JP2018021485A - Multistage rankine cycle system, internal combustion engine and operation method of multistage rankine cycle system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収でき、より高い燃費改善効果が見込める多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法に関する。 The present invention relates to a multistage Rankine cycle system, an internal combustion engine, and an operation method for a multistage Rankine cycle system that can recover heat from both a high temperature side heat source and a low temperature side heat source and can expect a higher fuel efficiency improvement effect.
車両に搭載した内燃機関等の排熱を利用するランキンサイクルシステムとして、排気ガスの高温廃熱源の熱を使用して第1の有機ランキンサイクル(ORC)で第1の作動流体を蒸発し、ジャケット冷却水の低温廃熱源の熱を使用して第2の有機ランキンサイクルで第2の作動流体を蒸発温度よりも低い温度まで加熱する、内燃機関からの排熱を利用するカスケード型有機ランキンサイクルシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a Rankine cycle system that uses exhaust heat from an internal combustion engine or the like mounted on a vehicle, the first working fluid is evaporated in a first organic Rankine cycle (ORC) using the heat of a high-temperature waste heat source of exhaust gas, and a jacket Cascade type organic Rankine cycle system using exhaust heat from an internal combustion engine that heats the second working fluid to a temperature lower than the evaporation temperature in the second organic Rankine cycle using the heat of the low-temperature waste heat source of the cooling water Is known (see, for example, Patent Document 1).
このランキサイクルシステムでは、一つの熱交換器で第1の有機作動流体の凝縮と、第2有機作動流体の蒸発を行っている。言い換えれば、この熱交換器を第1の有機ランキンサイクルの凝縮器と第2の有機ランキンサイクルの蒸発器とを兼用している。 In this Rankine cycle system, the condensation of the first organic working fluid and the evaporation of the second organic working fluid are performed with one heat exchanger. In other words, this heat exchanger serves as both the condenser of the first organic Rankine cycle and the evaporator of the second organic Rankine cycle.
しかしながら、このランキサイクルシステムでは、この熱交換器の上流側にヒートシンクを設けて、ジャケット冷却水の低温廃熱源により、第2の作動流体を蒸発温度よりも低い温度まで、即ち、液体状態を維持したままで加熱している。そのため、低温廃熱源の熱の利用は第2の作動流体の液体状態における昇温のみであり、第2の作動流体の蒸発には利用されていないので、十分に熱利用できていないという問題がある。 However, in this Rankine cycle system, a heat sink is provided upstream of the heat exchanger, and the second working fluid is maintained at a temperature lower than the evaporation temperature, that is, in a liquid state by the low-temperature waste heat source of the jacket cooling water. It is heated as it is. Therefore, the heat of the low-temperature waste heat source is only used for raising the temperature of the second working fluid in the liquid state, and is not used for the evaporation of the second working fluid. is there.
本発明の目的は、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源からの熱を作動流体の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法を提供することにある。 The object of the present invention is to recover heat from both the high temperature side heat source and the low temperature side heat source, and to sufficiently recover heat by using the heat from the low temperature side heat source for the evaporation of the working fluid. An object of the present invention is to provide a multistage Rankine cycle system, an internal combustion engine, and an operation method of the multistage Rankine cycle system capable of obtaining a heat utilization effect.
上記の目的を達成するための本発明の多段ランキンサイクルシステムは、第1ランキンサイクルシステムと第2ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムにおいて、前記第1ランキンサイクルシステムでは、第1作動流体用ポンプと第1蒸発器の低温側伝熱管と第1膨張機と第1凝縮器の高温側伝熱管と前記第1作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第1作動流体が循環するように構成されていると共に、第1熱源である第1熱源流体が前記第1蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されており、前記第2ランキンサイクルシステムでは、第2作動流体用ポンプと第2蒸発器の低温側伝熱管と第1凝縮器の低温側伝熱管と第2膨張機と第2凝縮器の高温側伝熱管と第2作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第2作動流体が循環するように構成されていると共に、第2熱源である第2熱源流体が前記第2蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されていることを特徴とするシステムである。 In order to achieve the above object, a multi-stage Rankine cycle system of the present invention is a multi-stage Rankine cycle system comprising a first Rankine cycle system and a second Rankine cycle system, wherein the first Rankine cycle system includes a first working fluid. The first working fluid circulates by connecting the first pump, the low temperature side heat transfer tube of the first evaporator, the first expander, the high temperature side heat transfer tube of the first condenser, and the first working fluid pump in this order. And the first heat source fluid as the first heat source is connected by piping so as to pass through the high temperature side heat transfer tube of the first evaporator. In the second Rankine cycle system, 2. The working fluid pump, the low temperature side heat transfer tube of the second evaporator, the low temperature side heat transfer tube of the first condenser, the second expander, the high temperature side heat transfer tube of the second condenser, and the second working fluid pump. It is connected by piping so that the second working fluid circulates, and the second heat source fluid as the second heat source is connected by piping so as to pass through the high temperature side heat transfer tube of the second evaporator. It is a system characterized by that.
なお、ここでいう「配管で接続」とは、それぞれの機器の間で作動流体が流通できればよく、通常は配管を介して相互の機器が接続されるが、相互の機器の間に配管があることが必須であることを意味せず、直接接続されている構造であってもよい。 As used herein, “connected by piping” means that the working fluid can be circulated between the respective devices. Normally, the mutual devices are connected via the piping, but there is a piping between the mutual devices. Does not mean that it is essential, and a directly connected structure may be used.
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の多段ランキンサイクルシステムを備えていることを特徴とする内燃機関である。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine of the present invention is an internal combustion engine including the multi-stage Rankine cycle system described above.
上記の目的を達成するための本発明の多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、第1作動流体用ポンプと、第1蒸発器と、第1膨張機と、第1凝縮器とを有して第1作動流体を循環させる第1ランキンサイクルシステムと、第2作動流体用ポンプと、第2蒸発器と、第2膨張機と、第2凝縮器とを有して第2作動流体を循環させる第2ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、前記第1ランキンサイクルシステムでは、第1作動流体を、前記第1作動流体用ポンプにより前記第1蒸発器に送り、前記第1蒸発器で第1熱源の熱を利用して第1作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第1作動流体で前記第1膨張機を駆動して、第1膨張機から出た第1作動流体を前記第1凝縮器で液化して前記第1作動流体用ポンプに循環させると共に、前記第2ランキンサイクルシステムでは、第2作動流体を、前記第2作動流体用ポンプにより前記第2蒸発器に送り、前記第2蒸発器で第2熱源の熱を利用して第2作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第2作動流体を前記第1凝縮器に送り、前記第1凝縮器で、第1作動流体からの熱を前記第2作動流体に移動した後に、この蒸発状態の第2作動流体で前記第2膨張機を駆動して、前記第2膨張機から出た第2作動流体を前記第2凝縮器で液化して前記第2作動流体用ポンプに循環させることを特徴とする運転方法である。 In order to achieve the above object, an operating method of a multi-stage Rankine cycle system of the present invention comprises a first working fluid pump, a first evaporator, a first expander, and a first condenser. A first Rankine cycle system that circulates one working fluid; a second working fluid pump; a second evaporator; a second expander; and a second condenser that circulates the second working fluid. In the operation method of the multi-stage Rankine cycle system including the two Rankine cycle system, in the first Rankine cycle system, the first working fluid is sent to the first evaporator by the first working fluid pump. The first working fluid is evaporated by using the heat of the first heat source in the evaporator, the first working fluid is driven by the first working fluid in the evaporated state, and the first working fluid is discharged from the first working device. Before liquefying with the first condenser The second working fluid is circulated to the first working fluid pump, and in the second Rankine cycle system, the second working fluid is sent to the second evaporator by the second working fluid pump, and the second evaporator provides a second heat source. The second working fluid is evaporated by using the heat of the second working fluid, the second working fluid in the evaporated state is sent to the first condenser, and the heat from the first working fluid is sent to the second working fluid by the first condenser. After moving to the fluid, the second expander is driven by the second working fluid in the evaporated state, and the second working fluid discharged from the second expander is liquefied by the second condenser, and the second condenser is liquefied. It is an operating method characterized by circulating in a working fluid pump.
本発明の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法によれば、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源からの熱を作動流体の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる。 According to the multistage Rankine cycle system, the internal combustion engine, and the operation method of the multistage Rankine cycle system of the present invention, the heat from both the high temperature side heat source and the low temperature side heat source is recovered and the heat from the low temperature side heat source is operated. By using it for the evaporation of the fluid, sufficient heat recovery can be achieved, and a higher heat utilization effect can be obtained.
以下、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、多段ランキンサイクルシステムを、車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスを高温側熱源の第1熱源の第1熱源流体として利用し、エンジン冷却水を低温側熱源の第2熱源の第2熱源流体として利用する例を示して説明する。 Hereinafter, a multistage Rankine cycle system, an internal combustion engine, and an operation method of the multistage Rankine cycle system according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the multistage Rankine cycle system uses the exhaust gas of the diesel engine mounted on the vehicle as the first heat source fluid of the first heat source of the high temperature side heat source, and uses the engine coolant as the second heat source of the low temperature side heat source. An example in which the second heat source fluid is used will be described.
しかし、本発明の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法では、これに限定されず、車両に搭載されたディーゼルエンジン以外の熱源及び熱源流体を使用するものであってもよい。例えば、定置式の内燃機関であってもよく、内燃機関以外からの熱源及び熱源流体であってもよい。 However, the operation method of the multistage Rankine cycle system, the internal combustion engine, and the multistage Rankine cycle system of the present invention is not limited to this, and a heat source and a heat source fluid other than the diesel engine mounted on the vehicle may be used. . For example, it may be a stationary internal combustion engine, or a heat source and heat source fluid from other than the internal combustion engine.
また、以下の「配管で接続」とは、それぞれの機器の間で作動流体が流通できればよく、通常は配管を介して相互の機器が接続されるが、相互の機器の間に配管があることが必須であることを意味せず、直接接続されている構造であってもよい。 In addition, the following “connected by piping” means that the working fluid can be circulated between the respective devices. Normally, the mutual devices are connected via the piping, but there is a piping between the mutual devices. Does not mean that is essential, and may be a directly connected structure.
そして、図1に示すように、本発明に係る第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1は、第1ランキンサイクルシステム10と第2ランキンサイクルシステム20とを備えたシステムである。
As shown in FIG. 1, the multistage Rankine
この第1ランキンサイクルシステム10では、第1作動流体用ポンプ12と第1蒸発器13の低温側伝熱管と第1膨張機14と第1凝縮器15の高温側伝熱管と第1作動流体用ポンプ12とが順に配管で接続されて、第1作動流体Fw1が循環するように構成されている。
In the first Rankine
また、それと共に、第1熱源である第1熱源流体Gが第1蒸発器13の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されている。ここでは、この第1熱源流体Gは、エンジン本体2から排出される排気ガスGである。つまり、第1熱源として、エンジン本体2から排出され、ターボ式過給機のタービン3と、排気ガスGを浄化する後処理装置4を通過した後の排気ガスGを利用する。この排気ガスGは、第1蒸発器13の高温側伝熱管を通過して、その熱を第1蒸発器13の低温側伝熱管を通過する第1作動流体Fw1に与えて、第1作動流体Fw1を蒸発させる。
At the same time, the first heat source fluid G, which is the first heat source, is connected by piping so as to pass through the high temperature side heat transfer tube of the
一方、第2ランキンサイクルシステム20では、第2作動流体用ポンプ22と第2蒸発器23の低温側伝熱管と第1凝縮器15の低温側伝熱管と第2膨張機24と第2凝縮器25の高温側伝熱管と第2作動流体用ポンプ12とが順に配管で接続されて、第2作動流体Fw2が循環するように構成されている。
On the other hand, in the second Rankine
また、それと共に、第2熱源である第2熱源流体Weが第2蒸発器23の低温側伝熱管を通過するように配管で接続されている。ここでは、この第2熱源流体Weは、エンジン本体2を冷却するエンジン冷却水Weである。つまり、第2熱源として、冷却水ポンプ6から供給され、エンジン本体2とEGRクーラー5をそれぞれ通過して昇温した後に合流したエンジン冷却水Weを利用する。このエンジン冷却水Weは、第2蒸発器23の高温側伝熱管を通過して、その熱を第2蒸発器23の低温側伝熱管を通過する第2作動流体Fw2に熱を与えて、第2作動流体Fw2を蒸発させる。
At the same time, the second heat source fluid We, which is the second heat source, is connected by piping so as to pass through the low temperature side heat transfer tube of the
そして、第1作動流体Fw1には、排気ガスGなどの200℃〜400℃程度の比較的高温の熱源の熱を回収するのに適した、有機系の冷媒が使用される。この有機系の冷媒としては、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体を用いることができるが、純水やエタノールのみを用いてよい。また、n−ペンタンやトルエンのような低沸点の有機液体を使用してもよい。 For the first working fluid Fw1, an organic refrigerant suitable for recovering heat of a relatively high-temperature heat source such as the exhaust gas G of about 200 ° C. to 400 ° C. is used. As the organic refrigerant, a binary mixed medium such as water and ethanol, water and methanol, or water and ethylene glycol can be used, but only pure water or ethanol may be used. Further, an organic liquid having a low boiling point such as n-pentane or toluene may be used.
また、第2作動流体Fw2には、エンジン冷却水Weなどの80℃〜100℃程度の比較的低温の熱源の熱を回収するのに適した、フロン系の冷媒が使用される。このフロン系の冷媒としては、R123、R134a、R236fa、R245faなどを用いることができる。 In addition, as the second working fluid Fw2, a chlorofluorocarbon-based refrigerant suitable for recovering the heat of a relatively low-temperature heat source such as the engine cooling water We such as 80 ° C. to 100 ° C. is used. R123, R134a, R236fa, R245fa, or the like can be used as the fluorocarbon refrigerant.
また、第1作動流体用ポンプ12は液体状態の第1作動流体Fw1を、第1ランキンサイクルシステム10の中を循環させる装置である。また、第2作動流体用ポンプ22は、液体の状態の第2作動流体Fw2を第2ランキンサイクル20の中を循環させる装置である。
The first working
また、第1蒸発器13及び第2蒸発器23は、エバポレータとも呼ばれる装置で、減圧することによって液体を積極的に蒸発させる機能をもつ装置であり、ボイラーなどで構成される。この第1蒸発器13における高温側の第1熱源としては、車載のディーゼルエンジンの排気ガスG、特に、後処理装置4を通過した後の排気ガスGを熱源としているが、EGRガス、過給器で圧縮された吸入空気などを熱源にしてもよい。また、第2蒸発器23における低温側の熱源としては、エンジン本体2とEGRクーラー5で吸熱後のエンジン冷却水Weが高温になるので好ましい。
The
また、第1膨張機14と第2膨張機24は、エキスパンダーとも呼ばれる装置で、高圧の蒸気を断熱膨張させて低圧の蒸気にする際に、回転トルクなどの機械的エネルギーを取り出す機能を持つ装置であり、タービンなどで構成される。ここでは、第1膨張機14と第2膨張機24は同じ駆動軸(タービン軸)14aを回転させるように構成されている。
The
この駆動軸14aで取り出したエネルギーの用途については、特に図示しないが、エンジンを回転補助(アシスト)する場合は、エンジンのクランク軸が駆動軸14aに接続され、発電に用いる場合は、発電機が駆動軸14aに連結され、この発電した電力は、バッテリーに充電されて、エンジンを搭載している車両の電装部品等に使用される。
The use of the energy extracted by the
また、第1凝縮器15と第2凝縮器25は、コンデンサや復水器ともよばれる装置で、蒸気(気体)を冷却して液体にする機能を持つ装置である。ここでは、第1凝縮器15の第1作動流体Fw1は、第2蒸発器23を出た第2作動流体Fw2により冷却される。この構成により、第1ランキンサイクルシステム10の第1凝縮器15に第2ランキンサイクルシステム20の気体状態の第2作動流体Fw2を過熱する過熱器(スーパーヒーター)としての機能を持たせている。
The
一方、第2凝縮器25の第2作動流体Fw2は、空気(外気、大気)Aにより冷却される。この空冷の場合は、通常は冷却ファン(図示しない)が配置される。この構成によれば、高温側の第1ランキンサイクルシステム10の第1作動流体Fw1の冷却部を、低温側の第2ランキンサイクルシステム20の第2作動流体Fw2の熱回収部としているので、2つのランキンサイクルシステム10,20であっても、外部への放熱部は一つの第2凝縮器25のみで済むことになる。
On the other hand, the second working fluid Fw2 of the
なお、第2作動流体Fw2を冷却する第2凝縮器25は、必ずしも、空冷に限定する必要は無く、水冷でもよい。例えば、ラジエータ7で放熱して降温したエンジン冷却水Weで冷却してもよい。
The
次に本発明に係る第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの運転方法について説明する。この第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1における多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、図1に示すような、第1作動流体用ポンプ12と、第1蒸発器13と、第1膨張機14と、第1凝縮器15とを有してなる第1ランキンサイクルシステム10と、第2作動流体用ポンプ22と、第2蒸発器23と、第2膨張機24と、第2凝縮器25とを有してなる第2ランキンサイクルシステム20とを備えた多段ランキンサイクルシステム1の運転方法である。
Next, an operation method of the multistage Rankine cycle system according to the first embodiment of the present invention will be described. The operation method of the multi-stage Rankine cycle system in the multi-stage
この多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、第1ランキンサイクルシステム10では、第1作動流体Fw1を、第1作動流体用ポンプ12により第1蒸発器13に送り、第1蒸発器13で第1熱源の排気ガスGの熱を利用して第1作動流体Fw1を蒸発させる。この蒸発状態の第1作動流体Fwで第1膨張機14を駆動して、第1膨張機14から出た第1作動流体Fw1を第1凝縮器15で液化して第1作動流体用ポンプ12に循環させる。
In the operation method of this multi-stage Rankine cycle system, in the first
より詳細には、この第1ランキンサイクルシステム10では、図4及び図5に示すように、第1作動流体用容器(図示しない)に貯蔵されている第1作動流体Fw1を第1作動流体用ポンプ12により液体の状態(C1)で圧縮して循環させて(Win)、圧縮された液体の状態(C2)で、第1蒸発器13に送り、この第1蒸発器13で、排気ガスGからの熱を受けて(Qin)、第1作動流体Fw1を気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態(C3)の第1作動流体Fw1を第1膨張機14で断熱膨張させて駆動力を取り出し(Wout)、この低圧となった気体の状態(C4)の第1作動流体Fw1を第1凝縮器15に送り、この第1凝縮器15で、外部に熱を放出して(Qout)第1作動流体Fwを液化させ、これを作動流体用容器及び第1作動流体用ポンプ12に送っている。
More specifically, in the first
一方、第2ランキンサイクルシステム20では、第2作動流体Fw2を、第2作動流体用ポンプ22により第2蒸発器23に送り、この第2蒸発器23で第2熱源のエンジン冷却水Weの熱を利用して第2作動流体を蒸発させる。この蒸発状態の第2作動流体Fw2を第1凝縮器15に送り、第1凝縮器15で、第1作動流体Fw1からの熱を第2作動流体Fw2に移動して蒸気状態の第2作動流体Fw2を過熱する。その後に、この蒸気状態の第2作動流体Fw2で第2膨張機14を駆動して、第2膨張機14から出た第2作動流体Fw2を第2凝縮器25で液化して第2作動流体用ポンプ22に循環させる。
On the other hand, in the second
より詳細には、この第2ランキンサイクルシステム20では、同じく、図4及び図5に示すように、第2作動流体用容器(図示しない)に貯蔵されている第2作動流体Fw2を第2作動流体用ポンプ22により液体の状態(C1)で圧縮して循環させて(Win)、圧縮された液体の状態(C2)で、第2蒸発器23に送り、この第2蒸発器23で、エンジン冷却水We(図2,4等では排気ガスGで表示)からの熱を受けて(Qin)、第2作動流体Fw2を気化(蒸発)させると共に、第1凝縮器15で過熱して過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態(C3)の第2作動流体Fw2を第2膨張機24で断熱膨張させて駆動力を取り出し(Wout)、この低圧となった気体の状態(C4)の第2作動流体Fw2を第2凝縮器25に送り、この第2凝縮器25で、外部に熱を放出して(Qout)第2作動流体Fw2を液化させ、これを第2作動流体用容器及び第2作動流体用ポンプ22に送っている。
More specifically, in the second
この多段ランキンサイクルシステム1における熱移動を見ると、第1熱源である排気ガスGの熱は、第1蒸発器13で排気ガスGから第1作動流体Fw1に移動し、第1膨張機14で機械的エネルギーに変換される。また、第2熱源であるエンジン冷却水Weの熱は、第2蒸発器23でエンジン冷却水Weから第2作動流体Fw2に移動し、第2膨張機24で機械的エネルギーに変換される。
Looking at the heat transfer in the multistage
従って、本発明では、第1凝縮器15で、第1作動流体Fw1を第2作動流体Fw2で冷却する、言い換えれば、第1作動流体Fw1で第2作動流体Fw2を過熱することにより、第1膨張機14で使い切れなかった第1作動流体Fw1の熱エネルギーを第2作動流体Fw2に与えて、第2膨張機24で機械的エネルギーに変換するので、熱回収効率を向上させることができる。
Therefore, in the present invention, the
そして、図2に示すように、本発明に係る第2の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1Aは、さらに、第1ランキンサイクルシステム10Aにおいて、復熱装置16を設け、この復熱装置16の低温側伝熱管の入口側が第1作動流体用ポンプ12に、復熱装置16の低温側伝熱管の出口側が第1蒸発器13の低温側伝熱管にそれぞれ配管で接続されている。それと共に、復熱装置16の高温側伝熱管の入口側が第1膨張機14に、復熱装置16の高温側配管の出口側が第1凝縮器15の高温側伝熱管に配管で接続されて構成されている。これ以外の構成は、第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1と同じである。
As shown in FIG. 2, the multistage Rankine cycle system 1A according to the second embodiment of the present invention further includes a
この復熱装置16は、レキュペレータともよばれる装置で、高温側の気体の熱で低温側の液体を加熱、逆に言えば、低温側の液体で高温側の気体を冷却する機能を持つ装置である。ここでは、第1作動流体用ポンプ12からの低温側の液体状態の第1作動流体Fw1を、第1膨張機14からの高温側の気体状態の第1作動流体Fw1で加熱して予熱する。その一方で、第1凝縮器15に入る低温側の気体状態の第1作動流体Fw1を降温させて、第2蒸発器からの高温側の気体状態の第2作動流体Fw2との温度差を大きくして、エンジン冷却水Weから熱を回収した第2作動流体Fw2から第1作動流体Fw1への熱移動の効率を向上させる。これにより、エンジン冷却水Weからの熱回収の熱効率を高める。
The
次に本発明に係る第2の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの運転方法について説明する。この第2の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1Aにおける多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、図2に示すような、第1作動流体用ポンプ12と、第1蒸発器13と、第1膨張機14と、第1凝縮器15に加えて復熱装置16を有してなる第1ランキンサイクルシステム10Aと、第2作動流体用ポンプ22と、第2蒸発器23と、第2膨張機24と、第2凝縮器25とを有してなる第2ランキンサイクルシステム20とを備えた多段ランキンサイクルシステム1Aの運転方法である。
Next, an operation method of the multistage Rankine cycle system according to the second embodiment of the present invention will be described. The operation method of the multi-stage Rankine cycle system in the multi-stage Rankine cycle system 1A of the second embodiment includes a first working
この多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、第1ランキンサイクルシステム10では、第1作動流体Fw1を、第1作動流体用ポンプ12により第1蒸発器13に送り、第1蒸発器13で第1熱源の排気ガスGの熱を利用して第1作動流体Fw1を蒸発させる。この蒸発状態の第1作動流体Fwで第1膨張機14を駆動して、第1膨張機14から出た第1作動流体Fw1を、復熱装置16を通過させて、第1膨張機14から出た第1作動流体Fw1の熱を、第1蒸発器13に流入する前の第1作動流体Fw1に伝熱して昇温した後に、第1凝縮器15に送る。この第1作動流体Fw1を第1凝縮器15で液化して第1作動流体用ポンプ12に循環させる。
In the operation method of this multi-stage Rankine cycle system, in the first
この第2の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1Aにおける熱移動を見ると、第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1における熱移動に加えて、復熱装置16における第1作動流体用ポンプ12から出て第1蒸発器13に入る前の液体状態の第1作動流体Fw1を、第1膨張機14から出て第1凝縮器15に入る前の気体状態の第1作動流体Fw1で加熱するので、第1蒸発器13における蒸発及び第1凝縮器15における液化をより効率よく促進することができるようになる。これにより、熱回収効率を向上させることができる。
Looking at the heat transfer in the multistage Rankine cycle system 1A of the second embodiment, in addition to the heat transfer in the multistage
この本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1、1Aと、図3に示すひとつのランキンサイクルのみで構成される、比較例のランキンサイクルシステム1Xは、第1作動流体用ポンプ12と第1蒸発器13と第1膨張機14と第1凝縮器15とを有して、第1作動流体Fw1を循環させて第1熱源である排気ガスGからの熱を回収するシステムであるが、第1凝縮器1で第1作動流体Fw1をエンジン冷却水Weで冷却して液体に戻している。そのため、エンジン冷却水Weの熱エネルギーを熱回収で利用できないのみならず、エンジン冷却水Weが昇温してしまうため、ラジエータ7などにおける放熱量を多くする必要が生じる。
The
この比較例に対して、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム1、1Aは、エンジン冷却水Weからも熱回収でき、しかも、エンジン冷却水Weを降温させることができるので、ラジエータ7などにおける放熱量を小さくすることができる。
In contrast to this comparative example, the multi-stage
従って、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム10、10A、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法によれば、高温側熱源の排気ガスGと低温側熱源のエンジン冷却水Weの両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源のエンジン冷却水Weからの熱を第1作動流体Fw1の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる。
Therefore, according to the operation method of the multistage
そして、図1、及び図2に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関(エンジン)は、上記の多段ランキンサイクルシステム1、1Aを備えて構成され、これらの多段ランキンサイクルシステム1、1Aから得られる効果を同様に得ることができ、内燃機関における燃費改善効果を向上することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the internal combustion engine (engine) according to the embodiment of the present invention includes the multi-stage
なお、図1及び図2の構成では、第1熱源流体として、エンジン本体2から発生する排気ガスGを、第2熱源流体としてエンジン本体2やEGRクーラー5でEGRガスを冷却するエンジン冷却水Weを用いているが、必ずしも、これに限定されず、別の熱源を用いてもよい。
1 and 2, the exhaust gas G generated from the
10、10A 第1ランキンサイクルシステム
10X 比較例のランキンサイクルシステム
12 第1作動流体用ポンプ
13 第1蒸発器
14 第1膨張機
15 第1凝縮器
16 復熱装置
20 第2ランキンサイクルシステム
22 第2作動流体用ポンプ
23 第2蒸発器
24 第2膨張機
25 第1凝縮器
A 空気(冷却源)
Fw1 第1作動流体
Fw2 第2作動流体
G 排気ガス(第1熱源)
We エンジン冷却水(第2熱源)
10, 10A 1st
Fw1 first working fluid Fw2 second working fluid G exhaust gas (first heat source)
We engine coolant (second heat source)
Claims (6)
前記第1ランキンサイクルシステムでは、第1作動流体用ポンプと第1蒸発器の低温側伝熱管と第1膨張機と第1凝縮器の高温側伝熱管と前記第1作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第1作動流体が循環するように構成されていると共に、第1熱源である第1熱源流体が前記第1蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されており、
前記第2ランキンサイクルシステムでは、第2作動流体用ポンプと第2蒸発器の低温側伝熱管と第1凝縮器の低温側伝熱管と第2膨張機と第2凝縮器の高温側伝熱管と第2作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第2作動流体が循環するように構成されていると共に、第2熱源である第2熱源流体が前記第2蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されていることを特徴とする多段ランキンサイクルシステム。 In a multi-stage Rankine cycle system including a first Rankine cycle system and a second Rankine cycle system,
In the first Rankine cycle system, the first working fluid pump, the low temperature side heat transfer tube of the first evaporator, the first expander, the high temperature side heat transfer tube of the first condenser, and the first working fluid pump are sequentially arranged. It is connected by piping so that the first working fluid circulates, and the first heat source fluid as the first heat source is connected by piping so as to pass through the high temperature side heat transfer tube of the first evaporator. And
In the second Rankine cycle system, the second working fluid pump, the low temperature side heat transfer tube of the second evaporator, the low temperature side heat transfer tube of the first condenser, the second expander, and the high temperature side heat transfer tube of the second condenser, The second working fluid pump is connected to the second working fluid in order so that the second working fluid circulates, and the second heat source fluid as the second heat source serves as the high temperature side heat transfer tube of the second evaporator. A multi-stage Rankine cycle system characterized by being connected by piping so as to pass through.
前記復熱装置の高温側伝熱管の入口側が前記第1膨張機に、出口側が前記第1凝縮器の高温側伝熱管に配管で接続されていることを特徴とする請求項1に記載の多段ランキンサイクルシステム。 A recuperator is provided in the first Rankine cycle system, and the inlet side of the low-temperature side heat transfer tube of the recuperator is connected to the first working fluid pump, and the outlet side is connected to the low-temperature side heat transfer tube of the first evaporator. Connected,
2. The multistage according to claim 1, wherein an inlet side of a high temperature side heat transfer tube of the recuperator is connected to the first expander and an outlet side is connected to a high temperature side heat transfer tube of the first condenser by piping. Rankine cycle system.
前記第1ランキンサイクルシステムでは、第1作動流体を、前記第1作動流体用ポンプにより前記第1蒸発器に送り、前記第1蒸発器で第1熱源の熱を利用して第1作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第1作動流体で前記第1膨張機を駆動して、第1膨張機から出た第1作動流体を前記第1凝縮器で液化して前記第1作動流体用ポンプに循環させると共に、
前記第2ランキンサイクルシステムでは、第2作動流体を、前記第2作動流体用ポンプにより前記第2蒸発器に送り、前記第2蒸発器で第2熱源の熱を利用して第2作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第2作動流体を前記第1凝縮器に送り、前記第1凝縮器で、第1作動流体からの熱を前記第2作動流体に移動した後に、この蒸発状態の第2作動流体で前記第2膨張機を駆動して、前記第2膨張機から出た第2作動流体を前記第2凝縮器で液化して前記第2作動流体用ポンプに循環させることを特徴とする多段ランキンサイクルシステムの運転方法。 A first Rankine cycle system having a first working fluid pump, a first evaporator, a first expander, and a first condenser and circulating the first working fluid; and a second working fluid pump; In the operation method of the multi-stage Rankine cycle system comprising the second evaporator, the second expander, and the second Rankine cycle system having the second condenser and circulating the second working fluid,
In the first Rankine cycle system, the first working fluid is sent to the first evaporator by the first working fluid pump, and the first working fluid is utilized by the heat of the first heat source in the first evaporator. The first working fluid is vaporized, the first working fluid is driven by the first working fluid in the evaporated state, the first working fluid discharged from the first working device is liquefied by the first condenser, and the first working fluid pump And circulate to
In the second Rankine cycle system, the second working fluid is sent to the second evaporator by the second working fluid pump, and the second working fluid is utilized by the heat of the second heat source in the second evaporator. The evaporated second working fluid is sent to the first condenser, and after the heat from the first working fluid is transferred to the second working fluid by the first condenser, the second working fluid in the evaporated state is sent to the first working fluid. The second expander is driven by two working fluids, and the second working fluid discharged from the second expander is liquefied by the second condenser and circulated to the second working fluid pump. To operate a multistage Rankine cycle system.
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