JP3580091B2

JP3580091B2 - ランキンサイクルにおけるコンデンサ

Info

Publication number: JP3580091B2
Application number: JP21550597A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2017-07-28
Also published as: JPH1151582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，例えば，エンジンから排出される排気ガスが有する排気熱エネルギを回収するため，エンジンの排気系に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクルにおけるコンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ランキンサイクルは，水を水蒸気に変換する蒸気発生装置，前記蒸気発生装置で発生した水蒸気で駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出される水蒸気を水に復水させるコンデンサ，及び前記コンデンサから排出される水を前記蒸気発生装置へ送還するポンプから構成されている。蒸気タービンは，水蒸気によって駆動され，排気ガス等の熱エネルギを回転力や電力として取り出すことができる。ランキンサイクルでは，コンデンサの役割が重要である。コンデンサの仕事は，水蒸気が蒸気タービンに対して仕事をし終わって，水蒸気の温度と気圧が低下するが，水になるまで温度が下がれば気圧は０．０１ａｔａに低下し，有効仕事量が増大する。従って，コンデンサにおいて，有効に熱交換して水蒸気が水に戻らなければ，ランキンサイクルが作動しないことに成る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ランキンサイクルにおけるコンデンサについては，熱交換する媒体が水蒸気と大気とであり，一般的には，水蒸気の通る水路に空気の通る孔を設けたラジエータ方式によって，水蒸気の熱を奪って水に転化させている。しかしながら，コンデンサは，空気流を作るのにファンを使用する等の構造が二重手間になると共に，熱交換効率よくないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギを排気通路に直列に配置された熱交換器等の蒸気発生装置によって高温の水蒸気を発生させ，該水蒸気で蒸気タービンを駆動して水蒸気エネルギを回転エネルギや電気エネルギとして回収し，蒸気タービンで膨張した水蒸気を水に効率よく変換して熱効率をアップさせるため，蒸気タービンからの水蒸気と空気との熱交換を多孔質セラミックスを用いて向上させたランキンサイクルにおけるコンデンサを提供することである。
【０００５】
この発明は，水を水蒸気に変換する蒸気発生装置，前記蒸気発生装置で発生した水蒸気で駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出される水蒸気を水に復水させるコンデンサ，及び前記コンデンサから排出される水を前記蒸気発生装置へ送還するポンプから成るランキンサイクルにおいて，前記蒸気タービンから排出された水蒸気が流入する流体通路を形成し且つ永久磁石から成る回転子を設けた内筒，前記内筒内の前記流体通路に配置された第１多孔部材，前記内筒の外側に取り付けられたスパイラル状に延びるフィン部から成る第２多孔部材，及び前記第２多孔部材の前記フィン部と前記フィン部に隣接した領域で形成される空気通路を形成するように前記内筒を回転自在に支持し且つ前記回転子に対応したステータを備えた外筒，から成ることを特徴とするランキンサイクルにおけるコンデンサに関する。
【０００６】
前記蒸気発生装置は，エンジンの排気通路に配置された排気ガスの熱エネルギで水を蒸気に熱交換する熱交換器である。
【０００７】
前記空気通路に配置されたスパイラル状に延びる前記第２多孔部材は，前記外筒が前記内筒に対して回転することによって前記入口から前記出口へ空気流れを形成する。
【０００８】
前記空気通路に配置された前記第２多孔部材は，前記空気通路を流れる空気を通過させると共に，前記空気を前記第２多孔部材で形成されるスパイラル状にガイドして流すものである。
【０００９】
前記内筒は緻密質セラミックスから作製され，前記内筒の一端部は前記蒸気タービンから排出される水蒸気を流す蒸気通路に回転自在に取り付けられ，前記内筒の他端部は前記内筒から排出される水を流す水通路に回転自在に且つ密封状態に取り付けられている。
【００１０】
前記内筒はその軸方向が上下方向に縦型に配置され，水蒸気は前記内筒の上側から下側へ流れ，また，空気は前記外筒の下部に設けた入口から上部に設けた出口に向かって流れるものである。
【００１１】
このランキンサイクルにおけるコンデンサは，上記のように構成したので，回転子を設けた内筒がステータを備えた外筒に対して回転し，前記内筒と前記外筒との間に形成された空気通路を空気がスパイラル状に延びる第２多孔部材にガイドされてスムースに流れ，前記内筒の外側に形成される空気流が水蒸気の熱エネルギを奪って水蒸気が水に変換され，しかも水蒸気は前記多孔部材を通過するので，熱交換効率がアップする。即ち，前記内筒内に配置された前記第１多孔部材は水蒸気が通るオープンポアを有しており，また，前記内筒を回転自在に支持する前記外筒内に配置された前記第２多孔部材は空気を軸流方向に通すオープンポアを有すると共にスパイラル状のフィンに構成されているので，前記内筒が前記外筒に対して回転すれば，空気は前記第２多孔部材を通過して軸流方向に流れると共に前記第２多孔部材にガイドされてスパイラル状に流れ，空気は水蒸気から有効に熱を奪って水に変換し，熱交換効率が向上する。
【００１２】
また，本発明は，前記コンデンサで水蒸気が水に変化すれば，前記コンデンサ内の流体の体積が大幅に減って前記コンデンサ内が負圧になり，前記コンデンサの上流側の蒸気通路は負圧になり，前記蒸気タービンから水蒸気を吸引することになり，前記コンデンサによる熱交換が仕事をすることになる。従って，本発明によるコンデンサでの熱交換をアップさせることができるので，前記蒸気タービンで仕事をした水蒸気を強力に吸引し，ランキンサイクルの効率をアップさせることになる。また，ランキンサイクルに使用される水は，カルシュウム，マグネシウムが排除された純水に近いものを使用することによって，前記コンデンサの前記内筒に配置した前記多孔部材が水の不純物で詰まることはない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明によるランキンサイクルにおけるコンデンサの実施例を説明する。図１はこの発明によるランキンサイクルにおけるコンデンサの一実施例を示す概略断面図，図２はガスエンジンに図１のランキンサイクルにおけるコンデンサを組み込んだ一例を示す概略説明図，及び図３はランキンサイクルに組み込まれた蒸気タービンを示す概略説明図である。
【００１４】
この発明によるコンデンサ１４は，図１に示すように，熱交換する媒体が水蒸気と大気であり，主として，蒸気タービン５から排出された水蒸気が流れる流体通路３５を形成し且つ永久磁石から成る回転子１５を設けた内筒２，水蒸気が水に変換される流体通路３５に配置された多孔部材１８，内筒２を軸受３３を介して回転自在に支持し且つ回転子１５に対応したステータ１６を備えた外筒１７，内筒２と外筒１７との間に形成された空気通路２２，外筒１７に形成された入口２８から出口２９へ向かってスパイラル状に延びるフィン部から成る空気通路２２に配置された多孔部材１９から構成されている。外筒１７は，図示のように，多孔部材１９を内包させるため，横断方向に二分割にされ，それぞれに形成されたフランジ部３７で連結されてをいるが，軸方向に二分割した構造にも形成できる。従って，空気通路２２は，多孔部材１９のフィン部とフィン部に隣接した領域で形成されることになり，空気はフィン部自体を通過すると共に，フィン部間の空間を通って流れることになる。
【００１５】
また，内筒２は，その一端部が蒸気タービン５から排出される水蒸気を流す蒸気通路２７に軸受３４を介して回転自在に取り付けられ，他端部がコンデンサ１４から排出される水を流す水通路２６に軸受３４を介して回転自在に取り付けられている。また，蒸気通路２７及び流体通路３５を流れる水蒸気Ｓが漏洩しないように蒸気通路２７と内筒２との接続部にはシール部材３６が設けられ，また，水通路２６及び流体通路３５を流れる水Ｗが漏洩しないように水通路２６と内筒２との接続部にはシール部材３６が設けられている。空気通路２２に配置された多孔部材１９は，外筒１７が内筒２に対して回転することによって，入口２８から出口２９へ空気流れを形成する。また，空気通路２２に配置された多孔部材１９は，オープンポアを有し，空気通路２２を流れる空気Ａを通過させると共に，空気Ａを多孔部材１９によってスパイラル状にガイドして流すことができる。
【００１６】
コンデンサ１４は，上記の構成によって，ステータ１６のコイルに通電することによって内筒２が外筒１７に対して回転し，空気Ａが外筒１７の入口２８から出口２９へ向かって多孔部材１９を貫通して軸流方向に流れると共に多孔部材１９にガイドされてスパイラルに流れることになる。一方，内筒２内には，水蒸気Ｓが多孔部材１８を通って流体通路３５を流れている。従って，流体通路３５を流れる水蒸気Ｓが有する熱エネルギは，空気通路２２を流れる空気Ａによって吸熱され，水蒸気Ｓが水Ｗに変換されることになる。
【００１７】
図２に示すように，ランキンサイクルＲは，水を水蒸気に変換する蒸気発生装置である二段式の熱交換器４，６，熱交換器４，６で発生した水蒸気で駆動される蒸気タービン５，蒸気タービン５から排出される水蒸気を水に復水させるコンデンサ１４，及びコンデンサ１４から排出される水を熱交換器６へ送還するポンプ１２から構成されている。熱交換器４，６で発生した高温の水蒸気は，蒸気タービン５で水蒸気エネルギが電気エネルギ又は回転力に変換されて仕事をし，水蒸気の温度及び圧力が低下するが，水蒸気が水になるまで温度が下がれば，圧力即ち気圧が０．０１ａｔａに低下し，有効仕事量が増加することになる。従って，温度と気圧が低下した水蒸気を有効に熱交換して水に戻してランキンサイクルを良好に作動させるため，コンデンサ１４は次のように構成されている。
【００１８】
コンデンサ１４における水蒸気の流れる内筒２は，緻密質のＳｉＣ等のセラミックスや該セラミックスで内包されたグラファイトで作製され，強度や耐食性を向上させることができる。また，水蒸気の流れる多孔部材１８は，ＳｉＣ等のセラミック繊維，或いはＳｉＣ等の多孔質セラミックスで作製することができる。多孔部材１８の基材をＳｉ_３Ｎ_４で作製した場合には，その表面をＳｉＣでコーティングすることによって，水蒸気や水による腐食を防止して劣化を防止することができる。また，空気の流れる多孔部材１９は，Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＣ等から成るセラミック繊維，或いはＳｉ_３Ｎ_４等の多孔質セラミックスで作製することができる。
【００１９】
図２には，ランキンサイクルＲをガスエンジン１に組み込んだ一実施例が示されている。ガスエンジン１に組み込んだランキンサイクルＲは，エンジン１からの排気ガスで蒸気を加熱する排気通路８に設けられた熱交換器４，熱交換器４の後流に設けられ且つ熱交換器４からの排気ガスで水を蒸気に加熱する熱交換器６，及び熱交換器４から送り出される高温の水蒸気によって作動される蒸気タービン５を具備している。熱交換器４は，ケーシング内に配置された熱交換器６で加熱された蒸気が流れる蒸気通路と，該蒸気通路に配置された排気ガスが流れる排気ガス通路とから構成されている。熱交換器６は，ケーシング内に配置された水を貯留できる水・蒸気通路と該水・蒸気通路の周りに配置された熱交換器４からの排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路とから構成されている。熱交換器４，６は，エンジン１の排気通路８に配置された排気ガスの熱エネルギで水を蒸気に熱交換するため上流側熱交換器４と下流側熱交換器６とから二段式に構成されている。
【００２０】
蒸気タービン５は，図３に示すように，熱交換器４で発生した高温で高圧の水蒸気によって駆動されるタービン７，タービン７から通路２３を通じて排出される水蒸気によって駆動されるタービン２４，及びタービン７とタービン２４とを連結したシャフト２１に対して設けられた発電機２０から構成されている。従って，蒸気エネルギは，タービン７，２４を駆動し，その回転力は発電機２０によって電力として回収される。
【００２１】
ランキンサイクルＲから成るエネルギ回収装置を備えたガスエンジン１は，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返すことによって作動される多気筒或いは単気筒であり，定置式のコージェネレーションシステムにおける負荷変動が小さいエンジン１に適用することが好ましいものである。ガスエンジン１は，天然ガス等のガス体を燃料とし，燃焼室がシリンダに形成された主室１Ａと，主室１Ａに連絡口を通じて連通するシリンダヘッド３０に形成した副室１Ｂとから副室式ガスエンジンに構成されている。ガスエンジン１は，燃焼室の主室１Ａからの排気ガスを排出するため排気マニホルド３９と，吸気通路１０を通じて主室１Ａへ吸気を供給するため吸気マニホルド４０が設けられている。吸気通路１０からの吸入空気は吸気マニホルド４０を通じて各気筒の主室１Ａへ供給され，また，各主室１Ａからの排気ガスは排気マニホルド３９によって集合して排気通路８へ排出される。また，副室１Ｂへ供給される天然ガスは，燃料加圧ポンプ１３の作動によって燃料供給路９を通じて燃焼室の各副室１Ｂへ供給される。
【００２２】
この実施例では，ガスエンジン１における燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材，遮熱層等によって遮熱構造に構成されている。ガスエンジン１は，改質燃料が供給されるシリンダヘッド３０に形成された副室１Ｂを備えており，副室１Ｂは制御弁３１による連絡口の開放によって主室１Ａに連通するように構成されている。主室１Ａには，ターボチャージャ３のコンプレッサからの圧縮空気が吸気通路１０を通じて供給され，また，副室１Ｂには，燃料弁３２が設けられ，燃料弁３２による燃料供給口の開放によって燃料供給路９から副室１Ｂへガス燃料が供給される。
【００２３】
ガスエンジン１は，ＣＨ_４を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク１１，ガス燃料を燃焼室の副室１Ｂへ供給する燃料加圧ポンプ１３，ターボチャージャ３の後流の排気通路８に設けられたランキンサイクルを構成する熱交換器４，６を有している。ガスエンジン１における燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造に構成されているので，主室１Ａから排気マニホルド３９を通じて排出される排気ガスは約９００℃〜８００℃の高温ガスである。ガスエンジン１では，排気ガスの熱エネルギをターボチャージャ３，熱交換器４及び熱交換器６によって回収するように構成されている。
【００２４】
ターボチャージャ３は，排気ガスによって駆動されるタービン，タービンにシャフトによって連結され且つタービンによって駆動されるコンプレッサ，及びシャフトに対して設けた交流機即ち発電機から構成されている。ターボチャージャ３のコンプレッサは，そのタービンによって駆動され，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの気筒の主室１Ａへ供給する。ターボチャージャ３に設けた発電機は，タービンの回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【００２５】
また，排気通路８に設けられた熱交換器６は，気相−液相熱交換器であり，排気ガスエネルギによって蒸気を発生させ，該蒸気は蒸気通路を通じて熱交換器４へ送り込まれる。蒸気タービン５を駆動した水蒸気Ｓは，水と低温蒸気との流体になって蒸気通路２７を通ってコンデンサ１４へ放出され，コンデンサ１４で高温水となってポンプ１２によって水通路２６を通じて熱交換器６へ再び送り込まれる。また，熱交換器６を通過した排気ガスは，熱エネルギをほとんど回収された状態の低温の排気ガス（例えば，２００℃程度）となって外部に排出される。
【００２６】
ランキンサイクルＲを備えたガスエンジン１は，上記のように構成され，次のように作動する。制御弁３１が閉鎖した状態で，吸気弁（図示せず）の開放によってターボチャージャ３のコンプレッサからの空気が吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０から主室１Ａに供給される。主室１Ａの空気は制御弁３１の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。一方，制御弁３１が閉鎖した状態で燃料弁３２が開放し，燃料加圧ポンプ１３の作動によって天然ガス燃料が燃料タンク１１からガス燃料供給路９を通じて副室１Ｂに供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁３１が開放し，主室１Ａの圧縮空気が副室１Ｂに流入し，改質燃料が圧縮空気と混合して着火燃焼し，膨張行程に移行してピストン４３に仕事をさせる。
【００２７】
排気行程において，主室１Ａと副室１Ｂの排気ガスは，排気通路８を通じてターボチャージャ３へ送り出される。ターボチャージャ３では，タービンを駆動し，その回転力は発電機で電気エネルギに変換されると共に，コンプレッサを駆動する。発電機で得られた電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費される。また，コンプレッサは空気を吸気通路を通じて燃焼室へ過給する機能を果たす。ターボチャージャ３のタービンを通過した排気ガスは，排気通路８を通じて熱交換器４へ送り込まれる。
【００２８】
熱交換器４へ送り込まれた排気ガスは，多孔質セラミック部材を配置した排気ガス通路を通過し，次いで，排気通路８を通じて熱交換器６へ送り込まれる。排気ガスは，排気ガス通路を通過する際に，熱交換器６から蒸気通路を通って蒸気通路に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に加熱する。熱交換器４で高温に加熱された蒸気は，高温蒸気通路２５を通って蒸気タービン５へ送り込まれ，タービン７，２４を駆動する。タービン７，２４の駆動によって発電機２０が発電する。発電機２０が発電された電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費される。高温の水蒸気Ｓは蒸気タービン５を駆動した後，低温水蒸気Ｓから成る流体に変換され，該流体は蒸気通路２７を通じてコンデンサ１４へ送られて水Ｗになり，その水Ｗはポンプ１２の駆動によって水通路２６を通じて熱交換器６の水・蒸気通路へ送り込まれる。
【００２９】
熱交換器４から熱交換器６へ送り込まれた排気ガスは，熱交換器６の排気ガス通路を通じて排気通路８へ送り出される。排気ガスは，排気ガス通路を通過する際，水・蒸気通路を通る水を熱交換して蒸気に変換する。排気通路８へ送り出された排気ガスは，ターボチャージャ３，熱交換器４及び熱交換器６によって熱エネルギが回収されており，例えば，２００℃程度にまで温度低下している。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によるランキンサイクルにおけるコンデンサは，上記のように構成されているので，僅かな電流で内筒が外筒に対して回転され，内筒と外筒との間に形成された空気通路に空気流れが形成される。内筒内を流れている水蒸気は，空気通路を流れる空気によって極めて効率的に冷却され，水に変換される。コンデンサ自体は，ランキンサイクルにおいて縦形に配置されているので，水蒸気から水に変換された水は下方へ流れ，ポンプで熱交換器へと送り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるランキンサイクルにおけるコンデンサの一実施例を示す概略断面図である。
【図２】図１のコンデンサを備えたランキンサイクルを組み込んだガスエンジンを示す概略説明図である。
【図３】ランキンサイクルに組み込まれた蒸気タービンを示す概略説明図である。
【符号の説明】
１ガスエンジン
２内筒
３ターボチャージャ
４，６熱交換器
５蒸気タービン
８排気通路
１２ポンプ
１４コンデンサ
１５回転子
１６ステータ
１７外筒
１８，１９多孔部材
２２空気通路
２６水通路
２７蒸気通路
２８入口
２９出口
３５流体通路
Ｒランキンサイクル

Claims

水を水蒸気に変換する蒸気発生装置，前記蒸気発生装置で発生した水蒸気で駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出される水蒸気を水に復水させるコンデンサ，及び前記コンデンサから排出される水を前記蒸気発生装置へ送還するポンプから成るランキンサイクルにおいて，前記蒸気タービンから排出された水蒸気が流入する流体通路を形成し且つ永久磁石から成る回転子を設けた内筒，前記内筒内の前記流体通路に配置された第１多孔部材，前記内筒の外側に取り付けられたスパイラル状に延びるフィン部から成る第２多孔部材，及び前記第２多孔部材の前記フィン部と前記フィン部に隣接した領域で形成される空気通路を形成するように前記内筒を回転自在に支持し且つ前記回転子に対応したステータを備えた外筒，から成ることを特徴とするランキンサイクルにおけるコンデンサ。
前記蒸気発生装置は，エンジンの排気通路に配置された排気ガスの熱エネルギで水を蒸気に熱交換する熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルにおけるコンデンサ。
前記空気通路に配置された前記第２多孔部材は，前記外筒が前記内筒に対して回転することによって前記外筒に形成された入口から出口へ空気流れを形成することを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルにおけるコンデンサ。
前記空気通路に配置された前記第２多孔部材は，前記空気通路を流れる空気を通過させると共に，前記空気を前記第２多孔部材で形成されるスパイラル状にガイドして流すことを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルにおけるコンデンサ。
前記内筒は緻密質セラミックスから作製され，前記内筒の一端部は前記蒸気タービンから排出される水蒸気を流す蒸気通路に回転自在に取り付けられ，前記内筒の他端部は前記内筒から排出される水を流す水通路に回転自在に且つ密封状態に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルにおけるコンデンサ。
前記内筒はその軸方向が上下方向に縦型に配置され，水蒸気は前記内筒の上側から流入し，また，空気は前記外筒の下部に設けた入口から上部に設けた出口に向かって流れることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルにおけるコンデンサ。