CN104975894B - 排热回收装置及排热回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的排热回收装置包括：通过让供应给引擎的增压空气和工作介质热交换而使该工作介质蒸发的加热器；通过让从加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热工作介质的热交换器；使从热交换器流出的工作介质膨胀的膨胀机；动力回收机；使工作介质冷凝的冷凝器；以及将工作介质向加热器输送的泵浦。由此，能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定且有效地回收排热。

Description

排热回收装置及排热回收方法
技术领域
本发明涉及一种排热回收装置及排热回收方法。
背景技术
以往，有一种回收供应给引擎的增压空气的排热的排热回收装置已为公知。例如，在日本专利公开公报特开2013-167241号(以下，简称为“专利文献1”)中公开了一种废热回收装置，该废热回收装置具备通过让加压吸气和工作介质热交换而使工作介质蒸发的热交换器、使从热交换器流出的工作介质膨胀的膨胀器、与膨胀器连接的发电机、使从膨胀器流出的工作介质冷凝的冷凝器、将从冷凝器流出的工作介质向热交换器输送的泵浦、根据热交换器的热负载控制泵浦的转数的控制部。如果所述热负载增大，控制部基于预先存储的信息使泵浦的转数增加。由此，废热的回收量(发电机的发电量)增大。另一方面，如果热负载减小，控制部基于所述信息使泵浦的转数降低。即，使工作介质在热交换器中的气化优先。
上述专利文献1所示的排热回收装置中，在从热交换器的热负载(原动机的负载)低的状态到高的状态的广范围稳定地进行排热回收很困难。具体而言，如果热交换器的热负载降低，则在热交换器中工作介质可回收的热量变得非常小，因此，即使控制部让泵浦的转数降低，工作介质也有可能在热交换器中不能充分地气化而以气液两相的状态从该热交换器流出并流入冷凝器。为了防止这种事态的发生，必须在热负载降低时使泵浦停止(停止排热的回收)。即，在上述专利文献1所示的排热回收装置中，尤其在热负载低的状态时无法稳定地回收排热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围能够稳定地进行排热回收的排热回收装置和排热回收方法。
本发明的一个方面涉及排热回收装置，其包括：通过让供应给引擎的增压空气和工作介质热交换而使该工作介质蒸发的加热器；通过让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热该工作介质的热交换器；使从所述热交换器流出的工作介质膨胀的膨胀机；与所述膨胀机连接的动力回收机；使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝的冷凝器；将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送的泵浦。
此外，本发明的另一个方面涉及排热回收方法，该排热回收方法是回收供应给引擎的增压空气的排热的方法，该排热回收方法包括：通过向加热器供应所述增压空气，由该加热器使工作介质蒸发的蒸发工序；通过由热交换器让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热该工作介质的加热工序；通过由膨胀机使从所述热交换器流出的工作介质膨胀而从该工作介质回收动力的动力回收工序；由冷凝器使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝的冷凝工序；由泵浦将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送的泵浦驱动工序。在所述泵浦驱动工序中，基于流入所述加热器前的增压空气的压力和从所述加热器流出后的增压空气的压力的压差的增减而使所述泵浦的转数增减。
根据本发明，能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定地回收排热。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的排热回收装置的结构的概略图。
图2是表示引擎的负载和增压空气的流量的关系的图。
图3是表示压差和增压空气的流量的关系的图。
图4是表示压差和泵浦的转数的关系的图。
图5是表示增压空气的流量和工作介质的流量的关系、以及增压空气的流量和泵浦的压差的关系的图。
图6是表示泵浦特性及阻抗曲线的图。
图7是表示控制部的控制内容的流程图。
图8是表示控制部的控制内容的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下的实施方式是将本发明具体化的一个例子，并不限定本发明的技术范围。
参照图1对本发明的一实施方式的排热回收装置10进行说明。
如图1所示，本排热回收装置10包括加热器12、热交换器14、膨胀机16、动力回收机18、冷凝器20、泵浦22、将加热器12、热交换器14、膨胀机16、冷凝器20及泵浦22按照该顺序串联连接的循环通路24、以及进行各种控制的控制部30。本实施方式的排热回收装置10搭载于船舶，回收带有增压器的引擎的排热。
带有增压器的引擎具有增压器(supercharger)、引擎3、吸气线32、35、排气线37、设置于吸气线的气体冷却器2。增压器具有压缩机1和与该压缩机1连接的涡轮机4。被压缩机1压缩的增压空气通过吸气线供应给气体冷却器2，并在此被冷却。另外，在气体冷却器2中，作为用于冷却增压空气的冷却介质可以使用例如海水。从气体冷却器2流出的增压空气通过吸气线被供应给引擎3。引擎3的排出气体通过排气线37被输送到涡轮机4。涡轮机4通过排出气体的膨胀能而被驱动，压缩机1通过该涡轮机4的驱动力而被驱动。本排热回收装置10通过将加热器12连接在吸气线的压缩机1和气体冷却器2之间的部位，来回收增压空气的排热。
加热器12通过让被压缩机1压缩过的增压空气与液体状的工作介质热交换而使工作介质蒸发。具体而言，加热器12具有供从压缩机1通过吸气线的第1管32供应的增压空气流动的第1通路12a、以及供工作介质流动的第2通路12b。从加热器12流出的增压空气通过吸气线的第2管35流入气体冷却器2。
热交换器14被设置在循环通路24的加热器12的下游侧的部位。此外，热交换器14与设置在船舶内的蒸气线连接。热交换器14通过让从加热器12流出的工作介质与在船舶内产生的剩余水蒸气(加热介质)热交换来加热工作介质。具体而言，热交换器14具有供通过蒸气供应管(加热介质供应管)26供应的蒸气流动的第1通路14a、以及供工作介质流动的第2通路14b。在蒸气供应管26设有其打开度可调整的调整阀28和压力传感器29。根据调整阀28的打开度，从蒸气供应管26供应给热交换器14的蒸气的流量和压力变动。在来自热交换器14的蒸气的排出管可以配置疏水管(steam trap)27。由于在热交换器14中蒸气冷凝的量确定，因此，通过配置疏水管27，蒸气的流量被自动地调整。另外，作为热交换器14，可以采用壳管式热交换器或平板式热交换器。
膨胀机16被设置在循环通路24的热交换器14的下游侧的部位。在本实施方式中，作为膨胀机16，采用具有通过从热交换器14流出的气体状的工作介质的膨胀能而被旋转驱动的转子的容积型的螺旋膨胀机。具体而言，该膨胀机16具有内部形成有转子室的箱体和旋转自如地支撑在转子室内的阴阳一对的螺旋转子(a male/female pair of screwrotors)。在膨胀机16中，所述螺旋转子通过从形成在所述箱体的吸气口供应到所述转子室的气体状的工作介质的膨胀能而被旋转驱动。然后，在所述转子室内因膨胀而压力减小的工作介质从形成在所述箱体的排出口被排出到循环通路24。另外，膨胀机16并不限于容积型的螺旋膨胀机，也可以采用离心型或滚动型等的膨胀机。
动力回收机18与膨胀机16连接。在本实施方式中，使用发电机作为动力回收机18。该动力回收机18具有与膨胀机16的一对螺旋转子的其中之一连接的旋转轴。动力回收机18通过所述旋转轴伴随所述螺旋转子的旋转而旋转，从而产生电力。另外，作为动力回收机18，除了发电机以外，也可以采用压缩机等。
冷凝器20被设置在循环通路24的膨胀机16的下游侧的部位。冷凝器20通过用冷却介质冷却工作介质使其冷凝(液化)。作为供应给冷凝器20的冷却介质，例如使用海水。
泵22被设置在循环通路24的冷凝器20的下游侧的部位(加热器12和冷凝器20之间的部位)。泵22将被冷凝器20冷凝后的液体状的工作介质加压至规定的压力，向循环通路24的该泵22的下游侧输送。作为泵22，可以采用具备叶轮作为转子的离心泵或转子由一对齿轮组成的齿轮泵等。
控制部30基于引擎3的负载的增减而使泵浦22的转数(频率)增减。由于根据引擎3的负载的增减，流入加热器12的增压空气的流量(向加热器12的输入热量)增减，因此，通过基于该增减而让泵浦22的转数增减，能够有效地在加热器12回收排热(在动力回收机18抽出动力)。在本实施方式中，控制部30基于流入加热器12前的增压空气的压力和从加热器12流出后的增压空气的压力的压差ΔP的增减，使泵浦22的转数增减。所述压差ΔP通过从第1压力传感器33的检测值减去第2压力传感器36的检测值来计算，其中，第1压力传感器33被设置在吸气线的位于加热器12的上游侧的第1管32，第2压力传感器36被设置在吸气线的位于加热器12的下游侧的第2管35。
如图2所示，在引擎3的负载和增压空气的流量之间，存在随着引擎3的负载增加增压空气的流量也增加的关系。此外，如图3所示，在压差ΔP和增压空气的流量之间，存在随着压差ΔP增加增压空气的流量也增加的关系。根据这些信息可求出引擎3的负载和压差ΔP存在基于引擎3的负载的增减压差ΔP也增减的关系。即，从所述压差ΔP推定引擎3的负载。另一方面，如图4所示，压差ΔP和与该压差ΔP相对应的最佳的泵浦22的频率(转数)的关系式可预先被计算。控制部30中存储有将该压差ΔP和最佳的泵浦22的频率(转数)关联起来的信息。因此，基于存储在控制部30的信息，控制泵浦22的转数使其为所决定的转数，由此，能够根据引擎3的负载而有效地回收动力。另外，图4的信息(将压差ΔP和最佳的泵浦22的频率关联起来的信息)可以从图3、图5及图6求出。图5是表示增加工作介质的流量和泵浦22的压差ΔP，使工作介质的过热度(degree of superheating，实际温度与饱和温度之差)随着增压空气的流量的增加而达到最佳的图。图6是表示泵浦22的泵浦特性及阻抗曲线的图。
此外，控制部30通过在压力传感器29的检测值达到预先决定的上限值以下的范围内，调整调整阀28的打开度，以便从热交换器14流出的工作介质的过热度α落在设定范围内，来调整蒸气向热交换器14的流入量。具体而言，如果增大调整阀28的打开度，蒸气向热交换器14的流入量(输入热量)增加。因此，过热度α增大。相反，如果减小调整阀28的打开度，则蒸气向热交换器14的流入量(输入热量)减少。因此，过热度α减小。过热度α可以从设置在循环通路24的热交换器14和膨胀器16之间的部位的第3压力传感器38和第3温度传感器39各自的检测值求出。以下，参照图7对控制部30调整调整阀28的打开度的控制内容进行说明。
首先，控制部30基于第3压力传感器38和第3温度传感器39的各检测值计算过热度α(步骤ST10)。另外，工作介质的蒸气压曲线被预先存储在控制部30。
其次，控制部30判断该过热度α是否在设定范围的下限值β以上(步骤ST11)。其结果，如果过热度α小于下限值β(在步骤ST11为否)，则控制部30增大调整阀28的打开度以增加向热交换器14的蒸气的供应量(步骤ST12)，并返回步骤ST10。另一方面，如果过热度α在下限值β以上(在步骤ST11为是)，控制部30判断该过热度α是否在设定范围的上限值γ以下(步骤ST13)。
其结果，如果过热度α大于上限值γ(在步骤ST13为否)，则控制部30减小调整阀28的打开度以减少向热交换器14的蒸气的供应量(步骤ST14)，并返回步骤ST10。另一方面，如果过热度α在上限值γ以下(在步骤ST13为是)，控制部30可以维持向热交换器14的蒸气的供应量而直接返回步骤ST10。
在以上的控制中，如图8所示，控制部30检测设置在吸气线的位于加热器12的上游侧的第1管32的第1温度传感器34的检测值T(步骤ST15)，判断该检测值T是否超过标准温度T0(步骤ST16)。其结果，如果该检测值T超过了标准温度T0(在步骤ST16为是)、即向加热器12的输入热量超过了标准量，控制部30关闭调整阀28(步骤ST17)。标准温度T0被设定为与供应给热交换器14的蒸气的温度相同或在其以上的温度。即，当在加热器12中与增压空气热交换后进入热交换器14的工作介质的温度达到供应给热交换器14的水蒸气的温度以上时，工作介质在热交换器14中会被水蒸气冷却。因此，控制部30在第1温度传感器34的检测值T超过了标准温度T0时关闭调整阀28。另外，水蒸气的温度可以预先存储于控制部30，也可以在蒸气供应管26设置温度传感器进行检测。
如上所述，在本排热回收装置10中，压差ΔP较大时(引擎3在高负载下运转时)，工作介质在加热器12可获得的热量足够大。因此，通过相应地增大泵浦22的转数，可以在回收动力回收机18有效地回收动力。另一方面，压差ΔP较小时(引擎3在低负载下运转时)，工作介质在加热器12可获得的热量减少。因此，相应地减小泵浦22的转数。在此情况下，即使工作介质以气液两相的状态从加热器12流出，该工作介质也通过在热交换器14中从蒸气获取成为气相所不足的热量而以气相(气体状)从该热交换器14流出。然后，该气体状的工作介质流入膨胀机16。因此，即使在压差ΔP较小时，也能够在动力回收机16有效地回收动力。即，在本排热回收装置10中，能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定且有效地回收排热。
此外，由于控制部30调整调整阀28的打开度使从热交换器14流出的工作介质的过热度α落在设定范围内，所以，具有所述设定范围内的过热度α的气体状的工作介质流入膨胀机16。因此，膨胀机16更稳定地被驱动。
而且，控制部30在流入加热器12的增压空气的温度超过了标准温度T0(与供应给热交换器14的蒸气的温度相同或在其以上的温度)时，关闭调整阀28。这是因为不需要使用蒸气，从而能够避免浪费使用蒸气。
此外，上述实施方式的引擎3为用于船舶的引擎，蒸气供应管26将在所述船舶产生的剩余水蒸气供应到热交换器14内。即，由于在船舶产生的剩余水蒸气被有效地利用，因此，不用设置用于生成供应给热交换器14的加热介质的专用装置，即使在用于船舶的引擎3的负载低的状态下，也可以稳定地进行排热的回收。
另外，本次公开的实施方式在所有的方面只是例示，应该认为没有限制。本发明的范围不是由上述的实施方式的说明来表明而是由权利要求书的范围来表明，而且还包含与权利要求书的范围同等的含意以及范围内的所有的变更。
例如，在上述实施方式中，例示了控制部30存储有将压差ΔP和最佳的泵浦的频率关联起来的信息，但控制部30也可以存储表示压差ΔP和最佳的泵浦的频率的关系的绘图。
此外，当排热回收装置10发生了不良情况时，控制部30通过关闭设置在循环通路24的热交换器14和膨胀机16之间的截止阀40，使该排热回收装置10的运转停止。
对以上说明的实施方式进行概述。
本实施方式的排热回收装置包括：通过让供应给引擎的增压空气和工作介质热交换而使该工作介质蒸发的加热器；通过让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热所述工作介质的热交换器；使从所述热交换器流出的工作介质膨胀的膨胀机；与所述膨胀机连接的动力回收机；使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝的冷凝器；以及将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送的泵浦。
在本排热回收装置中，引擎在高负载下运转时，工作介质在加热器可获得的热量足够大。另一方面，引擎在低负载下运转时，工作介质在加热器可获得的热量减少。在此情况下，即使工作介质以气液两相的状态从加热器流出，该工作介质也通过在热交换器中从加热介质获取成为气相所不足的热量而以气体状从该热交换器流出，并流入膨胀机。因此，即使引擎在低负载下运转时，也能够在动力回收机有效地回收动力。即，在本排热回收装置中，能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定地回收排热。
在此情况下，优选上述排热回收装置还包括基于流入所述加热器前的增压空气的压力和从所述加热器流出后的增压空气的压力的压差的增减而使所述泵浦的转数增减的控制部。也就是，上述排热回收装置优选还包括控制部，该控制部基于所述压差的增加而增加所述泵浦的转数，并且基于所述压差的减少而减少所述泵浦的转数。
根据此结构，能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定且有效地回收排热。具体而言，由于所述压差较大时(引擎在高负载下运转时)，工作介质在加热器可获得的热量足够大，因此，通过相应地增大泵浦的转数，可以在回收动力回收机有效地回收动力。另一方面，压差较小时(引擎在低负载下运转时)，工作介质在加热器可获得的热量减少，因此，相应地减小泵浦的转数。另外，即使在此情况下，工作介质也以气体状从热交换器流出并流入膨胀机。
而且，在此情况下，优选上述排热回收装置还包括：用于向所述热交换器供应所述加热介质的加热介质供应管；以及设置于所述加热介质供应管、其打开度可调整的调整阀，其中，所述控制部调整所述调整阀的打开度，以便从所述热交换器流出的工作介质的过热度落在设定范围内。
根据此结构，由于具有设定范围内的过热度的气体状的工作介质流入膨胀机，因此，可以更稳定地驱动膨胀机。
具体而言，优先当流入所述加热器的增压空气的温度超过了标准温度时，所述控制部关闭所述调整阀。
根据此结构，由于向热交换器的过剩的加热介质的供应被停止，因此，可以使工作介质以适当的状态流入膨胀机。
此外，在本发明中，优选所述引擎为用于船舶的引擎，所述加热介质供应管能将在所述船舶产生的剩余水蒸气作为所述加热介质供应到所述热交换器内。
根据此结构，不用设置用于生成供应给热交换器的加热介质的专用装置，通过有效地利用在船舶产生的剩余水蒸气，即使在用于船舶的引擎的负载低的状态下，也可以稳定地进行排热的回收。
此外，上述实施方式的排热回收方法是回收供应给引擎的增压空气的排热的方法，该排热回收方法包括：通过向加热器供应所述增压空气，由该加热器使工作介质蒸发的蒸发工序；通过由热交换器让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热所述工作介质的加热工序；通过由膨胀机使从所述热交换器流出的工作介质膨胀而从该工作介质回收动力的动力回收工序；由冷凝器使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝的冷凝工序；由泵浦将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送的泵浦驱动工序。在所述泵浦驱动工序中，基于流入所述加热器前的增压空气的压力和从所述加热器流出后的增压空气的压力的压差的增减而使所述泵浦的转数增减。
在此发明中，也能够在从引擎负载低的状态到高的状态的广范围稳定地回收排热。
具体而言，优选在所述加热工序中，调整所述加热介质向所述热交换器的流入量，以便从所述热交换器流出的工作介质的过热度落在设定范围内。
而且，优选在所述加热工序中，当流入所述加热器的增压空气的温度超过标准温度时，使所述加热介质向所述热交换器的流入停止。
在本发明中，优选用于船舶的引擎被用作为所述引擎，在所述船舶产生的剩余水蒸气被用来作为供应给所述热交换器的加热介质。

Claims (8)

1.一种排热回收装置，其特征在于包括：
加热器，通过让供应给引擎的增压空气和工作介质热交换而使该工作介质蒸发；
热交换器，通过让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热该工作介质；
膨胀机，使从所述热交换器流出的工作介质膨胀；
动力回收机，与所述膨胀机连接；
冷凝器，使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝；
泵浦，将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送；以及
控制部，基于流入所述加热器前的增压空气的压力和从所述加热器流出后的增压空气的压力的压差的增减而使所述泵浦的转数增减。
2.根据权利要求1所述的排热回收装置，其特征在于还包括：
加热介质供应管，用于向所述热交换器供应所述加热介质；以及
调整阀，设置于所述加热介质供应管，该调整阀的打开度可以调整，其中，
所述控制部调整所述调整阀的打开度，以便从所述热交换器流出的工作介质的过热度落在设定范围内。
3.根据权利要求2所述的排热回收装置，其特征在于：
当流入所述加热器的增压空气的温度超过了标准温度时，所述控制部关闭所述调整阀。
4.根据权利要求2或3所述的排热回收装置，其特征在于：
所述引擎为用于船舶的引擎，
所述加热介质供应管能够将在所述船舶产生的剩余水蒸气作为所述加热介质供应到所述热交换器内。
5.一种排热回收方法，是回收供应给引擎的增压空气的排热的方法，其特征在于包括：
蒸发工序，通过向加热器供应所述增压空气，由该加热器使工作介质蒸发；
加热工序，通过由热交换器让从所述加热器流出的工作介质和加热介质热交换来加热该工作介质；
动力回收工序，通过由膨胀机使从所述热交换器流出的工作介质膨胀而从该工作介质回收动力；
冷凝工序，由冷凝器使从所述膨胀机流出的工作介质冷凝，以及
泵浦驱动工序，由泵浦将从所述冷凝器流出的工作介质向所述加热器输送，其中，
在所述泵浦驱动工序中，基于流入所述加热器前的增压空气的压力和从所述加热器流出后的增压空气的压力的压差的增减而使所述泵浦的转数增减。
6.根据权利要求5所述的排热回收方法，其特征在于：
在所述加热工序中，调整所述加热介质向所述热交换器的流入量，以便从所述热交换器流出的工作介质的过热度落在设定范围内。
7.根据权利要求6所述的排热回收方法，其特征在于：
在所述加热工序中，当流入所述加热器的增压空气的温度超过标准温度时，使所述加热介质向所述热交换器的流入停止。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的排热回收方法，其特征在于：
用于船舶的引擎被用作为所述引擎，
在所述船舶产生的剩余水蒸气被用来作为供应给所述热交换器的加热介质。
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