JP2017180382A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、簡易な構造とし、かつ既存配管の一部に対して差し替え交換可能な排熱回収装置を提供する。
【解決手段】熱交換手段２０を備えた排気管１２と、排ガスの迂回流路であるバイパス管１４とが、分配ケース１６と、合流ケース１８とを共有している排熱回収装置１０であって、バイパス管１４は、排気管１２の配置方向の厚みを導入側排ガス管４ａの半分以下とし、かつ断面積が導入側排ガス管４ａの断面積以上に構成し、排気管１２は、圧力損失がバイパス管１４と一致するように構成し、分配ケース１６には、排気管開口部１２ａと、バイパス管開口部１４ａと、２つの開口部のいずれか一方を閉塞するダンパー２２が備えられ、ダンパー２２の回転軸２２ａは導入側排ガス管４ａの中心軸の延長線上に掛かるように配置され、排気管開口部１２ａと、バイパス管開口部１４ａの配置角度を近似させていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶の機関等から発生する排ガスの熱を回収する装置に係り、特に水管型の排熱回収装置に関する。

船舶の主機関や発電機関の排ガスから熱を回収する装置としては、水管型のものと、煙管型のものが知られている。本発明では、排ガス経路に媒液を挿通させる管路を配置して熱交換を行う水管型の排熱回収装置に関する技術である。

水管型の排熱回収装置としては従来、例えば図６に示すように、排気管２とバイパス管３を備え、排気管２に熱交換手段２ａを備えることを基本として構成されていた。このような構成の装置では、機関１から延設されている排ガス管４から、排気管２とバイパス管３に分岐する分岐部に、流路を切り替えるダンパー５が備えられている。

水管型の排熱回収装置では、熱交換を行う管路からの液漏れを考慮して、液受けを設ける必要がある。このため、従来は、排ガス管４に対してバイパス管３が延長線上に配置され、排気管２を大きく迂回させる配置構成が採られていた。

しかしながら、このような構成の排熱回収装置は、少なくとも迂回流路となる排気管２を現場で据え付ける必要が生じ、工期の短縮が困難であると共に、狭い船内において大きなスペースをとることとなってしまっていた。

このような実状に鑑み、特許文献１に開示されているような２重管式の排熱回収装置が提案されている。特許文献１に開示されている排熱回収装置は、図７に示すように、内筒をバイパス管３とし、内筒と外筒との間を排気管２として、熱交換手段（不図示）を設ける構成を採っており、バイパス管３と排気管２との流路の切り替えをダンパー５により行う構成としている。

特開２０１４−６１８６３号公報

上記特許文献１に開示されているような構成の排熱回収装置によれば、装置の小型化を図ることができると共に、既存配管の取り回しを殆ど変えずに装置の取り付けを行うことができるため、工期の短縮を図ることもできる。また、工期短縮により工事費用を抑えることも可能となる。

しかしながら、２重管構造は、排気管２とバイパス管３が独立化されている装置に比べて構造が複雑化するといった問題がある。また、その構造上、排ガスを排気管２側へ流す際の圧力損失と、バイパス管３側へ流す際の圧力損失の変化を小さくするために、装置内へ排ガスを導入する経路を装置側面に設ける必要がある。このため、既存配管に設置する際、排ガスを導入する排ガス管４の方向を変更することが必要となる。

本発明では、上記問題を解決し、小型で、簡易な構造とし、かつ既存配管の一部に対して差し替え交換可能な排熱回収装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収装置は、排ガスの挿通路に熱交換手段を備えた排気管と、前記排気管に隣接配置される排ガスの迂回流路であるバイパス管とが、導入側排ガス管が接続される分配ケースと、排出側排ガス管が接続される合流ケースとを共有している排熱回収装置であって、前記バイパス管は、前記排気管の配置方向の厚みを前記導入側排ガス管の半分以下とし、かつ断面積が前記導入側排ガス管の断面積以上に構成し、前記排気管は、前記導入側排ガス管から流入する排ガスにより生じる圧力損失が前記バイパス管と一致するように構成し、前記分配ケースには、前記導入側排ガス管から流入する排ガスを、排気管側流路へ導くための排気管開口部と、バイパス管側流路に導くためのバイパス管開口部と、回転軸を基点として前記排気管開口部と前記バイパス管開口部のいずれか一方を閉塞するダンパーが備えられ、前記回転軸は、少なくとも一部が前記導入側排ガス管の中心軸の延長線上に掛かるように配置され、前記中心軸を基点とした前記排気管開口部と、前記バイパス管開口部の配置角度を近似させていることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する排熱回収装置の前記分配ケースにおける前記排気管側流路には、前記排気管開口部よりも下部側に、液受けが設けられているようにすると良い。このような構成とすることにより、仮に、排気管に設けられた熱交換手段から媒液の漏洩が生じたとしても、媒液が導入側排ガス管に流れ込むことを防止することができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収装置は、排ガスの挿通路に熱交換手段を備えた排気管と、前記排気管に隣接配置される排ガスの迂回流路であるバイパス管とが、導入側排ガス管が接続される分配ケースと、排出側排ガス管が接続される合流ケースとを共有している排熱回収装置であって、前記排気管は、前記導入側排ガス管から流入する排ガスにより生じる圧力損失が前記バイパス管と一致するように構成され、前記分配ケースには、前記導入側排ガス管から流入する排ガスを排気管側流路またはバイパス管側流路のいずれか一方へ導くためのダンパーが備えられ、前記排気管側流路には、前記分配ケースから前記排気管の入口までの経路に流入した排ガスの流れ方向を変える第１曲部が備えられると共に、前記合流ケースを介した前記排出側排ガス管への流入経路にはストレート構造が適用され、前記バイパス管側流路には、前記分配ケースから前記バイパス管への流入経路にはストレート構造が適用されると共に、前記バイパス管の出口から前記合流ケースまでの経路に排出した排ガスの流れ方向を変える第２曲部が備えられていることを特徴とするものであっても良い。

また、上記のような特徴を有する排熱回収装置では、前記第１曲部に、液受けが設けられているように構成することができる。このような構成とすることにより、液受けを分配ケースと別に設けることができる。よって、その容量を増やすことができると共に、ドレンを設けて貯留された液を排出することもできる。

また、上記のような特徴を有する排熱回収装置では、前記液受けから前記排気管の入口までの経路に、第１エキスパンションジョイントが配置されていることが望ましい。このような構成とすることにより、構造が複雑となる排気管側流路にも、エキスパンションジョイントを配置することができる。よって、バイパス管側流路のみにエキスパンションジョイントを配置する場合よりも、熱歪みの吸収効果を高めることができる。

さらに、上記のような特徴を有する排熱回収装置の前記バイパス管には、第２エキスパンションジョイントが配置されていることが望ましい。このような構成とすることにより、排ガスが流入する流路と流入しない流路との間に生ずる熱歪みを吸収することが可能となる。

上記のような特徴を有する排熱回収装置によれば、小型で、簡易な構造とし、かつ既存配管の一部に対して差し替え交換可能な排熱回収装置とすることができる。

第１の実施形態に係る排熱回収装置の正面視からの透過断面を示す図である。 第１の実施形態に係る排熱回収装置の左側面視からの透過断面を示す図である。 ダンパーによりバイパス管側の流路を閉塞した場合の例を示す図である。 ダンパーにより排気管側の流路を閉塞した場合の例を示す図である。 第２の実施形態に係る排熱回収装置の正面構成を示す概略図である。 排気管とバイパス管を完全別体構造とした従来の排熱回収装置の構成例を示す図である。 排気管とバイパス管を２重管構造とした従来の排熱回収装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の排熱回収装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図１は第１の実施形態に係る排熱回収装置の正面視からの透過断面を示す図であり、図２は第１の実施形態に係る排熱回収装置の左側面視からの透過断面を示す図である。

本実施形態に係る排熱回収装置１０は、図６、図７に示す従来例と同様に、主機関や発電機関等の駆動機関（機関１）からの排ガスを挿通させる排ガス管４の一部に設けて使用される。よって、以下の説明においては、排熱回収装置１０の上流側に位置する排ガス管を導入側排ガス管４ａと称し、下流側に位置する排ガス管を排出側排ガス管４ｂと称することとする。

排熱回収装置１０は、排気管１２と、バイパス管１４、分配ケース１６、および合流ケース１８を基本として構成されている。排気管１２は、内部に挿通される排ガスとの間で熱交換を行う媒液を挿通させるための管路である熱交換手段２０を備える排ガス流路である。また、バイパス管１４は、排気管１２を使用しない際に、排ガスを挿通させるための迂回流路である。

分配ケース１６は、上述した排気管１２とバイパス管１４の上流側に配置され、導入側排ガス管４ａとの接続部を備えるマニホールドである。分配ケース１６には、排気管１２とバイパス管１４とのいずれか一方に排ガスを流入させるための切り替え手段であるダンパー２２が備えられている。一方、合流ケース１８は、上述した排気管１２とバイパス管１４の下流側に配置され、排出側排ガス管４ｂとの接続部を備える流路である。なお、分配ケース１６における導入側排ガス管４ａとの接続部と、合流ケース１８における排出側排ガス管４ｂとの接続部とを直線上に配置することにより、排熱回収装置１０は、既存配管との間での単純な差し替えによる設置が可能となる。

このような基本構成を有する排熱回収装置１０において、排気管１２とバイパス管１４は、別体形成された上で、隣接して並列配置されている。排気管１２とバイパス管１４を別体形成とした上で、いずれか一方の流路にエキスパンションジョイント２４を配置することで、熱膨張による排熱回収装置１０の歪みを防ぐことができる。なお、図１に示す形態では、構造が簡単なバイパス管１４に、エキスパンションジョイント２４を配置している。

バイパス管１４は、排気管１２と並列配置されている方向からの視点（以下、正面視と称す）において、導入側排ガス管４ａの延長線上に配置され、その厚みが導入側排ガス管４ａの半分以下（導入側排ガス管４ａを円筒形とした場合には、半径以下）となるように構成されている。また、バイパス管１４は、導入側排ガス管４ａから流入した排ガスの圧力損失が極端に大きくならないように、その断面積が導入側排ガス管４ａの断面積以上となるように構成されている。このため、バイパス管１４は、導入側排ガス管４ａと断面形状を異ならせ、必要とされる断面積を確保している。例えば図１に示す形態では、導入側排ガス管４ａの断面形状を円形としていた場合、分配ケース１６を介して断面形状を矩形とし、その幅方向長さを長くすることで、流路面積を確保している。

ここで、導入側排ガス管４ａの断面積（流路面積）をＳ、直径をＤとした場合、厚みをａ、幅をｂとしたバイパス管１４の断面積Ｓ´との関係は、数式１が成り立てば良い。

ここで、ａは、Ｄ／２以下である。このため、ａ＝Ｄ／２とした場合、数式２が成り立つこととなる。

なお、圧力損失を排気効率の許容範囲内とするためには、バイパス管１４の断面積Ｓ´は、導入側排ガス管４ａの断面積Ｓに対して、５％程度大きくすると良い。なお、排気効率の許容範囲内となる圧力損失とは、例えば通常の排ガス管が延長されている場合と変わらない程度とすれば良い。

このような構成とされるバイパス管１４に対して排気管１２は、導入側排ガス管４ａから流入する排ガスにより生じる圧力損失がバイパス管１４と一致、あるいは同等となるように、流路面積や内部配管の配置や数量等が定められている。このような構成とすることで、流路切り替えをした際の機関１（図６、図７参照）への負荷変動を避けることができる。また、その断面形状は、特に限定するものでは無いが、形状形成の容易性を考慮した場合には、矩形とすることが望ましい。

分配ケース１６には、ダンパー２２の切り替えによって選択的に閉塞される流路の開口部としての、排気管開口部１２ａを備えた壁面１２ｂとバイパス管開口部１４ａを備えた壁面１４ｂとが設けられている。２つの壁面１２ｂ，１４ｂは、正面視において、導入側排ガス管４ａの中心軸を基点とした傾斜角度θ１と傾斜角度θ２が近似、望ましくは一致するように配置されている。ダンパー２２は、２つの壁面の交点近傍に、回転軸２２ａを備え、回動によって排気管開口部１２ａかバイパス管開口部１４ａのいずれか一方を閉塞可能に構成されている。さらに、実施形態に係る排熱回収装置１０では、正面視において、導入側排ガス管４ａの中心軸の延長線上に、ダンパー２２の回転軸２２ａの少なくとも一部が掛かることとなるように構成されている。

このような構成とすることで、ダンパー２２によって排ガスの流路を切り替えた際、導入側排ガス管４ａからの流入角度が近似することとなる。よって、排気管１２側流路とバイパス管１４側流路とを切り替えた際に生じる圧力損失の差を抑制することができる。

また、分配ケース１６では、排気管開口部１２ａから排気管１２への接続に至る領域の下部側に、熱交換手段２０を構成する配管から媒液が漏洩した際の液溜まりとなる液受け１６ａが設けられている。液受け１６ａは、排気管開口部１２ａを構成する壁面１２ｂを仕切りとして構成されており、漏洩した媒液が導入側排ガス管４ａへ流れ込むことを防止している。

このような構成の排熱回収装置１０では、ダンパー２２を図３に示す位置に配置した場合には、矢印で示したように、導入側排ガス管４ａから流入した排ガスが、排気管１２側へ流入し、熱交換（排熱回収）が成される。排気管１２を通過した排ガスは、合流ケース１８を介して排出側排ガス管４ｂへ流入し、排出されることとなる。

一方、排熱回収を行わない時には、ダンパー２２が図４に示す位置に配置される。これにより、導入側排ガス管４ａから流入した排ガスは、バイパス管１４側へ流入し、合流ケース１８を介して排出側排ガス管４ｂへと流れることとなる。
このような特徴を有する排熱回収装置１０は、排気管１２とバイパス管１４を近接配置して、分配ケース１６と合流ケース１８により挟み込む形態としたため、排気管１２とバイパス管１４を完全に別体として配管を配置する従来のものに比べて小型化することができる。また、排気管１２とバイパス管１４は、近接配置した別体構造とされているため、２重管構造の排熱回収装置に比べて簡易な構造とすることができる。さらに、導入側排ガス管４ａとの接続部と、排出側排ガス管４ｂとの接続部とを直線上に配置することができるため、既存配管の一部との差し替え設置が可能となる。よって、従来に比べて工期を大幅に短縮することができると共に、工事費用も抑制することができる。

上記実施形態では、バイパス管１４、排気管１２共に、その断面形状を矩形とする旨記載した。しかしながら、排気管１２やバイパス管１４の断面形状は、圧力損失を所定値以下とすることができる断面積（流路面積）を確保することができるものであれば、さらに多くの角部を持つ多角形や、楕円形としても良い。

次に、図５を参照して、第２の実施形態に係る排熱回収装置１０Ａについて説明する。本実施形態においても、排気管１２、やバイパス管１４、分配ケース１６、および合流ケース１８の基本的構成、および機能は、第１の実施形態に係る排熱回収装置１０と同様である。よって、その構成を同様とする箇所には、図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。

第１の実施形態との相違点としては、分配ケース１６の構造や分配ケース１６から排気管までの流路構成、および合流ケース１８の構造やバイパス管１４から合流ケース１８までの流路構成である。具体的には、分配ケース１６は、その内部にダンパー２２のみを備える簡易な構成としている。そして、分配ケースに付帯するように、液受け１６ａとなるケースを備え、液受け１６ａに貯留された液を抜くためのドレン１６ａ１を設ける構成としている。ダンパー２２は、回転軸２２ａを基点として回動して液受け１６ａを介した排気管側流路と、バイパス管側流路のいずれか一方を閉塞し、導入側排ガス管４ａから流入した排ガスを閉塞していない流路へ流すようにする役割を担う。

本実施形態では、分配ケース１６の側方に液受け１６ａを配置し、この液受け１６ａを介して排気管１２へ導入される構成としている。このため、分配ケース１６から排気管１２の入口までの流路に曲部（第１の曲部）が設けられることとなる。一方、排気管１２から合流ケース１８、および排出側排ガス管４ｂまでの流路は、曲部を持たないストレート構造となるように構成されている。このため、図５に示す例の場合、導入側排ガス管４ａから分配ケース１６に流入した排ガスは、９０°方向転換されて液受け１６ａ側へ流入する。液受け１６ａ内では、排ガスは、さらに９０°、鉛直方向へ方向転換されて排気管１２へと流入することとなる。排気管１２を通過して熱交換が成された排ガスは、合流ケース１８を介して排出側排ガス管へ４ｂと流れ出る。

これに対し、導入側排ガス管４ａから分配ケース１６を介したバイパス管１４への流路は、ストレート構造となるように構成されている。そして、バイパス管１４から合流ケース１８への流路には、曲部（第２曲部）が設けられる構成とされている。このため、図５に示す例の場合、導入側排ガス管４ａから分配ケース１６に流入した排ガスは、ストレートにバイパス管１４へと流入する。バイパス管１４の出口側では、排ガスは９０°方向転換されて合流ケース１８へと流入する。合流ケース１８へ流れ込んだ排ガスは、さらに９０°方向転換して鉛直方向へ向けられ、排出側排ガス管４ｂへと流れ出る。

このように、本実施形態に係る排熱回収装置１０Ａでは、排気管側流路に排ガスが導入される際には、導入側に曲部が存在することとなり、バイパス管側流路に排ガスが導入される際には、排出側に曲部が存在することとなる。そして、排気管側流路とバイパス管側流路のそれぞれに設けられた曲部（方向転換）の角度がほぼ等しくなるように構成されている。よって、排気管側流路、とバイパス管側流路のどちらに排ガスが導入される場合であっても、流路の形状（曲がり具合）に基づく圧力損失が近似することとなる。

また、本実施形態に係る排熱回収装置１０Ａでは、バイパス管１４の他に、液受け１６ａから排気管１２の入口までの流路にも、エキスパンションジョイント２６が設けられている。このような構成とすることで、熱膨張による排熱回収装置１０Ａの歪みを吸収することが可能となる。

このような構成の排熱回収装置１０Ａによれば、上記第１の実施形態に係る排熱回収装置１０と同様に、排気管１２とバイパス管１４を完全に別体として配管を配置する従来のものに比べて小型化することができる。また、排気管１２とバイパス管１４は、近接配置した別体構造とされているため、２重管構造の排熱回収装置に比べて簡易な構造とすることができる。さらに、既存配管の一部との簡易的な交換設置が可能となる。よって、従来に比べて工期を大幅に短縮することができると共に、工事費用も抑制することができる。

また、第１の実施形態に係る排熱回収装置１０に比べ、バイパス管の断面形状の変更を行わない分、排熱回収装置１０Ａを通過する際の圧力損失を小さく抑えることができる。

１………機関、２………排気管、２ａ………熱交換手段、３………バイパス管、４………排ガス管、４ａ………導入側排ガス管、４ｂ………排出側排ガス管、５………ダンパー、１０、１０Ａ………排熱回収装置、１２………排気管、１２ａ………排気管開口部、１２ｂ………壁面、１４………バイパス管、１４ａ………バイパス管開口部、１４ｂ………壁面、１６………分配ケース、１６ａ………液受け、１６ａ１………ドレン、１８………合流ケース、２０………熱交換手段、２２………ダンパー、２２ａ………回転軸、２４………エキスパンションジョイント、２６………エキスパンションジョイント。

Claims (6)

1. 排ガスの挿通路に熱交換手段を備えた排気管と、前記排気管に隣接配置される排ガスの迂回流路であるバイパス管とが、導入側排ガス管が接続される分配ケースと、排出側排ガス管が接続される合流ケースとを共有している排熱回収装置であって、
   前記バイパス管は、前記排気管の配置方向の厚みを前記導入側排ガス管の半分以下とし、かつ断面積が前記導入側排ガス管の断面積以上に構成し、
   前記排気管は、前記導入側排ガス管から流入する排ガスにより生じる圧力損失が前記バイパス管と一致するように構成し、
   前記分配ケースには、前記導入側排ガス管から流入する排ガスを、排気管側流路へ導くための排気管開口部と、バイパス管側流路に導くためのバイパス管開口部と、回転軸を基点として前記排気管開口部と前記バイパス管開口部のいずれか一方を閉塞するダンパーが備えられ、前記回転軸は、少なくとも一部が前記導入側排ガス管の中心軸の延長線上に掛かるように配置され、
   前記中心軸を基点とした前記排気管開口部と、前記バイパス管開口部の配置角度を近似させていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記分配ケースにおける前記排気管側流路には、前記排気管開口部よりも下部側に、液受けが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 排ガスの挿通路に熱交換手段を備えた排気管と、前記排気管に隣接配置される排ガスの迂回流路であるバイパス管とが、導入側排ガス管が接続される分配ケースと、排出側排ガス管が接続される合流ケースとを共有している排熱回収装置であって、
   前記排気管は、前記導入側排ガス管から流入する排ガスにより生じる圧力損失が前記バイパス管と一致するように構成され、
   前記分配ケースには、前記導入側排ガス管から流入する排ガスを排気管側流路またはバイパス管側流路のいずれか一方へ導くためのダンパーが備えられ、
   前記排気管側流路には、前記分配ケースから前記排気管の入口までの経路に流入した排ガスの流れ方向を変える第１曲部が備えられると共に、前記合流ケースを介した前記排出側排ガス管への流入経路にはストレート構造が適用され、
   前記バイパス管側流路には、前記分配ケースから前記バイパス管への流入経路にはストレート構造が適用されると共に、前記バイパス管の出口から前記合流ケースまでの経路に排出した排ガスの流れ方向を変える第２曲部が備えられていることを特徴とする排熱回収装置。
4. 前記第１曲部に、液受けが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
5. 前記液受けから前記排気管の入口までの経路に、第１エキスパンションジョイントが配置されていることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
6. 前記バイパス管には、第２エキスパンションジョイントが配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。