JP2017142026A - 加熱水の製造方法及び製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプを用いて排熱を有効利用する加熱水の製造システム及び製造方法を提供する。【解決手段】排熱水から吸熱を行うヒートポンプ１３を有し、ヒートポンプ１３で吸熱した熱を、処理水を加熱する加熱源として利用する加熱水製造システムであって、熱媒体を収容する混合容器１４１と、流出した熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離手段１４２と、分離した第１の熱媒体にヒートポンプ１３で吸熱した熱を排熱させた後、第１の熱媒体を混合容器１４１に返送する第１の循環手段１４３と、分離した第２の熱媒体により処理水を加熱した後、第２の熱媒体を混合容器１４１に返送する第２の循環手段１４４と、を有する熱伝達装置１４、を有する加熱水製造システム１０。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱水の製造方法及び製造システムに係り、特に、工場内で生成する排熱水からの排熱を利用して加熱源とし、熱エネルギーを効率的に活用する加熱水の製造方法及び製造システムに関する。

純水製造システム等の水処理システムは、水処理のための様々な要素、例えば、イオン交換手段、逆浸透膜（ＲＯ膜）、ろ過手段、などが所定の順番に配置され、被処理水を順次処理することで所望の水質の処理水を得ている。このとき、各処理水やユースポイントで供給する処理水は、その処理効率の改善や使用用途によって、加温、加熱するなど、要求に応じて様々な温度の処理水とされている。

その際、加熱の必要がある場合には、プレヒーターやヒーター等を用いて所望の温度まで加熱するのが一般的である。一方、水処理システムにおいて、又は、他の設備等を有する工場等において、生成した熱が単に外部に放出され排熱することが行われることも多い。このように、一方で排熱処理が行われ、他方で加熱（吸熱）処理が行われている場合、これらをそれぞれ独立に行うとエネルギーが無駄に消費されてしまうことになる。

したがって、従来、このような排熱を利用して処理水等を加熱し、エネルギーを有効活用する装置等が種々検討され、開発されてきた。特に、このような排熱を利用する際には、そのエネルギー効率に優れた点からヒートポンプが好ましく用いられている。

このような技術としては、例えば、超純水製造プラントにおける逆浸透膜装置において、透過水量の向上、採水量の安定化及び超純水たる生産水の使用点での一定温度の確保等のため、加熱源として逆浸透膜装置の濃縮水やユースポイントでの使用済生産水等の有する低温排熱をヒートポンプにより回収して有効利用し、被処理原水を２５〜３０℃程度に加温する逆浸透膜装置システムが知られている（特許文献１参照）。

また、互いに隣接する複数の装置同士を接続する複数の配管区間を有する水処理システムにおいて、１つの配管区間から吸熱し、この吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間に排熱するヒートポンプを有し、エネルギー効率が高く、安定した温度制御を可能とする水処理システムも知られている（特許文献２参照）。

特開昭６３−４８０８号公報 国際公開第２０１２／０５７０９８号

上記のようにヒートポンプを用いて排熱を有効利用しようとする純水製造装置は知られているが、熱伝達にはいずれも熱交換器を用いているため、該熱交換器による熱交換において熱伝達率が一定以上向上しない問題があった。また、熱交換器による熱交換では、熱媒体の流量を互いに同等のものとするなどの必要もあり、その利用において使用条件が制限される場合があった。

そこで、本発明は、ヒートポンプを用いて排熱を有効利用する加熱水製造システムにおいて、熱媒体による熱伝達効率を向上させ、熱媒体の流量等の使用条件の制約が少ない加熱水の製造システム及び製造方法の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、ヒートポンプから処理水の加熱までの間に、熱媒体の循環経路を２以上有する熱伝達装置を用いる場合、その熱媒体による熱伝達効率を混合により向上させることができることを見出し、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の加熱水製造システムは、排熱水から吸熱を行うヒートポンプを有し、前記ヒートポンプで吸熱した熱を、処理水を加熱する加熱源として利用する加熱水製造システムであって、熱媒体を収容する混合容器と、該混合容器から流出した前記熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離手段と、前記分離手段により分離した第１の熱媒体に前記ヒートポンプで吸熱した熱を排熱させた後、前記第１の熱媒体を前記混合容器に返送する第１の循環手段と、前記分離手段により分離した第２の熱媒体により前記処理水を加熱した後、前記第２の熱媒体を前記混合容器に返送する第２の循環手段と、を有する熱伝達装置、を有することを特徴とする。

本発明の加熱水製造方法は、排熱水からヒートポンプを用いて吸熱を行い、この吸熱した熱を加熱源として利用し、処理水を加熱して加熱水を得る加熱水製造方法であって、混合容器から流出した熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離工程と、前記分離工程により分離した第１の熱媒体に前記ヒートポンプで吸熱した熱を排熱させた後、前記第１の熱媒体を前記混合容器に返送する第１の循環工程と、前記分離工程により分離された第２の熱媒体により前記処理水を加熱した後、前記第２の熱媒体を前記混合容器に返送する第２の循環工程と、前記第１の循環工程の排熱により加熱された前記第１の熱媒体と、前記第２の循環工程の加熱により冷却された前記第２の熱媒体と、を前記混合容器で均一に混合する混合工程と、を有することを特徴とする。

本発明の加熱水製造システム及び加熱水製造方法によれば、工場等で排熱される熱を処理水の加熱用のエネルギーとして有効活用でき、また、熱媒体の混合により熱伝達を効率良く行うことができるため、従来よりもエネルギー損失を少なくし、製造システム全体での省エネルギー化を達成できる。

また、本発明の加熱水製造システム及び加熱水製造方法によれば、加熱源となる排熱水の流量と加熱水の流量とが大きく異なる場合でも、その間の熱伝達を流量の違いに影響されずに行うことができ、簡易な構成で、排熱される熱を有効に利用できる。

本発明の第１の実施形態における加熱水製造システムの概略構成図である。 本発明の加熱水製造システムを適用した、加熱純水製造装置の概略構成図である。 第１の実施形態における流量を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態において、同一又は相当する構成については同一の符号を付して説明している。なお、これら実施形態は、あくまで例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
＜加熱水製造システム＞
本発明の一実施形態である加熱水製造システムは、図１に示したように、排熱水流路１１を流通する排熱水の排熱を加熱源として利用し、処理水流路１２を流通する処理水を加熱して加熱水を得る加熱水製造システム１０である。

このとき、加熱水製造システム１０は、排熱水から排出される熱を吸熱するヒートポンプ１３を用い、さらに、ヒートポンプ１３から排出される熱を熱伝達装置１４により処理水に伝達し、加熱水とする。ここで、熱伝達装置１４は、熱媒体を収容する混合容器１４１と、該混合容器１４１から流出した熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離手段１４２と、分離手段１４２により分離した第１の熱媒体にヒートポンプ１３で吸熱した熱を排熱させた後、第１の熱媒体を混合容器１４１に返送する第１の循環手段１４３と、分離手段１４２により分離した第２の熱媒体により処理水を加熱した後、第２の熱媒体を混合容器１４１に返送する第２の循環手段１４４と、を有する熱伝達装置１４を有する。

排熱水流路１１は、本実施形態において処理水を加熱する加熱源となる排熱水が流通する流路である。この排熱水としては、例えば、工場内設備等で生じる加熱された水であり、ここで利用される排熱水の熱は排熱されるものが好ましい。排熱される熱を、加熱水を製造する際の加熱源とすることで、熱エネルギーの有効利用を図ることができる。なお、このとき利用する排熱水は、製造しようとする加熱水を得るために必要な熱エネルギーを得ることができるものであればよい。

処理水流路１２は、加熱対象の処理水が流通する流路であり、被加熱用の処理水が熱交換器１４４ａにより加熱され、加熱水となって流通する。このような処理水流路１２としては、例えば、加熱水供給装置におけるユースポイント近傍における処理水流路が好ましく挙げられる。この場合、処理水を所望の温度にまで加熱した加熱水を、効率的にユースポイントに供給でき、熱エネルギーを無駄に消費することがない。

ここで処理水流路１２に流通する処理水は、液体であれば特に限定されずに適用できる。このとき、処理水は、ユースポイントに供給する前に、事前に処理されて所望の水質や特性を有する処理水としておくことが好ましい。ここで、処理水は、純水であることが好ましく、超純水であることがより好ましい。

この処理水が、例えば、純水である場合には、純水製造装置の一部を処理水流路１２とすればよい。この純水製造装置としては、例えば、図２に示したように、原水を吸着除去やろ過処理などを組み合わせた前処理をした後、逆浸透膜処理、限外ろ過処理、イオン交換処理などを組み合わせてイオン成分や全有機炭素（ＴＯＣ）成分を除去する１次純水装置２１、を有する装置が例示できる。そして、１次純水装置２１により処理し、得られた純水を純水タンク２２に貯留し、純水タンク２２から本発明の加熱水製造システム１０（処理水流路１２）を通過させることで加熱した後、限外ろ過膜（ＵＦ）２３で処理して使用場所（ＰＯＵ）２４に供給する純水製造装置２０により効率的に加熱純水が得られる。なお、この純水製造装置２０においては、使用場所（ＰＯＵ）２４で使用されなかった純水は、純水タンク２２に返送して再利用可能となっている。

１次純水装置２１としては、公知のように、逆浸透膜処理、限外ろ過処理、イオン交換処理を行う各装置を適用できる。このとき、イオン交換装置としては、被処理水や製造される純水の水質に応じて、カチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂、キレート樹脂などの各種イオン交換樹脂が容器に充填されたイオン交換装置が用いられる。

なお、図２には、加熱については本実施形態の加熱水製造システムのみ記載しているが、従来の加熱純水の製造に用いられているプレヒーターやヒーター等を設けてもよい。すなわち、加熱水製造システムを補助的な加熱装置として用い、複数個の加熱手段により所望の温度の加熱純水を得るようにしてもよい。

ここでは、純水を例示したが、超純水製造装置においても同様にして超純水を予め調製しておき、これを加熱することで、加熱された超純水を供給する装置を構成することもできる。さらに、電解水、オゾン水、水素水等の機能水を加熱したものとして供給することもできる。

ヒートポンプ１３は、冷媒を使用することにより吸熱及び排熱による熱移動を効率的に行うことができる公知のヒートポンプであれば特に限定されずに使用できる。このヒートポンプ１３は、冷媒（熱移動媒体）を循環させながら熱移動を効率的に行うことができる装置である。ヒートポンプ１３内において、排熱水から熱エネルギーを除去することにより、排熱水を冷却し、余計な熱を冷媒により奪うことで冷媒蒸気を得る蒸発器１３１と、冷媒蒸気を圧縮して高温高圧の冷媒蒸気とする圧縮機１３２と、高温高圧の冷媒蒸気から熱を熱伝達装置１４の熱媒体に移動させ、冷却により低温高圧の液体状の冷媒を得る凝縮器１３３と、低温高圧の冷媒を膨張させて低温低圧の冷媒とする膨張弁１３４と、を有する。

ここで用いられる冷媒は、上記のようにヒートポンプ１３内で気体状態と液体状態とに繰り返し状態変化をさせながら、吸熱と排熱を連続的に行うことができるものであればよく、例えば、代替フロン（ＨＣＦ）、自然冷媒等が挙げられる。なお、実際の冷媒選定は、設計温度が満たされる効率の優位性によりなされる。

熱伝達装置１４は、混合容器１４１、分離手段１４２、第１の循環手段１４３、第２の循環手段１４４、を有し、ヒートポンプ１３から排熱された熱を処理水の加熱に利用可能な装置である。

混合容器１４１は、液体状態の熱媒体を収容する容器であり、後述するようにここでは第１の循環手段１４３を循環してきた第１の熱媒体と第２の循環手段１４４を循環してきた第２の熱媒体とを混合する。この混合により、混合容器１４１内に収容される熱媒体は均一化される。均一化するにあたっては、混合容器１４１内に撹拌翼等を設けることが好ましい。

また、混合容器１４１において、第１の熱媒体と第２の熱媒体を供給して混合する区画と、均一化された熱媒体を収容し混合容器から流出させる区画と、を仕切り等を設けて分けるようにしてもよい。このとき、例えば、第１の熱媒体及び第２の熱媒体を供給される場所を、区画を分ける仕切りから離れた位置とし、混合する区画から流出させる区画へ仕切りを溢流させたり仕切りに設けた流路を通過させて移送する構成とする等により、熱媒体を十分に均一化されたものとできる。このように区画を分けるように仕切りを設けた場合、混合容器１４１から流出する熱媒体が十分に均一化され、熱媒体の温度が安定したものとなる。

混合容器１４１の材質は、熱媒体を安定して収容し、循環使用することができれば特に限定されるものではないが、温度耐性とさび等の腐食防止の点から、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４等）が好ましい。また、混合容器１４１の容量は、第１の熱媒体と第２の熱媒体との混合と貯留を目的とするもので、通過する熱媒体を混合容器１４１内に１０〜２０分滞留させる容量が好ましい。

分離手段１４２は、混合容器１４１から供給される熱媒体を、それぞれ所定の流量の熱媒体となるように２以上の流れに分けるものである。この第１の実施形態では、熱媒体を２つに分ける場合を例に説明する。ここで分離された熱媒体は、それぞれ後述する第１の循環手段１４３、第２の循環手段１４４を流通して熱移動を行う。

このとき、熱媒体の分離は、熱媒体をそれぞれ所定の流量となるように分けるものであれば特に限定されずに用いることができる。この分離手段１４２としては、例えば、第１の循環手段及び第２の循環手段のそれぞれに設けたポンプが挙げられる。このとき、各ポンプは、それぞれの循環手段において所定流量となるように作動条件を決定し動作させればよい。例えば、第１の循環手段１４３と第２の循環手段１４４とで、それぞれ流れる熱媒体の流量を第１の循環手段１４３における流量を多くするように分離する場合、第１の循環手段１４３と第２の循環手段１４４に設けた２つのポンプ１４２とを、流量の多い第１の循環手段１４３側のポンプへの吸引力を第２の循環手段１４２側のポンプの吸引力よりも相対的に大きくして、流量を所望の流量に分離できるように調整すればよい。また、分岐部分にバルブを設けて、バルブの開度を調整することで所望の流量となるようにしてもよい。
なお、このポンプはその後段設備の通水時における圧力損失等を加味した圧力設定と熱媒体温度に耐性及び移送性能が確保されるものが選定される。

第１の循環手段１４３は、分離手段１４２により分離された第１の熱媒体を、ヒートポンプ１３の凝縮器１３３を通過するように設けられる。この凝縮器１３３を通過することにより、第１の熱媒体は、ヒートポンプ１３から排熱される熱を受け取り加熱され、その後、混合容器１４１に返送、循環される。

一方、第２の循環手段１４４は、分離手段１４２により分離された第２の熱媒体を、処理水流路１２中の処理水と熱交換できるように設けられた熱交換器１４４ａを通過するように設けられる。この熱交換器１４４ａを通過することにより、第２の熱媒体は、処理水を加熱して熱を奪われ、その後、混合容器１４１に返送、循環される。第１の循環手段１４３及び第２の循環手段１４４は、上記のように熱媒体を熱交換させながら循環させるもので、公知の配管で構成される。これら配管の内径は、上記分離手段１４２で分けられる熱媒体の流量に応じて、それぞれ適宜選択すればよい。

このように、第１の循環手段１４３と第２の循環手段１４４で返送、循環された第１の熱媒体及び第２の熱媒体は、混合容器１４１内で混合され、均一化される。均一化された熱媒体は、再度、混合容器１４１から流出され、上記した所定量への分離、第１の循環手段及び第２の循環手段を用いて循環した後、混合される。この操作を繰り返し行うことで、加熱水製造システム１０は、所望の温度に加熱された加熱水を連続的に製造できる。

なお、ここで用いる熱媒体は、熱伝達装置１４内においては、常に液体状態で存在して熱伝達を可能とするものであればよく、例えば、水が挙げられ、一般的な冷却水として使用される水（上水、工業用水等）が好ましい。さらに、この熱媒体には、防腐剤、抗菌剤等が添加されていてもよい。

＜加熱水製造方法＞
本発明の加熱水製造方法は、排熱水からヒートポンプを用いて吸熱を行い、この吸熱した熱を加熱源として利用し、加熱水供給装置により処理水を加熱して加熱水を得る加熱水製造方法である。この加熱水製造方法は、混合容器から流出した熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離工程と、分離工程により分離した第１の熱媒体にヒートポンプで吸熱した熱を排熱させた後、第１の熱媒体を混合容器に返送する第１の循環工程と、分離工程により分離された第２の熱媒体により処理水を加熱した後、第２の熱媒体を混合容器に返送する第２の循環工程と、第１の循環工程の排熱により加熱された第１の熱媒体と、第２の循環工程の加熱により冷却された第２の熱媒体と、を混合容器で均一に混合する混合工程と、を有する。

以下、図１に示した加熱水製造システム１０を用いた場合を例に、加熱水製造方法について説明する。なお、排熱水、熱媒体及び処理水の温度や流量については図３を参照しながら説明する。

本発明の一実施形態である加熱水製造方法は、排熱水流路１１を流通する排熱水が排熱する熱を加熱源として利用し、処理水流路１２を流通する処理水を加熱して加熱水を得る加熱水製造方法である。具体的には、排熱水流路１１を流通する排熱水からヒートポンプ１３を用いて吸熱を行う。そして、この吸熱した熱に対して特定の熱伝達処理を利用し、処理水流路１２を流通する処理水を加熱して加熱水を得る。

まずは、上記したようにヒートポンプ１３を用いて排熱水流路１１を流通する排熱水から蒸発器１３１で吸熱し、この吸熱した熱を凝縮器１３３で排熱する。この給排熱は一般的なヒートポンプによる給排熱である。そして、ヒートポンプ１３から排熱された熱は、熱伝達装置１４により、熱交換器１４４ａで処理水の加熱に用いることで、加熱水が得られる。

熱伝達装置１４の動作、作用は次の通りである。混合容器１４１に収容されている熱媒体は、混合容器１４１から流出すると、分離手段１４２によりそれぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上の流れに分離される（分離工程）。

ここで分離された熱媒体のうち、第１の循環手段１４３を流通する熱媒体を第１の熱媒体とし、第２の循環手段１４４を流通する熱媒体を第２の熱媒体とする。第１の熱媒体は、第１の循環手段１４３によりヒートポンプ１３の凝縮器１３３において、上記ヒートポンプ１３から熱を受け取り、混合容器１４１に返送される（第１の循環工程）。

また、第２の熱媒体は、第２の循環手段１４４と処理水流路１２とで熱交換が可能に設けられた熱交換器１４４ａにおいて、第２の熱媒体から処理水に熱を受渡し、処理水が加熱される。このとき、第２の熱媒体自体は冷却され、その後、混合容器１４１に返送される（第２の循環工程）。

混合容器１４１に返送された第１の熱媒体と第２の熱媒体は、混合容器１４１内で混合され、均一化される（混合工程）。

均一化された熱媒体は、再度、分離工程、第１の循環工程、第２の循環工程、混合工程、に繰り返し付され、加熱水を連続的に製造、供給できる。

次に、加熱水製造システム１０における、排熱水、処理水、熱媒体の温度や流量について、図３を参照しながら説明する。
ここで、加熱水製造システム１０において、排熱水流路１１を流通する排熱水の温度をＴ_ｗ１としたとき、このＴ_ｗ１は処理水の加熱に必要な熱エネルギーを供給できるものであればよく、特に限定されるものではない。また、この排熱水の温度Ｔ_ｗ１は、工場内等での発生量が多く、取り扱い易い排熱水が好ましく、そのような観点から、３０〜４５℃程度の排熱水が好ましく、３０〜４０℃の排熱水がより好ましい。ヒートポンプ１３により吸熱された後の排熱水の温度は特に限定されず、例えば、Ｔ_ｗ１よりも５〜１０℃程度低い温度となるものが例示できる。

一方、処理水の温度をＴ_ｈ１、該処理水が加熱された加熱水の温度をＴ_ｈ２としたとき、加熱水の温度Ｔ_ｈ２は所望の温度まで昇温したものである。ここで所望の温度とは、本加熱水の製造システムにおいて求める加熱水の温度を言い、必ずしも最終的に使用される加熱水の温度と同じとは限らない。

すなわち、温度Ｔ_ｈ２が最終的に使用される加熱水の温度であってもよいし、使用される加熱水の温度よりも低いものであっても高いものであってもよい。使用される加熱水の温度である場合には、そのまま使用できる。使用される加熱水よりも低い温度である場合には、その後さらにヒーターを設けて、所望の温度まで加熱するようにすればよい。また、使用される加熱水よりも高い温度である場合、ユースポイントまでの距離や到達時間が長く温度低下が見込まれる場合、その温度低下を見込んで使用することができる。なお、温度が高すぎる場合には、冷却等により余計なエネルギー消費が必要となるため好ましくない。このＴ_ｈ２は、４０〜６０℃の加熱を主に狙っているが、ヒートポンプの排熱により得られる第１の熱媒体の温度Ｔ_ｔ１に応じて、得られる加熱水の温度Ｔ_ｈ２を７０℃程度のものとすることもできる。

また、処理水の温度Ｔ_ｈ１は、加熱水を目的の温度とするために、熱伝達装置１４から処理水が受け取る熱エネルギーを勘案して決定すればよい。処理水の温度Ｔ_ｈ１は、通常２０〜６０℃程度が用いられるが、これに限定されるものではない。

また、熱伝達装置１４内の熱媒体は、ヒートポンプ１３の凝縮器１３３から排熱される熱量、処理水を加熱する熱交換器１４４ａで吸熱される熱量に応じて、その熱伝達効率を良好なものとできる温度条件とすればよい。

この熱伝達装置１４では、混合容器１４１に収容されている熱媒体の温度をＴ_ｔ、第１の熱媒体が凝縮器１３３を通過することで加熱されて得られる熱媒体の温度をＴ_ｔ１、第２の熱媒体が熱交換器１２ａを通過することで冷却されて得られる熱媒体の温度をＴ_ｔ２、としたとき、Ｔ_ｔ１＞Ｔ_ｔ＞Ｔ_ｔ２の関係となる。

また、熱伝達装置１４における熱媒体の流量として、第１の熱媒体の単位時間当たりの流量をＶ_ｔ１、第２の熱媒体の単位時間当たりの流量をＶ_ｔ２としたとき、上記温度と流量との関係は次の式のように表すことができる。
Ｔ_ｔ＝（Ｔ_ｔ１×Ｖ_ｔ１＋Ｔ_ｔ２×Ｖ_ｔ２）／（Ｖ_ｔ１＋Ｖ_ｔ２）

なお、ここでＶ_ｔ１は排熱水の単位時間当たりの流量Ｖ_ｗと同等（ヒートポンプ内を循環する冷媒の単位時間当たりの流量も同等）のものとすることが好ましく、Ｖ_ｔ２は処理水の単位時間当たりの流量Ｖ_ｈと同等のものとすることが好ましい。これは、熱交換器において熱伝達を効率的に行う観点から求められるものである。

通常、熱交換器を複数用いることで熱伝達を行う場合には、加熱源となる排熱水の流量と加熱対象となる処理水の流量とを合わせたり、流量を調節する機構を設けたりする等の必要がある。しかし、本発明においては、熱伝達装置１４を設けて、熱媒体を混合することで熱の伝達を行うこととしているため、このような制約や構成が必要なく、加熱源となる排熱水の流量と処理対象の処理水の流量が大きく異なる場合であっても問題なく適用することができる。

Ｖ_ｔ１とＶ_ｔ２は、一般的にはＶ_ｔ１≧Ｖ_ｔ２であるが、任意の割合で適用可能である。例えば、これらの流量比（Ｖ_ｔ１／Ｖ_ｔ２）は１〜１０程度が好ましく、１〜５がより好ましい。また、特に工場内等では、排熱のための排熱水の流量が多く、処理水の流量が少ないため、本発明の加熱水製造システムは、このような流量比であっても容易に適用できる。

また、加熱水側の瞬間的な変動（ユーザーの短時間内の急激な使用条件の変動により影響されるＴｈ２及びＴｔ２の温度変動）を混合容器１４１内の滞留容量により吸収でき、これにより、結果的に従来設備に比べて加熱水の温度制御精度を安定したものとできる。
さらに、熱伝達装置１４を用いることで、熱媒体の循環流量、温度の変更や、使用する排熱水、加熱する処理水等の対象等の変更等、使用条件が大きく変更される場合でも、基本的に循環手段を変更するだけで対応可能である。

上記した加熱水製造システム及び加熱水製造方法は、排熱を有効活用でき、低コストで効率的に加熱水を製造できる。

この加熱水製造方法について、好ましい温度や流量について、より具体的な条件を例示して以下説明する。

例えば、温度が３７℃（Ｔ_ｗ１）の排熱水を利用し、得られる加熱水の温度を４５〜５５℃（Ｔ_ｈ２）、加熱水製造のために利用する処理水の温度が２０〜５５℃（Ｔ_ｈ１）、流量が１１０〜１３０ｍ^３／ｈ（Ｖ_ｈ）とし、また、ヒートポンプとしてＣＯＰ４〜１０の電力供給により最大で２０００〜３５００ｋＷの出力が可能なもの（例えば、プラント型又はパッケージ型熱回収高温ヒートポンプ等）を用いてヒートポンプの運転をする場合について、以下、各条件を例示する。なお、上記Ｔ_ｈ１とＴ_ｈ２の上限値が同じであるのは、処理水の温度が十分に高く得られている時間においては、本加熱水製造システムによる加熱を行わない無負荷運転の場合を考慮したものである。

このとき、熱伝達装置１４としては、ヒートポンプ１３側に４６０〜５８０ｍ^３／ｈ、処理水流路１２側に１２０〜１３０ｍ^３／ｈの流量で循環できるように十分な量の熱媒体を用意する。混合容器としては容量５０ｍ^３の容器を用い、第１の熱媒体及び第２の熱媒体が効率よく十分に混合できるよう内部に撹拌手段を設ける。熱媒体として上水を用い、混合容器中で均一な混合液とした後、熱媒体を流出させ、分離手段により熱媒体を上記流量に分離して循環させる。このとき、第１の循環手段側に設けるポンプ（例えば、耐熱性低ＮＰＳＨポンプ）により０．２ＭＰａの圧力で送出し、一方、第２の循環手段側に設けるポンプ（例えば、耐熱性低ＮＰＳＨポンプ）により０．５ＭＰａの圧力で送出することで、第１の熱媒体及び第２の熱媒体をそれぞれの循環流路で循環させる。
なお、上記説明で、第２の循環手段側のポンプよりも第１の循環手段側のポンプにおいて、熱媒体の送出流量が多いが送出圧力が小さいのは、熱伝達装置１４の分離手段の配置位置に対して、ヒートポンプが同フロアーで近傍（数メートル程度）に配置されており、加熱水の加熱部分（熱交換器１４４ａ）が遠方高所（高さ数十メートル、距離数十〜百メートル）に配置されている場合を想定したものである。この送出圧力は、分離された熱媒体がそれぞれ円滑に循環できるよう、装置構成を考慮し適宜設定すればよい。

このとき、熱媒体の温度としては、Ｔ_ｔが５５〜６０℃、Ｔ_ｔ１が５５〜６５℃、Ｔ_ｔ２が３５〜６０℃、となるようにすることで、排熱を効率的に利用して、所望の温度（４５〜５５℃）の加熱水を得ることができる。なお、上記Ｔ_ｔとＴ_ｔ１の下限値、上記Ｔ_ｔとＴ_ｔ２の上限値、がそれぞれ同じ温度であるのは、処理水の熱伝達装置温度が十分に高く得られている時間においては、本加熱水製造システムによる加熱を行わない無負荷運転の場合を考慮したものである。

なお、熱伝達装置１４の代わりに、従来公知の熱交換器を用いたときは、循環経路ごとにタンクを設けて流量の調整を行うようにすれば同様の構成で加熱水の製造が可能であるが、ヒートポンプと熱交換器との循環経路における熱媒体の温度条件が同じ（例えば、６０℃→６５℃）であっても、熱交換器によるエネルギー損失により、処理水の加熱用の循環経路における熱媒体の温度が５５℃程度にしかならず、得られる加熱水も５０℃程度と、同様の条件としたときの本発明よりも低温度の加熱水が得られるものと想定される。

したがって、本実施形態の加熱水製造システムは、排熱を効率的に利用して所望の加熱水を得ることができ、優れた省エネルギー化を達成できる。

なお、上記実施形態では、熱伝達装置１４の分離手段１４１において、熱媒体をそれぞれ所定の流量となるように２つに分離した場合を例に説明したが、これを３以上の熱媒体に分離してもよい。熱媒体を３以上に分離する場合、１つは第１の循環手段１４３に、１つは第２の循環手段１４４に、上記した同一の条件で循環流通させる。そして、残りの１つの熱媒体は、図示していない第３の循環手段により、第１の循環手段１４３又は第２の循環手段１４４と同様に混合容器１４１に返送し、循環させればよい。

このとき、第３の循環手段は、第１の循環手段１４３のように、他の工場設備における排熱水からの排熱を受け取るようにして、２箇所以上で熱エネルギーを受け取り熱伝達してもよい。また、第３の循環手段は、第２の循環手段１４４のように、処理水を加熱して加熱水を製造するようにして、２箇所以上で加熱水を供給するようにしてもよい。さらに、２箇所以上で熱エネルギーを受け取り、２箇所以上で加熱水を供給するようにしてもよい。

１０…加熱水製造システム、１１…排熱水流路、１２…処理水流路、１３…ヒートポンプ、１３１…蒸発器、１３２…圧縮機、１３３…凝縮器、１３４…膨張弁、１４…熱伝達装置、１４１…混合容器、１４２…分離手段、１４３…第１の循環手段、１４４…第２の循環手段

Claims (10)

1. 排熱水から吸熱を行うヒートポンプを有し、前記ヒートポンプで吸熱した熱を、処理水を加熱する加熱源として利用する加熱水製造システムであって、
   熱媒体を収容する混合容器と、該混合容器から流出した前記熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離手段と、前記分離手段により分離した第１の熱媒体に前記ヒートポンプで吸熱した熱を排熱させた後、前記第１の熱媒体を前記混合容器に返送する第１の循環手段と、前記分離手段により分離した第２の熱媒体により前記処理水を加熱した後、前記第２の熱媒体を前記混合容器に返送する第２の循環手段と、を有する熱伝達装置を有することを特徴とする加熱水製造システム。
2. 前記熱媒体が水であることを特徴とする請求項１に記載の加熱水製造システム。
3. 前記分離手段が、前記第１の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ１）と前記第２の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ２）を互いに異なる流量とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱水製造システム。
4. 前記分離手段が、前記第１の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ１）と前記第２の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ２）との流量比（Ｖ_ｔ１／Ｖ_ｔ２）を、１〜１０とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱水製造システム。
5. 排熱水からヒートポンプを用いて吸熱を行い、この吸熱した熱を加熱源として利用し、処理水を加熱して加熱水を得る加熱水製造方法であって、
   混合容器から流出した熱媒体を、それぞれ所定流量の熱媒体となるように２以上に分離する分離工程と、
   前記分離工程により分離した第１の熱媒体に前記ヒートポンプで吸熱した熱を排熱させた後、前記第１の熱媒体を前記混合容器に返送する第１の循環工程と、
   前記分離工程により分離された第２の熱媒体により前記処理水を加熱した後、前記第２の熱媒体を前記混合容器に返送する第２の循環工程と、
   前記第１の循環工程の排熱により加熱された前記第１の熱媒体と、前記第２の循環工程の加熱により冷却された前記第２の熱媒体と、を前記混合容器で均一に混合する混合工程と、
   を有することを特徴とする加熱水製造方法。
6. 前記熱媒体が水であることを特徴とする請求項５に記載の加熱水製造方法。
7. 前記第１の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ１）と前記第２の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ２）が互いに異なることを特徴とする請求項５又は６に記載の加熱水製造方法。
8. 前記第１の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ１）と前記第２の熱媒体の単位時間当たりの流量（Ｖ_ｔ２）との流量比（Ｖ_ｔ１／Ｖ_ｔ２）が、１〜１０であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の加熱水製造方法。
9. 前記処理水が純水又は超純水である請求項５〜８のいずれか１項に記載の加熱水製造方法。
10. 前記加熱水が４５〜５５℃である請求項５〜９のいずれか１項に記載の加熱水製造方法。

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