CN105089727B - 热能回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的热能回收装置具备：加热器，通过热介质使动作介质蒸发；膨胀机，从加热器流出的动作介质流入所述膨胀机；发电机，将在膨胀机中膨胀的动作介质的膨胀能量回收；冷凝部的冷凝器，使从膨胀机流出的动作介质冷凝；和泵，将在冷凝器中被冷凝的动作介质向加热器输送。冷凝器与泵之间的连接部具有与泵的流入口连接的连接端部、从连接端部朝向上方弯曲的弯曲部和从弯曲部向上方延伸的竖起部，以使得即使是在发生晃动的环境中使用的情况也能够抑制气相的动作介质向泵进入。

Description

热能回收装置
技术领域
本发明涉及将排热回收的热能回收装置。
背景技术
以往，已知有将在各种设备中产生的热能回收的装置。作为该装置的一例，在专利文献1中，记载有具备循环流路的发电装置，所述循环流路串联连接着通过热介质使动作介质液蒸发的蒸发器、使动作介质蒸汽膨胀的膨胀机、使动作介质蒸汽冷凝的冷凝器和使动作介质循环的泵。在专利文献1所记载的发电装置中，膨胀机具备螺旋转子，该螺旋转子通过在膨胀机中膨胀的动作介质蒸汽而旋转。该螺旋转子连接在发电机上，该发电机将螺旋转子的旋转变换为电力。
这里，专利文献1所记载的发电装置还具备检测泵的入口侧的动作介质的压力的压力传感器、和根据泵的入口侧的动作介质的温度检测该动作介质的饱和蒸汽压力的导出机构。专利文献1所记载的发电装置通过根据在压力传感器中检测出的压力和在导出机构中被导出的饱和蒸汽压力的压力差调整动作介质的循环量，抑制了泵中的气穴的发生。
专利文献1：特开2012－202374号公报。
发明内容
专利文献1所记载的发电装置如上述那样是通过调整动作介质的循环量来抑制气穴的发生的，但在该发电装置搭载在船舶或车辆等移动体上的情况下，通过该移动体的晃动，有可能在本来应被液相的动作介质充满的冷凝器与泵之间的配管部分中混入气相的动作介质、气体进入到泵中。结果，有可能在该泵中发生气穴。
本发明是根据上述观点而做出的，其目的是即使在将热能回收装置在发生晃动的环境中使用的情况下也适当地进行热能回收装置的运转。
有关本发明的热能回收装置具备：加热器，通过使热介质与动作介质热交换，将上述动作介质加热；膨胀机，从上述加热器流出的动作介质流入所述膨胀机；动力回收机，与上述膨胀机连接，并将上述膨胀机的动力回收；冷凝部，位于比上述加热器靠上方，并使从上述膨胀机流出的动作介质冷凝；和泵，位于比上述冷凝部靠下方，并将在上述冷凝部中被冷凝的动作介质向上述加热器输送；将上述冷凝部与上述泵相连的连接部具有连接端部、弯曲部和竖起部，所述连接端部与上述泵的流入口连接，所述弯曲部从上述连接端部朝向上方弯曲，所述竖起部从上述弯曲部向上方延伸。
在上述热能回收装置中，泵位于比冷凝部靠下方，并且将该泵与冷凝部相连的连接部具有竖起部。因此，在竖起部中确保液相的动作介质，即使在热能回收装置中发生晃动，也抑制气相的动作介质向泵侵入。
此外，优选的是，上述竖起部的长度比上述泵的所需吸入压头长。
在上述热能回收装置中，能够更可靠地防止泵的气穴的发生。
此外，优选的是，在重力方向上，上述加热器的存在范围与上述泵重叠。
在上述热能回收装置中，由于在重力方向上，上述加热器的存在范围与上述泵重叠，所以能够使从该泵到冷凝部的高度变高。由此，能够使从弯曲部向上方延伸的竖起部的长度变长，能够进一步抑制气相的动作介质向泵进入。
有关本发明的热能回收装置具有：加热器，通过使热介质与动作介质热交换，将上述动作介质加热；膨胀机，从上述加热器流出的动作介质流入所述膨胀机；动力回收机，与上述膨胀机连接，并将上述膨胀机的动力回收；和冷凝部，位于比上述加热器靠上方，并使从上述膨胀机流出的动作介质冷凝；将上述冷凝部与上述加热器相连的连接部具有连接端部、弯曲部和竖起部，所述连接端部与上述加热器连接，所述弯曲部从上述连接端部朝向上方弯曲，所述竖起部从上述弯曲部向上方延伸；在上述冷凝部或上述竖起部中形成的液相的动作介质的液面位于比在上述加热器内形成的上述液相的动作介质的其他液面靠上方，构成为，通过动作介质的自重，上述液相的动作介质朝向上述加热器流动。
在上述热能回收装置中，能够通过液相的动作介质自身的自重将该液相的动作介质向加热器输送。因此，不需要设置用来将液相的动作介质向加热器输送的泵。
此外，优选的是，上述冷凝部具有：第1流路，用来将动作介质冷却的冷却介质流入所述第1流路；和第2流路，从上述膨胀机流出的动作介质流入所述第2流路；为了防止穿过上述第2流路的动作介质的过冷却而可以构成为，在上述第2流路中不存在液相的动作介质。
在上述热能回收装置中，为在冷凝部中被冷凝的动作介质不积存在该冷凝部中、穿过第2流路的动作介质不发生过冷却的设计。通过不由冷凝部使动作介质过冷却，能够降低冷凝部中的动作介质的流入侧的压力，由此，能够降低位于该冷凝部的上游侧的膨胀机的背压。因此，根据上述热能回收装置，能够使膨胀机的上游侧的压力与下游侧的压力的差变大，由此，能够在动力回收机中效率良好地将能量回收。
此外，优选的是，上述热介质包括向发动机供给的增压空气、从上述发动机排出的排气或来自节能器的蒸汽的至少1种，所述节能器从上述排气将热回收。
上述热能回收装置被搭载在例如容易发生晃动的船舶或车辆等移动体上，能够将在该移动体的发动机周边产生的热能回收。
根据本发明，即使在将热能回收装置在发生晃动的环境中使用的情况下，也能够适当地进行热能回收装置的运转。
附图说明
图1是有关本实施方式的热能回收装置的概略结构图。
图2是将有关本实施方式的热能回收装置的泵与储存器之间的部位放大表示的图。
图3是有关本实施方式的热能回收装置的比较例，是表示泵被配置在储存器的附近的状态的概略结构图。
图4是表示图3所示的有关比较例的热能回收装置倾斜的情况的概略结构图。
图5是表示有关本实施方式的热能回收装置倾斜的情况的概略结构图。
图6是有关变形例1的热能回收装置的概略结构图。
图7是将有关变形例2的热能回收装置的泵与储存器之间的部位放大表示的图。
图8是将有关变形例3的热能回收装置的加热器与储存器之间的部位放大表示的图。
图9是表示有关变形例4的热能回收装置的概略结构图。
图10是有关变形例5的热能回收装置的概略结构图。
图11是将图10的有关变形例5的热能回收装置的加热器与储存器之间的部位放大表示的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的一实施方式进行说明。但是，以下参照的各图为了说明的方便而将为了说明有关本实施方式的热能回收装置所需要的主要部件简略化表示。因而，有关本实施方式的热能回收装置可以具备在本说明书参照的各图中没有表示的任意的构成部件。
如图1所示，热能回收装置X1具备加热器2、膨胀机3、发电机4、冷凝部5、泵7、循环流路8及控制部9。在循环流路8上，依次连接着加热器2、膨胀机3、冷凝部5及泵7。在以下的说明中，把循环流路8中的将加热器2与膨胀机3相连的部位称作“第1连接部81”。把将膨胀机3与后述冷凝部5的冷凝器50相连的部位称作“第2连接部82”。把将冷凝器50与泵7相连的部位称作“第3连接部83”。把将泵7与加热器2相连的部位称作“第4连接部84”。另外，在图1中，将循环流路8简单化表示，关于第3连接部83的细节部的形状在后面叙述。在图6、图9、图10中也将循环流路8简单化表示。
在本实施方式中，热能回收装置X1搭载在船舶上，被用于将带有增压器的发动机100的排热回收。
带有增压器的发动机100具有增压器、发动机130、换气线路140、150及排气线路160。增压器具有压缩机110及连接在该压缩机110上的涡轮120。被压缩机110压缩后的增压空气经过换气线路140、150被向发动机130供给。来自发动机130的排气经过排气线路160被向涡轮120输送。涡轮120被排气的膨胀能量驱动，通过该涡轮120的驱动力将压缩机110驱动。在有关本实施方式的热能回收装置X1中，加热器2位于换气线路140与换气线路150之间，能够将从换气线路140向换气线路150移动的增压空气的排热回收。
加热器2具有第1流路21及第2流路22。第1流路21是来自压缩机110的增压空气流动的流路，一端连接在换气线路140上，并且另一端连接在换气线路150上。第2流路22是动作介质流动的流路。加热器2通过使在第1流路21中流动的增压空气与在第2流路22中流动的液相的动作介质热交换，使该动作介质蒸发。
膨胀机3位于循环流路8中的加热器2的下游侧。膨胀机3和加热器2的第2流路22经由循环流路8的第1连接部81相互连接。在加热器2中蒸发的动作介质经过第1连接部81向膨胀机3流入。
在本实施方式中，作为膨胀机3，使用具有被气相的动作介质的膨胀能量旋转驱动的转子的容积式的螺旋膨胀机。另外，作为膨胀机3，并不限于容积式的螺旋膨胀机，也可以使用离心式或涡旋式等。
发电机4连接在膨胀机3上。发电机4具有连接在膨胀机3的一对螺旋转子中的一方上的旋转轴。发电机4通过上述旋转轴随着上述螺旋转子的旋转而旋转，产生电力。另外，作为连接在膨胀机3上的动力回收机，除了发电机4以外，也可以使用压缩机等。
冷凝部5在重力方向上配置在比加热器2靠上方。冷凝部5具有冷凝器50和储存器53。
冷凝器50位于循环流路8中的膨胀机3的下游侧。冷凝器50具有第1流路51及第2流路52。第1流路51是冷却水流动的流路。第2流路52是动作介质流动的流路。第2流路52经由循环流路8的第2连接部82连接在膨胀机3上。从膨胀机3流出的气相的动作介质经过第2连接部82向冷凝器50的第2流路52流入。并且，通过在第2流路52中流动的气相的动作介质与第1流路51中流动的冷却水之间进行热交换，将该动作介质冷凝。另外，作为第1流路51中流动的冷却水，例如使用海水，但并不限于此，只要是能够将第2流路52中流动的气相的动作介质冷凝的冷却介质就可以。
冷凝器50的第2流路52为流路阻力较小且液相的动作介质不积存的设计。由此，防止动作介质的过冷却。此外，能够降低冷凝器50的动作介质的流入侧的压力，能够降低位于第2流路52的上游侧的膨胀机3的背压。结果，能够使膨胀机3的上游侧的压力与下游侧的压力的差变大，能够提高发电机4的发电效率。
储存器53位于循环流路8中的冷凝器50的下游侧。在冷凝器50中被冷凝的动作介质被向储存器53储存。
泵7位于循环流路8中的储存器53的下游侧。此外，泵7在重力方向上配置在比储存器53靠下方几米。储存器53和泵7经由循环流路8的第3连接部83相互连接。泵7和加热器2的第2流路22经由循环流路8的第4连接部84相互连接。储存在储存器53中的液相的动作介质向泵7流入，并且被该泵7以规定的压力向加热器2的第2流路22输送。作为泵7，使用具备叶轮作为转子的离心泵、或转子由一对齿轮构成的齿轮泵等。
控制部9在功能上具有控制泵7的驱动的泵控制部91。泵控制部91以通常为液相的动作介质充分地储存在储存器53内的状态驱动泵7。泵控制部91的功能例如由CPU及存储器等实现。
图2是将泵7、储存器53及第3连接部83放大表示的图。第3连接部83具有连接端部83a、弯曲部83b、竖起部83c及水平部83f。连接端部83a直接连接到设在泵7的侧面上的动作介质的流入口71。
弯曲部83b是从连接端部83a朝向上方弯曲的部位。另外，在本实施方式中，弯曲部83b相对于连接端部83a大致垂直地弯曲，但并不需要严格地弯曲90°。竖起部83c具备从弯曲部83b朝向上方直线地延伸的直线部831、和将直线部831与水平部83f相连的上部832。上部832在重力方向上位于比加热器2靠上方。竖起部83c的长度H1被设定得比泵7的所需吸入压头长。水平部83f是从竖起部83c水平地延伸的部位，水平部83f的与连接到竖起部83c的端部相反侧的端部连接在储存器53上。在热能回收装置X1中，遍及第3连接部83的全长充满着液相的动作介质。
这里，参照图3对有关比较例的热能回收装置（以下，单称作“比较例”）进行说明。比较例具有冷凝器500、储存器530、泵700和第3连接部830。第3连接部830与图2的第3连接部83相比充分短，泵700被配置在储存器530的附近。在第3连接部830上，没有设置与图2的第3连接部830的弯曲部83b及竖起部83c对应的部位。在储存器530中储存液相的动作介质，在第3连接部83中充满着液相的动作介质。
在热能回收装置被搭载到船舶等移动体上的情况下，如果随着移动体的晃动而热能回收装置晃动，则有如图4所示储存器530的出口部分从液面露出的可能性。在比较例中，由于储存器530与泵700之间的距离较短，所以气相的动作介质容易经由第3连接部830侵入到驱动中的泵700中。结果，在泵700中发生气穴，泵700的寿命变短。此外，泵700的吐出容量减少而发电效率下降。
相对于此，在热能回收装置X1中，即使是通过移动体的晃动而储存器53的出口部分从液面露出的情况，如图5所示，通过设置第3连接部83的竖起部83c而液相的动作介质留在竖起部83c的下部（即，下游侧的部位），所以也防止泵7接触到气相的动作介质。
在以上说明的热能回收装置X1中，通过设置具有即使是发生晃动的环境下气相的动作介质（或气相的空间）也达不到泵7之程度的长度的竖起部83c，防止泵7中的气穴的发生及吐出容量的不足。结果，在该环境中适当进行热能回收装置的运转。
在热能回收装置X1中，第3连接部83的弯曲部83b朝向上方弯曲，由此，将形成在泵7的侧面上的流入口71与比该流入口71向上方延伸的竖起部83c相连。因此，即使是使用在侧面上设有流入口71的通常的泵7的情况，也能够降低气相的动作介质进入到该泵7中的可能性。
进而，在有关本实施方式的热能回收装置X1中，通过将竖起部83c的长度设定得比泵7的所需吸入压头长，能够更可靠地防止泵7的气穴的发生。
图6是热能回收装置X1的变形例。在热能回收装置X1中，也可以从冷凝部5将储存器53省略。即使是这样的情况，通过在冷凝器50的第2流路52的下游侧设置竖起部83c（参照图2），也能够由该竖起部83c储存充分的量的液相的动作介质。即，竖起部83c能够起到与储存器53同样的作用。
图7是热能回收装置X1的再其他的变形例。也可以将第3连接部83的水平部省略，将竖起部83c的上部832直接连接到储存器53。另外，在将储存器53省略的情况下，将竖起部83c的上部832连接到冷凝器50。在图7中，从泵7的流入口71到储存器53的高度H2和竖起部83c的长度大致相同。
图8是热能回收装置X1的再其他的变形例。在图8中，在重力方向上，加热器2的存在范围与泵7重叠。更优选的是，使加热器2的第2流路22中的作为动作介质的流入侧的流入部23为与泵7大致相同的高度。根据这样的结构，由于能够使从泵7的流入口71到储存器53的高度变高，所以能够使竖起部83c的长度变长。因此，能够进一步抑制气相的动作介质向泵7侵入。
在热能回收装置X1中，也可以通过多个热交换器构成加热器。在图9所示的变形例中，设有将来自被带有增压器的发动机100的压缩机110压缩的增压空气的热回收的热交换器2a、和在热交换器2a的下游侧将来自节能器200的蒸汽的热回收的热交换器2b。由热交换器2a、2b构成加热器2。节能器200具有将带有增压器的发动机100的排热回收的作用，随着该回收产生的蒸汽向热交换器2b的第1流路21b流入。并且，在穿过第1流路21b的蒸汽与穿过第2流路22b的动作介质之间进行热交换。在图9的构造中，如果在热交换器2b中动作介质全部为蒸汽，则在热交换器2a中不需要液相的动作介质的全部量一定蒸发。在热能回收装置X1中，也可以设置将作为热介质从发动机130排出的排气的热直接回收的热交换器。这样，热能回收装置X1构成为作为热介质而包括向发动机130供给的增压空气、从发动机130排出的排气或来自从排气将热回收的节能器200的蒸汽的至少1种。
图10及图11是热能回收装置X1的再其他的变形例。在热能回收装置X1中，也可以不设置泵7本身而做成利用第3连接部83的形状向加热器2输送液相的动作介质的结构。第3连接部83的连接端部83a连接在加热器2的第2流路22上。此外，在第3连接部83的竖起部83c中设有截止阀83d。并且，控制部9代替泵控制部91而在功能上具有截止阀控制部93。在该热能回收装置X1中，在竖起部83c或储存器53中形成的液相的动作介质的液面L1位于比在加热器2的第2流路22中形成的液相的动作介质的其他液面L2靠上方。因此，在热能回收装置X1的驱动时，通过（液相的动作介质自身的）自重，液相的动作介质朝向加热器2流动。在热能回收装置X1的停止时，设在竖起部83c处的截止阀83d被关闭，抑制液相的动作介质向加热器2的第2流路22流入。
在图10及图11所示的热能回收装置X1中，能够不发生气穴，进而由竖起部83c确保了液相的动作介质，所以即使通过晃动而储存器53的出口部分从液面露出，也能够适当地继续运转。
在上述实施方式中，对热能回收装置X1被搭载在船舶上的例子进行了说明，但并不限定于此，热能回收装置X1也可以搭载在车辆等容易发生晃动的其他移动体上。
以上说明的本实施方式在所有的方面都是例示而不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式的说明、而是由权利要求书表示，还包含与权利要求书等价的意义及范围内的全部变更。

Claims (6)

1.一种热能回收装置，其特征在于，
具备：
加热器，通过使热介质与动作介质热交换，将上述动作介质加热；
膨胀机，从上述加热器流出的动作介质流入所述膨胀机；
动力回收机，与上述膨胀机连接，并将上述膨胀机的动力回收；
冷凝部，位于比上述加热器靠上方，并使从上述膨胀机流出的动作介质冷凝；和
泵，位于比上述冷凝部靠下方，并将在上述冷凝部中被冷凝的动作介质向上述加热器输送；
将上述冷凝部与上述泵相连的连接部具有连接端部、弯曲部和竖起部，所述连接端部与上述泵的流入口连接，所述弯曲部从上述连接端部朝向上方弯曲，所述竖起部从上述弯曲部向上方延伸。
2.如权利要求1所述的热能回收装置，其特征在于，
上述竖起部的长度比上述泵的所需吸入压头长。
3.如权利要求1所述的热能回收装置，其特征在于，
在重力方向上，上述加热器的存在范围与上述泵重叠。
4.一种热能回收装置，其特征在于，
具有：
加热器，通过使热介质与动作介质热交换，将上述动作介质加热；
膨胀机，从上述加热器流出的动作介质流入所述膨胀机；
动力回收机，与上述膨胀机连接，并将上述膨胀机的动力回收；和
冷凝部，位于比上述加热器靠上方，并使从上述膨胀机流出的动作介质冷凝；
将上述冷凝部与上述加热器相连的连接部具有连接端部、弯曲部和竖起部，所述连接端部与上述加热器连接，所述弯曲部从上述连接端部朝向上方弯曲，所述竖起部从上述弯曲部向上方延伸；
在上述冷凝部或上述竖起部中形成的液相的动作介质的液面位于比在上述加热器内形成的上述液相的动作介质的液面靠上方，构成为，通过动作介质的自重，上述液相的动作介质朝向上述加热器流动。
5.如权利要求1～4中任一项所述的热能回收装置，其特征在于，
上述冷凝部具有：第1流路，用来将动作介质冷却的冷却介质流入所述第1流路；和第2流路，从上述膨胀机流出的动作介质流入所述第2流路；
构成为，能够使得在上述第2流路中液相的动作介质不积存。
6.如权利要求1～4中任一项所述的热能回收装置，其特征在于，
上述热介质包括向发动机供给的增压空气、从上述发动机排出的排气或来自节能器的蒸汽的至少1种，所述节能器从上述排气将热回收。
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