JP2006249942A - 過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、圧縮空気の冷却に伴って発生する熱を、蒸気として多くの用途に利用できるようにする。
【解決手段】 往復式内燃機関１への給気路４に過給機５を備えるとともに、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却水によって冷却する前段インタークーラ６と後段インタークーラ７とを設ける。往復式内燃機関１からの排ガスの排気路８に排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器９を設ける。水蒸気を発生する水蒸気発生器１１と前段インタークーラ６と排ガス熱交換器９とにわたり、水循環配管１２を設ける。水循環配管１２の水蒸気発生器１１側の箇所に三方弁２１を介してバイパス配管２２を接続し、水蒸気発生器１１から前段インタークーラ６に供給される冷却水の温度を測定し、その測定温度に基づいて三方弁２１を操作し、水蒸気発生器１１に供給される冷却水の温度が１００℃以上になるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、往復式内燃機関への給気路に、往復式内燃機関に供給される燃焼用空気を加圧圧縮する過給機を備えた過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムに関する。

過給機付き往復式内燃機関では、過給機から出た燃焼用空気は加圧圧縮によって高温になるため、往復式内燃機関に供給する前に燃焼用空気を冷却する必要がある。この冷却によって得られる熱を有効に回収するために、従来、次のようなものがあった。

すなわち、過給機からガスエンジン（往復式内燃機関）に供給する圧縮空気を冷却する冷却用熱交換器を設け、吸収器から取り出した作動流体を蒸発器で冷却した後に冷却用熱交換器に供給して圧縮空気を冷却し、再生器の温度よりも高くなった作動流体を再生器に供給し、圧縮空気の冷却に伴って回収された熱を吸収冷凍機の熱源に利用するように構成している（特許文献１参照）。
特開２００１−１９３５６３号公報

しかしながら、従来例の場合、吸収冷凍機の熱源に利用できるようにしているが、冷却用熱交換器によって回収される熱は、再生器内での作動流体の温度よりも高い程度の温度であり、温度が低いなど、冷却用熱交換器によって回収される熱をそのまま利用するには、用途的に制約を受けざるを得ず、実用性が低い欠点があった。
更に、利用先への配管サイズが大きく、また、往復２本の配管が必要であり、供給ポンプの動力が大きいという欠点があり、また、被加熱物との温度差が小さいために、利用先での放熱用の熱交換器が大きくなるという欠点があった。そのため、利用されずに冷却塔で放熱処理してしまう場合が多かった。

また、従来の場合、冷却用熱交換器に供給して圧縮空気を冷却した作動流体の温度は９０℃レベルないしそれ以下であり、回収した熱を蒸発器で蒸発させ、蒸気で他用途への加熱熱源として利用しようとした場合、蒸発器内の圧力が大気圧以下となり、蒸発器やそれに連なる蒸気配管やそれらの接続箇所を通じて外気が侵入するため、シール構成が必要になり、高価になる欠点があった。また、そのまま温水として利用する場合、蒸気と異なり、利用先への配管サイズが大きく、また、往復２本の配管が必要であり、供給ポンプの動力が大きいという欠点があり、また、被加熱物との温度差が小さいために、利用先での放熱用の熱交換器が大きくなるという欠点があった。そのため、利用されずに冷却塔で放熱処理してしまう場合が多かった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、簡単な構成で、圧縮空気の冷却に伴って発生する熱を、蒸気として多くの用途に利用できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、簡単な構成で熱回収効率を向上できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、用途範囲を一層拡大して実用性を一層向上できるようにすることを目的とし、また、請求項４に係る発明は、高温蒸気を容易に得ながら残余の熱も回収して熱回収効率を向上できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、
往復式内燃機関への給気路に、前記往復式内燃機関に供給される燃焼用空気を加圧圧縮する過給機を備えた過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムであって、
前記給気路の前記過給機と前記往復式内燃機関との間に介装されて、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却水によって冷却する前段インタークーラと、
前記給気路の前記前段インタークーラと前記往復式内燃機関との間に介装されて、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却する後段インタークーラと、
水蒸気を発生する水蒸気発生器と、
前記前段インタークーラで熱を回収した冷却水を前記水蒸気発生器に供給する水循環配管と、
前記水蒸気発生器から発生する水蒸気の飽和温度を１００℃以上になるように調整する冷却水の流量調整手段とを備えて構成する。

（作用・効果）
請求項１に係る発明の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの構成によれば、過給機で加圧圧縮した後の燃焼用空気を前段インタークーラで冷却した後に更に後段インタークーラで冷却し、後段インタークーラで冷却した加圧圧縮空気を往復式内燃機関に供給する。前段インタークーラでの冷却によって熱を回収した冷却水を水蒸気発生器に供給し、流量制御手段によって水蒸気発生器内での飽和温度が１００℃以上になるようにしながら水蒸気発生器で水蒸気を発生し、各種の用途に用いるための水蒸気を得ることができる。
したがって、過給機で圧縮した後の燃焼用空気に対し、前段インタークーラと後段インタークーラとに分割して冷却する構成と、前段インタークーラからの冷却水を水蒸気発生器に供給する構成と、水蒸気発生器内の温度を１００℃以上にする構成とにより、前段インタークーラから１００℃以上の温度の冷却水を取り出して水蒸気発生器に供給し、水蒸気発生器で１００℃以上の飽和温度の水蒸気を発生させるから、水蒸気発生器やそれに接続した配管や接続箇所から外気を吸引することが無く、外気に対するシール構成を簡単にできながら、簡単な構成で、圧縮空気の冷却に伴って発生する熱を、蒸気として多くの用途に利用でき、実用性を向上できる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
往復式内燃機関からの排ガスの排気路に排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器を設け、
水循環配管を、水蒸気発生器と前段インタークーラと前記排ガス熱交換器とにわたって冷却水を直列に循環する閉ループの配管で構成する。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの構成によれば、往復式内燃機関からの排ガスの熱をも水蒸気発生器での水蒸気発生の熱源に利用することができ、しかも、水蒸気発生器と前段インタークーラと排ガス熱交換器とにわたって冷却水を直列に循環する閉ループの配管で水循環配管を構成するから、前段インタークーラと排ガス熱交換器に冷却水を並列に供給するように構成する場合のように分配比を考慮したりせずに済み、全体として、簡単な構成で熱回収効率を向上できる。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または２に記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
水蒸気発生器に接続した蒸気取り出し配管に、水蒸気発生器からの水蒸気の圧力を上昇させる昇圧手段を介装して構成する。

（作用・効果）
請求項３に係る発明の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの構成によれば、水蒸気発生器から取出される水蒸気の圧力を昇圧手段で上昇させ、所望の箇所に容易に水蒸気を移送供給できるようにする。
したがって、水蒸気の用途範囲を一層拡大でき、実用性を一層向上できる。

請求項４に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、２、３のいずれかに記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
排ガスの排気路の往復式内燃機関と排ガス熱交換器との間に、前記往復式内燃機関からの排ガスの熱によって蒸気を発生する蒸気ボイラを介装して構成する。

（作用・効果）
請求項４に係る発明の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの構成によれば、往復式内燃機関から排出される高温排ガスの熱を蒸気ボイラで回収して蒸気を発生させ、残余の熱を排ガス熱交換器で回収し、水蒸気発生器で水蒸気を発生させる熱源として利用する。
したがって、高温蒸気を容易に得ながら残余の熱も回収して熱回収効率を向上できる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムによれば、過給機で加圧圧縮した後の燃焼用空気を前段インタークーラで冷却した後に更に後段インタークーラで冷却し、後段インタークーラで冷却した加圧圧縮空気を往復式内燃機関に供給する。前段インタークーラでの冷却によって熱を回収した冷却水を水蒸気発生器に供給し、流量制御手段によって水蒸気発生器内の温度が１００℃以上になるようにしながら水蒸気発生器で水蒸気を発生し、各種の用途に用いるための水蒸気を得ることができる。
したがって、過給機で圧縮した後の燃焼用空気に対し、前段インタークーラと後段インタークーラとに分割して冷却する構成と、前段インタークーラからの冷却水を水蒸気発生器に供給する構成と、水蒸気発生器内の温度を１００℃以上にする構成とにより、前段インタークーラから１００℃以上の温度の冷却水を取り出して水蒸気発生器に供給し、水蒸気発生器で１００℃以上の水蒸気を発生させるから、水蒸気発生器やそれに接続した配管や接続箇所から外気を吸引することが無く、外気に対するシール構成を簡単にできながら、簡単な構成で、圧縮空気の冷却に伴って発生する熱を、蒸気として多くの用途に利用でき、実用性を向上できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例１の全体概略構成図である。
往復式内燃機関１にクラッチ２を介して発電機３が連動連結されている。往復式内燃機関１への給気路４に、往復式内燃機関１に供給される燃焼用空気を加圧圧縮する過給機５が備えられている。

給気路４において、過給機５と往復式内燃機関１との間に、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却水によって冷却する前段インタークーラ６と、前段インタークーラ６で冷却された燃焼用空気をクーリングタワー（図示せず）からの冷却水によって冷却する後段インタークーラ７とが介装されている。

往復式内燃機関１からの排ガスの排気路８に、排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器９が設けられ、その排気路８の往復式内燃機関１と排ガス熱交換器９との間に、往復式内燃機関１からの排ガスの熱によって高い圧力の蒸気を発生する蒸気ボイラ１０が介装されている。

水蒸気を発生する水蒸気発生器１１と前段インタークーラ６と排ガス熱交換器９とにわたり、冷却水を直列に循環する閉ループの配管で構成した水循環配管１２が設けられるとともに水循環配管１２にポンプ１３が介装され、前段インタークーラ６および排ガス熱交換器９で熱を回収した冷却水を水蒸気発生器１１に供給するように構成されている。

水蒸気発生器１１は、その底部側から上部の散水ノズル１４に、第１のポンプ１５を介装した配管１６が接続されて構成され、高温水の水循環配管１２に水を散布し、水蒸気を発生するように構成されている。

水蒸気発生器１１に接続された給水管１７に熱交換器１８が設けられ、往復式内燃機関１の冷却ジャケットに接続された、第２のポンプ１９を介装したジャケット冷却水の循環配管２０が熱交換器１８に通され、エンジン冷却によって回収される熱によって水蒸気発生器１１に供給される水を加熱するように構成されている。

水循環配管１２の水蒸気発生器１１側の箇所に、分配量を調整可能な電磁操作型の三方弁２１を介してバイパス配管２２が接続され、前段インタークーラ６から水蒸気発生器１１に供給される冷却水の供給量を調整するように流量調整機構２３が構成されている。

水循環配管１２の水蒸気発生器１１からの出口側に、水蒸気発生器１１から前段インタークーラ６に供給される冷却水の温度を測定する冷却水温度センサ２４が設けられている。冷却水温度センサ２４が、流量制御手段としてのコントローラ２５に接続され、そのコントローラ２５が三方弁２１に接続されている。

コントローラ２５では、冷却水温度センサ２４で測定される冷却水の温度と、設定温度としての１００℃とを比較手段で比較し、冷却水の温度が１００℃以下になったときに、水蒸気発生器１１側に流す冷却水を設定流量だけ増加させるように三方弁２１を操作し、水蒸気発生器１１に供給される冷却水の温度が１００℃以上になり、水蒸気発生器１１内の水蒸気の飽和温度が１００℃以上になるように構成されている。
水蒸気発生器１１内の水蒸気の飽和温度を１００℃以上にするする手段としては、水循環配管に流量を調整可能なバルブを介装するだけでも良い。設計段階で前段インタークーラ６および排ガス熱交換器９の伝熱設計、水循環配管の流量の設計を適切に行えばバルブの微調整で目的を達成することができる。長期的にはこの微調整を適宜行えば良い。前述した流量調整機構２３と冷却水温度センサ２４とから流量制御手段によって流量を制御する構成、ならびに、バルブを設けて流量を調整する構成などをして流量調整手段と総称する。

水蒸気発生器１１の上部に、発生した水蒸気を取出す蒸気取り出し配管２６が接続され、その蒸気取り出し配管２６に、昇圧手段としての電動水蒸気圧縮機２７が設けられ、水蒸気発生器１１から取出される水蒸気を加圧し、各種の用途に容易に供給して使用できるように構成されている。図中２８は、燃料ガスの供給管を示し、２９は、潤滑油冷却のための冷却水の配管を示している。

上記構成により、水蒸気発生器１１から大気圧以上の水蒸気を発生させ、その水蒸気を更に加圧して高圧水蒸気とし、レトルト食品の殺菌加熱、繊維の加熱（ドラムドライヤー）、種々の温水用熱源（洗浄水加熱など）、工場暖房といった産業用や、加湿用（病院、半導体工場での恒温恒湿）、温水プール、暖房といった業務用などに利用できるようになっている。

上記実施例１において、流量調整機構２３として、ポンプ１３を流量可変タイプに構成し、１００℃以下になったときに、水蒸気発生器１１に供給する冷却水の流量を設定流量づつ増加させるように構成するものでも良い。また、昇圧手段として、高い圧力の水蒸気によるエジェクター効果を利用して水蒸気を加圧する構成のものを用いても良い。

図２は、本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例２を示す要部の構成図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。
すなわち、水蒸気発生器１１が、容器内で高温水の水循環配管１２が噴出ノズル３１を介して開放され、いわゆるフラッシュ蒸発方式によって水蒸気を発生させるように構成されている。図示していないが、他の構成は実施例１と同じである。

図３は、本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例３を示す要部の構成図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。
すなわち、水蒸気発生器１１が、高温水の水循環配管１２が容器内の水中に浸漬され、いわゆる浸漬熱交換方式によって水蒸気を発生させるように構成されている。図示していないが、他の構成は実施例１と同じである。

次に、具体実施例および比較例について説明する。
実施例としては、上記実施例１の構成で次の条件のシステムを用いた。
往復式内燃機関：定格５０００ｋＷ、６０Ｈｚ、効率４３％
燃料：低位熱量４０．６ＭＪ／ｍ³Ｎの天然ガスを、流量１０３１ｍ³Ｎ／ｈ、インプット１１６３０ｋＷ
過給機への吸気量：２２４５０ｍ³Ｎ／ｈ
排ガス熱交換器への冷却水：入口温度１０２．８℃、出口（水蒸気発生器への入口）温度１０４．３℃、流量２００ｍ³／ｈ、入熱３５２ｋＷ、空気温度は入口２００℃、出口１２０℃
前段インタークーラへの冷却水：入口（水蒸気発生器からの出口）温度１００℃、出口温度１０２．８℃、入熱６４８ｋＷ
排ガス熱交換器での温度：入口１６０℃、出口１２０℃
水蒸気発生器：給水温度６０℃、加熱量１０００ｋＷ（＝３５２ｋＷ＋６４８ｋＷ）
電動水蒸気圧縮機：スクリュー方式、昇圧後の蒸気を飽和蒸気にするために電動水蒸気圧縮機内に水を噴射して冷却する。水蒸気量はその分だけ増加する。
蒸気ボイラ：給水温度６０℃、発生蒸気量３．０ｔ／ｈ、０．７８ＭＰａ、出力２１００ｋＷ（６０℃の水との差）
後段インタークーラにより空気温度は４５℃まで冷却され、往復式内燃機関に供給される。

比較例としては、図４の構成図に示すシステムを用いた。実施例１と異なるところは、次の通りである。
すなわち、給気路４に、ひとつのインタークーラ０４１を用い、２００℃の加圧空気を４５℃に冷却して往復式内燃機関１に供給するように構成されている。
往復式内燃機関１からのジャケット冷却水の循環配管２０を水蒸気発生器１１内に直接導入して構成されている。往復式内燃機関１の耐久性から、水蒸気発生器１１からの出口でのジャケット冷却水の温度は８６℃とする。このとき、ジャケット冷却水の熱負荷１０００ｋＷに対して、出口でのジャケット冷却水の温度は９０．３℃となる。排ガス熱交換器９および水循環配管１２は設けられていない。他の構成は実施例１と同じである。

上記実施例では、水蒸気発生器において０．１０ＭＰａの水蒸気が１．４９ｔ／ｈ発生する。一方、比較例では、水蒸気発生器において０．０５８ＭＰａの水蒸気が１．５０ｔ／ｈ発生する。
また、表−１（実施例）および表−２（比較例）に示す各種性状が得られる。

上記結果から、実施例では、比較例に対して大幅に消費電力を削減でき、成績係数を大幅に向上でき、過給機５での加圧空気の冷却によって回収される熱を、実用性の高い状態で利用できることが判る。
また、実施例で得られる水蒸気の圧力は大きく、これを利用することにより、都市ガスのインプットに対する総合出力（電気＋蒸気ボイラの出力＋電動水蒸気圧縮機の吐出水蒸気の出力）を経済的かつ大幅に向上できる。

本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例１の全体概略構成図である。 本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例２の要部の構成図である。 本発明に係る過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムの実施例３の要部の構成図である。 比較例の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムを示す全概略構成図である。

符号の説明

１…往復式内燃機関
４…給気路
５…過給機
６…前段インタークーラ
７…後段インタークーラ
８…排気路
９…排ガス熱交換器
１０…蒸気ボイラ
１１…水蒸気発生器
１２…水循環配管
２３…流量調整機構（流量調整手段）
２４…冷却水温度センサ（流量調整手段）
２５…コントローラ（流量制御手段）（流量調整手段）
２６…蒸気取出し配管
２７…電動水蒸気圧縮機

Claims (4)

1. 往復式内燃機関への給気路に、前記往復式内燃機関に供給される燃焼用空気を加圧圧縮する過給機を備えた過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムであって、
   前記給気路の前記過給機と前記往復式内燃機関との間に介装されて、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却水によって冷却する前段インタークーラと、
   前記給気路の前記前段インタークーラと前記往復式内燃機関との間に介装されて、加圧圧縮後の燃焼用空気を冷却する後段インタークーラと、
   水蒸気を発生する水蒸気発生器と、
   前記前段インタークーラで熱を回収した冷却水を前記水蒸気発生器に供給する水循環配管と、
   前記水蒸気発生器から発生する水蒸気の飽和温度を１００℃以上になるように調整する冷却水の流量調整手段と、
   を備えたことを特徴とする過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システム。
2. 請求項１に記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
   往復式内燃機関からの排ガスの排気路に排ガスの熱を回収する排ガス熱交換器を設け、
   水循環配管を、水蒸気発生器と前段インタークーラと前記排ガス熱交換器とにわたって冷却水を直列に循環する閉ループの配管で構成してある過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システム。
3. 請求項１または２に記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
   水蒸気発生器に接続した蒸気取り出し配管に、水蒸気発生器からの水蒸気の圧力を上昇させる昇圧手段を介装してある過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システム。
4. 請求項１、２、３のいずれかに記載の過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システムにおいて、
   排ガスの排気路の往復式内燃機関と排ガス熱交換器との間に、前記往復式内燃機関からの排ガスの熱によって蒸気を発生する蒸気ボイラを介装してある過給機付き往復式内燃機関の排熱回収システム。
   

Images