JP2013545937A - 過給機が設けられた船舶の吸入空気冷却システム - Google Patents

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Abstract

過給機が設けられた船舶の吸入空気冷却システムが開示される。本発明の実施形態による船舶の吸入空気冷却システムは、船舶の吸入空気冷却システムにおいて、エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、吸入空気が流入される前段及び圧縮された吸入空気をエンジン側に供給するための後段を含む過給機と、過給機で圧縮された吸入空気と過給機を通過した排ガスとのうち何れか1つ以上を冷却させ、吸入空気または排ガスの流れによって配される1つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含む。

Description

本発明は、吸入空気冷却システムに係り、より詳細には、過給機が設けられた船舶の吸入空気冷却システムに関する。
一般的な船舶には、船舶の推進動力及び船舶で使われる電力生産のような多数の目的のために、ディーゼルエンジン(Diesel Engine)のような内燃機関が設けられる。
前記内燃機関の場合、一般的に、燃料の吸入、圧縮、爆発及び排気の行程を用いて、動力を生成する。この際、燃料の吸入過程において、燃料と共に内燃機関の内部に吸入空気(Intake Air)が流入されるが、前記吸入空気の圧力を上昇させることによって、前記内燃機関の効率が上昇しうる。
したがって、最近、前記吸入空気の圧力を上昇させて、前記内燃機関に多量の前記吸入空気を供給するための過給機が設けられた船舶が多数提案されている。
前記過給機による吸入空気圧縮方式は、前記内燃機関のクランク軸に歯車を噛み合って機械的に駆動するスーパーチャージャー(Supercharger)方式及び前記燃焼機関から発生する排ガスを利用した排気タービンで駆動されるターボチャージャー(Turbocharger)方式がある。
図1には、ターボチャージャー方式によって吸入空気を圧縮させる過給機が設けられた船舶の一例が示される。
前記船舶の内燃機関、すなわち、エンジン310から一定圧力及び温度の排ガスEが排出されれば、排ガスEは、過給機100に供給される。
この際、過給機100に供給された排ガスEのエネルギーによって、過給機100の排気タービン111では、回転力が発生し、前記回転力を排気タービン111と連結された圧縮タービン112に伝達される。そして、圧縮タービン112は、前記回転力を用いて、外部吸入空気aを圧縮して、エンジン310に供給する。
一方、過給機110での吸入空気aの圧縮過程で、吸入空気aは、断熱圧縮過程によって圧縮される。したがって、圧縮後の吸入空気aの温度、すなわち、過給機110の後段側吸入空気aの温度は、より圧縮前の吸入空気aの温度、すなわち、過給機110の前段側吸入空気aの温度よりも上昇する。
この際、一般的に、前記内燃機関であるエンジン310に供給される吸入空気aの温度が高くなるほど、エンジン310の効率は減少する関係にあるので、過給機110を経た後段側吸入空気aの温度の上昇によって、エンジン310の効率が減少する問題が発生する。
また、前記船舶が、熱帯地方のような高温の環境で運航する場合、過給機110の前記前段側から吸入空気aの温度が上昇した状態で、圧縮されることによって、エンジン310の効率がさらに低下する問題が発生する。
本発明の目的は、前記吸入空気を冷却させて、前記エンジンに供給することによって、前記エンジンの効率を上昇させる船舶の吸入空気冷却システムを提供することである。
本発明の実施形態の一側面によれば、エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか1つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される1つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、を含む船舶の吸入空気冷却システムが提供される。
また、前記冷却部は、前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う第1作動流体が循環される第1冷却ユニットと、前記第1冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う第2作動流体が循環される第2冷却ユニットと、を含みうる。
また、前記冷却部の前記第2冷却ユニットには、前記吸収式冷却装置を流動する前記第2作動流体と前記船舶外部の海水とのうち1つ以上が流動しうる。
また、前記第2冷却ユニット及び前記吸収式冷却装置の間に設けられて、前記第2作動流体が流動し、前記第2作動流体の流動を選択的に開放または遮蔽するための1つ以上のメイン弁が設けられる第2作動流体流路と、前記第2作動流体流路のうち、前記第2冷却ユニット及び前記メイン弁の間の位置に接続され、前記船舶外部の海水が流動し、前記海水の流動を開放または遮蔽するための1つ以上の補助弁が設けられる補助循環流路と、をさらに含みうる。
また、前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第3作動流体が循環される第3冷却ユニットをさらに含みうる。
また、前記第3作動流体と海水の熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、前記第3冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第1冷却ユニット及び前記第2冷却ユニットによる冷却と独立して行われる。
また、前記第1冷却ユニットに前記第1作動流体を供給するための第1作動流体流路には、前記第3作動流体が循環される第3作動流体循環流路が連結され、前記第1作動流体流路のうち、前記第3作動流体循環流路が接続される部分には、前記第1冷却ユニットに対して選択的に前記第1作動流体の供給を遮断し、前記第3作動流体の供給を行うための切替弁をさらに含みうる。
また、前記第2冷却ユニットに前記第2作動流体を供給するための第2作動流体流路には、前記海水が循環される海水循環流路が連結され、前記第2作動流体流路のうち、前記海水循環流路が接続される部分には、前記第2冷却ユニットに対して選択的に前記第2作動流体の供給を遮断し、前記海水の供給を行うための切替弁をさらに含みうる。
また、前記第3冷却ユニットは、前記第1冷却ユニットと前記第2冷却ユニットとの間に配され、前記第2冷却ユニットに流れる前記第2作動流体の温度は、前記第3冷却ユニットに流れる前記第3作動流体の温度よりも低く形成されうる。
また、前記吸収式冷却装置は、冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記第2作動流体を冷却させる蒸発器と、前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、前記熱源として供給される前記過給機から排出された前記吸入空気を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、を含みうる。
また、前記吸収式冷却装置は、前記第2冷却ユニットに供給される前記第2作動流体の温度をセンシングするための温度センサーをさらに含みうる。
また、前記冷却部は、前記排ガスを冷却させるための第1作動流体が流動する第1冷却ユニット及び前記圧縮された吸入空気を冷却させるための第2作動流体が流動する第2冷却ユニットを含み、前記第1冷却ユニットは、前記過給機から前記排ガスが排出される排気マニホールド上に配されて、前記排ガスが、前記第1作動流体と熱交換させ、前記第2冷却ユニットは、前記過給機と前記エンジンとの間に配されて、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記第2作動流体とを熱交換させうる。
また、前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第3作動流体が循環される第3冷却ユニットをさらに含みうる。
また、前記第3作動流体と前記船舶外部の海水との熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、前記第3冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第1冷却ユニット及び前記第2冷却ユニットによる冷却と独立して行われる。
また、前記第1冷却ユニットは、前記排ガスと熱交換して蒸気を生成させる低圧蒸気発生器であり得る。
また、前記吸収式冷却装置は、前記冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記作動流体を冷却させる蒸発器と、前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、前記熱源として供給される前記排ガスの一部を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、を含みうる。
また、前記冷却部は、前記過給機から前記エンジンへの前記吸入空気の流動のための吸入空気流路が形成され、前記吸入空気流路に沿って配される前記1つ以上の冷却ユニットが設けられる冷却部本体を含みうる。
また、前記1つ以上の冷却ユニットは、前記冷却部に着脱自在に設けられるようにカートリッジ形態に形成されうる。
また、前記冷却部と前記エンジンとの間に設けられ、前記冷却部を経て冷却された圧縮空気から発生する凝結水を処理するための凝結水処理装置をさらに含みうる。
本発明の実施形態によれば、吸収式冷凍機を用いて、船舶のエンジンに供給される吸入空気を冷却することによって、エンジン効率を上昇させることができる。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気を冷却させるための吸収式冷却装置が、前記吸入空気から熱源を得て駆動されることによって、吸収式冷却装置の駆動のための別途の熱源が要求されず、吸入空気を冷却させるための冷却システムのエネルギー効率が上昇する。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気が、前記エンジンに供給される過程で、複数の段階を経て冷却されることによって、一回で前記吸入空気を冷却させる場合に比べて、前記吸入空気の冷却効率が上昇する。
従来の過給機が設けられた船舶の構成を示す図である。 吸入空気の温度とエンジンの効率との間の関係を示す図である。 本発明の第1実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの構成を示す図である。 図3の吸入空気冷却システムの吸収式冷凍機の構成を示す図である。 本発明の実施形態による吸入空気冷却システムの冷却部の構成を示す図である。 本発明の第2実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。 本発明の第3実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。 本発明の第4実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。
図2は、吸入空気の温度とエンジンの効率との間の関係を示す図である。
図2を参照すると、ディーゼルエンジンのような内燃機関に供給される吸入空気の温度が上昇するほど、前記内燃機関の燃料効率を示す燃料消費率(SFOC)も上昇する。
この際、前記燃料消費率は、燃料消費量の仕事当量を意味するものであって、前記燃料消費率が増加するほど、前記内燃機関で同一の仕事量を生成させる燃料の消費量が増加するので、前記内燃機関の効率は減少する。
すなわち、前記吸入空気の温度と前記内燃機関の熱効率は、反比例の関係にあるので、前記内燃機関の熱効率を増加させるためには、前記内燃機関に供給される前記吸入空気の温度の減少が要求される。
以下、前記内燃機関に供給される前記吸入空気の温度を減少させるための本実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの構成を詳しく説明する。
図3は、本発明の第1実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの構成を示す図であり、図4は、図3の吸入空気冷却システムの吸収式冷凍機の構成を示す図である。
まず、図3を参照すると、本実施形態による船舶の吸入空気冷却システム1は、過給機100と、吸収式冷却装置200と、補助冷却装置400と、冷却部500と、を含む。
より詳しく、過給機100は、エンジン300から生成される排ガスの一部Eを用いて、吸入空気aを圧縮するターボチャージャー方式の過給機からなり、排ガスの一部Eが供給されて回転力を発生させる排気タービン101と、排気タービン101と連結されて、前記回転力を伝達されて、外部の吸入空気aを圧縮してエンジンに供給する圧縮タービン102と、を含む。
そして、過給機100には、圧縮タービン102を基準に、外部から吸入空気aが流入される前段及び圧縮タービン102で圧縮された吸入空気aがエンジン300に向けて流出される後段が形成される。
過給機100で圧縮された吸入空気aは、エンジン300に供給され、圧縮された吸入空気aを供給されたエンジン300は、大気圧状態の吸入空気aが供給される場合に比べて、過量の圧縮空気aを供給されることによって、その効率が上昇しうる。
一方、過給機100dで吸入空気aの圧縮時に、吸入空気aは、断熱圧縮過程によって圧縮されることによって、その温度が上昇し、温度が上昇した吸入空気aが、そのままエンジン300に供給される場合、前述したように、エンジン効率の低下が発生しうる。
したがって、本実施形態による過給機100とエンジン300との間には、過給機100で圧縮された吸入空気aを冷却させるための冷却部500が設けられる。
冷却部500は、吸入空気aの流れによって配される複数個の冷却ユニット510、520、530を含み、冷却ユニット510、520、530には、前記吸収式冷却装置200及び前記補助冷却装置400から冷却された作動流体w1、w2、w3が循環されて、吸入空気aがエンジン300に流動する過程で冷却されるようにする。
冷却ユニット510、520、530は、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530に配され、第1冷却ユニット510は、過給機100に最も隣接され、第2冷却ユニット520は、第1冷却ユニット510の後側に位置される。そして、第3冷却ユニット530は、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520の間に配される。
この際、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520には、それぞれ吸収式冷却装置200から冷却された第1作動流体w1及び第2作動流体w2が供給及び循環され、第3冷却ユニット530には、補助冷却装置400から冷却された第3作動流体w3が供給及び循環される。
一方、吸収式冷却装置200は、冷却部500の第1冷却ユニット510を通じて循環される第1作動流体w1から熱源を供給され、第2冷却ユニット520を通じて循環される第2作動流体w2から低温熱源を供給されて、冷却動作を行う。吸収式冷却装置200の構成に関する詳細な説明は、以下で説明する。
そして、補助冷却装置400は、吸収式冷却装置200と別途に設けられ、補助作動流体w4が循環される海水循環流路420及び海水循環流路420と熱交換可能に設けられ、第3作動流体w3が循環される第3作動流体循環流路410を含む。この際、補助作動流体w4は、外部の海水であり得る。
すなわち、補助冷却装置400では、海水循環流路420を循環する補助作動流体w4によって第3冷却ユニット530を経て加熱された第3作動流体w3が冷却されうる。
以下、吸収式冷却装置200の構成について詳しく説明する。
図4を参照すると、吸収式冷却装置200は、冷媒を用いて第1作動流体w1及び第2作動流体w2を冷却させるために設けられたものであって、蒸発器210、吸収器220、再生器230及び凝縮器240を含む。
蒸発器210は、冷媒の蒸発潜熱を用いて、船舶用燃料を冷却させる作動流体を冷却させるために設けられたものである。本実施形態では、冷媒Rとして清水(fresh water)が使われうるが、これに限定されるものではない。
一方、前記蒸発器210内には、第2作動流体流路251が設けられる。前記第2作動流体流路251を通じて蒸発器210の内部を通過する第2作動流体w2は、蒸発器210内での冷媒Rの蒸発潜熱によって冷却される。第2作動流体w2としては、一例として、清水のような多様な冷却媒介体が使われる。
また、蒸発器210の下部には、冷媒ポンプ216が設けられて、蒸発器210内の下部に凝結される液状の冷媒Rを冷媒パイプ212を通じて蒸発器210の上部に供給する。蒸発器210の上部に供給された冷媒R、すなわち、清水は、蒸発器210内でノズルを通じて作動流体循環流路251に向けて噴射されると同時に、蒸発する。
そして、冷媒Rの蒸発過程で冷媒Rに吸収される蒸発潜熱によって、第2作動流体流路251内で流動する第2作動流体w2が冷却されうる。
この際、蒸発器210の内部圧力が、一例として、6.5mmHgの圧力で形成されるように、蒸発器210の内部圧力を調節し、この際、清水からなる冷媒Rは、約5℃の温度で蒸発されうる。
一方、吸収器220は、蒸発器210で蒸発された冷媒R、本実施形態では、清水を吸収するために設けられたものであって、蒸発器210及び吸収器220は、冷媒供給流路211によって連通されうる。
より詳しく、蒸発器210で蒸発が続けば、水蒸気分圧が次第に高くなるので、蒸発温度も上昇して、適切な冷却効果が得られなくなる。したがって、蒸発された冷媒Rを吸収器220内に貯蔵された吸収液Aに吸収させれば、蒸発器210内での冷媒Rの蒸発圧力及び温度を一定に保持されうる。
本実施形態では、吸収器220の吸収液Aとして、臭化リチウム(LiBr)水溶液が使われうるが、これに限定されるものではない。
そして、吸収器220内での、吸収液Aが蒸発された冷媒Rの吸収時に発生する吸収熱を除去するために、吸収器220内には、補助冷却装置400から冷却された補助作動流体w4が流動する補助作動流体パイプ252が設けられる。
一方、吸収液Aである前記臭化リチウム水溶液が吸収作用を続くことによって、前記臭化リチウム水溶液の濃度が次第に薄くなれば、前記臭化リチウム水溶液が、冷媒Rである清水を吸収する吸収作用の効率が漸減する。
したがって、本実施形態による吸収式冷却装置200には、前記吸収液Aの再生のための前記再生器230が設けられる。
そして、吸収器220の下部には、吸収液ポンプ224が設けられ、吸収液ポンプ224は、吸収器220内の下部に凝縮された臭化リチウム水溶液を第1吸収液循環パイプ221を通じて再生器230に供給する。
再生器230は、冷媒、すなわち、清水を吸収することで薄くなった前記臭化リチウム水溶液を加熱させて、吸収液A、すなわち、前記臭化リチウム水溶液から前記清水を蒸発させることによって、前記臭化リチウム水溶液内の臭化リチウムの濃度を増加させる過程、すなわち、吸収液再生過程を行うために設けられる。この際、再生器230の上部には、吸収器220から薄くなった前記臭化リチウム水溶液を伝達するための第1吸収液循環パイプ221が連通される。
再生器230内の吸収液Aは、加熱手段によって加熱されるが、前記加熱手段、すなわち、熱源として、第1冷却ユニット510で圧縮された吸入空気aを冷却しながら、自身は加熱された第1作動流体w1が使われる。この際、再生器230には、第1作動流体w1が流動する第1作動流体循環流路261が貫通され、再生器230の内部に収容された吸収液Aが、第1作動流体循環流路261から熱を伝達されて、前記吸収液再生過程が行われる。
一方、再生器230内で前記再生過程を経て濃縮された吸収液Aは、第2吸収液循環パイプ231を通じて、吸収器220に循環される。
この際、再生器230と吸収器220との間には、吸収液熱交換器260が設けられることもある。吸収液熱交換器260には、第1吸収液循環パイプ221及び第2吸収液循環パイプ231の一部が貫通し、第1吸収液循環パイプ221内で流動する低温及び低濃度の吸収液Aと第2吸収液循環パイプ231内で流動する高温及び高濃度の吸収液Aとの熱交換が行われる。したがって、吸収液熱交換器260は、再生器230での加熱量と吸収器220での冷却熱量とを大幅に節減することによって、熱効率を改善する役割ができる。
吸収器220に入った濃縮された臭化リチウム水溶液は、再び蒸気状の冷媒Rを吸収して低濃度になった後、再び再生器230に循環されて加熱及び濃縮過程を連続して反復する。
そして、吸収液Aの前記再生過程で、吸収液Aから蒸気状の冷媒R、すなわち、水蒸気は、再生器230と凝縮器240とを連結する連結パイプ232を通じて凝縮器240に供給される。
一方、凝縮器240は、再生器230で蒸発した冷媒R、すなわち、水蒸気を凝縮させるために設けられる。凝縮器240内には、蒸発された冷媒R、すなわち、水蒸気を凝縮させるために、熱交換部として吸収器220内を通り過ぎる補助作動流体パイプ252が延設されている。したがって、吸収器220を通過した補助作動流体w4は、凝縮器240の内部での蒸気状の冷媒Rから熱を吸収して、前記蒸気状の冷媒Rが液状に凝縮されるようにする。
そして、液状に凝縮された冷媒R、すなわち、清水は、冷媒パイプ241を通じて、蒸発器210に再供給されうる。そして、蒸発器210に再供給された液状の冷媒Rは、吸収式冷凍機200内での循環を繰り返す。この際、冷媒パイプ241には、膨張弁242が設けられて、内部に流動する冷媒Rの圧力を減圧させうる。
以下、本発明の一実施形態による船舶の吸入空気冷却システムの吸収式冷却装置200において、冷媒Rの流れについて説明する。この場合、吸収式冷却装置200の細部的な構成要素の作動については、前述したので、これについての詳細な説明は省略する。
吸収式冷却装置200の蒸発器210で蒸発潜熱によって第2作動流体w2を冷却させた冷媒R(本実施形態では、清水)は、吸収器220内の吸収液Aである臭化リチウム水溶液によって吸収され始める。以後、冷媒Rを吸収して濃度が低下した吸収液Aは、再生器230に伝達される。
再生器230では、第1作動流体循環流路261を通じて再生器230の内部を循環する加熱された第1作動流体w1によって、冷媒Rが過量吸収された吸収液Aから冷媒Rが蒸発される。そして、第1作動流体w1は、前記熱交換過程によって熱交換器280で排ガスから熱を供給された高温の排ガスE2によって、冷媒Rが過量吸収された吸収液Aから、冷媒Rが蒸発される。
冷媒Rが蒸発分離されて、濃縮された吸収液Aは、再び吸収器220に入って吸収作用を再遂行する。そして、再生器230から出た蒸気状の冷媒Rは、凝縮器240に供給されて、海水によって冷却及び凝縮されて、蒸発器210に循環されて、1サイクルの冷媒循環過程を終える。
このような循環過程を反復的に行うことによって、蒸発器210内で第2作動流体流路251を通じて流れる第2作動流体w2を冷却させる。
以下、本実施形態による船舶の吸入空気冷却システムで吸入空気aが冷却されて、エンジン300に供給させる冷却部500の構成を詳細に説明する。
図5は、本発明の実施形態による吸入空気冷却システムの冷却部の構成及び吸入空気の流れを示す図である。
図3及び図5を参照すると、本実施形態による冷却部500は、内部に過給機100からエンジン300への吸入空気aの流動のための吸入空気流路544が形成され、吸入空気流路544に沿って配される複数の冷却ユニット510、520、530が設けられる冷却部本体540をさらに含む。
この際、冷却部本体540には、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530をそれぞれ挿入させるための第1スロット541、第2スロット542及び第3スロット543が形成され、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530は、前記スロット541、542、543に着脱自在に設けられるカートリッジ(Cartridge)タイプに形成されうる。
そして、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530には、それぞれ第1作動流体w1、第2作動流体w2及び第3作動流体w3が流動して、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530を経てエンジン300に供給される吸入空気aと熱交換するための第1作動流体流路511、第2作動流体流路521及び第3作動流体循環流路531が形成される。
以下、吸入空気aが、冷却部500によって冷却される過程を詳細に説明する。
この際、説明の便宜上、過給機100の後段から第1冷却ユニット510側に流動する吸入空気aを第1状態吸入空気a1、第1冷却ユニット510から第3冷却ユニット530に流動する吸入空気aを第2状態吸入空気a2、第3冷却ユニット530から第2冷却ユニット520に流動する吸入空気aを第3状態吸入空気a3、第2冷却ユニット520からエンジン300に向けて流動する吸入空気aを第4状態吸入空気a4と言う。
まず、第1状態吸入空気a1は、過給機100で圧縮された吸入空気aであって、約180℃の温度で第1冷却ユニット510に流入される。
この際、第1作動流体510は、吸収式冷却装置200の再生器230で約85℃の温度で冷却されて、第1冷却ユニット510に供給され、第1冷却ユニット510で第1状態吸入空気a1と熱交換されて、約95℃の温度で加熱されて、再び吸収式冷却装置200に循環される。
第1冷却ユニット510を通じて流動する過程で、約160℃の温度で冷却された第2状態吸入空気a2は、第3冷却ユニット530に流入される。
この際、第3冷却ユニット530には、補助冷却装置400で前記海水と熱交換されて、約35℃の温度で冷却された第3作動流体w3が供給され、第3作動流体w3は、第2状態吸入空気a2と熱交換された後、約40℃ないし50℃の温度で加熱されて、補助冷却装置400に循環される。
そして、第3冷却ユニット530を通じて流動する過程で、約40℃の温度で冷却された第3状態吸入空気a3は、第2冷却ユニット520に流入される。
第2冷却ユニット520には、吸収式冷却装置200の蒸発器210で約7℃の温度で冷却された第2作動流体w2が供給され、第2作動流体w2は、第2冷却ユニット520で第3状態吸入空気a3と熱交換して加熱された後、再び吸収式冷却装置200の蒸発器210に循環される。
一方、第2冷却ユニット520を通じて流動する過程で、約10℃の温度で冷却された第4状態吸入空気a4は、エンジンに供給される。
この際、各状態の吸入空気a1、a2、a3、a4の温度及び第1作動流体w1、第2作動流体w2及び第3作動流体w3の温度は、例示的な数値であって、前記それぞれの温度は、吸収式冷却装置を可動させることが可能な温度の範囲内で、圧縮率及び圧縮容量のような多様な要因によって、本実施形態と異ならせて設定しうる。
また、本実施形態で、第1冷却ユニット510、第2冷却ユニット520、第3冷却ユニット530を循環する第1作動流体w1、第2作動流体w2及び第3作動流体w3は、それぞれ清水からなりうるが、これに限定されるものではない。
一方、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520は、吸収式冷却装置200に対してそれぞれ前記熱源として作動して、吸入空気aを冷却し、第3冷却ユニット530は、補助冷却装置400から冷却された作動流体を供給されることによって、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520と第3冷却ユニット530との冷却は、互いに独立して行われる。すなわち、それぞれの前記冷却ユニットが、互いに独立して冷却を行うことによって、吸収式冷却装置200及び補助冷却装置400のうち何れか1つの冷却装置に異常が発生する場合にも、吸入空気aに対する最小限の冷却が行われる。
本発明の実施形態によれば、過給機で圧縮された高温の前記吸入空気を冷却させるための吸収式冷却装置が、前記吸入空気から熱源を得て駆動されることによって、吸収式冷却装置の駆動のための別途の熱源が要求されず、吸入空気を冷却させるための冷却システムのエネルギー効率が上昇する長所がある。
また、前記過給機で圧縮された高温の前記吸入空気が、前記エンジンに供給される過程で、複数の段階を経て冷却されることによって、一回で前記吸入空気を冷却させる場合に比べて、前記吸入空気の冷却効率が上昇する利点がある。
図6は、本発明の第2実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、第2冷却ユニットに冷却流体を供給する構成において差があるだけであり、他の構成においては、図3ないし図5の第1実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図6を参照すると、本実施形態による第2冷却ユニット520には、第2作動流体w2及び補助作動流体w4が選択的に循環されうる。
より詳しく、本実施形態による吸入空気冷却システム1は、一側は第2作動流体流路251に接続され、他側は海水循環流路440に接続される補助循環流路430をさらに含む。
そして、補助循環流路430には、海水循環流路440から第2作動流体流路251への補助作動流体w4、すなわち、海水の流入または遮断のための第1補助弁431及び第2補助弁432を含む。
また、第2作動流体流路251には、第2作動流体w2の流れを選択的に遮断するための第1メイン弁251a及び第2メイン弁251bが設けられる。
本実施形態による吸入空気冷却システム1の吸収式冷却器200が、正常動作する場合には、第1メイン弁251a及び第2メイン弁251bは、開放状態に、第1補助弁431及び第2補助弁432は、閉鎖状態に設定される。このような場合、吸収式冷却器200で冷却された第2作動流体w2が、第2作動流体流路251に沿って第2冷却ユニット520に供給されて、吸入空気に対する冷却を行う。
一方、吸収式冷却器200が、正常動作を行わない場合、すなわち、故障または破損のような予期せぬ状況によって動作しない場合、第1メイン弁251a及び第2メイン弁251bは、閉鎖状態に、第1補助弁431及び第2補助弁432は、開放状態に設定される。このような場合、第2作動流体流路251には、補助作動流体w4、例えば、0℃ないし25℃のうち何れか1つの温度で形成される外部の海水が流動して第2冷却ユニット520に供給されることによって、吸入空気aを冷却させることができる。
この際、 第2作動流体流路251の内面には、海水によって 第2作動流体流路251の腐蝕を防止するための腐蝕防止の構成がさらに設けられうる。
すなわち、本実施形態によれば、吸収式冷却器200が故障する場合にも、第3冷却ユニット530だけではなく、第2冷却ユニット520でも、吸入空気aの冷却が行われる。この際、第2冷却ユニット520を経た補助作動流体w4は、前記船舶の外部に排出されうる。
本実施形態による吸入空気冷却システム1では、第2冷却ユニット520に吸収式冷却装置200の作動状態によって、第2作動流体w2及び補助作動流体w4のうち何れか1つが流動して、吸入空気を冷却すると説明されているが、第2作動流体w2及び第3作動流体w3のうち何れか1つが流動する構成も本発明の実施形態に含まれる。
図7は、本発明の第3実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、第1冷却ユニットが設けられる構成において差があるだけであり、他の構成においては、図3ないし図5の第1実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図7を参照すると、一般的に、過給機100の 排気タービン101から排出される排ガスEの温度は、 圧縮タービン102で圧縮された吸入空気aの温度よりも高く形成される。
したがって、本実施形態による吸入空気冷却システム1の第1冷却ユニット510は、過給機100のタービン101から外部に排ガスEを排出するための排気マニホールド(Exhausting Manifold)に設けられる。
この際、第1冷却ユニット510は、内部に流動する第1作動流体w1が排ガスEの廃熱によって蒸気の形態に加熱させるためのエコノマイザー(Economizer)で形成されうる。
一方、第1冷却ユニット510が、前記排気マニホールド上に設けられることによって、本実施形態による冷却部本体540には、第2冷却ユニット520及び第3冷却ユニット530のみが設けられる形状に形成されうる。しかし、これに限定されず、冷却部本体540には、3つ以上の冷却ユニットが設けられることもある。
すなわち、本実施形態による吸入空気冷却システム1の吸収式冷却器200は、外部に排出される排ガスEを冷却し、これにより熱源を得て動作する。
本実施形態によれば、吸収式冷却器200の冷却効率を決定する熱源間の温度差を極大化することができる長所がある。
図8は、本発明の第4実施形態による吸入空気冷却システムの構成を示す図である。
本実施形態は、作動流体流路の構成及びドレインユニットの構成において差があるだけであり、他の構成においては、図3ないし図5の第1実施形態の構成と同一なので、以下、本実施形態の特徴的な構成を中心に説明する。
図8を参照すると、本実施形態による吸入空気冷却システム1の第1作動流体流路511及び第2作動流体流路521には、それぞれ第3作動流体循環流路410及び海水循環流路420が接続される。
そして、第3作動流体循環流路410及び海水循環流路420が接続される第1作動流体流路511及び第2作動流体流路521の地点には、それぞれ第1切替弁512、第2切替弁513、第3切替弁522及び第4切替弁523が設けられる。
すなわち、第1作動流体流路511の上流側及び下流側の地点には、第3作動流体循環流路410の上流側及び下流側の流路が連結される第1切替弁512及び第2切替弁513が設けられ、第2作動流体流路521の上流側及び下流側の地点には、海水循環流路420の上流側及び下流側の流路が連結される第3切替弁522及び第4切替弁523が設けられる。
第1切替弁512、第2切替弁513、第3切替弁522及び第4切替弁523は、3方向弁(3−way Valve)で形成され、第1切替弁512及び第2切替弁513は、選択的に第1作動流体流路511に第3作動流体W3が流入されるように、前記地点を開放または遮蔽する。そして、第3切替弁522及び第4切替弁523は、選択的に第2作動流体流路521に補助作動流体w4が流入されるように、前記地点を開放または遮蔽する。
すなわち、正常な場合に、第1切替弁512及び第2切替弁513と、第3切替弁522及び第4切替弁523は、それぞれ吸収式冷却装置200と第1作動流体流路511及び第2作動流体流路521とを連通させ、同時に第1作動流体流路511及び第3作動流体循環流路410と、第2作動流体流路521及び海水循環流路420との接続を遮断させる。
一方、吸収式冷却装置200に異常が発生して、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520で吸入空気aの冷却が正常に行われない場合には、第1切替弁512及び第2切替弁513と、第3切替弁522及び第4切替弁523が、それぞれ吸収式冷却装置200と第1作動流体流路511及び第2作動流体流路521との接続を遮断させる。そして、第1切替弁512及び第2切替弁513と、第3切替弁522及び第4切替弁523は、第1作動流体流路511及び第3作動流体循環流路410と、第2作動流体流路521及び海水循環流路420とを連通させることによって、吸収式冷却装置200が正常に作動しない場合にも、圧縮空気aの冷却を正常に行わせうる。
また、本実施形態による吸収式冷却装置200には、吸収式冷却装置200から第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520に供給される第1作動流体w1及び第2作動流体w2の温度をセンシングして、吸収式冷却装置が正常作動するか否かを判断するための温度センサー(図示せず)がさらに備えられうる。
したがって、前記温度センサーが、第1作動流体w1及び第2作動流体w2の温度をセンシングして、第1作動流体w1及び第2作動流体w2の温度が、それぞれ既定の温度よりも高い場合には、切替弁511、512、521、522が、第1冷却ユニット510及び第2冷却ユニット520に対して第1作動流体w1及び第2作動流体w2の供給を遮断し、第3作動流体w3及び補助作動流体w4を供給させうる。
本実施形態では、第1作動流体w1及び第2作動流体w2の温度を測定する温度センサーが含まれると説明されているが、第1作動流体w1及び第2作動流体w2のうち何れか1つの作動流体の温度をセンシングするための温度センサーのみを含む構成も本実施形態の構成に含まれる。
一方、本実施形態による吸入空気冷却システム1は、圧縮空気aの冷却過程で発生する凝結水(Drain Water)を処理するための凝結水処理装置600をさらに含む。
凝結水処理装置600は、冷却部500とエンジン300との間に設けられ、冷却部500を経ながら冷却される圧縮空気aの内部で凝結される凝結水を捕集して、前記凝結水が含まれた圧縮空気aが、エンジン300に直接供給されることを抑制する。
過量の凝結水が含まれる圧縮空気aが、エンジン300に供給されることを防止することによって、前記凝結水によるエンジン300の腐蝕を抑制することができる。
以上、本発明の望ましい発明について図示して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れずに当業者によって多様な変形実施可能であることはいうまでもなく、このような変形実施形態は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
本発明は、船舶に利用され、このような船舶は、自航能力を有し、人や貨物を移送させる船舶だけではなく、液化天然ガス−浮遊式生産貯蔵設備(LNG−FPSO:Liquefied Natural Gas−Floating Production Storage Offloading)、浮遊式原油貯蔵設備(FSU:Floating Storage Unit)など貨物を貯蔵及び荷役する浮遊式海上構造物を含みうる。

Claims (19)

  1. エンジンから生成される排ガスの一部を用いて、外部から流入された吸入空気を圧縮し、前記吸入空気が流入される前段及び圧縮された前記吸入空気を前記エンジンに供給するための後段を含む過給機と、
    前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記過給機を通過した前記排ガスとのうち何れか1つ以上を冷却させ、前記吸入空気または前記排ガスの流れによって配される1つ以上の冷却ユニットを含む冷却部と、
    前記冷却ユニットを通じて循環される作動流体から熱源を供給される吸収式冷却装置と、
    を含む船舶の吸入空気冷却システム。
  2. 前記冷却部は、
    前記過給機から排出された前記吸入空気と熱交換を行う第1作動流体が循環される第1冷却ユニットと、
    前記第1冷却ユニットの後側に位置して、前記吸入空気と熱交換を行う第2作動流体が循環される第2冷却ユニットと、
    を含む請求項1に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  3. 前記冷却部の前記第2冷却ユニットには、前記吸収式冷却装置を流動する前記第2作動流体と前記船舶外部の海水とのうち1つ以上が流動することを特徴とする請求項2に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  4. 前記第2冷却ユニット及び前記吸収式冷却装置の間に設けられて、前記第2作動流体が流動し、前記第2作動流体の流動を選択的に開放または遮蔽するための1つ以上のメイン弁が設けられる第2作動流体流路と、
    前記第2作動流体流路のうち、前記第2冷却ユニット及び前記メイン弁の間の位置に接続され、前記船舶外部の海水が流動し、前記海水の流動を開放または遮蔽するための1つ以上の補助弁が設けられる補助循環流路と、
    をさらに含む請求項3に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  5. 前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第3作動流体が循環される第3冷却ユニットをさらに含む請求項2ないし請求項4のうち何れか一項に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  6. 前記第3作動流体と海水の熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、
    前記第3冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第1冷却ユニット及び前記第2冷却ユニットによる冷却と独立して行われることを特徴とする請求項5に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  7. 前記第1冷却ユニットに前記第1作動流体を供給するための第1作動流体流路には、前記第3作動流体が循環される第3作動流体循環流路が連結され、
    前記第1作動流体流路のうち、前記第3作動流体循環流路が接続される部分には、前記第1冷却ユニットに対して選択的に前記第1作動流体の供給を遮断し、前記第3作動流体の供給を行うための切替弁をさらに含む請求項5に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  8. 前記第2冷却ユニットに前記第2作動流体を供給するための第2作動流体流路には、前記海水が循環される海水循環流路が連結され、
    前記第2作動流体流路のうち、前記海水循環流路が接続される部分には、前記第2冷却ユニットに対して選択的に前記第2作動流体の供給を遮断し、前記海水の供給を行うための切替弁をさらに含む請求項5に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  9. 前記第3冷却ユニットは、前記第1冷却ユニットと前記第2冷却ユニットとの間に配され、前記第2冷却ユニットに流れる前記第2作動流体の温度は、前記第3冷却ユニットに流れる前記第3作動流体の温度よりも低いことを特徴とする請求項6に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  10. 前記吸収式冷却装置は、
    冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記第2作動流体を冷却させる蒸発器と、
    前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、
    前記熱源として供給される前記過給機から排出された前記吸入空気を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、
    前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    を含む請求項2ないし請求項4のうち何れか一項に記載の吸入空気冷却システム。
  11. 前記吸収式冷却装置は、
    前記第2冷却ユニットに供給される前記第2作動流体の温度をセンシングするための温度センサーをさらに含む請求項10に記載の吸入空気冷却システム。
  12. 前記冷却部は、前記排ガスを冷却させるための第1作動流体が流動する第1冷却ユニット及び前記圧縮された吸入空気を冷却させるための第2作動流体が流動する第2冷却ユニットを含み、
    前記第1冷却ユニットは、前記過給機から前記排ガスが排出される排気マニホールド上に配されて、前記排ガスが、前記第1作動流体と熱交換させ、
    前記第2冷却ユニットは、前記過給機と前記エンジンとの間に配されて、前記過給機で圧縮された前記吸入空気と前記第2作動流体とを熱交換させる請求項1に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  13. 前記冷却部は、前記船舶外部の海水と熱交換を行う第3作動流体が循環される第3冷却ユニットをさらに含む請求項12に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  14. 前記第3作動流体と前記船舶外部の海水との熱交換を行うための補助冷却装置をさらに含み、
    前記第3冷却ユニットによる前記吸入空気の冷却は、前記第1冷却ユニット及び前記第2冷却ユニットによる冷却と独立して行われることを特徴とする請求項13に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  15. 前記第1冷却ユニットは、前記排ガスと熱交換して蒸気を生成させる低圧蒸気発生器であることを特徴とする請求項12に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  16. 前記吸収式冷却装置は、
    冷媒の蒸発潜熱を用いて、前記作動流体を冷却させる蒸発器と、
    前記蒸発器での蒸発された冷媒を吸収する吸収液が収容された吸収器と、
    前記熱源として供給される前記排ガスの一部を用いて、前記冷媒の吸収を通じて薄くなった前記吸収器の吸収液を加熱させて再生させる再生器と、
    前記再生器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    を含む請求項12ないし請求項15のうち何れか一項に記載の吸入空気冷却システム。
  17. 前記冷却部は、
    前記過給機から前記エンジンへの前記吸入空気の流動のための吸入空気流路が形成され、前記吸入空気流路に沿って配される前記1つ以上の冷却ユニットが設けられる冷却部本体を含む請求項1に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  18. 前記1つ以上の冷却ユニットは、前記冷却部に着脱自在に設けられるようにカートリッジ形態に形成されることを特徴とする請求項17に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
  19. 前記冷却部と前記エンジンとの間に設けられ、前記冷却部を経て冷却された圧縮空気から発生する凝結水を処理するための凝結水処理装置をさらに含む請求項1に記載の船舶の吸入空気冷却システム。
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