JP2012159074A - ディーゼル機関の排熱を利用した燃料油加熱供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型船舶では、推進機関にはディーゼル機関が主流で、燃料油としてはＣ重油が多く使用されている。Ｃ重油を燃料として使用するには、適正な粘度と適正な性状で供給することが必要で、適正な粘度と性状を維持するには、Ｃ重油を加熱して適正粘度に調整が必要で、適正な性状には、加熱して粘度を低くして清浄機で清浄する必要がある。小型船舶の燃料油供給システムにあっては、燃料油を適正粘度にするのに電気ヒーターを使用する加熱ステムに於いて、燃料油加熱処理を、省エネ化、省スペースで、且つ、低コスト可能なものとする。
【解決手段】小型船舶の燃料油加熱供給システムにおいて、ディーゼル機関における排気ガス及び高温冷却水を利用してＣ重油を加熱する。
【選択図】図４

Description

この発明は、ディーゼル機関の燃料油としてＣ重油を使用場合には、適正粘度に調整するためのＣ重油を加熱を、ディーゼル機関の排気ガス及び高温冷却水の排熱を利用した燃料油加熱供給システムに関する。

小型船舶では、推進機関にはディーゼル機関が主流で、燃料油としてはＣ重油が多く使用されている。Ｃ重油を燃料として使用するには、適正な粘度と適正な性状で供給することが必要で、適正な粘度と性状を維持するには、Ｃ重油を加熱して適正粘度に調整が必要で、適正な性状には、加熱して粘度を低くして清浄機で清浄する必要がある。

小型船舶に採用されるディーゼル機関に使用されるＣ重油は、良好な燃料噴射、燃焼を得るためには、機関によって幾分異なるが一般には、燃料噴射時の粘度を１６〜１８ｍｍ２／ｓ（５０℃）程度に調整する必要があり、適正粘度にするには１１２℃〜１０８℃の範囲で温度管理が必要で、熱源には、蒸気ボイラー、熱媒体ボイラー、及び、電気ヒーター等が使用されている。

大型船舶では、Ｃ重油を加熱するのに蒸気が一般に使用されている。しかし、蒸気を発生するには、補助ボイラー、排ガスエコノマイザー、給水ポンプ、カスケードタンク、ドレンクーラー等の機器、および、蒸気管、蒸気ドレン管の配管が必要で、大きな場所と費用が必要である。

小型船舶では乗組員も少なく、省人化と省スペース化からＣ重油を加熱する熱源として、発電機の容量を大きくした電気ヒーター加熱方式が多く採用され、加熱に必要な電力量は、航海電力の中で大きな部分を占めている。また、この加熱方式では、Ｃ重油の高粘度化が進むと、電気ヒーターの消費電力が益々多く必要で、現存船では対応できない状況も生ずる。

国内で運行されている内航船は、ディーゼル機関の燃料油にＣ重油を使用されている船舶は約４０００隻といわれているが、その中でも、機関室が狭く電気ヒーター加熱方式が採用された総トン数４９９トン〜総トン数７４９トン型貨物船は、約１０００隻が運航されているが、内航船全体隻数の３０％を占める。

従来の小型船舶における燃料油温度管理については、機関の種類、製造メーカーで幾分異なるので、「内航船４サイクル主機関の燃料油及び潤滑油に関するガイドライン」に沿って、図１、図２の概略系統により説明する。
図において、縦軸１はＣ重油の加熱温度を、横軸２は加熱過程を示し、燃料油澄タンク３では６５℃、清浄機加熱器４では９５℃、燃料油常用タンク５では９０℃、燃料油加熱器６では１１３℃で機関入口７では１０８℃と燃料油澄タンク３から始まり機関入口７までと順次加熱され８，９は配管途中の放熱による温度低下を表している。

従来の小型船舶における燃料油加熱供給システムを、内舶船の代表船である総トン数４９９トン型貨物船（積載トン数１６００Ｋｔ、機関１３００ｋＷ）で採用されている概略系統を、図２により説明する。

燃料油加熱供給システムは燃料油清浄系統と燃料油供給系統で構成されている。燃料油清浄系統を、図をもちいて説明すると、燃料油澄タンク１０には、７Ｋｗ電気ヒーター１１が設置され、設定温度６５℃まで加熱されたＣ重油は、管１４により燃料油清浄機１２付移送ポンプ１３に供給され、燃料油清浄機１２の処理量は弁１７により処理能力１／２〜１／３に調整され、処理されないＣ重油は余剰Ｃ重油として燃料油澄タンク１０に管１６経由して返される、処理するＣ重油は、移送ポンプ１３から管１５より清浄機加熱器１８の１０ｋＷ電気ヒーター１９で９５℃まで加熱し、管２０経由して燃料油清浄機１２に供給され、清浄したＣ重油は、管２１を経由しで該燃料油常用タンク２２に供給する。

該燃料油常用タンク２２には４ｋＷ電気ヒーター２３が設けられ、Ｃ重油を９０℃に加熱保温され、供給量が燃料油消費量より多いために該燃料油澄タンク１０にオーバフロー管２４を経由して戻される。

燃料油供給系統は、該燃料油常用タンク２２のＣ重油は、管２５により燃料油供給ポンプ２６に燃料消費量が供給され、さらに、該燃料油供給ポンプ２６から管２７により燃料油加熱器２８の１２ｋＷ電気ヒーター２９により１１３℃まで加熱して管３０経由して、ディーゼル機関３１に接続され、適正粘度に対応した温度１０８℃に加熱した状態でＣ重油が供給される。

ディーゼル機関３１からは、該燃料油供給ポンプ２６の供給量からディーゼル機関３１の燃料消費量が差引かれた余剰Ｃ重油が管３２を経由して、エアセパレーター３３に供給される。

該エアセパレーター３３では、Ｃ重油内のガスを分離し、管３４は、管２５に接続され、該燃料油常用タンク２２からのＣ重油と、エアセパレーター３３からのＣ重油と合計した量が該燃料油供給ポンプ２６に至る系統である。

特開平０９−５８５９４ 船舶の燃料供給ユニット 特許出願２００６−１６８０９４ 燃料油供給装置 特開平０７−３１７６１４ 燃料油移送装置 登録実用新案 ３０１７３６６ 船舶の燃料供給ポンプ

商船機関部設計マニュアル 配管系統 社団法人 日本舶用機関学会 研究委員会報告 Ｎｏ．８７、 昭和５３年１２月 内航船４サイクル主機関の燃料油及び潤滑油に関する ガイドライン 社団法人 日本舶用工業会 平成２１年１月

ディーゼル機関で使用するＣ重油は、前記に述べたように適正な粘度と適正な性状とするには加熱装置する必要がある。Ｃ重油を加熱するには、蒸気エコノマイザー、熱媒体油エコノマイザーを使用した省エネ化システムはあるが、小型船舶では非常に狭くて省エネ化を犠牲にしてもＣ重油を加熱するために多くの機器や配管が減少する省スペース化を考えた加熱に必要な電力量をディーゼル機関駆動の発電機容量で賄っている電気ヒーター加熱方式が主流となっている。

しかし、使用Ｃ重油の高粘度化が進む燃料油状況では、適正粘度にするには益々加熱温度が高く設定することになり、大きい容量の電気ヒーターが必要とする加熱する方式では、必要な電力量をディーゼル発電機容量で賄っている状況では発電機の容量も大きくする必要があり、近年の省エネを目指す状況とはかけ離れていくことが危惧される。

先に述べた船舶の例では、ディーゼル発電機で航海中消費電力量１３０ｋＷ／ｈで運転されている状況下、２５％にあたる３３ｋＷ／ｈがＣ重油加熱に費やしている。高粘度化する燃料油状況では発電機は大きくなり、益々燃料消費量も多大となり、現存船では対応できない状況も生ずる。しかも、世界的に環境問題が重要課題としている時代に、省エネ化に逆行するシステムでは良い方式として認められない。蒸気エコノマイザー、熱媒体油エコノマイザーを使用したシステムのように、多くの機器が増えるものでは、省エネ化システムを採用するには、貨物積載場所を犠牲にしなければならない状態では経済的にも成立しない。そこで、省スペースを保ちながらＣ重油の加熱に対応出来る省エネ化システムが課題である。

ディーゼル機関の排ガス管途中に装備された排ガス熱交換器内部を熱媒油は、流れ、排ガス熱により加熱されて、管により熱媒油循環ポンプを経由して熱媒油熱加熱器１次側入口に管で供給され、１次側出口から管により該排ガス熱交換器入口に供給され、循環する第１系統。

燃料油常用タンク内のＣ重油は、管で燃料油供給ポンプに供給され、管により該熱媒油熱交換器２次側入口に供給され、該熱媒油熱交換器内部で１次側の該熱媒油との間で熱交換され加熱されて、２次側出口より管により清浄機燃料加熱器１次側入口に供給され、１次側出口から、管によりディーゼル機関にＣ重油が供給され、該ディーゼル機関で消費された残りの余剰Ｃ重油は、管によりエアセパレーター入口に接続され、出口から管により該燃料油供給ポンプ入口に供給された燃料油供給系統と、燃料油澄タンクのＣ重油は、管を経由して清浄機移送ポンプに供給され、管により該清浄機燃料加熱器２次側入口に供給され、該熱媒油熱交換器内部で１次側の該Ｃ重油との間で熱交換され加熱された２次側Ｃ重油は、２次側出口より管により燃料油清浄機に供給され、清浄されて、管により燃料油常用タンクに供給する燃料油清浄系統の第２系統。

デーゼル機関の高温冷却水出口より該燃料油澄タンク内に装備した温水加熱器及び燃料油常用タンク内に装備した温水加熱器に並列に配管し、温水を給水し、それぞれの該温水加熱器から配管を高温冷却水冷却器に接続した第３系統。第１系統、第２系統、第３系統から構成されるディーゼル機関の排熱で燃料油を加熱する燃料油加熱供給システム。

排ガス熱交換器では、機関排気管の内周壁に排気ガスの流れ方向に放射線状に全周にリブを配置し溶接固着し、排気管外周側と間隙を保った管筒の両端部に壁を設け、排気管、両端部壁、管筒に囲まれた内部は油蜜とした区画内には、放射線状に全周、等間隔に配置したリブを排気ガスの流れ方向に配置し、両端部が壁に接した油蜜壁を設け、油蜜壁を対象にして、管筒の両端部に熱媒油入口及び熱媒油出口を設け、交互に開口を有するリブを放射線状に全周に配置し、熱媒油の流れを交互に反転した状態で該熱媒油入口から該熱媒油出口までに至る間を熱媒油が流れる通路を形成する構造とすることで、熱媒油が通路で反転を繰り返し乱流とすることで熱伝達効率を上げる。

該燃料油供給ポンプでは、ディーゼル機関の燃料消費量の２倍以上の容量としたことで、清浄機燃料加熱器で２次側のＣ重油を必要熱量加熱する時に、１次Ｃ重油の高温化を防ぐように循環燃料油を多くする

この燃料油加熱供給システムでは、Ｃ重油の加熱処理をディーゼル機関の排熱を利用することで、従来の電気ヒーターで使用していた電力が必要としない、航海中の発電機の燃料油消費量が大きく減少する。また、Ｃ重油加熱過程で燃料油澄タンク内Ｃ重油は、該燃料油澄タンク内に温水加熱器を設け、ディーゼル機関の高温冷却水を通し、排水熱で加熱し、燃料油澄タンクから出たＣ重油の加熱には、ディーゼル機関の排ガス熱を利用することで分担加熱することで、排ガス熱媒体加熱器での設備が少なくてよく、装置として機械的稼動部も少なく、排気管の外周に設備していることで内部ガスから隔離され、排ガス熱媒油加熱器では熱媒油を使用しているために高温排ガスの接触部は排ガス温度に対応した熱媒油を選択することで、熱媒油の寿命も長くなる。熱媒油循環ポンプが停止した場合でも安全で、メンテナンスが簡単で、操作も容易である。

ディーゼル機関から得た熱エネルギーは熱媒油を燃料油熱交換器を介して、燃料油のＣ重油を加熱し、熱媒体油として使用することで、高い加熱温度を必要とする機器から順に通過させ、低い加熱温度でよい機器は末端に配管を行い、加熱の仕事を終わったＣ重油は燃料油供給ポンプに戻り、循環を行う、配管は、前記で説明した熱媒油回路である第１系統を陸上でモジュール化すれば、船内で熱媒油配管も必要でなく、従来の電気ヒーター加熱方式と配管もほとんど同じ燃料油配管となる。

従来の電気ヒーター加熱方式で発電機の出力を高くして燃料油を加熱した方式に比べ発電機の出力も小さくすることが可能で発電機に費やしていた燃料油の消費量も減少省エネ化が進み、電気設備も減少し、設備費用も削減できる。また、装置も単純で、省スペース、低コスト、省エネルギーなシステムが提供できる。

従来の小型船舶における燃料油の温度管理図である。 従来の小型船舶における燃料油加熱供給システムの概略系統図である 本発明の実施形態に係る燃料油加熱供給システムの燃料油の温度管理図である。 本発明の実施形態に係る燃料油加熱供給システムの概略系統図である。 本発明の実施形態に係る排ガス熱交換器の長さの中央断面図である。 本発明の実施形態に係る排ガス熱交換器の正面図である。 本発明の実施形態に係る排ガス熱交換器のリブ７９の配置を示す縦断面である。 本発明の実施形態に係る排ガス熱交換器内での熱媒油の流れ表した排気管の部分展開図である。

本発明の燃料油加熱供給システムのポイントは、燃料油であるＣ重油を、燃料油澄タンクの設定温度までの加熱を高温冷却水で行い、燃料油澄タンクの設定温度から敵正粘度までに至る加熱とＣ重油を清浄可能とする粘度に加熱をディーゼル機関からの排熱を利用して行うシステムである。

以下、本発明の実施の形態として、一実施例を図３〜図６に基づいて説明する

図３、図４により加熱過程を説明すると、縦紬１ｂはＣ重油の加熱温度を、横軸２ｂは加熱過程を示し、温度設定の基準は、ディーゼル機関３５入口温度１０８℃が基準点から加熱過程を逆算すると、清浄機燃料加熱器５２の温度降下量Ｔ０は、燃料油供給ポンプ４７の容量を燃料消費量の２．５倍とした７５０Ｌ／ｈとして、清浄機処理量を燃料消費量の１．２倍３６０Ｌ／ｈで、加熱温度は燃料油澄タンク設定温度７５℃から清浄機加熱温度９５℃迄、熱交換効率を０．９で計算すると、
Ｔ０＝３６０×２０／７５０／０．９＝１０．７≒１１
清浄機燃料油加熱器５９の入口５３の温度ａ３は基準点温度＋管放熱温度＋Ｔ０は、基準点ａ５は１０８℃と管放熱を５℃で、Ｔ０が１１℃で、合計１２４℃となり、ａ２は１２９℃で、ａ１は燃料油常用タンク５７の設定温度９０℃となる。

基準点から燃料油供給ポンプまでは、過程でエアセパレーター５８入口の温度ａ６は１０３℃であり、燃料油常用タンク５７の設定温度より高く、エアセパレータ５８を燃料油常用タンク５７の中に貫通して設ければ、エアセパレーター５８の放熱で、燃料油常用タンク５７の設定温度９０℃は保つことが出来る。

Ｃ重油はａ７では燃料油常用タンク５７の設定温度９０℃で燃料供給ポンプでは管放熱を考えてａ８は８５℃となる。ａ８＝ａ１である。排ガス熱交換器での能力は７５０Ｌ／ｈのＣ重油を８５℃から１２９℃まで加熱できればよいことになる。デーセル機関３５での排ガスでの熱回収は燃料油熱交換器４１での２次回路での出力は７５０Ｌ／ｈのＣ重油を８５℃から１２９℃まで加熱容量となる。

燃料油供給ポンプ４７の供給量を３００Ｌ／ｈとした場合 Ｔ０は、
Ｔ０＝３６０×２０／３００／０．９＝２６．７℃≒２７℃
ａ２の温度は１４５℃となる。
ディーゼル機関の排気ガス温度は３５０℃から２５０℃と近年温度低下傾向にあるので、Ｃ重油加熱温度が低くて容量多くして熱回収する方が効率的である。

図４に従い、小型船舶の燃料油加熱供給システムの概略系統図を説明する。
燃料油加熱供給システムでは、次の３系統から構成され、第１系統は、排気ガスの熱で熱媒油を加熱する回路で、ディーゼル機関３５の排気ガスが通過する排気管３６の途中に排ガス熱交換器３７を設け、排気ガスにより加熱された熱媒油は、該排ガス熱交換器３７から管３８で熱媒油循環ポンプ３９に供給され、管４０にて燃料油熱交換器４１の１次熱媒油入口４２に接続し、１次熱媒油出口４３から該排ガス熱交換器３７まで管４４にて熱媒油を供給、循環する回路である。

第２系統は、燃料油常用タンク５７のＣ重油は、管４６にて燃料消費量を燃料油供給ポンプ４７に供給され、管４８で該燃料油熱交換器４１の２次側入口４９に接続供給され、加熱されたＣ重油は、２次側出口５０より管５１を通り清浄機燃料加熱器５２の１次側入口５３に供給され、１次出口５４から管５５によりディーゼル機関３５に供給され、消費されて、管５６により燃料油常用タンク５７を貫通して設けられたエアセパレータ５８供給され、管５９により管４６に接続して該燃料油給油ポンプ４７に至る燃料油供給回路と、

燃料油澄タンク６０内のＣ重油は、管６１により清浄機移送ポンプ６２に供給され、管６３により、該清浄機燃料加熱器５２の２次入口６４から供給され、１次側Ｃ重油との間で熱交換し加熱されたＣ重油は、２次側出口６５からＣ重油は管６６にて燃料油清浄機６７に送られ、清浄後、管６８を経由して燃料油常用タンク６０に供給される燃料油清浄回路から成る。

第３系統は、低温部の加熱する回路で、ディーゼル機関３５の高温冷却水出口６９から該燃料油澄タンク６０の温水加熱器７１と、該燃料油常用タンク５７の温水加熱器７０と並列に管７２により接続され、温水加熱器７０、７１からの温水は管７３にて高温冷却水クーラ（図示無）に接続する回路である。

ディーゼル機関３５の高温冷却水は、出口温度約８０℃で制御され、この排水熱を燃料油常用タンク５７と燃料油澄タンク６０のＣ重油の加熱、保温に使用することで、特に、燃料油澄タンク６０の設定温度は排気ガスによるＣ重油の加熱のスタート点であり、清浄機燃料加熱器５２の加熱量が少なくなることは燃料油熱交換器の能力が少なくてよい。排ガス熱から回収装置がコンパクトとすることが出来る。ディーゼル機関３５の高温冷却水は利用はコストが少なくて熱回収も容易である。

図を用いて排ガス熱交換器３７を説明をすると、図５に示すように、排気管３６の内面に、排気ガス流れ方向に放射線状にリブ９６を全周に等間隔で配置する。

図５、図６に示すように、排気管３６外周に間隙を保った管筒７５の端部に壁７６を、その反対の端部に壁７７を設け、排気管３６、壁７６を、壁７７及び管筒７５に囲まれた内部は油蜜とした区画７８内には、放射線状に全周に、等間隔に配置したリブ７９を排気ガス流れ方向９０に配置した。

図７、図８に示すように、リブ７９は、ａａ断面に、示すように、一端は壁７６に接し、壁７７側に開口９１したリブ７９ａとｂｂ断面に示すように、一端は壁７７に接し、壁７６側が開口９１したリブ７９ｂを交互に円周方向配置し、ｃｃ断面に示すように、両端部が壁７６と壁７７に接した油蜜壁８０を設け、油蜜壁８０を対象配置し、管筒７５の両端部に熱媒油入口７８及び熱媒油出口７９を設け、熱媒油の流れを交互に反転を繰り替えしをする状態で該熱媒油入口８１から該熱媒油出口８２までに至る間を熱媒油が流れる通路８３を形成する構造とする。熱媒油が通路８３で反転を繰り返し乱流とすることで熱伝達効率を上げた。

３５ ディーゼル機関
３６ 排気管
３７ 排ガス熱交換器
３８、４０、４４ 熱媒管、
４６、４８、５１、５５、５６、５９ Ｃ重油
６１、６３、６６、６８、Ｃ重油
７２，７３、高温冷却水管
４７ 燃料油供給ポンプ
５８ エアセパレータ
５７ 熱媒油常用タンク
６０ 燃料油澄タンク
６２ 清浄機移送ポンプ
５２ 清浄機燃料加熱器
６７ 燃料油清浄機
７０、７１、温水加熱器
７５ 管筒
７６、７７ 壁
８１ 熱媒油入口
８２ 熱媒油出口
７９、７９ａ、７９ｂ リブ
８０ 油密壁
８３ 通路（熱媒油通路）

Claims (3)

1. ディーゼル機関の排ガス管途中に装備された排ガス熱交換器内部を熱媒油は、流れ、排ガス熱により加熱されて、管により熱媒油循環ポンプを経由して熱媒油熱加熱器１次側入口に管で供給され、１次側出口から管により該排ガス熱交換器入口に供給され、循環する第１系統と、燃料油常用タンク内のＣ重油は、管で燃料油供給ポンプに供給され、管により該熱媒油熱交換器２次側入口に供給され、該熱媒油熱交換器内部で１次側の該熱媒油との間で熱交換され加熱されて、２次側出口より管により清浄機燃料加熱器１次側入口に供給され、１次側出口から、管によりディーゼル機関にＣ重油が供給され、該ディーゼル機関で消費された残りの余剰Ｃ重油は、管によりエアセパレーター入口に接続され、出口より管により該燃料油供給ポンプ入口に供給された燃料油供給系統と、燃料油澄タンクのＣ重油は、管を経由して清浄機移送ポンプに供給され、清浄機移送ポンプから管により該清浄機燃料加熱器２次側入口に供給され、１次側のＣ重油との間で熱交換され加熱された２次側Ｃ重油は、２次側出口より管により燃料油清浄機に供給され、清浄されて、管により燃料油常用タンクに供給する燃料油清浄系統の第２系統と、デーゼル機関の高温冷却水出口より該燃料油澄タンク内に装備した温水加熱器及び燃料油常用タンク内に装備した温水加熱器に並列に配管し、温水を給水し、それぞれの該温水加熱器から配管を高温冷却水冷却器に接続した第３系統から構成され、Ｃ重油をディーゼル機関の使用できる最適粘度に至る温度に加熱するのに排熱を利用することを特徴とした燃料油加熱供給システム。
2. 前記排ガス熱交換器では、機関排気管の内周壁に排気ガスの流れ方向に放射線状に全周にリブを配置し溶接固着し、排気管外周側と間隙を保った管筒の両端部に壁を設け、排気管、両端部壁、管筒に囲まれた内部は油蜜とした区画内には、放射線状に全周、等間隔に配置したリブを排気ガスの流れ方向に配置し、両端部が壁に接した油蜜壁を設け、油蜜壁を対象にして、管筒の両端部に熱媒油入口及び熱媒油出口を設け、交互に開口を有するリブを放射線状に全周に配置し、熱媒油の流れを交互に反転した状態で該熱媒油入口から該熱媒油出口までに至る間を熱媒油が流れる通路を形成する構造とすることで、熱媒油が通路で反転を繰り返し乱流とすることで熱伝達効率を上げることで熱伝達効率を上げる請求項１記載のディーゼル機関の排熱を利用した燃料油加熱供給システム。
3. 前記燃料油供給ポンプでは、ディーゼル機関の燃料消費量の２倍以上の容量としたことで、清浄機燃料加熱器で２次側のＣ重油を必要熱量加熱する時に、１次Ｃ重油の高温化を防ぐように循環燃料油を多くする請求項１記載のディーゼル機関の排熱を利用した燃料油加熱供給システム。

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