JP2014173742A - 給水加温システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上する。また、エンジンからの排熱も有効活用する。
【解決手段】ヒートポンプ２は、蒸発器８において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器６において給水路４の水を加温する。エンジン３は、ヒートポンプ２の圧縮機５を駆動する。熱源流体昇温器１６は、蒸発器８への熱源流体を、エンジン３からの排ガスで加温する。給水路４の水は、廃熱回収熱交換器１０、過冷却器９および凝縮器６を順に通される。廃熱回収熱交換器１０は、給水路４の給水と、蒸発器８を通過後の熱源流体との間接熱交換器である。過冷却器９は、給水路４の給水と、凝縮器６から膨張弁７への冷媒との間接熱交換器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。また、出願人は、この従来技術に比べてヒートポンプの効率をさらに向上した給水加温システムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１２−７９１９１）。

特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）

本発明が解決しようとする課題は、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上することにある。また、エンジンからの排熱も有効活用することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンと、前記蒸発器への熱源流体を、前記エンジンからの排ガスで加温する熱源流体昇温器とを備え、前記給水路の水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路の給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、前記過冷却器は、前記給水路の給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であることを特徴とする給水加温システムである。

請求項１に記載の発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、給水路の給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される一方、ヒートポンプの熱源流体は、熱源流体昇温器、蒸発器および廃熱回収熱交換器を順に通される。蒸発器への熱源流体を、エンジンからの排ガスで加温しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。また、蒸発器を通過後の熱源流体の廃熱や、凝縮器を通過後の冷媒の熱を用いて、凝縮器への給水を予熱しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、前記エンジンから前記熱源流体昇温器への排ガス路に、排ガス浄化触媒を設けたことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項２に記載の発明によれば、触媒反応熱も利用して、蒸発器への熱源流体を、エンジンからの排ガスで昇温することができる。

請求項３に記載の発明は、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温する排ガス熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給水加温システムである。

請求項３に記載の発明によれば、給水をヒートポンプで加温した後、さらにエンジンからの排ガスで加温することができる。このような順序で加温することで、給水を効率よく昇温することができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給水加温システムである。

請求項４に記載の発明によれば、給水をヒートポンプで加温した後、エンジンのジャケット冷却時の排熱でさらに加温することができる。

本発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上することができる。また、エンジンからの排熱も有効活用することができる。

本発明の給水加温システムの一実施例を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の給水加温システム１の一実施例を示す概略図である。

本実施例の給水加温システム１は、蒸気圧縮式のヒートポンプ２と、このヒートポンプ２を駆動するエンジン３とを備える。そして、給水加温システム１は、給水路４の水を、ヒートポンプ２で加温すると共に、エンジン３の排熱を用いて加温する。このようにして加温された水は、その用途を特に問わないが、たとえばボイラへの給水として用いられる。

ヒートポンプ２は、圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機５は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器６は、圧縮機５からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁７は、凝縮器６からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器８は、膨張弁７からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ２は、蒸発器８において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器６において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、ヒートポンプ２は、蒸発器８において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器６において給水路４の水を加温する。なお、熱源流体は、特に問わないが、本実施例では熱源水（たとえば廃温水）である。

ヒートポンプ２は、さらに、凝縮器６と膨張弁７との間に、過冷却器９を備えるのが好ましい。過冷却器９は、凝縮器６から膨張弁７への冷媒と、凝縮器６への給水との間接熱交換器である。過冷却器９により、凝縮器６への給水で、凝縮器６から膨張弁７への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器６から膨張弁７への冷媒で、凝縮器６への給水を加温することができる。ヒートポンプ２の冷媒は、好適には、凝縮器６において潜熱を放出し、過冷却器９において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器６において、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となり、その液冷媒が過冷却器９に供給されて、過冷却器９において、液冷媒はさらに冷却（過冷却）される。冷媒の凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、熱交換器を簡易な構造で小型化でき、コストの削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。

その他、ヒートポンプ２には、圧縮機５の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機５の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器６の出口側（凝縮器６と過冷却器９との間）に受液器を設置したりしてもよい。

給水加温システム１は、さらに、廃熱回収熱交換器１０を備えるのが好ましい。この廃熱回収熱交換器１０は、過冷却器９への給水と、蒸発器８を通過後の熱源水との間接熱交換器である。従って、給水路４の水は、給水ポンプ１１により、廃熱回収熱交換器１０、過冷却器９および凝縮器６へと順に通されることになる。

一方、熱源水は、熱源供給路１２を介して、蒸発器８を通された後、廃熱回収熱交換器１０に通される。本実施例では、熱源供給路１２には、蒸発器８より上流側に熱源供給ポンプ（図示省略）が設けられており、この熱源供給ポンプを作動させることで、熱源水を、蒸発器８と廃熱回収熱交換器１０とに順に通すことができる。

蒸発器８を先に通した後に廃熱回収熱交換器１０に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１０を先に通した後に蒸発器８に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器８における冷媒の蒸発温度（つまり蒸発圧力）を高めることができ、圧縮機５の圧力比を小さくすることができ、省エネルギーを図ることができる。

エンジン３は、ヒートポンプ２の圧縮機５を駆動する。図示例では、エンジン３の動力は、ベルト１３を介して圧縮機５を駆動する。エンジン３は、その構成を特に問わないが、たとえばガスエンジンまたはディーゼルエンジンであり、駆動に伴い排ガスを排出する。また、本実施例のエンジン３は、後述するように、ジャケット１４を備える水冷式とされている。

給水加温システム１は、蒸発器８への熱源流体を、エンジン３から排ガス路１５を介した排ガスで加温する熱源流体昇温器１６を備える。熱源流体昇温器１６は、熱源供給路１２に設けられ、蒸発器８への熱源流体と、エンジン３からの排ガスとの間接熱交換器である。蒸発器８への熱源流体を、エンジン３からの排ガスで昇温しておくことで、ヒートポンプ２の効率を向上することができる。また、熱源水を熱源流体昇温器１６で昇温できるので、比較的温度の低い熱源水でも昇温してヒートポンプ２の熱源として用いることが可能となる。

給水加温システム１は、好ましくは、エンジン３のジャケット冷却水や排ガスから熱回収して、給水路４の水を加温可能に構成される。そのために、ジャケット熱交換器１７と排ガス熱交換器１８との内、一方または双方を備えるのが好ましい。本実施例では、実線で示すように、ジャケット熱交換器１７を備えるが、これに代えてまたはこれに加えて、二点鎖線で示すように、排ガス熱交換器１８を備えてもよい。

ジャケット熱交換器１７は、凝縮器６を通過後の水を、エンジン３のジャケット１４の冷却に用いて加温するための間接熱交換器である。この際、凝縮器６からの水は、エンジン３のジャケット１４に直接に流してもよい（つまりジャケット１４自体をジャケット熱交換器１７としてもよい）が、ジャケット１４とジャケット熱交換器１７との間に液体（ジャケット冷却水）を循環させ、その循環液と給水路４の水とをジャケット熱交換器１７で熱交換するのがよい。これにより、循環液で、凝縮器６からの給水が加温される。逆に、凝縮器６からの給水により、循環液は冷却され、ひいてはジャケット１４やエンジン３の冷却が図られる。

排ガス熱交換器１８は、エンジン３からの排ガス路１５に設けられ、凝縮器６を通過後の水（ジャケット熱交換器１７を備える場合はジャケット熱交換器１７を通過後の水）を、エンジン３からの排ガスで加温する間接熱交換器である。給水路４の給水は、排ガス熱交換器１８へ供給され、エンジン３からの排ガスと熱交換して加温され、温水使用設備（たとえばボイラ給水タンク）へ送られる。

排ガス熱交換器１８を設置する場合、熱源流体昇温器１６には、排ガス熱交換器１８を通過後の排ガスを供給してもよいし、排ガス熱交換器１８の上流側で分岐させた排ガスを供給してもよい。

ところで、エンジン３から熱源流体昇温器１６への排ガス路１５には、排ガス浄化触媒１９を設けてもよい。図示例では、排ガス路１５の内、排ガス熱交換器１８の上流側に設けたが、排ガス熱交換器１８の下流側に設けてもよい。また、排ガス浄化触媒１９は、排ガス熱交換器１８を備えない排ガス路１５にも設けることができる。いずれにしても、排ガス路１５に排ガス浄化触媒１９を設けることで、熱源流体昇温器１６への排ガスを触媒反応熱により昇温することができる。また、排ガス浄化触媒１９により、排ガス中の有害成分の除去を図ることができる。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、ヒートポンプ２の熱源として熱源水を用いた例について説明したが、ヒートポンプ２の熱源流体として、熱源水に限らず、空気や排ガスなど各種の流体を用いることができる。但し、熱源流体は、蒸発器８においてヒートポンプ２の冷媒に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴い、その後、廃熱回収熱交換器１０において給水に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好ましい。

１ 給水加温システム
２ ヒートポンプ
３ エンジン
４ 給水路
５ 圧縮機
６ 凝縮器
７ 膨張弁
８ 蒸発器
９ 過冷却器
１０ 廃熱回収熱交換器
１１ 給水ポンプ
１２ 熱源供給路
１３ ベルト
１４ ジャケット
１５ 排ガス路
１６ 熱源流体昇温器
１７ ジャケット熱交換器
１８ 排ガス熱交換器
１９ 排ガス浄化触媒

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、
   このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンと、
   前記蒸発器への熱源流体を、前記エンジンからの排ガスで加温する熱源流体昇温器とを備え、
   前記給水路の水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、
   前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路の給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、
   前記過冷却器は、前記給水路の給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器である
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記エンジンから前記熱源流体昇温器への排ガス路に、排ガス浄化触媒を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
3. 前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温する排ガス熱交換器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給水加温システム。
4. 前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給水加温システム。

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