JP2016160869A - Low temperature heat recovery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温熱回収システムに関し、詳しくは船舶用の過給機付き原動機などから熱回収する低温熱回収システムに関する。 The present invention relates to a low-temperature heat recovery system, and more particularly to a low-temperature heat recovery system that recovers heat from a marine motor with a supercharger for ships.
低温熱回収システムとしては、低沸点有機媒体を気化させてタービンを駆動するORC(Organic Rankine Cycle)発電システムが代表的なシステムであり、船舶への適用も報告されている。このORC発電システム例としては、特許文献1、2の技術が開示されている。
As a low-temperature heat recovery system, an ORC (Organic Rankine Cycle) power generation system that drives a turbine by vaporizing a low boiling point organic medium is a typical system, and its application to ships has also been reported. As examples of the ORC power generation system, the techniques of
特許文献1に記載の技術では、熱交換器において原動機の掃気から有機媒体に熱回収し、有機媒体を気化させ、その気体のみを蒸気タービンに導入し、発電機で発電している。この手法では、熱交換器から蒸気タービンに至るまでに有機媒体を気化させるため、配管サイズが大きくなり、設備コストの上昇をまねく。
In the technique described in
特許文献2では、蒸気タービンへ導入する有機媒体を気体のみとするよう手法を明確にしており、蒸気タービンの手前の熱交換器として蒸発器を用いている。しかし、蒸発器を用いると、装置が大型化する。
In
また有機媒体を気化させる必要がある場合、廃熱温度が低い際には圧力を下げなければ有機媒体が十分に気化されず、蒸気タービンの出力が低下する問題があった。 Further, when it is necessary to vaporize the organic medium, the organic medium is not sufficiently vaporized unless the pressure is lowered when the waste heat temperature is low, and the output of the steam turbine is reduced.
本発明の課題は、設備コストの上昇を招くことなく、装置を小型化でき、タービン出力を安定化できる低温熱回収システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a low-temperature heat recovery system capable of downsizing the apparatus and stabilizing turbine output without causing an increase in equipment cost.
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。 Other problems of the present invention will become apparent from the following description.
上記課題は、以下の各発明によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions.
1.過給機付き原動機から排出される廃熱ガスと、液相の状態で圧送される有機媒体とを熱交換する前記廃熱ガスから熱回収する第1の熱交換器と、
前記第1の熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第1の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第1の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。
1. A first heat exchanger that recovers heat from the waste heat gas that exchanges heat between the waste heat gas discharged from the motor with a supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat recovered by the first heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for sending an organic medium from the medium tank to the first heat exchanger;
A thermometer is provided in the transfer pipe of the organic medium from the first heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
2.前記過給機から圧縮して得られる加圧掃気と、液相の状態で圧送される有機媒体とを熱交換する前記加圧掃気から熱回収する第2の熱交換器と、
前記第2の熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第2の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第2の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。
2. A second heat exchanger that recovers heat from the pressurized scavenging that exchanges heat between the pressurized scavenging obtained by compression from the supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat-recovered by the second heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for feeding an organic medium from the medium tank to the second heat exchanger;
A thermometer is provided in the transfer pipe of the organic medium from the second heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
3.過給機付き原動機から排出される廃熱ガスと、液相の状態で圧送される有機媒体とを熱交換する前記廃熱ガスから熱回収する第1の熱交換器と、
前記過給機から圧縮して得られる加圧掃気と、液相の状態で圧送される有機媒体とを熱交換する前記加圧掃気から熱回収する第2の熱交換器と、
前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器によって熱回収した有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第1の熱交換器及び第2の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。
3. A first heat exchanger that recovers heat from the waste heat gas that exchanges heat between the waste heat gas discharged from the motor with a supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A second heat exchanger that recovers heat from the pressurized scavenging that exchanges heat between the pressurized scavenging obtained by compression from the supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat-recovered by the first heat exchanger and the second heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for sending an organic medium from the medium tank to the first heat exchanger and the second heat exchanger;
A thermometer is provided in a transfer pipe for the organic medium from the first heat exchanger and the second heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
4.前記循環ポンプから有機媒体を送液するラインに第3の熱交換器をさらに備え、
前記原動機に、該原動機からの発熱を吸収する冷却水を通水する冷却配管を設け、
該冷却配管と前記第3の熱交換器の間を循環する冷却水配管を設け、
前記第3の熱交換器で、前記原動機の発熱を吸収して温度上昇した冷却水から、前記有機媒体に、熱移動する構成を有することを特徴とする前記1〜3のいずれかに記載の低温熱回収システム。
4). A third heat exchanger in the line for sending the organic medium from the circulation pump;
The motor is provided with a cooling pipe for passing cooling water that absorbs heat generated from the motor,
Providing a cooling water pipe circulating between the cooling pipe and the third heat exchanger;
The said 3rd heat exchanger has the structure which carries out a heat transfer to the said organic medium from the cooling water which absorbed the heat_generation | fever of the said motor | power_engine, and raised the temperature, The said any one of 1-3 characterized by the above-mentioned. Low temperature heat recovery system.
5.前記制御部は、有機媒体の温度と該温度における飽和圧力とを対応づけた「有機媒体温度‐飽和圧力対応情報」を記憶する記憶部を有し、
前記温度計は、前記有機媒体の温度を計測した計測温度を制御部に送信し、
前記制御部は、前記計測温度を受信すると、前記記憶部に記憶された「有機媒体温度‐飽和圧力対応情報」に基づき、飽和圧力を求め、
次いで、前記求められた飽和圧力に基づき前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする前記1〜4のいずれかに記載の低温熱回収システム。
5. The control unit has a storage unit for storing “organic medium temperature-saturation pressure correspondence information” in which the temperature of the organic medium and the saturation pressure at the temperature are associated with each other.
The thermometer transmits a measured temperature obtained by measuring the temperature of the organic medium to the control unit,
Upon receiving the measured temperature, the control unit obtains a saturation pressure based on the “organic medium temperature-saturation pressure correspondence information” stored in the storage unit,
Next, the number of revolutions of the circulating pump is controlled based on the obtained saturation pressure, and the low-temperature heat recovery system according to any one of 1 to 4 above.
6.前記制御部は、有機媒体が液相を維持するような所定圧力を記憶する記憶部をさらに有し、
前記制御部は、前記飽和圧力に、前記所定圧力を、加算して設定圧力を算出し、
該設定圧力に基づき前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする前記5に記載の低温熱回収システム。
6). The control unit further includes a storage unit that stores a predetermined pressure such that the organic medium maintains a liquid phase,
The control unit calculates a set pressure by adding the predetermined pressure to the saturation pressure,
6. The low-temperature heat recovery system according to 5 above, wherein the number of rotations of the circulation pump is controlled based on the set pressure.
本発明によれば、有機媒体を用いた熱交換において、その有機媒体を気化させないことにより、熱交換器として液相のみを扱い、相変化を伴わない仕様が可能になる。そのため、従来のように熱交換器として蒸発器を必要とせず、熱交換器の構成を簡素にできるだけでなく、設備を小型化できる効果が得られる。 According to the present invention, in heat exchange using an organic medium, the organic medium is not vaporized, so that only the liquid phase is handled as a heat exchanger, and specifications without phase change are possible. Therefore, an evaporator is not required as a heat exchanger as in the prior art, and not only the configuration of the heat exchanger can be simplified, but also the effect of downsizing the equipment can be obtained.
また、本発明によれば、熱交換器から二相流ノズルまでは液相のみであり、従来のように気液分離器を必要とせず、この点でも設備を小型化できる効果が得られる。 In addition, according to the present invention, only the liquid phase is provided from the heat exchanger to the two-phase flow nozzle, so that a gas-liquid separator is not required as in the prior art.
さらに、本発明によれば、熱交換器から二相流タービンまで、有機媒体を液相のまま移送するため、熱交換器から二相流タービンまでの配管の径を細くでき、コスト低下を実現できる。 Furthermore, according to the present invention, since the organic medium is transferred in the liquid phase from the heat exchanger to the two-phase flow turbine, the diameter of the pipe from the heat exchanger to the two-phase flow turbine can be reduced, and the cost can be reduced. it can.
さらにまた、本発明によれば、熱交換器において有機媒体を気化させないことにより、タービン出力を安定化できる効果が得られる。これにより、廃熱が比較的低温の場合であっても有効に回収することができるため、過給機付原動機が備える多岐に亘る廃熱源に対して、汎用性高く適用できる。
さらにまた、本発明によれば、熱交換器において有機媒体を気化させないことにより、液相のみを扱い、飽和圧力のみを見ることで制御ができるため、制御が容易に実現できる。
Furthermore, according to the present invention, an effect of stabilizing the turbine output can be obtained by not evaporating the organic medium in the heat exchanger. As a result, the waste heat can be effectively recovered even when the temperature is relatively low. Therefore, the waste heat source can be applied to a wide variety of waste heat sources provided in the supercharger-equipped motor.
Furthermore, according to the present invention, since the organic medium is not vaporized in the heat exchanger, the control can be easily realized because only the liquid phase is handled and only the saturation pressure is observed.
以下、図面に基づいて、本発明を実施するための形態について説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の低温熱回収システムの一例を示す説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of the low-temperature heat recovery system of the present invention.
図示の例は、過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスから熱回収する場合の一例を示している。
The example of illustration has shown an example in the case of heat | fever recovery from the waste heat gas discharged | emitted from the motor |
本発明の低温熱回収システムは、過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスと、液相の状態で圧送される有機媒体との間で熱交換して、前記廃熱ガスから熱回収する第1の熱交換器3を備え、前記第1の熱交換器3によって熱回収した前記有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズル4を備える。本発明の低温熱回収システムは,船舶用に好ましく適用できる。
The low-temperature heat recovery system of the present invention exchanges heat between the waste heat gas discharged from the
そして、本発明の低温熱回収システムは、該二相流ノズル4により生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービン5に導入して、該二相流タービン5を回転して発電する発電機6を備え、前記二相流タービン5から排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器7を備え、該凝縮器7で液化した有機媒体を貯留する媒体タンク8と、該媒体タンク8から第1の熱交換器3に有機媒体を送液する循環ポンプ9を備える。循環ポンプ9の駆動の際に、昇圧補助機能を発揮するため、ブーストポンプ9aを設けてもよいし、また、循環ポンプ9の容量の都合上、ブーストポンプ9aを設けてもよい。
The low-temperature heat recovery system of the present invention introduces a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-
第1の熱交換器3は、廃熱回収用の熱交換器であり、過給機1付き原動機(エンジン)2から排出される廃熱ガスを煙突20に送る過程で、有機媒体により、廃熱ガスから熱回収する。
The
過給機1は、原動機2から排出される廃熱ガスにより回転するタービン1aと前記原動機2に供給する掃気を圧縮する圧縮機1bとを備えている。
The
前記有機媒体は、例えば、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるR245fa、R134aなどの低沸点の有機媒体を好ましく用いることができる。 As the organic medium, for example, an organic medium having a low boiling point such as R245fa and R134a which are alternative chlorofluorocarbons can be preferably used as a heat exchange medium with a medium / low temperature heat source.
前記第1の熱交換器3を出た有機媒体は、液相のままで、図示しないタービンユニットに供給される。タービンユニットは少なくとも二相流ノズル4と二相流タービン5で構成されている。
The organic medium exiting the
二相流ノズル4は、一部が気化し、気相、液相の混合した二相流を生成する。そして、この二相流を二相流ノズル4の先端から高速で排出する。
The two-
この時、二相流ノズル4内部では、ノズル先端に向かうに従って、ガスのせん断応力が液相を微小液滴に分割し、ガスの運動量を液滴に伝達する。
At this time, in the two-
気相と液相のち密な連成により微小液摘を十分に加速し、二相流ノズル4の先端出口でガス流速と液滴の流速をそろえることができる。ノズルからの二相流の流速は、エロージョン限界速度に比べて十分低くすることが望ましい。
The microfluidization can be sufficiently accelerated by the dense coupling of the gas phase and the liquid phase, and the gas flow rate and the droplet flow rate can be made uniform at the tip outlet of the two-
有機媒体が有する熱エネルギーを有効に運動エネルギーに変換するためには、液滴を可能な限り均一微細化することが望ましい。 In order to effectively convert the thermal energy of the organic medium into kinetic energy, it is desirable to make the droplets as uniform and fine as possible.
また、二相流ノズル4の先端は、二相流タービン5のタービン羽根に向かって所定の向きに配置される。
The tip of the two-
発電機6は、例えば三相誘導発電機を用いた場合、定格回転数(3600rpm)に達すると、図示しない発電機用遮断器が閉じて発電を開始する。
For example, when the
発電機6では、二相流ノズル4により生成する気相と液相の二相流を二相流タービン5に導入して、該二相流タービン5を回転して発電する。
In the
本発明では、過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスの低温廃熱を回収し、発電を行うことができる。
In the present invention, the low-temperature waste heat of the waste heat gas discharged from the
本発明において、過給機付原動機としては、例えば、過給機を備えたディーゼルエンジンやガスエンジンなどを好ましく例示できる。 In the present invention, as a motor with a supercharger, for example, a diesel engine or a gas engine provided with a supercharger can be preferably exemplified.
凝縮器7では、前記二相流タービン5から排出される有機媒体を冷却して液化する。
In the
該凝縮器7で液化した有機媒体は、媒体タンク8に貯留される。該媒体タンク8内の液化した有機媒体は、循環ポンプ9によって第1の熱交換器3に移送され、循環使用される。
The organic medium liquefied by the
循環ポンプ9は、エンジン負荷に応じて第1の熱交換器3内で、蒸発が起きない熱媒体圧力を保持するように、 VFD(Variable Frequency Driver)により回転数制御される。起動時は、有機媒体の温度が低いため循環ポンプ9の回転数はゼロとなるようにして、有機媒体の循環は図示しないブーストポンフ9aによって行なうようにしてもよい。
The rotation speed of the
上記のように、第1の熱交換器3において有機媒体を気化させないことにより、第1の熱交換器3として液相のみを扱い、相変化を伴わない仕様が可能になる。そのため、従来のように第1の熱交換器3として蒸発器または気化器を必要とせず、熱交換器の構成を簡素にできるだけでなく、設備を小型化できる効果が得られる。
As described above, by not evaporating the organic medium in the
更に、有機媒体の一部気化は、図示しないタービンユニットに内蔵される二相流ノズル4内で行われるため、第1の熱交換器3から二相流ノズル4までは液相のみであり、従来のように気液分離器を必要とせず、この点でも設備を小型化できる効果が得られる。
Furthermore, since partial vaporization of the organic medium is performed in a two-
また、第1の熱交換器3から二相流ノズル4まで、有機媒体を液相のまま移送するため、第1の熱交換器3から二相流ノズル4までの配管の径を細くでき、コスト低下を実現できる。
Moreover, since the organic medium is transferred from the
具体的には、実施例で示したように、従来のように気相の状態で移送する場合に対して、第1の熱交換器3から二相流ノズル4までの配管の径を、2サイズダウンできる。このことも、設備の小型化に寄与する。
Specifically, as shown in the embodiment, the diameter of the pipe from the
特に船舶内の限られたスペースにおいて、設備の小型化は、優れた効果となる。 Especially in a limited space in a ship, downsizing of the equipment is an excellent effect.
また、従来は、廃熱温度が低い際に第1の熱交換器において圧力を下げなければ有機媒体が十分に気化されず、タービン出力が低下する問題があったが、上記のように、第1の熱交換器3において有機媒体を気化させないことにより、タービン出力を安定化できる効果が得られる。これにより、廃熱が比較的低温の場合であっても有効に回収することができるため、過給機付原動機が備える多岐に亘る廃熱源に対して、汎用性高く適用できる。
Conventionally, when the waste heat temperature is low, the organic medium is not sufficiently vaporized unless the pressure is reduced in the first heat exchanger, and the turbine output is reduced. By not vaporizing the organic medium in the
また更に、二相流ジェットにより二相流タービン5を駆動することにより、タービンブレードのエロージョンを防止できる効果も得られる。
Furthermore, by driving the two-
本発明における第1の制御は、第1の熱交換器3から二相流タービン5まで、有機媒体を液相のまま移送する制御である。
The first control in the present invention is a control for transferring the organic medium from the
前記第1の熱交換器から二相流ノズル4までの有機媒体の移送配管10に、温度計31を設け、該温度計31は有機媒体の温度を計測し、計測温度を制御部12に送り、該制御部12において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部12は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプ9の回転数を制御する。
A
以下に、図2に基づいて、具体的な制御の一例を説明する。
制御部12は、有機媒体の温度と該温度における飽和圧力とを対応づけたテーブルIを記憶する記憶部120を有することが好ましい。
An example of specific control will be described below based on FIG.
The
かかるテーブルIを用いて、以下のようにして制御を行う。すなわち、制御部12は、前記温度計31により前記有機媒体の温度を計測し、前記温度計31から該計測温度を受信する。ここで、温度計31からの計測温度は常時制御部に送信し、制御部12は常時有機媒体の温度を監視できるようにしておくことが好ましい。
Using the table I, control is performed as follows. That is, the
次いで、前記制御部12は、前記テーブルIに基づき前記受信した計測温度に対応する飽和圧力を呼び出す。
Next, the
次いで、呼び出された該飽和圧力に、所定圧力を加算した設定圧力を算出する。ここで、所定圧力は、配管の圧力損失や、第1の熱交換器における圧力損失などを考慮した圧力をいう。 Next, a set pressure obtained by adding a predetermined pressure to the called saturation pressure is calculated. Here, the predetermined pressure refers to a pressure that takes into account the pressure loss of the piping, the pressure loss in the first heat exchanger, and the like.
次いで、PID制御を行うため、前記算出された設定圧力に基づいた液相を維持するためのポンプ回転数を算出する。 Next, in order to perform PID control, a pump rotation number for maintaining a liquid phase based on the calculated set pressure is calculated.
次いで、PID制御により、後述するVFDを作用させて、算出された設定圧力を保持するように循環ポンプ9のポンプ回転数を算出されたポンプ回転数に合わせるよう調整する。
Next, a VFD described later is applied by PID control to adjust the pump rotational speed of the
なお、循環ポンプ9の回転数は、設定圧力に基づき算出された回転数に基づいて制御される。したがって、循環ポンプ9の吐出圧は、飽和圧力に圧損等の所定圧力を加算して算出される設定圧力と実質的に変わらない。
The rotation speed of the
また、圧力計32は、第1の熱交換器3から二相流ノズル4に至る移送配管10の圧力を計測することができる。
In addition, the
以上の一例では、テーブルを用いた制御の一例を説明したが、有機媒体の温度と該温度における飽和圧力とを対応づけたテーブルIを用いずに、有機媒体の温度と飽和圧力との近似式を用いて、該温度に基づき飽和圧力を算出することもできる。 In the above example, an example of control using a table has been described, but without using Table I that associates the temperature of the organic medium and the saturation pressure at the temperature, an approximate expression of the temperature and saturation pressure of the organic medium. And the saturation pressure can be calculated based on the temperature.
また、PID制御を用いずに、設定圧力と循環ポンプの回転数とを対応付けたテーブルIIを用いて、算出された設定圧力に基づき、ポンプの回転数を求めることもできる。これにより、算出された設定圧力に基づき循環ポンプ9のポンプ回転数を制御することもできる。
Further, the rotation speed of the pump can be obtained based on the calculated set pressure using the table II in which the set pressure is associated with the rotation speed of the circulation pump without using the PID control. Thereby, the pump rotation speed of the
なお、ポンプ回転数と共に弁の開度の調節とを併用することにより有機媒体の圧力を制御することもできる。 Note that the pressure of the organic medium can be controlled by using the adjustment of the opening degree of the valve together with the pump rotation speed.
起動時、タービン遮断弁33は閉じており、バイパス調節弁35は開いている状態であり、ブーストポンプ9aに引き続き、循環ポンプ9が自動起動し、有機媒体をバイパスライン11に通して、タービンバイパス運転を開始する。
At the time of start-up, the turbine shut-off
原動機2から排出された廃熱ガスが第1の熱交換器3を通過する際の温度は、原動機2の負荷に応じて上昇し、それに伴って有機媒体の温度も上昇する。
The temperature at which the waste heat gas discharged from the
性能試験では原動機負荷60%で有機媒体温度が80℃程度になり、所定の有機媒体流量及び圧力を維持するために循環ポンプ9の回転数が徐々に増加する。
In the performance test, the temperature of the organic medium reaches about 80 ° C. with a motor load of 60%, and the rotational speed of the
本発明において、第2の制御は、前記第1の熱交換器と前記気液二相流ノズルとの間に有機媒体を液相に維持しつつ、第1の熱交換器の出口の温度が所定温度以上である場合に、タービンへの有機媒体供給の制御を行う。 In the present invention, the second control is such that the temperature of the outlet of the first heat exchanger is maintained while maintaining the organic medium in a liquid phase between the first heat exchanger and the gas-liquid two-phase flow nozzle. When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the organic medium supply to the turbine is controlled.
運転開始時、第1の熱交換器3から二相流ノズル4に至る有機媒体の移送配管10に設けられているタービン遮断弁33及びタービン調節弁34は閉じられた状態にあり、バイパスライン11に設けられているバイパス調節弁35は開いている状態にある。
At the start of operation, the turbine shut-off
制御部12が温度計31から送られる温度を受信し、その温度が所定温度に達したと判断したら、タービン遮断弁33とタービン調節弁34を開き、バイパス調節弁35を閉じる。これにより、バイパスライン11から、第1の熱交換器3から二相流ノズル4に至る移送配管10に切り替えが行われる。
When the
上記切り替えが行われ、二相流タービン5が駆動することにより、発電機6が駆動すると、発電が行われる。二相流タービン5に接続された発電機6は、例えば三相誘導発電機を用いた場合、定格回転数(3600rpm)に達すると、図示しない発電機用遮断器が閉じて発電を開始する。
When the switching is performed and the two-
低温廃熱回収システムの試験運転に於いて、エンジン負荷が100%に達した後は、廃熱量の約8%程度の発電を確認した。 In the test operation of the low-temperature waste heat recovery system, after the engine load reached 100%, power generation of about 8% of the waste heat amount was confirmed.
二相流タービン5の通常停止は、タービン調節弁34からバイパス調節弁35への切り替えが徐々に行われ、低温熱回収システムは移送配管10からバイパスライン11への運転モードに移行する。発電出力がゼロになると、発電機用遮断器が開き、同時にタービン遮断弁33が閉じる。
In the normal stop of the two-
本発明の低温熱回収システムは、VPC(Variable Phase Cycle)発電システムであり、VPCは、原動機1の運転状況に関わらず、常時停止することができる。また、図示しない冷却海水ポンプは、船体側と併用している場合、VPCの停止と関係なく停止することはできないが、VPC専用の場合、VPCの停止後に停止させることができる
The low-temperature heat recovery system of the present invention is a VPC (Variable Phase Cycle) power generation system, and the VPC can always be stopped regardless of the operating state of the
図3は、本発明の低温熱回収システムの他の例を示す図である。図中、図1と同符号により示される構成については、図1を参照してした説明を援用することができる。 FIG. 3 is a diagram showing another example of the low-temperature heat recovery system of the present invention. In the figure, the description given with reference to FIG. 1 can be used for the configuration indicated by the same reference numerals as in FIG.
図示の例は、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気から熱回収を行う場合の一例を示している。
The illustrated example shows an example in the case where heat recovery is performed from the pressurized scavenge compressed by the
本発明の他の好ましい実施形態における船舶用低温熱回収システムは、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気と、液相の状態で圧送される有機媒体との間で熱交換して、前記加圧掃気から熱回収する第2の熱交換器13を備えている。
In another preferred embodiment of the present invention, the marine low-temperature heat recovery system is provided between a pressurized scavenge compressed by a
第2の熱交換器13は、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気から余剰熱を有機媒体により回収する熱交換器であり、過給機1の圧縮機1bで圧縮され、原動機2に供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する。なお、40はボイラーを用いることができる。
The
図4は、本発明の低温熱回収システムの他の例を示す図である。図中、図1及び図3と同符号により示される構成については、図1及び図3を参照してした説明を援用することができる。 FIG. 4 is a diagram showing another example of the low-temperature heat recovery system of the present invention. In the figure, for the configuration indicated by the same reference numerals as in FIGS. 1 and 3, the description with reference to FIGS. 1 and 3 can be used.
図示の例は、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気から熱回収を行い、過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスから熱回収する場合の一例を示している。
In the illustrated example, heat is recovered from the pressurized scavenge compressed by the
図5は、本発明の低温熱回収システムの他の例を示す図である。図中、図1と同符号により示される構成については、図1を参照してした説明を援用することができる。 FIG. 5 is a diagram showing another example of the low-temperature heat recovery system of the present invention. In the figure, the description given with reference to FIG. 1 can be used for the configuration indicated by the same reference numerals as in FIG.
図示の例は、過給機1付き原動機2を冷却する冷却水から廃熱回収を行い、過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスから熱回収する場合の一例を示している。
The illustrated example shows an example in which waste heat is recovered from the cooling water that cools the
原動機2の周囲には、冷却配管16が設けられ、原動機2からの廃熱は、冷却配管16内の冷却水に回収される。
A cooling
該冷却配管16と第3の熱交換器14の間に、冷却水が通水する冷却水配管15を設け、冷却配管16内の冷却水が通水するように構成されている。
A cooling
第3の熱交換器14は、かかる冷却水から、有機媒体に廃熱を回収する。
The
なお、第3の熱交換器14により熱回収され冷却された冷却水は、再び冷却配管16に導入され、原動機2の冷却に寄与する構成にすることも好ましい。
The cooling water recovered and cooled by the
図6は、本発明の低温熱回収システムの他の例を示す図である。図中、図1、図3及び図5と同符号により示される構成については、図1、図3及び図5を参照してした説明を援用することができる。 FIG. 6 is a diagram showing another example of the low-temperature heat recovery system of the present invention. In the figure, the description given with reference to FIGS. 1, 3 and 5 can be applied to the configuration indicated by the same reference numerals as those in FIGS.
図示の例は、過給機1付き原動機2を冷却する冷却水から廃熱回収を行い、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気から余剰熱回収を行う場合の一例を示している。
In the illustrated example, waste heat is recovered from the cooling water that cools the
図7は、本発明の低温熱回収システムの他の例を示す図である。図中、図1、図3及び図5と同符号により示される構成については、図1、図3及び図5を参照してした説明を援用することができる。 FIG. 7 is a diagram showing another example of the low-temperature heat recovery system of the present invention. In the figure, the description given with reference to FIGS. 1, 3 and 5 can be applied to the configuration indicated by the same reference numerals as those in FIGS.
図示の例は、過給機1付き原動機2を冷却する冷却水から廃熱回収を行い、過給機1に備えられた圧縮機1bで圧縮された加圧掃気から余剰熱回収を行い、さらに過給機1付き原動機2から排出される廃熱ガスから熱回収する場合の一例を示している。
In the illustrated example, waste heat is recovered from the cooling water that cools the
本発明では、発電機6の負荷遮断などの緊急時に、原則、タービン遮断弁33で移送配管10の二相流タービン5への流路を遮断することにより、有機媒体が流入しないように対応している。
In the present invention, in the event of an emergency such as a load interruption of the
以下に、本発明の実施例により、本発明の効果を例証する。 The effects of the present invention will be illustrated below by examples of the present invention.
実験1
第1の熱交換器出口での移送配管10内の有機媒体の状態が100%液相である場合に、熱交換器出口の移送配管10内の有機媒体圧力(MPaA)、温度(℃)、密度(kg/m3)、流量(kg/h)、流速(m/s)、口径(A)は、表1の通りであった。なお、MPaAは絶対圧を示している。
When the state of the organic medium in the
比較実験1
第1の熱交換器出口での移送配管10内の有機媒体の状態が100%気相である場合に、熱交換器出口の移送配管10内の有機媒体圧力(MPaA)、温度(℃)、密度(kg/m3)、流量(kg/h)、流速(m/s)、口径(A)は、表1の通りであった。
When the state of the organic medium in the
表1より、熱交換器出口配管内で、100%液相のままの場合、100%気化させる場合と比較して、配管は150A(6インチ)から100A(4インチ)と、2サイズダウンとなり、経済的であることがわかる。 According to Table 1, when the 100% liquid phase is maintained in the heat exchanger outlet pipe, the pipe size is reduced by two sizes from 150A (6 inches) to 100A (4 inches) compared to 100% vaporization. It turns out to be economical.
従って、本発明は、第1の熱交換器3及び第2の熱交換器13のいずれにおいても、有機媒体は、液相のままで(液状で)、熱交換媒体として機能する
Therefore, according to the present invention, in both the
なお、本発明は、図1において、所定圧力は、配管の圧力損失や、第1の熱交換器における圧力損失などを考慮した圧力をいうと説明したが、図3〜図7において、所定圧力には、第2の熱交換器13、第3の熱交換器14における圧力損失などを考慮した圧力が含まれる。
In addition, although this invention demonstrated that the predetermined pressure in FIG. 1 said the pressure which considered the pressure loss of piping, the pressure loss in a 1st heat exchanger, etc., in FIG. The pressure includes the pressure in consideration of the pressure loss in the
従って、本発明は、図1〜図7の実施態様のいずれにおいても、有機媒体の温度のみで、有機媒体を液相のまま、熱交換媒体として機能させるため、シンプルな制御をすることができる。 Accordingly, in any of the embodiments of FIGS. 1 to 7, the present invention allows simple control because the organic medium functions as a heat exchange medium in the liquid phase only by the temperature of the organic medium. .
1:過給機
1a:タービン
1b:圧縮機
2:原動機
3:第1の熱交換器
4:二相流ノズル
5:二相流タービン
6:発電機
7:凝縮器
8:媒体タンク
9:循環ポンプ
9a:ブーストポンプ
10:移送配管
11:バイパスライン
12:制御部
120:記憶部
13:第2の熱交換器
14:第3の熱交換器
15:冷却水配管
16:冷却配管
20:煙突
31:温度計
32:圧力計
33:タービン遮断弁
34:タービン調節弁
35:バイパス調節弁
40:ボイラー
1:
Claims (6)
前記第1の熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第1の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第1の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。 A first heat exchanger that recovers heat from the waste heat gas that exchanges heat between the waste heat gas discharged from the motor with a supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat recovered by the first heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for sending an organic medium from the medium tank to the first heat exchanger;
A thermometer is provided in the transfer pipe of the organic medium from the first heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
前記第2の熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第2の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第2の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。 A second heat exchanger that recovers heat from the pressurized scavenging that exchanges heat between the pressurized scavenging obtained by compression from the supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat-recovered by the second heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for feeding an organic medium from the medium tank to the second heat exchanger;
A thermometer is provided in the transfer pipe of the organic medium from the second heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
前記過給機から圧縮して得られる加圧掃気と、液相の状態で圧送される有機媒体とを熱交換する前記加圧掃気から熱回収する第2の熱交換器と、
前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器によって熱回収した有機媒体を、気相と液相の二相流に変換させる二相流ノズルと、
該二相流ノズルにより生成する気相と液相の二相流ジェットを二相流タービンに導入して、該二相流タービンを回転して発電する発電機と、
前記二相流タービンから排出される有機媒体を冷却して液化する凝縮器と、
該凝縮器で液化した有機媒体を貯留する媒体タンクと、
該媒体タンクから第1の熱交換器及び第2の熱交換器に有機媒体を送液する循環ポンプとを備え、
前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器から前記二相流ノズルまでの有機媒体の移送配管に、温度計を設け、
該温度計による計測温度を制御部に送り、該制御部において該有機媒体の温度に対応する飽和圧力Paを求め、該飽和圧力Paに基づき、該制御部は、該有機媒体が液相を維持するように前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする低温熱回収システム。 A first heat exchanger that recovers heat from the waste heat gas that exchanges heat between the waste heat gas discharged from the motor with a supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A second heat exchanger that recovers heat from the pressurized scavenging that exchanges heat between the pressurized scavenging obtained by compression from the supercharger and the organic medium that is pumped in a liquid phase;
A two-phase flow nozzle for converting the organic medium heat-recovered by the first heat exchanger and the second heat exchanger into a two-phase flow of a gas phase and a liquid phase;
A generator for generating electric power by rotating the two-phase flow turbine by introducing a gas-phase and liquid-phase two-phase flow jet generated by the two-phase flow nozzle into the two-phase flow turbine;
A condenser for cooling and liquefying the organic medium discharged from the two-phase turbine;
A medium tank for storing an organic medium liquefied by the condenser;
A circulation pump for sending an organic medium from the medium tank to the first heat exchanger and the second heat exchanger;
A thermometer is provided in a transfer pipe for the organic medium from the first heat exchanger and the second heat exchanger to the two-phase flow nozzle,
The temperature measured by the thermometer is sent to the control unit, and the control unit obtains a saturation pressure Pa corresponding to the temperature of the organic medium. Based on the saturation pressure Pa, the control unit maintains the liquid phase in the organic medium. The low-temperature heat recovery system is characterized in that the number of rotations of the circulation pump is controlled.
前記原動機に、該原動機からの発熱を吸収する冷却水を通水する冷却配管を設け、
該冷却配管と前記第3の熱交換器の間を冷却水が通水する冷却水配管を設け、
前記第3の熱交換器で、前記原動機の発熱を吸収して温度上昇した冷却水から、前記有機媒体に、熱移動する構成を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の低温熱回収システム。 A third heat exchanger in the line for sending the organic medium from the circulation pump;
The motor is provided with a cooling pipe for passing cooling water that absorbs heat generated from the motor,
Providing a cooling water pipe through which cooling water flows between the cooling pipe and the third heat exchanger;
The said 3rd heat exchanger has a structure which carries out heat transfer to the said organic medium from the cooling water which absorbed the heat_generation | fever of the said motor | power_engine, and rose in temperature. Low temperature heat recovery system.
前記温度計は、前記有機媒体の温度を計測した計測温度を制御部に送信し、
前記制御部は、前記計測温度を受信すると、前記記憶部に記憶された「有機媒体温度‐飽和圧力対応情報」に基づき、飽和圧力を求め、
次いで、前記求められた飽和圧力に基づき前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の低温熱回収システム。 The control unit has a storage unit for storing “organic medium temperature-saturation pressure correspondence information” in which the temperature of the organic medium and the saturation pressure at the temperature are associated with each other.
The thermometer transmits a measured temperature obtained by measuring the temperature of the organic medium to the control unit,
Upon receiving the measured temperature, the control unit obtains a saturation pressure based on the “organic medium temperature-saturation pressure correspondence information” stored in the storage unit,
5. The low-temperature heat recovery system according to claim 1, wherein the number of revolutions of the circulation pump is controlled based on the obtained saturation pressure.
前記制御部は、前記飽和圧力に、前記所定圧力情報に基づいた所定圧力を、加算して設定圧力を算出し、
該設定圧力に基づき前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項5に記載の低温熱回収システム。 The control unit further includes a storage unit that stores a predetermined pressure such that the organic medium maintains a liquid phase,
The control unit calculates a set pressure by adding a predetermined pressure based on the predetermined pressure information to the saturation pressure,
6. The low-temperature heat recovery system according to claim 5, wherein the number of rotations of the circulation pump is controlled based on the set pressure.
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Cited By (1)
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CN109695512A (en) * | 2019-01-28 | 2019-04-30 | 南通大学 | A kind of marine vehicle diesel residual heat utilizes multi-function device |
-
2015
- 2015-03-03 JP JP2015041845A patent/JP2016160869A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109695512A (en) * | 2019-01-28 | 2019-04-30 | 南通大学 | A kind of marine vehicle diesel residual heat utilizes multi-function device |
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