30 is a multistage type, the nozzle 35 may be disposed between the stages of the compressor 30. A pipe in which the nozzle 35 and the liquid phase position of at least one of the tanks 47 </ b> A to 47 </ b> D are fluidly connected via the pipe 36 can be configured. In this piping configuration, the liquid in the at least one tank 47 </ b> A to 47 </ b> D having a relatively high temperature is effectively used for supply to the nozzle 35. For discharging (spraying) the liquid from the nozzle 35, a power source such as a pump 37 may be used, or a pressure difference between the inlet and the outlet of the pipe 36 may be used.
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A〜13E)からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機30による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。また、蓄熱材101,111及びタンク47A〜47Dを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS3のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。蒸気生成システムS3からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態では、複数の個別タンク47A〜47Dを有することにより、蒸気需要の変動に対する柔軟性が高い。
Also in this embodiment, the water in the supply path 20 becomes steam having a relatively low pressure and low temperature due to heat transfer from the heat pump 10 (heat radiation units 13A to 13E), as in the above-described embodiment. Compression results in relatively high pressure and high temperature steam. In addition, by using heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A to 47D, the peak power and average power consumption of the steam generation system S3 can be suppressed, flexible response to steam / cooling demand, and / or steam. The rise time of the generation process can be shortened. The steam from the steam generation system S3 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, a power plant, and the like. In this embodiment, by having a plurality of individual tanks 47A to 47D, flexibility with respect to fluctuations in steam demand is high.
次に、本発明の第4実施形態について図面を参照して説明する。
図11は、第4実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 11 is a schematic view showing a steam generation system according to the fourth embodiment. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図11に示すように、蒸気生成システムS4は、上記実施形態と異なり、供給経路20における水を貯溜するタンクが、内部圧力が個別に設定される複数の個別タンク47A及び47Bを有する。蒸気発生システムS4は、作動媒体(第1媒体)が流れるヒートポンプ10と、被加熱媒体(第2媒体)の供給経路20と、圧縮機30,31とを備える。
As shown in FIG. 11, the steam generation system S4 has a plurality of individual tanks 47A and 47B in which the internal pressure is individually set as a tank for storing water in the supply path 20, unlike the above embodiment. The steam generation system S4 includes a heat pump 10 through which a working medium (first medium) flows, a supply path 20 for a medium to be heated (second medium), and compressors 30 and 31.
本実施形態において、ヒートポンプ10は、吸熱部11、圧縮部12、放熱部13A〜13D、及び膨張部14を有し、これらは配管を介して接続されている。
In this embodiment, the heat pump 10 has the heat absorption part 11, the compression part 12, heat dissipation part 13A-13D, and the expansion part 14, and these are connected through piping.
本実施形態において、圧縮部12は、作動媒体を単段で圧縮する構造を有する。後述する他の実施形態において、圧縮部12は、作動媒体を複数段で圧縮する構造を有することができる。圧縮部12は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。圧縮機には動力が供給される。圧縮部12の圧縮比(圧力比)は、蒸気発生システムS4の仕様に応じて設定される。
In the present embodiment, the compression unit 12 has a structure that compresses the working medium in a single stage. In other embodiments described below, the compression unit 12 may have a structure that compresses the working medium in a plurality of stages. The compression unit 12 includes a compressor suitable for compressing a working medium among various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor. Power is supplied to the compressor. The compression ratio (pressure ratio) of the compression unit 12 is set according to the specification of the steam generation system S4.
放熱部13A〜13Dは、圧縮部12で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、主経路15内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、4つの放熱部13A〜13Dが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部13A、放熱部13B、放熱部13C、及び放熱部13Dがその順に並んでいる。放熱部の数は、蒸気発生システムS3の仕様に応じて設定され、3、4、5、6、7、8、9、10、あるいは11以上である。
The heat radiating units 13A to 13D have pipes through which the working medium compressed by the compressing unit 12 flows, and give the heat of the working medium flowing in the main path 15 to a heat source outside the cycle. In the present embodiment, four heat radiating portions 13A to 13D are arranged in series along the flow direction of the working medium. A heat radiating portion 13A, a heat radiating portion 13B, a heat radiating portion 13C, and a heat radiating portion 13D are arranged in that order along the flow direction of the working medium. The number of heat radiation units is set according to the specification of the steam generation system S3, and is 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or 11 or more.
本実施形態において、供給経路20は、第1及び第2加温部21A,21Bと、第1及び第2蒸発部22A,22Bと、蒸発部22A,22Bと圧縮機30,31とを流体的に接続するダクト23A,23Bとを有する。本実施形態において、供給経路20は、分岐部24Aと、分岐部24Aからの水を第1蒸発部22Aに導く分岐経路25Aと、分岐部24Aからの水を第2蒸発部22Bに導く分岐経路25Bとを有する。
In the present embodiment, the supply path 20 fluidly connects the first and second heating units 21A and 21B, the first and second evaporation units 22A and 22B, the evaporation units 22A and 22B, and the compressors 30 and 31. Ducts 23A and 23B connected to the. In the present embodiment, the supply path 20 includes a branch section 24A, a branch path 25A that guides water from the branch section 24A to the first evaporator 22A, and a branch path that guides water from the branch section 24A to the second evaporator 22B. 25B.
第1加温部21Aは、ヒートポンプ10の放熱部13Dに隣接して配置されかつ供給源(不図示)からの水が流れる配管を含む。第1加温部21Aと放熱部13Dとを含んで第1熱交換器41が構成される。第1加温部21Aにおいて、ヒートポンプ10の放熱部13Dからの熱伝達によって、供給経路20内の水が温度上昇する。
21 A of 1st heating parts are arrange | positioned adjacent to the thermal radiation part 13D of the heat pump 10, and contain the piping through which the water from a supply source (not shown) flows. The 1st heat exchanger 41 is comprised including 21 A of 1st heating parts, and the thermal radiation part 13D. In the first heating unit 21A, the temperature of the water in the supply path 20 rises due to heat transfer from the heat radiating unit 13D of the heat pump 10.
第2加温部21Bは、分岐経路25Bに配置される。第2加温部21Bは、ヒートポンプ10の放熱部13Bに隣接して配置されかつ第1加温部21Aからの水が流れる配管を含む。第2加温部21Bと放熱部13Bとを含んで第2熱交換器42が構成される。第2加温部21Bにおいて、ヒートポンプ10の放熱部13Bからの熱伝達によって、分岐経路25B内の水が温度上昇する。
The second heating unit 21B is disposed on the branch path 25B. The second heating unit 21B includes a pipe disposed adjacent to the heat dissipation unit 13B of the heat pump 10 and through which water from the first heating unit 21A flows. The 2nd heat exchanger 42 is comprised including the 2nd heating part 21B and the thermal radiation part 13B. In the second heating unit 21B, the temperature of the water in the branch path 25B rises due to heat transfer from the heat radiating unit 13B of the heat pump 10.
第1及び第2熱交換器41,42は、低温の流体(供給経路20内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第1及び第2熱交換器41,42は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第1及び第2熱交換器41,42の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ10の放熱部13D又は放熱部13Bの配管を、第1加温部21A又は第2加温部21Bの配管の外周面及び/又は内部に配設することができる。
The first and second heat exchangers 41 and 42 employ a counter-current heat exchange method in which a low-temperature fluid (water in the supply path 20) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) face each other. Can have. The first and second heat exchangers 41 and 42 may have a parallel flow type heat exchange system in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. As the heat exchange structure of the first and second heat exchangers 41 and 42, various known ones can be adopted. For example, the piping of the heat radiating part 13D or the heat radiating part 13B of the heat pump 10 can be disposed on the outer peripheral surface and / or the inside of the pipe of the first heating part 21A or the second heating part 21B.
本実施形態において、分岐経路25Bにおける分岐部24Aと第2加温部21Bとの間にポンプ26が配置されている。ポンプ26及び/又は不図示の流量制御装置(制御バルブ等)によって、分岐経路25A及び分岐経路25Bを流れる単位時間あたりの水の量(蒸発部22A,22Bに対する水の分配量)が制御される。ポンプ26の配置位置は、分岐部24Aと第2加温部21Bとの間に限定されない。
In this embodiment, the pump 26 is arrange | positioned between the branch part 24A and the 2nd heating part 21B in the branch path 25B. The amount of water per unit time flowing through the branch path 25A and the branch path 25B (the amount of water distributed to the evaporators 22A and 22B) is controlled by the pump 26 and / or a flow rate control device (not shown) (not shown). . The arrangement position of the pump 26 is not limited between the branch part 24A and the second heating part 21B.
第1蒸発部22Aは、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜する第1タンク47Aと、第1タンク47Aに流体的に接続された第1循環配管48Aとを有する。すなわち、第1循環配管48Aの入口端と出口端とが第1タンク47Aに流体的に接続される。第1タンク47Aには、第1加温部21Aからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第1タンク47Aは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50Aと、気液分離器(不図示)とを有する。第1循環配管48Aは、ヒートポンプ10の放熱部13Cに隣接して配置される蒸発管51Aと、必要に応じてポンプ52Aとを有する。
The first evaporation section 22A includes a first tank 47A that stores at least a liquid medium to be heated (water), and a first circulation pipe 48A that is fluidly connected to the first tank 47A. That is, the inlet end and the outlet end of the first circulation pipe 48A are fluidly connected to the first tank 47A. The first tank 47A is provided with a water supply port from the first heating unit 21A and a steam discharge port. The first tank 47A includes a level sensor 50A for measuring the liquid level and a gas-liquid separator (not shown) as necessary. 48 A of 1st circulation piping has the evaporation pipe | tube 51A arrange | positioned adjacent to the thermal radiation part 13C of the heat pump 10, and the pump 52A as needed.
第2蒸発部22Bは、第1蒸発部22Aと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜する第2タンク47Bと、第2タンク47Bに流体的に接続された第2循環配管48Bとを有する。すなわち、第2循環配管48Bの入口端と出口端とが第2タンク47Bに流体的に接続される。第2タンク47Bには、第2加温部21Bからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第2タンク47Bは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50Bと、気液分離器(不図示)とを有する。第2循環配管48Bは、ヒートポンプ10の放熱部13Aに隣接して配置される蒸発管51Bと、必要に応じてポンプ52Bとを有する。
Similar to the first evaporator 22A, the second evaporator 22B has a second tank 47B for storing at least a liquid medium to be heated (water), and a second circulation pipe 48B fluidly connected to the second tank 47B. And have. That is, the inlet end and the outlet end of the second circulation pipe 48B are fluidly connected to the second tank 47B. The second tank 47B is provided with a water supply port from the second heating unit 21B and a steam discharge port. The second tank 47B includes a level sensor 50B that measures the liquid level and a gas-liquid separator (not shown) as necessary. The 2nd circulation piping 48B has the evaporation pipe 51B arrange | positioned adjacent to the thermal radiation part 13A of the heat pump 10, and the pump 52B as needed.
本実施形態において、第1蒸発部22A(第1タンク47A、蒸発管51A)と第2蒸発部22B(第2タンク47B、蒸発管51B)とが、供給経路20に対して実質的に並列に配置される。なお、前述したように、ヒートポンプ10における作動媒体の流れ方向に対して、第2蒸発部22Bが上流位置、第1蒸発部22Aが下流位置である。被加熱媒体(水)の熱対流及び/又は差圧などを利用してポンプ52A,52Bの少なくとも1つを省いてもよい。
In the present embodiment, the first evaporator 22A (first tank 47A, evaporation pipe 51A) and the second evaporator 22B (second tank 47B, evaporation pipe 51B) are substantially parallel to the supply path 20. Be placed. As described above, the second evaporator 22B is the upstream position and the first evaporator 22A is the downstream position with respect to the flow direction of the working medium in the heat pump 10. At least one of the pumps 52A and 52B may be omitted by using heat convection of the medium to be heated (water) and / or differential pressure.
蒸発管51Aと放熱部13Cとを含んで第3熱交換器43が構成される。同様に、蒸発管51Bと放熱部13Aとを含んで第4熱交換器44が構成される。第3及び第4熱交換器43,44は、低温の流体(蒸発管51A,51B内の水)と高温の流体(ヒートポンプ10内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第3及び第4熱交換器43,44は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第3及び第4熱交換器43,44の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ10の各放熱部13C,13Aの配管を、蒸発管51A,51Bの外周面及び/又は内部に配設することができる。
A third heat exchanger 43 is configured including the evaporation pipe 51A and the heat radiating portion 13C. Similarly, the 4th heat exchanger 44 is comprised including the evaporation pipe | tube 51B and the thermal radiation part 13A. The third and fourth heat exchangers 43 and 44 are countercurrent heat exchanges in which a low-temperature fluid (water in the evaporation pipes 51A and 51B) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 10) flow opposite to each other. You can have a scheme. The third and fourth heat exchangers 43 and 44 may have a parallel flow type heat exchange method in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. Various known heat exchange structures can be employed for the third and fourth heat exchangers 43 and 44. For example, the pipes of the heat radiating portions 13C and 13A of the heat pump 10 can be disposed on the outer peripheral surface and / or the inside of the evaporation pipes 51A and 51B.
本実施形態において、第3熱交換器43及び第4熱交換器44に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A及び51Bに伝わる。蒸気生成システムS3の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43 and the fourth heat exchanger 44. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A and 51B. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S3. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
第1蒸発部22Aにおいて、第1加温部21Aで温度上昇した水が供給口を介して第1タンク47Aに供給され、第1タンク47A及び第1循環配管48A内に水が貯溜される。第1タンク47A内の液面が所定範囲内になるように、第1タンク47Aへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50Aの計測結果に基づいて、第1タンク47Aへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の放熱部13Cからの熱伝達によって蒸発管51A内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第1タンク47Aは、ダクト23Aを介して圧縮機30に流体的に接続されている。第1タンク47Aの内部空間は、第1タンク47Aの排出口及びダクト23Aを介して圧縮機30によって吸引される。第1タンク47A内の蒸気は、ダクト23A内を圧縮機30に向けて流れる。
In the first evaporation unit 22A, the water whose temperature has increased in the first heating unit 21A is supplied to the first tank 47A through the supply port, and the water is stored in the first tank 47A and the first circulation pipe 48A. The amount of water supplied to the first tank 47A is controlled so that the liquid level in the first tank 47A is within a predetermined range. For example, the amount of water supplied to the first tank 47A is controlled based on the measurement result of the level sensor 50A. The water in the evaporation pipe 51A is heated by heat transfer from the heat radiating portion 13C of the heat pump 10, and at least a part of the water evaporates. The first tank 47A is fluidly connected to the compressor 30 via the duct 23A. The internal space of the first tank 47A is sucked by the compressor 30 through the discharge port of the first tank 47A and the duct 23A. The steam in the first tank 47A flows toward the compressor 30 in the duct 23A.
第2蒸発部22Bにおいて、第1及び第2加温部21A,21Bで温度上昇した水が供給口を介して第2タンク47Bに供給され、第2タンク47B及び第2循環配管48B内に水が貯溜される。第2タンク47B内の液面が所定範囲内になるように、第2タンク47Bへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50Bの計測結果に基づいて、第2タンク47Bへの水の供給量が制御される。
In the second evaporation section 22B, the water whose temperature has increased in the first and second heating sections 21A, 21B is supplied to the second tank 47B via the supply port, and water is supplied into the second tank 47B and the second circulation pipe 48B. Is stored. The amount of water supplied to the second tank 47B is controlled so that the liquid level in the second tank 47B is within a predetermined range. For example, the amount of water supplied to the second tank 47B is controlled based on the measurement result of the level sensor 50B.
本実施形態において、放熱部13Aと13Cの間で、作動媒体の状態(圧力など)が異なる。各放熱部13A,13Cに対応する蒸発管51A,51Bを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、熱バランス制御の向上が図られる。
In this embodiment, the state (pressure etc.) of a working medium differs between the thermal radiation parts 13A and 13C. The heat balance control can be improved by individually controlling the flow rate per unit time of the water flowing through the evaporation pipes 51A and 51B corresponding to the heat radiation portions 13A and 13C.
ヒートポンプ10の放熱部13Aからの熱伝達によって蒸発管51B内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第2タンク47Bは、ダクト23Bを介して圧縮機31に流体的に接続されている。第2タンク47Bの内部空間は、第2タンク47Bの排出口及びダクト23Bを介して圧縮機31によって吸引される。第2タンク47B内の蒸気は、ダクト23B内を圧縮機31に向けて流れる。
The water in the evaporation pipe 51B is heated by heat transfer from the heat radiating part 13A of the heat pump 10, and at least a part of the water evaporates. The second tank 47B is fluidly connected to the compressor 31 via the duct 23B. The internal space of the second tank 47B is sucked by the compressor 31 via the discharge port of the second tank 47B and the duct 23B. The steam in the second tank 47B flows toward the compressor 31 in the duct 23B.
圧縮機30は、供給経路20の分岐経路25A上に配置され、その配置位置は第1タンク47Aに対して下流である。圧縮機31は、供給経路20の分岐経路25B上に配置され、その配置位置は第2タンク47Bに対して下流である。圧縮機30,31としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機30は、第1タンク47Aからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。圧縮機31は、第2タンク47Bからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
The compressor 30 is disposed on the branch path 25A of the supply path 20, and the position of the compressor 30 is downstream of the first tank 47A. The compressor 31 is disposed on the branch path 25B of the supply path 20, and the position of the compressor 31 is downstream of the second tank 47B. As the compressors 30 and 31, various compressors such as an axial compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor are applied, and those suitable for vapor compression are used. The compressor 30 compresses the steam from the first tank 47A and flows the boosted steam downstream. The compressor 31 compresses the steam from the second tank 47 </ b> B and flows the boosted steam downstream.
圧縮機30(または分岐経路25A)には、蒸気に対して水を供給するノズル35Aが、必要に応じて配設される。同様に、圧縮機31(または分岐経路25B)には、ノズル35Bが必要に応じて配設される。ノズル35A,35Bの配設位置は、例えば、圧縮機30,31の入口及び/又は出口である。圧縮機30,31が多段式である場合には、ノズル35A,35Bを各圧縮機30,31の段間に配設することもできる。ノズル35Aと第1タンク47Aの液相位置とが配管36Aを介して流体的に接続された配管構成を採用することができる。この配管構成では、比較的高温である第1タンク47A内の液体がノズル35Aへの供給に有効利用される。同様に、ノズル35Bと第2タンク47Bの液相位置とが配管36Bを介して流体的に接続された配管構成を採用することができる。ノズル35A,36Bからの液体の排出(スプレイ)には、ポンプ37A,37Bなどの動力源を用いてもよく、配管36A,36Bの入口と出口との圧力差を利用してもよい。
In the compressor 30 (or the branch path 25A), a nozzle 35A that supplies water to the steam is disposed as necessary. Similarly, a nozzle 35B is disposed in the compressor 31 (or the branch path 25B) as necessary. The arrangement positions of the nozzles 35A and 35B are, for example, the inlets and / or outlets of the compressors 30 and 31. When the compressors 30 and 31 are multistage, the nozzles 35A and 35B can be disposed between the stages of the compressors 30 and 31. A pipe configuration in which the nozzle 35A and the liquid phase position of the first tank 47A are fluidly connected via the pipe 36A can be employed. In this piping configuration, the liquid in the first tank 47A having a relatively high temperature is effectively used for supplying the nozzle 35A. Similarly, a pipe configuration in which the nozzle 35B and the liquid phase position of the second tank 47B are fluidly connected via the pipe 36B can be employed. For discharging (spraying) the liquid from the nozzles 35A and 36B, a power source such as pumps 37A and 37B may be used, or the pressure difference between the inlets and outlets of the pipes 36A and 36B may be used.
圧縮機30による吸引作用により、供給経路20におけるヒートポンプ10による加熱部位での内部空間、すなわち第1タンク47Aの内部空間が減圧される。第1タンク47Aの内部圧力が大気圧(1atm=約0.1MPa)に比べて低い負圧(陰圧)となるように、供給経路20(分岐経路25A)上の制御弁(流量制御弁など。不図示)、圧縮機30等が制御される。この制御は、例えば、第1タンク47Aの内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。
Due to the suction action by the compressor 30, the internal space at the heating portion of the supply path 20 by the heat pump 10, that is, the internal space of the first tank 47 </ b> A is decompressed. A control valve (such as a flow control valve) on the supply path 20 (branch path 25A) so that the internal pressure of the first tank 47A is a negative pressure (negative pressure) that is lower than the atmospheric pressure (1 atm = about 0.1 MPa). (Not shown), the compressor 30 and the like are controlled. This control is performed based on a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the first tank 47A, for example.
第1タンク47A及びヒートポンプ10は、第1タンク47Aの内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計(容量設計、能力設計など)されている。第1タンク47A内の水の温度は標準沸点よりも低い。ヒートポンプ10の成績係数は、被加熱媒体(水)の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数(COP)が低下する場合がある。第1タンク47Aの内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域(入出力温度差)を比較的狭く設定し、高いCOPでのヒートポンプ10の使用が可能である。例えば、第1加温部21Aへの水の入口温度は約20℃であり、第1加温部21Aからの水の出口温度(第1蒸発部22Aへの水の入口温度)は約90℃である。また、例えば、第1蒸発部22Aからの水(蒸気)の出口温度は約90℃である。
The first tank 47A and the heat pump 10 are designed (capacity design, capacity design, etc.) so that water evaporates when the internal space of the first tank 47A is in a negative pressure state. The temperature of the water in the first tank 47A is lower than the standard boiling point. The coefficient of performance of the heat pump 10 changes according to the difference between the input temperature and the output temperature of the medium to be heated (water), and if the temperature difference is excessively large, the coefficient of performance (COP) may decrease. Under the condition that the internal space of the first tank 47A is in a negative pressure state, the heating temperature region (input / output temperature difference) is set to be relatively narrow, and the heat pump 10 can be used at a high COP. For example, the water inlet temperature to the first heating unit 21A is about 20 ° C., and the water outlet temperature from the first heating unit 21A (water inlet temperature to the first evaporation unit 22A) is about 90 ° C. It is. Further, for example, the outlet temperature of water (steam) from the first evaporator 22A is about 90 ° C.
第2タンク47Bの内部圧力は、第2蒸発部22Bへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第1タンク47Aに比べて、第2タンク47Bへの水の入口温度が高い。第1及び第2加温部21A,21Bで加熱された水の温度(第2加温部21Bからの水の出口温度、第2蒸発部22Bへの水の入口温度)は例えば約120℃である。第1タンク47Aに比べて、第2タンク47Bの内部圧力が高く設定される。供給経路20(分岐経路25B)上の制御弁(流量制御弁など。不図示)、ポンプ26、圧縮機31等の制御によって、第2タンク47Bの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第2タンク47Bの内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。上記した各部位での入口及び出口温度は一例である。供給源の水の温度、気温、蒸気の要求仕様などの条件に応じて、各部位における水の入口及び出口温度が変化する。
The internal pressure of the second tank 47B is set according to the input temperature of water to the second evaporator 22B. In the present embodiment, the inlet temperature of water to the second tank 47B is higher than that of the first tank 47A. The temperature of the water heated by the first and second heating units 21A and 21B (the water outlet temperature from the second heating unit 21B, the water inlet temperature to the second evaporation unit 22B) is about 120 ° C., for example. is there. The internal pressure of the second tank 47B is set higher than that of the first tank 47A. The internal pressure of the second tank 47B is set by control of a control valve (a flow rate control valve, etc., not shown), a pump 26, a compressor 31 and the like on the supply path 20 (branch path 25B). This control is performed based on the measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the second tank 47B, for example. The inlet and outlet temperatures at each of the above sites are examples. The inlet and outlet temperatures of the water at each site vary depending on conditions such as the temperature of the source water, air temperature, and required steam specifications.
本実施形態においては、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10からの熱伝達によって蒸気になる。まず、第1熱交換器41(第1加温部21A)において、供給経路20内の水がヒートポンプ10の放熱部13Dからの熱伝達によって温度上昇する。第1加温部21Aからの水の流れは、分岐部24Aを介して、分岐経路25Aと分岐経路25Bとに分かれる。分岐経路25Aを流れる水は、第1蒸発部22A(第1タンク47A)に向かう。第1タンク47Aにおいて、水は沸点(第1沸点)に近い温度を有する。第3熱交換器43において、放熱部13Cからの熱伝達によって蒸発管51A内の水が相変化して蒸発する。
In the present embodiment, the water in the supply path 20 becomes steam by heat transfer from the heat pump 10. First, in the first heat exchanger 41 (first heating unit 21A), the temperature of the water in the supply path 20 rises due to heat transfer from the heat radiating unit 13D of the heat pump 10. The flow of water from the first heating unit 21A is divided into a branch path 25A and a branch path 25B through the branch part 24A. The water flowing through the branch path 25A is directed to the first evaporator 22A (first tank 47A). In the first tank 47A, water has a temperature close to the boiling point (first boiling point). In the third heat exchanger 43, water in the evaporation pipe 51A undergoes phase change and evaporates due to heat transfer from the heat radiating portion 13C.
分岐経路25Bを流れる水は、第2熱交換器42(第2加温部21B)に向かう。第2熱交換器42(第2加温部21B)において、分岐経路25B内の水がヒートポンプ10の放熱部13Bからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第2タンク47Bの内部圧力は第1タンク47Aに比べて高い。第2タンク47Bにおいて、水は沸点(第2沸点)に近い温度を有する。第2タンク47B内の水の温度は、第1タンク47A内の水に比べて高い。第4熱交換器44において、放熱部13Aからの熱伝達によって蒸発管51A内の水が相変化して蒸発する。
The water flowing through the branch path 25B goes to the second heat exchanger 42 (second heating unit 21B). In the second heat exchanger 42 (second heating unit 21 </ b> B), the temperature of the water in the branch path 25 </ b> B further rises due to heat transfer from the heat radiating unit 13 </ b> B of the heat pump 10. The internal pressure of the second tank 47B is higher than that of the first tank 47A. In the second tank 47B, the water has a temperature close to the boiling point (second boiling point). The temperature of the water in the second tank 47B is higher than that of the water in the first tank 47A. In the fourth heat exchanger 44, the water in the evaporation pipe 51A undergoes a phase change and evaporates due to heat transfer from the heat radiating portion 13A.
本実施形態において、第1及び第2熱交換器41,42(第1及び第2加温部21A,21B)において水が顕熱加熱され、第3及び第4熱交換器43,44(第1及び第2蒸発管51A,51B)において水が潜熱加熱される。第1及び第2熱交換器41,42が顕熱交換に適した形態であり、第3及び第4熱交換器43,44が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られることにより、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。
In the present embodiment, water is sensible heat heated in the first and second heat exchangers 41 and 42 (first and second heating units 21A and 21B), and the third and fourth heat exchangers 43 and 44 (first Water is latently heated in the first and second evaporation pipes 51A and 51B). The first and second heat exchangers 41 and 42 are suitable for sensible heat exchange, and the third and fourth heat exchangers 43 and 44 are suitable for latent heat exchange. As illustrated, steam is generated through a preferred heating process.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A及び47Bを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS4のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in this embodiment, by using heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A and 47B, suppression of the peak power and average power consumption of the steam generation system S4, flexible response to steam / cooling demand, And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
本実施形態において、供給経路20内の水が、ヒートポンプ10(放熱部13A〜13D)からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機30,31による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ10で加熱された水が、圧縮機30,31による圧縮によってさらに加熱され、これにより、100℃以上の高温蒸気が発生する。
In the present embodiment, the water in the supply path 20 becomes steam having a relatively low pressure and low temperature by heat transfer from the heat pump 10 (heat dissipating units 13A to 13D), and relatively high pressure by compression by the compressors 30 and 31. And it becomes high temperature steam. That is, the water heated by the heat pump 10 is further heated by the compression by the compressors 30 and 31, thereby generating high-temperature steam of 100 ° C. or higher.
図12は、蒸気発生システムS4におけるヒートポンプ10の作動媒体の状態変化の一例を示す T-s 線図である。図13は、第4実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示している。
FIG. 12 is a Ts diagram showing an example of a state change of the working medium of the heat pump 10 in the steam generation system S4. FIG. 13 schematically shows an example of a temperature change between water and the working medium of the heat pump in the fourth embodiment.
図13に示すように、第1加温部21A(図11参照)において、作動媒体との熱交換により、供給源からの水の温度が第1沸点近くに上昇する(図13の矢印m1)。第1蒸発部22Aにおいて、作動媒体との熱交換により、第1沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する(矢印m2)。第2加温部21Bにおいて、作動媒体との熱交換により、水の温度が第2沸点近くに上昇する(矢印m3)。第2蒸発部22Bにおいて、作動媒体との熱交換により、第2沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する(矢印m4)。
As shown in FIG. 13, in the first heating unit 21A (see FIG. 11), the temperature of water from the supply source rises near the first boiling point by the heat exchange with the working medium (arrow m1 in FIG. 13). . In the first evaporation section 22A, the phase of water changes from liquid to vapor at a temperature near the first boiling point due to heat exchange with the working medium (arrow m2). In the second heating unit 21B, the temperature of water rises near the second boiling point due to heat exchange with the working medium (arrow m3). In the second evaporation part 22B, the phase of water changes from liquid to vapor at a temperature close to the second boiling point due to heat exchange with the working medium (arrow m4).
また、図13に示すように、水との熱交換により、圧縮部12(図11参照)からの作動媒体(蒸気)の温度が降下する(矢印n1)。その作動媒体(蒸気)は、水との熱交換により、液体に相変化する(矢印n2)。さらに、水との熱交換により、作動媒体(液体)の温度が降下する(矢印n3)。
Moreover, as shown in FIG. 13, the temperature of the working medium (steam) from the compression part 12 (refer FIG. 11) falls by the heat exchange with water (arrow n1). The working medium (steam) changes phase to a liquid by heat exchange with water (arrow n2). Furthermore, the temperature of the working medium (liquid) decreases due to heat exchange with water (arrow n3).
このように、異なる環境に設定された2つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図13において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。
In this way, by generating steam using the two evaporators set in different environments, the temperature difference between the working medium and water during heat exchange can be suppressed, and the heat exchange efficiency can be increased. In FIG. 13, it can be considered that the smaller the area of the region surrounded by the line indicating the temperature of water and the line indicating the temperature of the working medium, the higher the heat exchange efficiency.
図14は、図11の蒸気発生システムS4の変形例である第5実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS5について、図11に示す蒸気発生システムS4と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 14 is a schematic view showing a fifth embodiment which is a modification of the steam generation system S4 of FIG. In the following description, for the steam generation system S5, the same elements as those in the steam generation system S4 shown in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
図14に示すように、蒸気発生システムS5は、3つの蒸発部22A,22B,22Cと、3つの圧縮機30,31,32とを有する。供給経路20は、第1、第2、及び第3加温部21A,21B,21Cと、第1、第2、及び第3蒸発部22A,22B,22Cと、蒸発部22A,22B,22Cと圧縮機30,31,32とを流体的に接続するダクト23A,23B,23Cとを有する。本実施形態において、供給経路20は、分岐部24A,24Bと、分岐経路25A,25B,25C,25Dとを有する。供給経路20において、第2加温部21Bと第2タンク47Bとの間に、分岐部24Bが位置する。分岐経路25Cは、分岐部24Bからの水を第2蒸発部22Bに導く。分岐経路25Dは、分岐部24Bからの水を第3蒸発部22Cに導く。
As shown in FIG. 14, the steam generation system S5 includes three evaporators 22A, 22B, and 22C and three compressors 30, 31, and 32. The supply path 20 includes first, second, and third heating units 21A, 21B, and 21C, first, second, and third evaporation units 22A, 22B, and 22C, and evaporation units 22A, 22B, and 22C. It has ducts 23A, 23B, and 23C that fluidly connect the compressors 30, 31, and 32. In the present embodiment, the supply path 20 includes branch portions 24A and 24B and branch paths 25A, 25B, 25C, and 25D. In the supply path 20, the branching part 24B is located between the second heating part 21B and the second tank 47B. The branch path 25C guides water from the branch part 24B to the second evaporation part 22B. The branch path 25D guides water from the branch part 24B to the third evaporation part 22C.
本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、6つの放熱部13A〜13Fが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部13E、放熱部13F、放熱部13A、放熱部13B、放熱部13C、及び放熱部13Dがその順に並んでいる。
In the present embodiment, six heat radiating portions 13A to 13F are arranged in series along the flow direction of the working medium. A heat radiating portion 13E, a heat radiating portion 13F, a heat radiating portion 13A, a heat radiating portion 13B, a heat radiating portion 13C, and a heat radiating portion 13D are arranged in that order along the flow direction of the working medium.
第3加温部21Cは、分岐経路25Dに配置される。第3加温部21Cは、ヒートポンプ10の放熱部13Fに隣接して配置されかつ第2加温部21Bからの水が流れる配管を含む。第3加温部21Cと放熱部13Fとを含んで第5熱交換器45が構成される。第3加温部21Cにおいて、ヒートポンプ10の放熱部13Fからの熱伝達によって、分岐経路25D内の水が温度上昇する。
The third heating unit 21C is disposed in the branch path 25D. The third heating unit 21C includes a pipe that is disposed adjacent to the heat radiation unit 13F of the heat pump 10 and through which water from the second heating unit 21B flows. A fifth heat exchanger 45 is configured including the third heating unit 21C and the heat dissipation unit 13F. In the third heating unit 21C, the temperature of the water in the branch path 25D rises due to heat transfer from the heat radiating unit 13F of the heat pump 10.
本実施形態において、分岐経路25Dにおける分岐部24Bと第3加温部21Cとの間にポンプ27が配置されている。ポンプ27及び/又は不図示の流量制御装置(制御バルブ等)によって、分岐経路25C及び分岐経路25Dを流れる単位時間あたりの水の量(蒸発部22B,22Cに対する水の分配量)が制御される。ポンプ27の配置位置は、分岐部24Bと第3加温部21Cとの間に限定されない。
In the present embodiment, the pump 27 is disposed between the branching part 24B and the third heating part 21C in the branching path 25D. The amount of water per unit time flowing through the branch path 25C and the branch path 25D (the amount of water distributed to the evaporators 22B and 22C) is controlled by the pump 27 and / or a flow control device (not shown) such as not shown. . The arrangement position of the pump 27 is not limited between the branch part 24B and the third heating part 21C.
第3蒸発部22Cは、第1及び第2蒸発部22A,22Bと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体(水)を貯溜する第3タンク47Cと、第3タンク47Cに流体的に接続された第3循環配管48Cとを有する。すなわち、第3循環配管48Cの入口端と出口端とが第3タンク47Cに流体的に接続される。第3タンク47Cには、第3加温部21Cからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第3タンク47Cは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ50Cと、気液分離器(不図示)とを有する。第3循環配管48Cは、ヒートポンプ10の放熱部13Eに隣接して配置される蒸発管51Cと、必要に応じてポンプ52Cとを有する。
Similar to the first and second evaporators 22A and 22B, the third evaporator 22C is fluidly connected to the third tank 47C for storing at least a liquid heated medium (water) and the third tank 47C. And a third circulation pipe 48C. That is, the inlet end and the outlet end of the third circulation pipe 48C are fluidly connected to the third tank 47C. The third tank 47C is provided with a water supply port from the third heating unit 21C and a steam discharge port. The third tank 47C includes a level sensor 50C that measures the liquid level and a gas-liquid separator (not shown) as necessary. 48 C of 3rd circulation piping has the evaporation pipe 51C arrange | positioned adjacent to the thermal radiation part 13E of the heat pump 10, and the pump 52C as needed.
本実施形態において、第1蒸発部22A(第1タンク47A、蒸発管51A)と第2蒸発部22B(第2タンク47B、蒸発管51B)と第3蒸発部22C(第3タンク47C、蒸発管51C)とが、供給経路20に対して実質的に並列に配置される。第1、第2、及び第3加温部21A,21B,21Cは、供給経路20に対して実質的に直列に配置される。なお、ヒートポンプ10における作動媒体の流れ方向に対して、第3蒸発部22Cが上流位置、第2蒸発部22Bが中間位置、第1蒸発部22Aが下流位置である。被加熱媒体(水)の熱対流及び/又は差圧などを利用してポンプ52A,52B,52Cの少なくとも1つを省いてもよい。蒸発管51Cと放熱部13Eとを含んで第6熱交換器46が構成される。
In the present embodiment, the first evaporator 22A (first tank 47A, evaporation pipe 51A), the second evaporator 22B (second tank 47B, evaporation pipe 51B), and the third evaporator 22C (third tank 47C, evaporation pipe). 51C) is arranged substantially in parallel with the supply path 20. The first, second, and third heating units 21A, 21B, and 21C are arranged substantially in series with respect to the supply path 20. Note that the third evaporator 22C is an upstream position, the second evaporator 22B is an intermediate position, and the first evaporator 22A is a downstream position with respect to the flow direction of the working medium in the heat pump 10. At least one of the pumps 52A, 52B, and 52C may be omitted using heat convection of the medium to be heated (water) and / or differential pressure. A sixth heat exchanger 46 is configured including the evaporation pipe 51C and the heat radiating portion 13E.
本実施形態において、第3熱交換器43、第4熱交換器44、及び第6熱交換器46に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A〜51Cに伝わる。蒸気生成システムS5の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43, the fourth heat exchanger 44, and the sixth heat exchanger 46. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A to 51C. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S5. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
第3蒸発部22Cにおいて、第1、第2、及び第3加温部21A,21B,21Cで温度上昇した水が供給口を介して第3タンク47Cに供給され、第3タンク47C及び第3循環配管48C内に水が貯溜される。第3タンク47C内の液面が所定範囲内になるように、第3タンク47Cへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ50Cの計測結果に基づいて、第3タンク47Cへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ10の放熱部13Eからの熱伝達によって蒸発管51C内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第3タンク47Cは、ダクト23Cを介して圧縮機32に流体的に接続されている。第3タンク47Cの内部空間は、第3タンク47Cの排出口及びダクト23Cを介して圧縮機32によって吸引される。第3タンク47C内の蒸気は、ダクト23C内を圧縮機32に向けて流れる。
In the third evaporator 22C, the water whose temperature has increased in the first, second, and third heating units 21A, 21B, and 21C is supplied to the third tank 47C through the supply port, and the third tank 47C and the third tank Water is stored in the circulation pipe 48C. The amount of water supplied to the third tank 47C is controlled so that the liquid level in the third tank 47C is within a predetermined range. For example, the amount of water supplied to the third tank 47C is controlled based on the measurement result of the level sensor 50C. The water in the evaporation pipe 51C is heated by heat transfer from the heat radiating portion 13E of the heat pump 10, and at least a part of the water evaporates. The third tank 47C is fluidly connected to the compressor 32 via the duct 23C. The internal space of the third tank 47C is sucked by the compressor 32 through the discharge port of the third tank 47C and the duct 23C. The steam in the third tank 47C flows toward the compressor 32 in the duct 23C.
圧縮機32は、供給経路20の分岐経路25D上に配置され、その配置位置は第3タンク47Cに対して下流である。圧縮機32は、第3タンク47Cからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
The compressor 32 is disposed on the branch path 25D of the supply path 20, and the position of the compressor 32 is downstream of the third tank 47C. The compressor 32 compresses the steam from the third tank 47C, and flows the boosted steam downstream.
第3タンク47Cの内部圧力は、第3蒸発部22Cへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第1及び第2タンク47A,47Bに比べて、第3タンク47Cへの水の入口温度が高い。第1、第2、及び第3加温部21A,21B,21Cで加熱された水の温度(第3加温部21Cからの水の出口温度、第3蒸発部22Cへの水の入口温度)は例えば約150℃である。第1及び第2タンク47A,47Bに比べて、第3タンク47Cの内部圧力が高く設定される。供給経路20(分岐経路25D)上の制御弁(流量制御弁など。不図示)、ポンプ27、圧縮機32等の制御によって、第3タンク47Cの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第3タンク47Cの内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる
The internal pressure of the third tank 47C is set according to the input temperature of water to the third evaporator 22C. In the present embodiment, the inlet temperature of water to the third tank 47C is higher than that of the first and second tanks 47A and 47B. Temperature of water heated by the first, second, and third heating units 21A, 21B, and 21C (water outlet temperature from the third heating unit 21C, water inlet temperature to the third evaporation unit 22C) Is about 150 ° C., for example. The internal pressure of the third tank 47C is set higher than that of the first and second tanks 47A and 47B. The internal pressure of the third tank 47C is set by control of a control valve (a flow rate control valve, etc., not shown), a pump 27, a compressor 32, and the like on the supply path 20 (branch path 25D). This control is performed based on a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the third tank 47C, for example.
本実施形態において、分岐経路25Dを流れる水は、第5熱交換器45(第3加温部21C)に向かう。第5熱交換器45(第3加温部21C)において、分岐経路25D内の水がヒートポンプ10の放熱部13Fからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第3タンク47Cの内部圧力は第1及び第2タンク47A,47Bに比べて高い。第3タンク47Cにおいて、水は沸点(第3沸点)に近い温度を有する。第3タンク47C内の水の温度は、第1及び第2タンク47A,47B内の水に比べて高い。第6熱交換器46において、放熱部13Eからの熱伝達によって蒸発管51C内の水が相変化して蒸発する。
In the present embodiment, the water flowing through the branch path 25D goes to the fifth heat exchanger 45 (third heating unit 21C). In the fifth heat exchanger 45 (third heating unit 21 </ b> C), the temperature of the water in the branch path 25 </ b> D further increases due to heat transfer from the heat radiating unit 13 </ b> F of the heat pump 10. The internal pressure of the third tank 47C is higher than that of the first and second tanks 47A and 47B. In the third tank 47C, the water has a temperature close to the boiling point (third boiling point). The temperature of the water in the third tank 47C is higher than the water in the first and second tanks 47A and 47B. In the sixth heat exchanger 46, the water in the evaporation pipe 51C undergoes phase change and evaporates due to heat transfer from the heat radiating portion 13E.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A〜47Cを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS5のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in this embodiment, by utilizing the heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A to 47C, the peak power and average power consumption of the steam generation system S5 can be suppressed, and flexible response to steam / cooling demand can be achieved. And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
本実施形態において、第1蒸発部22Aの第1タンク47Aでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第3蒸発部22Cの第3タンク47Cでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生し、第2蒸発部22Bの第2タンク47Bでは中間の圧力下で飽和蒸気が発生する。第1、第2、及び第3蒸発部22A,22B,22Cの各蒸気排出量(混合比)を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。
In the present embodiment, saturated steam is generated under a relatively low pressure in the first tank 47A of the first evaporator 22A, and saturated steam is generated under a relatively high pressure in the third tank 47C of the third evaporator 22C. In the second tank 47B of the second evaporator 22B, saturated steam is generated under an intermediate pressure. By controlling each steam discharge amount (mixing ratio) of the first, second, and third evaporators 22A, 22B, and 22C, it is possible to change the specifications of the output steam.
図15は、第5実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す。
FIG. 15 schematically shows an example of a temperature change between water and the working medium of the heat pump in the fifth embodiment.
図15に示すように、第1及び第2加温部21A,21B(図14参照)を介して上昇した水の温度が、第3加温部21Cにおいて、作動媒体との熱交換により、第3沸点近くにさらに上昇する(図15の矢印m5)。第3蒸発部22Cにおいて、作動媒体との熱交換により、第3沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する(矢印m6)。
As shown in FIG. 15, the temperature of the water that has risen through the first and second heating units 21A and 21B (see FIG. 14) is changed by the heat exchange with the working medium in the third heating unit 21C. It further rises to near 3 boiling points (arrow m5 in FIG. 15). In the third evaporation section 22C, the phase of water changes from liquid to vapor at a temperature near the third boiling point due to heat exchange with the working medium (arrow m6).
このように、異なる環境に設定された3つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図15において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。
Thus, by generating steam using the three evaporation parts set in different environments, the temperature difference between the working medium and water during heat exchange can be suppressed, and the heat exchange efficiency can be increased. In FIG. 15, it can be considered that the smaller the area of the region surrounded by the line indicating the temperature of water and the line indicating the temperature of the working medium, the higher the heat exchange efficiency.
第3及び第4実施形態において、蒸発部の数(タンク及び循環配管(蒸発管)の数)は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。
In the third and fourth embodiments, the number of evaporators (the number of tanks and circulation pipes (evaporation pipes)) is set according to the specifications of the steam generation system, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more.
図16は、図11の蒸気発生システムS4の別の変形例である第6実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS6について、図11に示す蒸気発生システムS4と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 16 is a schematic view showing a sixth embodiment which is another modified example of the steam generation system S4 of FIG. In the following description, for the steam generation system S6, elements similar to those in the steam generation system S4 shown in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
蒸気発生システムS6において、図16に示すように、圧縮部12が作動媒体を複数段(本例では2段)で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部12は、放熱部13Aの前に配置される第1圧縮部12Aと、放熱部13Aの中段に配置される第2圧縮部12Bとを有する。第2圧縮部12Bに代えてあるいは加えて、放熱部13Cの中段に圧縮部を設けることができる。圧縮の段数は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。圧縮部12は、各圧縮部12A,12Bに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部12は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部12A,12Bの圧縮比(圧力比)は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定される。
In the steam generation system S6, as shown in FIG. 16, the compression unit 12 has a structure for compressing the working medium in a plurality of stages (in this example, two stages). In the present embodiment, the compression unit 12 includes a first compression unit 12A disposed in front of the heat dissipation unit 13A and a second compression unit 12B disposed in the middle stage of the heat dissipation unit 13A. Instead of or in addition to the second compression part 12B, a compression part can be provided in the middle stage of the heat radiation part 13C. The number of compression stages is set according to the specifications of the steam generation system, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. The compression unit 12 can have a multiaxial compression structure in which the rotation speeds corresponding to the compression units 12A and 12B are individually controlled. Alternatively, the compression unit 12 can have a coaxial compression structure. The compression ratio (pressure ratio) of each compression part 12A, 12B is set according to the specification of a steam generation system.
本実施形態において、第3熱交換器43及び第4熱交換器44に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A及び51Bに伝わる。蒸気生成システムS6の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43 and the fourth heat exchanger 44. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A and 51B. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S6. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
本実施形態において、圧縮部12が多段式である点から、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部12の段間の熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部12の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。また、本実施形態において、多段式の圧縮部12に対する作動媒体の入力温度が再生器18によって高められている点も、圧縮部12の動力低減に有利である。
In the present embodiment, energy efficiency is improved because the compression unit 12 is a multistage type. That is, the heat between the stages of the multistage compression unit 12 is deprived, thereby suppressing the temperature increase of the working medium during the compression process of the working medium. As a result, the compression efficiency of the compression unit 12 is improved and the compressor power is increased. Can be reduced. In the present embodiment, the point that the input temperature of the working medium to the multistage compression unit 12 is increased by the regenerator 18 is also advantageous in reducing the power of the compression unit 12.
また、本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A及び47Bを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS6のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in the present embodiment, by using the heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A and 47B, the peak power and average power consumption of the steam generation system S6 can be suppressed, and the steam / cold energy demand can be flexibly changed. It is possible to cope with and / or shorten the rise time of the steam generation process.
図17は、図14の蒸気発生システムS5の変形例である第7実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS7について、図14に示す蒸気発生システムS5と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 17 is a schematic view showing a seventh embodiment which is a modification of the steam generation system S5 of FIG. In the following description, with respect to the steam generation system S7, the same elements as those in the steam generation system S5 shown in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
蒸気発生システムS7において、図17に示すように、圧縮部12が作動媒体を複数段(本例では2段)で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部12は、放熱部13Eの前に配置される第1圧縮部12Aと、放熱部13Eの中段に配置される第2圧縮部12Bとを有する。第2圧縮部12Bに代えてあるいは加えて、放熱部13Aの中段及び/又は放熱部Cの中段に圧縮部を設けることができる。
In the steam generation system S7, as shown in FIG. 17, the compression unit 12 has a structure for compressing the working medium in a plurality of stages (in this example, two stages). In this embodiment, the compression part 12 has 12 A of 1st compression parts arrange | positioned before the thermal radiation part 13E, and 2nd compression part 12B arrange | positioned in the middle stage of the thermal radiation part 13E. Instead of or in addition to the second compression part 12B, a compression part can be provided in the middle stage of the heat radiation part 13A and / or the middle stage of the heat radiation part C.
本実施形態において、第3熱交換器43、第4熱交換器44、及び第6熱交換器46に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A〜51Cに伝わる。蒸気生成システムS7の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43, the fourth heat exchanger 44, and the sixth heat exchanger 46. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A to 51C. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S7. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A〜47Cを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS7のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in this embodiment, by utilizing the heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A to 47C, the peak power and the average power consumption of the steam generation system S7 can be suppressed, and flexible response to the steam / cooling demand can be achieved. And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
図18は、図11の蒸気発生システムS4の別の変形例である第8実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS8について、図11に示す蒸気発生システムS4と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 18 is a schematic view showing an eighth embodiment which is another modified example of the steam generation system S4 of FIG. In the following description, for the steam generation system S8, the same elements as those in the steam generation system S4 shown in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
蒸気発生システムS8において、図18に示すように、圧縮部12が作動媒体を複数段(本例では2段)で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部12は、放熱部13Aの前に配置される第1圧縮部12Aと、放熱部13Bと放熱部13Cとの間に配置される第2圧縮部12Cとを有する。第2圧縮部12Cに加えて、放熱部13A及び/又は放熱部13Cの中段に圧縮部を設けることもできる。圧縮の段数は、蒸気発生システムS8の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。圧縮部12は、各圧縮部12A,12Cに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部12は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部12A,12Cの圧縮比(圧力比)は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定される。
In the steam generation system S8, as shown in FIG. 18, the compression unit 12 has a structure for compressing the working medium in a plurality of stages (in this example, two stages). In this embodiment, the compression part 12 has 12 A of 1st compression parts arrange | positioned before 13 A of thermal radiation parts, and the 2nd compression part 12C arrange | positioned between the thermal radiation part 13B and the thermal radiation part 13C. In addition to the second compression unit 12C, a compression unit may be provided in the middle stage of the heat dissipation unit 13A and / or the heat dissipation unit 13C. The number of compression stages is set according to the specification of the steam generation system S8, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. The compression unit 12 can have a multiaxial compression structure in which the rotation speeds corresponding to the compression units 12A and 12C are individually controlled. Alternatively, the compression unit 12 can have a coaxial compression structure. The compression ratio (pressure ratio) of each compression part 12A, 12C is set according to the specification of the steam generation system.
本実施形態において、第3熱交換器43及び第4熱交換器44に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A及び51Bに伝わる。蒸気生成システムS8の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43 and the fourth heat exchanger 44. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A and 51B. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S8. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A及び47Bを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS8のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in the present embodiment, by using the heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A and 47B, the peak power and average power consumption of the steam generation system S8 can be suppressed, and flexible response to steam / cooling demand can be achieved. And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
図19は、図14の蒸気発生システムS5の別の変形例である第9実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS9について、図14に示す蒸気発生システムS5と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 19 is a schematic view showing a ninth embodiment which is another modified example of the steam generation system S5 of FIG. In the following description, for the steam generation system S9, the same elements as those in the steam generation system S5 shown in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
蒸気発生システムS9において、図19に示すように、圧縮部12が作動媒体を複数段(本例では2段)で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部12は、放熱部13Eの前に配置される第1圧縮部12Aと、放熱部13Fと放熱部13Aとの間に配置される第2圧縮部12Cとを有する。第2圧縮部12Cに代えてあるいは加えて、放熱部13Bと放熱部13Cとの間に圧縮部を設けることができる。また、第2圧縮部12Cに加えて、放熱部13E、放熱部13A、及び/又は放熱部13Cの中段に圧縮部を設けることもできる。
In the steam generation system S9, as shown in FIG. 19, the compression unit 12 has a structure for compressing the working medium in a plurality of stages (in this example, two stages). In the present embodiment, the compression unit 12 includes a first compression unit 12A disposed in front of the heat dissipation unit 13E, and a second compression unit 12C disposed between the heat dissipation unit 13F and the heat dissipation unit 13A. Instead of or in addition to the second compression part 12C, a compression part can be provided between the heat radiation part 13B and the heat radiation part 13C. In addition to the second compression unit 12C, a compression unit may be provided in the middle stage of the heat dissipation unit 13E, the heat dissipation unit 13A, and / or the heat dissipation unit 13C.
本実施形態において、第3熱交換器43、第4熱交換器44、及び第6熱交換器46に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A〜51Cに伝わる。蒸気生成システムS9の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43, the fourth heat exchanger 44, and the sixth heat exchanger 46. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A to 51C. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S9. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A〜47Cを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS9のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in this embodiment, by using heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A to 47C, suppression of peak power and average power consumption of the steam generation system S9, flexible response to steam and cold demand, And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
図20は、図19の蒸気発生システムS9の別の変形例である第10実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムS10について、図19に示す蒸気発生システムS9と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
FIG. 20 is a schematic view showing a tenth embodiment which is another modified example of the steam generation system S9 of FIG. In the following description, for the steam generation system S10, elements similar to those in the steam generation system S9 shown in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
蒸気発生システムS10において、図20に示すように、供給経路20に対して、第2加温部21Bと第3加温部21Cとが実質的に並列に配置される。なお、ヒートポンプ10における作動媒体の流れ方向に対して、第3加温部21Cが上流位置、第2加温部21Bが下流位置である。
In the steam generation system S10, as shown in FIG. 20, the second heating unit 21B and the third heating unit 21C are arranged substantially in parallel with the supply path 20. Note that the third heating unit 21C is an upstream position and the second heating unit 21B is a downstream position with respect to the flow direction of the working medium in the heat pump 10.
本実施形態において、供給経路20は、分岐部24A,24Cと、分岐経路25A,25F,25G,25Hとを有する。供給経路20において、分岐部24Aから、分岐経路25Aと分岐経路25Fとが分かれている。分岐経路25Aは、前述したように、分岐部24Aからの水を第1蒸発部22Aに導く。分岐部24Aからの分岐経路25Fに分岐部24Cが位置する。分岐部24Cから、分岐経路25Gと分岐経路25Hとが分かれている。分岐経路25Gは、分岐部24Cからの水を第2加温部21Bに導く。分岐経路25Hは、分岐部24Bからの水を第3加温部21Cに導く。
In the present embodiment, the supply path 20 includes branch portions 24A and 24C and branch paths 25A, 25F, 25G, and 25H. In the supply path 20, a branch path 25A and a branch path 25F are separated from the branch section 24A. As described above, the branch path 25A guides the water from the branch part 24A to the first evaporation part 22A. The branch part 24C is located on the branch path 25F from the branch part 24A. A branch path 25G and a branch path 25H are separated from the branch section 24C. The branch path 25G guides water from the branch part 24C to the second warming part 21B. The branch path 25H guides water from the branch part 24B to the third heating part 21C.
本実施形態において、分岐経路25Fにポンプ28が配置されている。ポンプ28及び/又は不図示の流量制御装置(制御バルブ等)によって、分岐経路25A,25F,25G,25Hを流れる単位時間あたりの水の量(蒸発部22A,22B,23Cに対する水の分配量)が制御される。ポンプ28の配置位置は、分岐経路25F上に限定されない。他の実施形態において、分岐経路25G及び/又は25H上に、ポンプを配置することができる。
In the present embodiment, the pump 28 is disposed in the branch path 25F. The amount of water per unit time flowing through the branch paths 25A, 25F, 25G, and 25H (the amount of water distributed to the evaporators 22A, 22B, and 23C) by the pump 28 and / or a flow rate controller (not shown) (not shown). Is controlled. The arrangement position of the pump 28 is not limited to the branch path 25F. In other embodiments, a pump can be placed on the branch path 25G and / or 25H.
第2蒸発部22Bにおいて、第1及び第2加温部21A,21Bで温度上昇した水が供給口を介して第2タンク47Bに供給される。同様に、第3蒸発部22Cにおいて、第1及び第3加温部21A,21Cで温度上昇した水が供給口を介して第3タンク47Cに供給される。
In the second evaporation part 22B, the water whose temperature has increased in the first and second heating parts 21A, 21B is supplied to the second tank 47B via the supply port. Similarly, in the third evaporation section 22C, the water whose temperature has increased in the first and third heating sections 21A, 21C is supplied to the third tank 47C via the supply port.
本実施形態において、ヒートポンプ10の圧縮部12が多段式であるから、放熱部13Bから第2加温部21Bに伝達される熱は、放熱部13Eから第3加温部21Cに伝達される熱と同程度にすることができる。第2及び第3加温部21B,21Cが実質的に並列に配置されるから、第2蒸発部22Bへの水の入口温度(第2加温部21Bからの水の出口温度)は、第1及び第3加温部21A,21Cで加熱された水の温度(第3加温部21Cからの水の出口温度、第3蒸発部22Cへの水の入口温度)と同程度にすることができる。
In this embodiment, since the compression part 12 of the heat pump 10 is a multistage type, the heat transferred from the heat radiating part 13B to the second heating part 21B is the heat transferred from the heat radiating part 13E to the third heating part 21C. Can be as high as Since the second and third heating units 21B and 21C are arranged substantially in parallel, the water inlet temperature to the second evaporation unit 22B (the water outlet temperature from the second heating unit 21B) is The temperature of the water heated by the first and third heating units 21A and 21C (the outlet temperature of the water from the third heating unit 21C, the inlet temperature of the water to the third evaporation unit 22C) should be approximately the same. it can.
第2及び第3タンク47B,47Cの内部圧力は、第2及び第3蒸発部22B,22Cへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第1タンク47Aに比べて、第2及び第3タンク47B,47Cへの水の入口温度が高い。第1タンク47Aに比べて、第2及び第3タンク47B,47Cの内部圧力が高く設定される。供給経路20(分岐経路25H,25G)上の制御弁(流量制御弁など。不図示)、ポンプ28、圧縮機31,32等の制御によって、第2及び第3タンク47B,47Cの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第2及び第3タンク47B,47Cの内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。
The internal pressures of the second and third tanks 47B and 47C are set according to the input temperature of water to the second and third evaporators 22B and 22C. In this embodiment, the inlet temperature of water to the second and third tanks 47B and 47C is higher than that of the first tank 47A. Compared to the first tank 47A, the internal pressures of the second and third tanks 47B and 47C are set higher. The internal pressures of the second and third tanks 47B and 47C are controlled by the control of the control valve (flow rate control valve and the like), the pump 28, the compressors 31 and 32, etc. on the supply path 20 (the branch paths 25H and 25G). Is set. This control is performed based on, for example, a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressures of the second and third tanks 47B and 47C.
本実施形態において、第1蒸発部22Aの第1タンク47Aでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第2及び第3蒸発部22B,22Cの第2及び第3タンク47B,47Cでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生する。第1、第2、及び第3蒸発部22A,22B,22Cの各蒸気排出量(混合比)を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。本実施形態において、同程度の内部圧力に設定可能な複数の蒸発タンク(第2及び第3タンク47B,47C)が設けられているから、その圧力に応じた条件に対応する蒸気を比較的多く発生させることができる。
In the present embodiment, saturated steam is generated at a relatively low pressure in the first tank 47A of the first evaporator 22A, and comparison is made in the second and third tanks 47B and 47C of the second and third evaporators 22B and 22C. Saturated steam is generated under moderately high pressure. By controlling each steam discharge amount (mixing ratio) of the first, second, and third evaporators 22A, 22B, and 22C, it is possible to change the specifications of the output steam. In this embodiment, since a plurality of evaporation tanks (second and third tanks 47B and 47C) that can be set to the same internal pressure are provided, a relatively large amount of steam corresponding to the conditions corresponding to the pressure is provided. Can be generated.
本実施形態において、第3熱交換器43、第4熱交換器44、及び第6熱交換器46に対して蓄熱部100が設けられている。蓄熱部100は、ヒートポンプ10から伝わる熱を蓄える蓄熱材101を有する。蓄熱材101の熱は蒸発管51A〜51Cに伝わる。蒸気生成システムS9の仕様に応じて、蓄熱材101の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材101は、上記実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部100の構成は、図2A〜2D、7A〜7B、及び8に示したように、様々な形態が適用可能である。
In the present embodiment, the heat storage unit 100 is provided for the third heat exchanger 43, the fourth heat exchanger 44, and the sixth heat exchanger 46. The heat storage unit 100 includes a heat storage material 101 that stores heat transmitted from the heat pump 10. The heat of the heat storage material 101 is transmitted to the evaporation tubes 51A to 51C. The material characteristics of the heat storage material 101 are determined according to the specifications of the steam generation system S9. In the present embodiment, the heat storage material 101 includes a latent heat storage material that stores and dissipates heat with a liquid-solid phase change, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 2A to 2D, 7A to 7B, and 8, various configurations can be applied to the configuration of the heat storage unit 100.
本実施形態においても、蓄熱材101,111及びタンク47A〜47Cを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムS10のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び/又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
Also in this embodiment, by utilizing the heat storage using the heat storage materials 101 and 111 and the tanks 47A to 47C, the peak power and average power consumption of the steam generation system S10 can be suppressed, and flexible response to steam / cooling demand can be achieved. And / or the rise time of the steam generation process can be shortened.
上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this.
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited by the above description, but only by the appended claims.