JP2008525708A - 逆流および腐食を防止すると共に排熱を廃熱源から抽出する装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器がエンジン排気装置から熱を抽出する廃熱回収システムにおいて、ベンチュリが、エンジン排気口に流体的に接続されることによって、ベンチュリと熱交換器との間に流体的に接続されたマニフォールドにおいて、流速が増加し、圧力が低下する。高温ガスをマニフォールドから熱交換器内に引き込み、外周囲に放出させるために、熱交換器の下流にファンが設けられる。しかし、エンジンの稼働時にファンが動作していないとき、周囲空気が低圧マニフォールドによってファンおよび熱交換器へ引き込まれ、ベンチュリの下流の排気通路から放出される排ガスに混入される。一実施例では、各々が共通の低圧マニフォールドに接続される専用のベンチュリを有する複数の熱源が設けられる。

Description

本発明は、一般的に廃熱回収システムに関し、詳細には、腐食元素を含むエンジン排気装置から廃熱を回収するシステムに関する。

広い範囲にわたるエンジンおよび工業プロセスによって生じる廃熱は、電気、冷却、および水の加熱のなどに利用して役立てることができる。廃熱は、多くの場合、硫黄および塩素のような腐食元素によって汚染されることがある高温ガス流の形態にある。これらの元素は、ガス状で存在する高温では比較的良性であるが、冷表面では、そのガスが凝縮し、酸露点腐食（ＡＤＣ）を生じることがある。

高温ガス廃熱流の相互接続は、ＡＤＣの存在によって、制約されることが多い。例えば、ある廃熱回収装置を稼働するには、適度の硫黄燃料を燃焼する２つの往復動エンジンの排気流を組み合わせることが望ましい。両方のエンジンが稼働している場合、すべてのエンジン構成部品および排気管は露点温度よりも高いので、ＡＤＣは存在しない。この状況は、これらのエンジンの１つが停止すると、変化する。稼働しているエンジン排気装置の排気筒における高圧によって、低温の稼働していないエンジン内への排気の逆流が生じる。この冷表面において、凝縮および腐食が急速に進む可能性がある。

本発明の一態様によれば、大気圧よりも低い局所的な圧力を生じさせるためのベンチュリが、複数の各廃熱源に配置され、これらのベンチュリを貫通するマニフォールドから熱交換器を通してファンおよび外周囲へ高温ガスを引くために、ファンが設けられる。このようにして、廃熱源の１つが停止したとき、他の廃熱源からの高温ガスが、その停止した廃熱源へ流入して凝縮することがないので、腐食が生じない。

本発明の他の態様によれば、各ベンチュリには、逆止弁が付随する。この逆止弁は、ベンチュリからの高温ガスが逆止弁を通して外周囲に放出するのを許容するが、周囲空気が逆止弁およびベンチュリへ流れるのを阻止する。従って、１つまたは複数の廃熱源が稼働し、高温ガスを放出していてもファンが動作していないとき、マニフォールドの低圧状態が、周囲空気をファンへ流し、熱交換器を通して低圧マニフォールドへ流し、逆止弁へ流出させる。

本発明のさらに他の態様によれば、各逆止弁をバイパスしてバイパス弁が設けられる。ファンが動作しているとき、熱交換器への流れの温度、濃度、または露点を低減させることを目的として、バイパス弁を開き、廃熱源からの排気ガスを希釈するための周囲空気を流入させることができる。

以下に説明する図面では、好ましい実施例が示されるが、本発明の趣旨および特許請求の範囲から逸脱することなく、この実施例に対して、種々の他の修正および代替的な構成がなされてもよい。

図１を参照すると、１２，１３で示される複数の廃熱源から廃熱を回収する熱回収システムに適用される本発明の概略が、符号１０で示されている。以下、本発明を２つの廃熱源１２，１３との使用に関して説明するが、本発明は、並列で稼働する任意の数のこのようなシステムに適用され得るし、単一の廃熱源との使用にも適用され得ることを理解されたい。

本発明の特徴の１つは、１つまたは複数の他の廃熱源が高速で稼働可能な状態にあるときに、１つまたは複数の別の廃熱源が非稼働、あるいは低速で稼働する状態にあることを許容する。これらの状態では、１つまたは複数の稼働している廃熱源からの高温ガスが、１つまたは複数の稼働していない廃熱源に移動する傾向にあり、稼働していない廃熱源において、高温ガスが凝縮し、酸露点腐食（ＡＣＤ）を生じることがある。本発明は、この問題を解消すると共に、１つまたは複数の廃熱源が稼働していても廃熱回収システムが稼働していない間に、高温ガスが熱交換器に移動する問題を解消することを目的としている。

図１を再び参照すると、廃熱源１２，１３は、それぞれ、高温ガスを排出する排気口１４，１６を備える。この高温ガスは、通常は外周囲に放出され、その結果、廃エネルギーを生じ、環境に影響を及ぼす。従って、この廃熱回収システムは、５００°Ｆ〜１０００°Ｆ（約２６０℃〜５３８℃）の範囲内の温度の排ガスを受け、この排ガスを廃熱回収装置に送り、２００°Ｆ〜３５０°Ｆ（約９３℃〜１７７℃）の範囲内の温度の処理されたガスを放出する。

例えば典型的な往復動エンジンの場合、排気口１４，１６内の圧力は、稼働時には大気圧よりも約１／２水柱インチ（約１２５Ｐａ）高く、稼働していない廃熱源の場合、排気口１４，１６内の圧力は、周囲圧力と実質的に等しいと、見なされるべきである。

排気口１４，１６の下流に、流れを加速して圧力を大気圧よりも低くする目的で設けられるベンチュリ１７，１８が、それぞれ配置されている。すなわち、ベンチュリ１７は、収束部１９、中央部２１、および末広部２２を備え、ベンチュリ１８は、収束部２３、中央部２４、および末広部２６を備える。ベンチュリの中央部２１，２４は、低圧マニフォールド２７によって流体的に相互接続され、例えば、大気よりも１／２〜５水柱インチ（約１２５〜１２４５Ｐａ）低い範囲内の負圧にある。

末広部２２，２６は、排ガスの流れを減速し、排ガスがそれぞれ放出通路２８，２９に入るとき、関連する圧力を周囲圧力よりも高いレベルにまで上昇させる。放出通路２８，２９は、それぞれ、逆止弁３１，３２を備える。これらの逆止弁３１，３２は、排ガスが外周囲に流出するのを許容するが、周囲空気が放出通路２８，２９に流入するのを阻止する。

低圧マニフォールド２７は、熱交換器３３に流体的に接続され、この熱交換器３３は、ファン３４および周囲空気に流体的に接続されている。熱交換器３３は、廃熱放出ガスから熱を除去するように動作し、有機ランキンサイクルシステム（図示せず）などを手段として電力を引出すのに、この熱を利用する。ファン３４の目的は、高温ガスを、低圧マニフォールド２７から熱交換器３３内に流入させ、外周囲に放出させることである。

稼働に際して、前述のシステムは、稼働中の１つまたは複数の廃熱源１２，１３および稼働モードまたは非稼働モードのいずれかにある廃熱回収装置（すなわち、熱交換器３３およびファン３４）と共に稼働することができねばならない。以下、これらの稼働条件の各々について考察する。

まず、廃熱源１２が稼働中で、廃熱源１３が停止され、およびファン３４が停止されていると仮定する。この条件では、排気口１４内の圧力は、周囲圧力よりも充分に高いが、ベンチュリ中央部２１内および低圧マニフォールド２７内の圧力は、外周囲よりも低く、放出通路２８内の圧力は、外周囲よりも高い。その結果、高温ガスは、逆止弁３１から放出され、ベンチュリ１７の中央部２１内の圧力が外周囲よりも低くてベンチュリ１８の中央部２４内の圧力がほぼ周囲圧力であるという理由によって、高温ガスは、マニフォールド２７内において、ベンチュリ中央部２１からベンチュリ中央部２４に向かって流れることがない。さらに、ファン３４における圧力が周囲圧力なので、ファン３４を通って周囲空気が引き込まれ、熱交換器３３を通って、ベンチュリ１７に流入し、逆止弁３１から流出する排ガスに混入される傾向がある。このようにして、非稼働の廃熱源１３または非稼働の熱交換機３３のいずれかにおける高温ガスの凝縮が防止される。

廃熱源１２が充分な速度で稼働し、廃熱源１３が充分な速度よりも低い速度で稼働し、ファン３４が動作していない稼働条件を考える。この条件では、それぞれのベンチュリ１７，１８によって生じる真空度は、対応する廃熱源の流速と関係する。すなわち、ベンチュリ１８における流速および真空度は、ベンチュリ１７における流速および真空度よりも低いので、マニフォールド２７における流れは、ベンチュリ１８からベンチュリ１７へ向かう。この条件では、逆止弁３２は、閉鎖されることも閉鎖されないこともある。何故なら、放出通路２９内の圧力は、外周囲よりも高いことが見込まれるが、ベンチュリ１７，１８内の圧力が異なるので、ベンチュリ１８内の流れの少なくとも一部がベンチュリ１７へ向かい、その結果、ベンチュリ１７の排気流れに混入され、逆止弁３１を通って放出されるからである。従って、どのような状況であっても、流れは、どの流れ絞り部の上流へも伝播することがなく、従って、排気源へ流入することがない。この特徴によって、稼働している排気源、低速で稼働している排気源、または稼働していない排気源のどのような組合せであっても、廃熱回収装置が連動して動作していないときに、ＡＤＣを生じないことが確実になる。

次に、１つまたは複数の廃熱源が稼働し、熱交換器３３によって熱を抽出するためにファン３４が動作している稼動条件を考える。この目的のために、ファン３４は、ベンチュリ１７，１８に生じる最大の局所的真空度を上回るのに充分な吸引をもたらすように、設計されている。この運転モードでは、逆止弁３１，３２の両方が閉じ、廃熱源１２，１３の各々からの排ガスが、ファン３４によって、ベンチュリ１７，１８からマニフォールド２７、さらに熱交換器３３へ引かれてから、大気へ放出される。この条件では、マニフォール２７内は常に負圧であるが、ファン３４が常にこの真空度を上回るので、ファン３４が動作している間、各廃熱源が稼働しているかまたは稼働していないかに関わらず、流れは常にその廃熱源から離れる方向に向かう。従って、この特徴によって、稼働している排気源、低速で稼働している排気源、または稼働していない排気源のどのような組合せであっても、廃熱回収装置がそれらと連動して動作しているときに、ＡＤＣを生じないことが確実になる。

熱交換器３３への流れの温度、濃度または露点を低減させるために、廃熱源からの排ガスを周囲空気で希釈することが、望ましい場合があることが認められている。これは、排気通路２８，２９に付随するバイパス弁３６，３７を用いることによって、容易に達成される。熱回収装置の動作時以外（すなわち、ファン３４がオフのとき）に、バイパス弁３６，３７は、開いている逆止弁３１，３２とそれぞれ並列に配置されているので、機能しない。しかし、ファン３４が動作しているとき、かつ１つまたは複数のバイパス弁３６，３７が開いているとき、真空が作用して、逆止弁３１，３２を閉鎖する。そのとき、大気が（１つまたは複数の）バイパス弁を通って流入し、ベンチュリおよびマニフォールド２７において、活動している排気源の流れと混合する。バイパス弁３６またはバイパス弁３７を適切に寸法決めするかまたは開度を制御することによって、排気口１４，１６における排気流れと大気弁における大気との間の種々の温度、濃度、または露点を、熱交換器３３の所望の流入状態と適合するように、生じさせることができる。

本発明を、図面に示される好ましい実施形態を参照して、具体的に図示説明したが、当業者であれば、特許請求項の範囲において定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、種々の詳細な変更がなされ得ることを理解するであろう。

本発明の一実施例による廃熱回収装置の概略図。

Claims (17)

1. 少なくとも１つの廃熱源と組み合わされる熱回収システムであって、前記少なくとも１つの廃熱源が、対応する装置内で凝縮すると前記装置にとって有害となる腐食元素を含む排ガスを有するような熱回収システムにおいて、
   前記少なくとも１つの廃熱源のそれぞれの１つに、該廃棄源からの排ガスの流れを導くために、流体的に接続された排気口と、
   前記排気口のそれぞれに流体的に接続されたベンチュリであって、前記ベンチュリを通る排ガスの流速を増加させることにより、前記ベンチュリ内の圧力を周囲圧力よりも低いレベルに減少させるように適合された、１つまたは複数のベンチュリと、
   前記１つまたは複数のベンチュリに流体的に接続され、周囲より低い圧力で排ガスの流れを受ける低圧マニフォールドと、
   前記マニフォールドに流体的に接続された熱交換器と、
   前記１つまたは複数のベンチュリに流体的に接続され、前記１つまたは複数のベンチュリからのガスを引き込み、前記マニフォールドおよび前記熱交換器を通して周囲に放出させるファンと、
   前記ベンチュリのそれぞれに流体的に接続され、前記１つまたは複数のベンチュリから周囲へのガスの放出を許容するが、前記１つまたは複数のベンチュリへの周囲空気の流入を阻止する逆止弁と、
   を備えることを特徴とする、熱回収システム。
2. 前記少なくとも１つの廃熱源が、複数の廃熱源からなり、前記複数の廃熱源のうち少なくとも１つが、前記複数の廃熱源の別の１つと異なる圧力で稼働することを特徴とする、請求項１に記載の熱回収システム。
3. 前記少なくとも１つの熱源が、複数の廃熱源からなり、前記複数の廃熱源のうち少なくとも１つは、別の１つが稼働している間に停止されることを特徴とする、請求項１に記載の熱回収システム。
4. 前記ファンが、高温ガスの流れを前記マニフォールドから前記ファンへ起こすために、前記マニフォールド内の低圧を上回るのに充分な吸引をもたらすように、設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱回収システム。
5. 前記ファンが動作していないとき、前記マニフォールド内の低圧が、周囲空気を前記ファンおよび前記熱交換器を通して引き込んで、前記１つまたは複数のベンチュリからの放出ガスに混入させるのに充分であることを特徴とする、請求項１に記載の熱回収システム。
6. 前記ベンチュリの少なくとも１つの下流に流体的に接続され、前記ファンの動作時に、周囲空気を前記少なくとも１つのベンチュリに流入させるために選択的に開口されるバイパス弁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱回収システム。
7. 複数の廃熱源から廃熱を抽出する装置であって、前記複数の廃熱源の少なくとも１つは、別の廃熱源が稼動しているときに稼働しない装置において、
   各々が前記熱源から延びて、各自の廃熱源からの高温ガスの流れを導く複数の排気口と、
   複数のベンチュリであって、各々が前記排気口の１つに流体的に接続され、周囲圧力よりも低いレベルに圧力を低減するように作用する複数のベンチュリと、
   前記複数のベンチュリの各々に流体的に接続され、前記複数のベンチュリ間を流体連通させる低圧マニフォールドと、
   前記マニフォールドに流体的に接続された熱交換器と、
   前記熱交換器に流体的に接続され、前記マニフォールドからガスを引き込んで周囲へ流出させるファンと、
   各々が前記ベンチュリの１つに流体的に接続され、前記ベンチュリから周囲へのガスの放出を許容するが、前記１つまたは複数のベンチュリへの周囲空気の流入は阻止する複数の逆止弁と、
   を備えることを特徴とする装置。
8. 前記複数の廃熱源のうち少なくとも１つが、前記複数の熱源の別の１つと異なる圧力で稼働することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記複数の廃熱源のうち少なくとも１つが停止され、別の１つが稼働することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
10. 前記ファンが、前記マニフォールドから前記ファンへの高温ガスの流れを生じさせるために、前記マニフォールド内の低圧を上回るのに充分な吸引をもたらすように設計されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
11. 前記ファンが動作していないとき、前記マニフォールド内の低圧が、前記ファンおよび前記熱交換器を通して周囲空気を引き込んで、前記１つまたは複数のベンチュリからの放出ガスに混入させるのに充分であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
12. 前記ベンチュリの少なくとも１つの下流端に取り付けられ、前記ファンの動作時に、周囲空気を前記ベンチュリ内に流入させるように選択的に動作するバイパス弁を備えることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
13. 廃熱回収の目的で、排気口から熱交換器へ高温ガスを放出するように適合された、少なくとも１つの廃熱源を有する廃熱回収システムにおける酸露点腐食を防止する方法であって、
    マニフォールド内のガスの圧力を周囲圧力よりも低いレベルに低減させるために、前記排気口とマニフォールドとを流体的に接続するベンチュリを設けるステップと、
    前記高温ガスを前記マニフォールドから前記熱交換器内に引き込んで、前記ファンに流入させて外周囲に放出させるために、前記熱交換器の下流にファンを設けるステップと、
    前記ファンの動作時以外に、高温ガスを前記ベンチュリから周囲へ放出させるために、前記ベンチュリの下流端に流体的に接続される逆止弁を設けるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記少なくとも１つの廃熱源が、複数の廃熱源からなり、前記複数の廃熱源のいずれか１つが、別の１つよりも低圧で稼働できることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの廃熱源が、複数の廃熱源からなり、前記複数の廃熱源の少なくとも１つが、別の廃熱源の稼動時に停止され得ることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記少なくとも１つの熱源が高温ガスを放出しているときに、前記マニフォールドが前記ファンおよび前記熱交換器を通して周囲空気を引き込んで前記ベンチュリからの放出ガスに混入させるために、前記ファンを停止させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記ファンの動作時に、前記ベンチュリへ流れる周囲空気を選択的に許容するために、前記ベンチュリの下流端にバイパス弁を設けることを含む、請求項８に記載の方法。

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