JP2017155612A - Waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、廃熱回収装置に係り、特にランキンサイクルシステムにより内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery apparatus, and more particularly to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine using a Rankine cycle system.
特許文献1には、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルシステムに関する技術が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、作動流体を蒸発させて蒸気を生成する内燃機関と、生成した蒸気の熱エネルギを動力として回収するタービンと、タービンを通過した蒸気を凝縮させるコンデンサと、コンデンサで液化した作動流体を貯留するタンクと、タンク内の液相状態の作動流体を内燃機関に還流する還流部とを備えている。そして、このランキンサイクルシステムでは、タービンの出口部とコンデンサの入口部とを接続する通路の最下部が通路部を介してタンクへと接続されており、この通路部の途中には、還流部を流通する作動流体との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている。 Patent Document 1 discloses a technique related to a Rankine cycle system that recovers waste heat accompanying the operation of an internal combustion engine. In this Rankine cycle system, an internal combustion engine that generates steam by evaporating the working fluid, a turbine that recovers the thermal energy of the generated steam as power, a condenser that condenses the steam that has passed through the turbine, and an operation that is liquefied by the condenser A tank for storing fluid and a recirculation unit for recirculating the liquid-phase working fluid in the tank to the internal combustion engine are provided. In this Rankine cycle system, the lowermost part of the passage connecting the turbine outlet and the condenser inlet is connected to the tank via the passage, and the reflux part is placed in the middle of the passage. A heat exchanger for exchanging heat with the circulating working fluid is provided.
特許文献1のシステムによれば、タービン出口部に発生した液相の作動流体をタンク内へと導くことができるので、タービンへの液相の作動流体の流入が回避される。しかしながら、特許文献1のシステムでは、タンク内に貯留された液相の作動流体は、熱交換器によって加熱された後に内燃機関へと還流される。この場合、内燃機関へ還流される作動流体の温度が過度に上昇してしまい、内燃機関の冷却を十分に行うことができないおそれがある。 According to the system of Patent Document 1, since the liquid-phase working fluid generated at the turbine outlet can be guided into the tank, the inflow of the liquid-phase working fluid into the turbine is avoided. However, in the system of Patent Document 1, the liquid-phase working fluid stored in the tank is heated by the heat exchanger and then returned to the internal combustion engine. In this case, the temperature of the working fluid recirculated to the internal combustion engine may increase excessively, and the internal combustion engine may not be sufficiently cooled.
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにより回収する廃熱回収装置において、内燃機関の冷却が不十分となることを回避しつつ膨張機への液相の冷媒の流入を抑制することのできる廃熱回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. In a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine by a Rankine cycle, the expander avoids insufficient cooling of the internal combustion engine. An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device capable of suppressing the inflow of a liquid-phase refrigerant into the water.
本発明は、冷媒を蒸気化する沸騰器と、沸騰器から送出される気相の冷媒を内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、過熱器を通過した気相の冷媒を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、膨張機を通過した気相の冷媒を凝縮させて液相の冷媒に戻す凝縮器と、凝縮器から送出された液相の冷媒を前記沸騰器へと戻すポンプと、を備える廃熱回収装置に適用される。廃熱回収装置は、第1配管と、第2配管と、凝縮水タンクと、加熱装置とを備えている。第1配管は、膨張機の出口部と凝縮器の入口部とを接続する冷媒管として構成されている。また、凝縮水タンクは、膨張機よりも低い位置から第1配管に連通するように設けられ、膨張機又は第1配管にて発生した液相の冷媒が流入するように構成されている。また、加熱装置では、凝縮水タンクに流入した液相の冷媒を加熱するように構成されている。そして、加熱装置において蒸気化した気相の冷媒は、第2配管を介して凝縮器又は第1配管へと送出される。 The present invention expands a vaporizer that evaporates refrigerant, a superheater that superheats the gas-phase refrigerant delivered from the boiler by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine, and the gas-phase refrigerant that has passed through the superheater. An expander that recovers thermal energy, a condenser that condenses the gas-phase refrigerant that has passed through the expander and returns it to the liquid-phase refrigerant, and the liquid-phase refrigerant sent from the condenser to the boiling device And a return heat pump. The waste heat recovery apparatus includes a first pipe, a second pipe, a condensed water tank, and a heating device. The first pipe is configured as a refrigerant pipe that connects the outlet portion of the expander and the inlet portion of the condenser. The condensed water tank is provided so as to communicate with the first pipe from a position lower than the expander, and is configured such that liquid-phase refrigerant generated in the expander or the first pipe flows in. The heating device is configured to heat the liquid-phase refrigerant that has flowed into the condensed water tank. And the gaseous-phase refrigerant | coolant vaporized in the heating apparatus is sent to a condenser or 1st piping via 2nd piping.
本発明によれば、膨張機又は第1配管にて発生した液相の冷媒は、重力によって凝縮水タンクへと導かれる。これにより、液相の冷媒が膨張機内へ流入することを回避することができる。また、本発明の構成によれば、加熱装置において加熱された冷媒が凝縮器で冷却された後に内燃機関へと戻される。このため、内燃機関の冷却が不十分となることを回避しつつ膨張機への液相の冷媒の流入を抑制することが可能となる。 According to the present invention, the liquid-phase refrigerant generated in the expander or the first pipe is guided to the condensed water tank by gravity. Thereby, it is possible to avoid the liquid-phase refrigerant from flowing into the expander. Further, according to the configuration of the present invention, the refrigerant heated in the heating device is returned to the internal combustion engine after being cooled by the condenser. For this reason, it becomes possible to suppress the inflow of the liquid phase refrigerant to the expander while avoiding insufficient cooling of the internal combustion engine.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the same reference numerals are given to common elements in the drawings, and redundant description is omitted. In addition, in the embodiment shown below, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the reference However, the present invention is not limited to these numbers. Further, the structures described in the embodiments described below are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.
実施の形態1.
1.ランキンサイクルシステムの基本構成
図1は、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の特徴的構成を示す図である。また、図2は、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の比較例としてのランキンサイクルシステム200の構成を示す図である。なお、ランキンサイクルシステム200は、基本的なシステム構成が実施の形態1のランキンサイクルシステム100と共通であるため、ランキンサイクルシステム100の基本構成及び基本動作については、図2のランキンサイクルシステム200を参照して説明する。
Embodiment 1 FIG.
1. Basic Configuration of Rankine Cycle System FIG. 1 is a diagram illustrating a characteristic configuration of a
図2に示すように、比較例のランキンサイクルシステム200は、内燃機関(エンジン)10を含み、エンジン10の廃熱を回収する廃熱回収装置として構成されている。エンジン10の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン10のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン10を循環する冷媒が流れる冷媒流路12が形成されている。冷媒流路12は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン10は、冷媒流路12を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
As shown in FIG. 2, the Rankine
エンジン10は、冷媒流路12内を流通する冷媒をエンジン10の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路12は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン10の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路12は、エンジン10の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。また、冷媒流路に流通させる冷媒は、常温では液相流体であり、エンジン10の熱により沸騰して気相流体に変化するものであればよく、水には限定されない。
The
エンジン10の冷媒流路12は、冷媒管14を介して気液分離器16に接続されている。エンジン10の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路12からは気相の冷媒とともに液相の冷媒が吐出される。気液分離器16は、気液分離器16内に流入した気液二相の冷媒を液相の冷媒と気相の冷媒(蒸気)とに分離する。気液分離器16は、冷媒管18を介して第2ウォータポンプ20(WP2)に接続されている。気液分離器16で分離された液相の冷媒は、冷媒管18を経由して第2ウォータポンプ20に流入し、第2ウォータポンプ20により冷媒流路12に送られる。
The
また、ランキンサイクルシステム200は、排気熱蒸気発生器13を備えている。排気熱蒸気発生器13は、エンジン10の排気通路22に設けられている。気液分離器16の下部は、冷媒管18及び冷媒管11を介して排気熱蒸気発生器13にも接続されている。排気熱蒸気発生器13には、気液分離器16から液相の冷媒が導入される。導入された液相の冷媒は、排気通路22を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相の冷媒は、冷媒管15を介して再び気液分離器16へと導入される。
The Rankine
気液分離器16は、冷媒管28を介して過熱器30に接続されている。過熱器30は、エンジン10の排気通路22において排気熱蒸気発生器13の上流に設けられている。気液分離器16では気相の冷媒と液相の冷媒が共存しているため、気相の冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器30に入った気相の冷媒は、排気通路22を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱蒸気となる。
The gas-
過熱器30は、冷媒管32を介して膨張機であるタービン34に接続されている。タービン34では、過熱器30から送られた気相の冷媒(過熱蒸気)を膨張させて熱エネルギを回収することが行われる。冷媒管32とタービン34との接続部には、超音速ノズル35が設けられている。気相の冷媒は超音速ノズル35からタービン34に噴きつけられ、タービン34を回転させる。タービン34の回転は、クラッチ33を介してエンジン10の回転軸に伝えられる。つまり、タービン34で回収された熱エネルギは、エンジン10のアシストに用いられる。ただし、タービン34により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
The
また、ランキンサイクルシステム100は、気液分離器16の上端と冷媒管36を接続する冷媒管37を備えている。冷媒管37には、逃がし弁38が設けられている。逃がし弁38が開弁されると気液分離器16内の気相の冷媒が逃がし弁38に導入される。導入された気相の冷媒は、逃がし弁38を通過する際に減圧された上でコンデンサ(凝縮器)40に導入される。
The
タービン34の出口部とコンデンサ40の入口部とは冷媒管36(第1配管)によって接続されている。タービン34で膨張した気相の冷媒は、冷媒管36を介してコンデンサ40に送られる。コンデンサ40に送られた気相の冷媒は、コンデンサ40により冷却されて凝縮し、液相の冷媒に戻される。気相の冷媒の凝縮により生じた液相の冷媒は、コンデンサ40から冷媒管42を介してキャッチタンク44に送られ、キャッチタンク44に一時的に貯留される。キャッチタンク44は、冷媒管46を介して冷媒管18の途中に接続されている。冷媒管46には、第1ウォータポンプ48(WP1)が設けられている。第1ウォータポンプ48は、キャッチタンク44に貯留された液相の冷媒を冷媒管18を介して気液分離器16或いはエンジン10に送るためのポンプである。冷媒管46における第1ウォータポンプ48と冷媒管18との間には、冷媒管18側からキャッチタンク44側への液相の冷媒の逆流を防止する逆止弁47が設けられている。また、キャッチタンク44とタービン34とは、冷媒管50により接続されている。冷媒管50は、タービン34の出口部に溜った液相の冷媒をキャッチタンク44へと排出するためのものである。
The outlet portion of the
2.ランキンサイクルシステムの基本動作
次に、ランキンサイクルシステム200において行なわれる沸騰冷却の基本動作について説明する。なお、図2において、液相の冷媒の流れは太実線で表され、気相の冷媒(蒸気)は太破線で表されている。
2. Next, the basic operation of boiling cooling performed in the
ランキンサイクルシステム200においては、エンジン10の廃熱によるエネルギをタービン34の回転エネルギとして回収し、エンジン10の回転軸の回転を補助するものである。すなわち、冷媒流路12及び排気熱蒸気発生器13は、エンジン10の廃熱を受け取って液相の冷媒を沸騰させる沸騰器として機能する。液相の冷媒が沸騰すると、液相の冷媒の一部が気相の冷媒(蒸気)に変化する。冷媒流路12において発生した気相の冷媒は、冷媒管14を経由して気液分離器16へと導入される。また、排気熱蒸気発生器13において発生した気相の冷媒は、冷媒管15を経由して気液分離器16へと導入される。気液分離器16内の気相の冷媒は、冷媒管14を経由して過熱器30へ導入される。気相の冷媒は、過熱器30を通過する過程でエンジン10の排気熱を更に受け取ることにより、より高温高圧の過熱蒸気へと変化する。過熱器30を通過した過熱蒸気は、冷媒管32を経由してタービン34へ導入される。
In the
タービン34では、導入された過熱蒸気が超音速ノズル35によって減圧されて膨張した後タービン翼へと噴きつけられる。これにより、過熱蒸気の熱エネルギがタービン34の回転運動として取り出される。タービン34を通過した低圧の気相の冷媒は冷媒管36を経由してコンデンサ40へと導入される。導入された気相の冷媒はコンデンサ40内で冷却されて液相の冷媒へと変化し、冷媒管42を経由してキャッチタンク44へと一時的に貯留される。第1ウォータポンプ48が駆動されると、キャッチタンク44内の液相の冷媒が冷媒管46及び冷媒管18を介して気液分離器16又はエンジン10内へと導入される。
In the
3.比較例のランキンサイクルシステムの課題
タービン34の出口部は蒸気温度が低下するため、凝縮によって液相の冷媒(凝縮水)が発生するおそれがある。発生した凝縮水がタービン34内に逆流すると、内部部品に対して悪影響を及ぼすため、発生した凝縮水は速やかに排出されることが望ましい。上述した比較例のランキンサイクルシステム200では、タービン34の出口部に発生した凝縮水が冷媒管50を介してキャッチタンク44へと導入されるので、タービン34を凝縮水の流入から保護することができる。
3. Problems of Rankine Cycle System of Comparative Example Since the steam temperature is reduced at the outlet of the
ここで、図2に示すように、ランキンサイクルシステム200によってランキンサイクルが作動されると、冷媒の過熱が行われる常圧領域(−40〜100kPa_Gの領域)と、冷媒の凝縮が行われる低圧領域(−90〜−70kPa_Gの領域)が形成される。低圧領域は、圧力の低下に伴い冷媒の沸点も低下している。このため、比較的高温の凝縮水がキャッチタンク44へと導入される比較例のランキンサイクルシステム200では、第1ウォータポンプ48の冷媒吸込口付近において、減圧による冷媒の沸騰が起きるおそれがある。この場合、第1ウォータポンプ48への気相の噛み込みが発生し、送水性能が低下してしまう。
Here, as shown in FIG. 2, when the Rankine cycle is operated by the
この点、例えば上述した特許文献1の技術では、冷媒の減圧沸騰を抑制するために、タービン出口部に滞留する液相の作動流体を熱交換器で冷却した後にタンク内へと導くこととしている。しかしながら、タンク内に貯留された液相の作動流体は、熱交換器によって加熱された後に内燃機関へと還流される。このため、特許文献1の技術では、内燃機関へ還流される作動流体の温度が過度に上昇して内燃機関の冷却を十分に行うことができないおそれがある。 In this regard, for example, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, in order to suppress decompression boiling of the refrigerant, the liquid-phase working fluid staying at the turbine outlet is cooled by a heat exchanger and then introduced into the tank. . However, the liquid-phase working fluid stored in the tank is heated by the heat exchanger and then returned to the internal combustion engine. For this reason, in the technique of Patent Document 1, there is a possibility that the temperature of the working fluid recirculated to the internal combustion engine excessively increases and the internal combustion engine cannot be sufficiently cooled.
4.実施の形態1のランキンサイクルシステムの特徴的構成
次に、図1を参照して、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の特徴的構成について説明する。なお、図1ではランキンサイクルシステム100の特徴的な構成のみを図示しているが、ランキンサイクルシステム100は、冷媒管50を除くランキンサイクルシステム200の構成を備えているものとする。
4). Characteristic Configuration of Rankine Cycle System of Embodiment 1 Next, a characteristic configuration of
図1に示すように、タービン34の出口部近傍の冷媒管36には凝縮水タンク52が設けられている。凝縮水タンク52は、タービン34よりも低い位置に配置され、冷媒管36の最低部に連通している。また、凝縮水タンク52よりも更に低い位置には、冷媒管54を介して加熱装置56が接続されている。加熱装置56は、図示しない排気通路との熱交換によって凝縮水を加熱するための装置である。加熱装置56の上部は、冷媒管58(第2配管)を介して、コンデンサ40の入口部近傍の冷媒管36に接続されている。
As shown in FIG. 1, a
図1に示すランキンサイクルシステム100の構成によれば、冷媒管36内に発生した凝縮水は、重力の作用によって凝縮水タンク52へと流入し、凝縮水タンク52から更に下方の加熱装置56へと流入する。これにより、冷媒管36にて発生した凝縮水が、タービン34の内部へと流入することを回避することができる。
According to the configuration of the
また、加熱装置56に流入した凝縮水は、排気との熱交換によって加熱される。加熱されて再び蒸気となった冷媒は、冷媒管58及び冷媒管36を流通してコンデンサ40へと導入される。このように、ランキンサイクルシステム100の構成によれば、加熱装置56で加熱された冷媒(蒸気)が、コンデンサ40にて冷却された後にエンジン10へと戻される。これにより、高温の冷媒がエンジン10へと戻されることを回避することができるので、エンジン10の冷却が不十分となることを回避しつつタービン34への液相の冷媒の流入を抑制することが可能となる。
The condensed water flowing into the
ところで、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、排気熱を利用した加熱装置56について説明したが、電熱線等の他の熱源を用いてもよい。なお、加熱装置56内は低圧領域であるため、凝縮水は45〜70℃程度で沸騰する。また、タービン34に導入される蒸気は基本的に凝縮水が発生しないように十分に過熱されているため、凝縮水タンク52へと導入される凝縮水量は比較的少ない。このことから、加熱装置56において凝縮水の加熱に必要なエネルギは排気エネルギに比べて非常に小さいものであり、加熱装置56は小型なものでも対応することができる。また、排気熱を利用した加熱装置56では、触媒の暖機に影響を与えないように、触媒下流の排気通路に接地することが好ましい。
By the way, in
また、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、冷媒管58を介して加熱装置56と冷媒管36とを接続する構成としたが、冷媒管58を介して加熱装置56とコンデンサ40の入口部とを直接接続する構成でもよい。
Further, in the
10 内燃機関(エンジン)
12 冷媒流路(沸騰器)
13 排気熱蒸気発生器(沸騰器)
11,14,15,18,28,32,37,42,50,54 冷媒管
16 気液分離器
20 第2ウォータポンプ
22 排気通路
30 過熱器
33 クラッチ
34 タービン(膨張機)
35 超音速ノズル
36 冷媒管(第1配管)
38 逃がし弁
40 コンデンサ(凝縮器)
44 キャッチタンク
46 冷媒管(冷媒経路)
47 逆止弁
48 第1ウォータポンプ(ポンプ)
52 凝縮水タンク
56 加熱装置
58 冷媒管(第2配管)
100,200 ランキンサイクルシステム
10 Internal combustion engine
12 Refrigerant flow path (boiler)
13 Exhaust heat steam generator (boiler)
11, 14, 15, 18, 28, 32, 37, 42, 50, 54
35
38
44
47
52
100,200 Rankine cycle system
Claims (1)
前記膨張機の出口部と前記凝縮器の入口部とは第1配管により接続され、
前記膨張機よりも低い位置から前記第1配管に連通するように設けられ、前記膨張機又は前記第1配管にて発生した液相の冷媒が流入する凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクに流入した液相の冷媒を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置において蒸気化した気相の冷媒を前記凝縮器又は前記第1配管へと送出させる第2配管と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。 A boiler that vaporizes the refrigerant, a superheater that superheats the gas-phase refrigerant delivered from the boiler by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine, and the gas-phase refrigerant that has passed through the superheater is expanded. An expander that recovers thermal energy, a condenser that condenses the vapor-phase refrigerant that has passed through the expander and returns it to a liquid-phase refrigerant, and a liquid-phase refrigerant that is sent from the condenser to the boiling device A waste heat recovery device comprising a return pump,
The outlet portion of the expander and the inlet portion of the condenser are connected by a first pipe,
A condensed water tank provided to communicate with the first pipe from a position lower than the expander, and into which a liquid-phase refrigerant generated in the expander or the first pipe flows;
A heating device for heating the liquid-phase refrigerant flowing into the condensed water tank;
A second pipe for sending the vapor-phase refrigerant vaporized in the heating device to the condenser or the first pipe;
A waste heat recovery device comprising:
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