JP3640411B2 - 排熱回収システム - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンで発生する排熱を回収して動力を取り出すように構成した排熱回収システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
上述のような排熱回収システムとしては、エンジン冷却用の冷却ジャケットから排出される温水を、エンジンからの燃焼排ガスによって加熱し、その冷却ジャケットからの熱と燃焼排ガスの熱とによって得た温水を吸収式冷凍機の再生器に供給し、吸収式冷凍機を作動するように構成したものがあった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の場合、設計上再生器に供給する温水の温度は90℃程度であり、通常 400〜 700℃にもなる燃焼排ガスの熱を利用しているとはいうものの、エクセルギを有効に利用していないのが実情であった。すなわち、高品位の熱を、わざわざ低品位の熱にして利用するという無駄をしていた。
【0004】
また、燃焼排ガスの熱を利用して得られた温水で加熱された吸収液が吸収器に戻されて冷却されるため、温水の熱の一部を無駄に吸収器冷却水に捨てていた。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項1および2に係る発明の排熱回収システムは、エンジン排熱を有効に回収してエンジン出力を向上できるようにすることを目的とし、また、請求項3に係る発明の排熱回収システムは、構成簡単にしてエンジン出力を向上できるようにすることを目的とし、また、請求項4に係る発明の排熱回収システムは、燃料電池の排熱をも有効に回収できるようにすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、その蒸気タービンにエンジンの過給機を連動連結し、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成する。
【0007】
また、請求項2に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動するように構成し、かつ、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成する。
【0008】
また、請求項3に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項1または2に記載の排熱回収システムにおいて、エンジンをミラーサイクルエンジンで構成する。
【0009】
また、請求項4に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項1、2、3のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、再生器に、燃料電池から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管を接続し、再生器と蒸気発生装置との間に熱交換器を付設するとともに、燃料電池から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管を熱交換器に接続して構成する。
【0010】
【作用】
請求項1に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンから排出される燃焼排ガスにより蒸気発生装置で蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービンを駆動して動力を取り出し、その動力により前記エンジンの過給機を作動して圧縮空気をエンジンに供給することができる。作動流体としては、水、ブタン等が使用できるし、吸収式冷凍機を使用するときはアンモニア水溶液(蒸気タービンに供給される主成分は水)、メチルアルコール等のアルコール水溶液(蒸気タービンに供給される主成分は水)が使用できる。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を利用して吸収式冷凍機を作動するとともに、その再生器で予熱された吸収液を蒸気発生装置に供給することができる。一方、吸収式冷凍機から取り出される冷水を、冷房や冷凍用などの熱源に利用することができる。
【0011】
また、請求項2に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動することにより排熱を電力として回収できる。この電力が電動モータを駆動し、それによって過給機を運転することもできる。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を利用して吸収式冷凍機を作動するとともに、その再生器で予熱された吸収液を蒸気発生装置に供給することができる。一方、吸収式冷凍機から取り出される冷水を、冷房や冷凍用などの熱源に利用することができる。
【0012】
また、請求項3に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、ミラーサイクルエンジンでは、圧縮比を調整できるため、エンジン排熱による過給機の作動に圧縮比を合わせて高出力状態を得ることができる。
【0013】
また、請求項4に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンおよび燃料電池から排出される温水を利用して吸収式冷凍機を作動し、かつ、燃料電池から排出される低圧蒸気により、再生器で予熱された吸収液を更に加熱してから蒸気発生装置に供給することができる。
【0014】
(削除)
【0015】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る排熱回収システムの実施例に至る前の開発例を示す概略構成図であり、ミラーサイクルガスエンジン1に、伝動クラッチ2を介して発電機3が連動連結されている。
【0016】
ガスエンジン1のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、第1のポンプ4を介装したエンジン温水供給管5aと冷却水配管5bとから成る主配管5が接続されている。主配管5に、作動流体としての水の循環配管6に介装した第1の熱交換器7が接続されている。
【0017】
循環配管6には、第2のポンプ8と蒸気発生装置9と蒸気タービン10と復水器11とが介装されている。蒸気タービン10の出力軸10aに、前記ミラーサイクルガスエンジン1に圧縮空気を供給する過給機12が設けられ、そして、前記蒸気発生装置9には、前記ミラーサイクルガスエンジン1からの燃焼排ガスを供給する排ガス供給管13が接続されている。
【0018】
以上の構成により、エンジン冷却によって発生する温水(例えば、温度80〜 100℃)を水の予熱に利用するとともに、ミラーサイクルガスエンジン1からの燃焼排ガス(例えば、温度 400〜 750℃)を熱源として水を気化蒸発させ、その蒸気により蒸気タービン10を駆動して過給機12を駆動し、ミラーサイクルガスエンジン1の動力を低下させずに圧縮空気を供給し、高出力状態が得られるようになっている。
【0019】
図2は、本発明に係る排熱回収システムの第1実施例を示す概略構成図であり、開発例と異なるところは次の通りである。
すなわち、開発例における第1の熱交換器7と復水器11とに代えて、循環配管6に、吸収式冷凍機14の再生器15と吸収液ポンプ16と吸収器17とが設けられている。図中、18は凝縮器、19は蒸発器をそれぞれ示し、アンモニア水溶液やメタノール水溶液など、要するに、水を吸収剤とし、水よりも沸点の低いものを冷媒とした吸収液を再生器15、吸収器17、凝縮器18および蒸発器19と循環させ、蒸発器19から冷水を取り出し、その冷水を冷房や冷凍用などの熱源に利用するようになっている。
【0020】
また、冷却水配管5bに三方弁20を介して冷却塔21が接続され、図示しないが、エンジン温水供給管5aに温度センサを設けてミラーサイクルガスエンジン1から排出される冷却後の温水の温度を測定し、その温水温度が設定範囲内に維持されてオーバーヒートを回避できるように三方弁20の開度を自動的に調整するようになっている。他の構成は開発例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【0021】
この第1実施例の構成によれば、ミラーサイクルガスエンジン1から排出される冷却後の温水の排熱を利用して吸収式冷凍機14を作動し、かつ、再生器15で予熱された吸収液(例えば、アンモニア水溶液)から分離された作動流体(吸収液がアンモニア水溶液の場合は、主として水)が蒸気発生装置9に供給され、前述開発例と同様にして、燃焼排ガスを熱源として蒸気タービン10を駆動するようになっている。
【0022】
図3は、本発明に係る排熱回収システムの第2実施例を示す概略構成図であり、第1実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第1実施例における循環配管6の、蒸気タービン10と吸収器17との間に、復水器22と第2のポンプ23とが設けられている。また、三方弁20および冷却塔21が省かれている。他の構成は、第1実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【0023】
この第2実施例の構成によれば、蒸気タービン10を経た水を復水器22で冷却することにより、蒸気タービン10の出入口の圧力差を大きくし、蒸気タービン10の出力を高くできる。
【0024】
図4は、本発明に係る排熱回収システムの第3実施例を示す概略構成図であり、第1実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第1実施例における循環配管6の、再生器15と蒸気発生装置9との間に、第2の熱交換器24が介装され、この第2の熱交換器24に、燃料電池25から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管26が接続されている。また、エンジン温水供給管5aの途中箇所に、燃料電池25から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管27が接続されている。他の構成は、第1実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【0025】
この第3実施例の構成によれば、ミラーサイクルガスエンジン1による発電と燃料電池25による発電とを組み合わせたコジェネレーションシステムなどに適用した場合に、そのミラーサイクルガスエンジン1のみならず、燃料電池25からの排熱をも有効に回収できる利点がある。
【0026】
図4において、第2の熱交換器24と蒸気発生装置9との間に、第1の開閉弁28が介装されるとともに、その第1の開閉弁28と第2の熱交換器24との間と再生器15とが、第2の開閉弁29を介装した配管30を介して接続され、蒸気タービン10を駆動するときには、第1の開閉弁28のみを開き、一方、蒸気タービン10を駆動しないときには第2の開閉弁29のみを開いて、第2の熱交換器24を経た吸収液を再生器15に戻すように構成されている。
【0027】
図5は、本発明に係る排熱回収システムの第4実施例を示す要部の概略構成図であり、第1実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、蒸気タービン10に発電機31が連動連結されて電力を取り出すように構成され、一方、過給機12に電動モータ32が連動連結され、発電機31の電力出力線33と電動モータ32とがトランス34を介して接続され、電動モータ32に設定電力を供給するとともに、余剰電力を別途取り出すように構成されている。この別途取り出された余剰電力により別の電動モータを駆動し、その電動モータとミラーサイクルガスエンジン1のクランク軸とをギアなどにより連動連結し、ミラーサイクルガスエンジン1の出力を一層向上させるようにしても良い。もちろん、発電機31の出力電力は過給機12の駆動用電動モータ32の動力源としての使用に限定されるものでは無く、他の用途に使用しても良い。
【0028】
この第4実施例の構成によれば、過給機12の能力が一義的に決定されてしまうタイプのエンジン、すなわち、上述のようなミラーサイクルガスエンジン1以外のエンジンに適用する場合において、過給機12の能力に合った電力を電動モータ32に供給でき、好適に使用できる。
【0029】
図6は、本発明に係る排熱回収システムの変形例を示す要部の概略構成図であり、吸収液ポンプ16と再生器15との間に第3の熱交換器35が介装され、再生器15で蒸発された吸収式冷凍機14の冷媒蒸気(例えば、アンモニア蒸気)を凝縮器18に供給する前に第3の熱交換器35に供給して冷却し、その冷却効率を向上するように構成されている。
【0030】
図7は、本発明に係る排熱回収システムの別の変形例を示す要部の概略構成図であり、凝縮器18を経た冷却水配管36が給湯タンク37内の下半側を通してから冷却塔(図示せず)に接続され、一方、蒸気発生装置9を経た排ガス供給管13が第4の熱交換器38に接続されるとともに、その第4の熱交換器38と給湯タンク37内の上半側とにわたって、第3のポンプ39を介装した循環配管40が設けられている。
【0031】
給湯タンク37の下部には給水管41が、上部には給湯管42がそれぞれ接続され、かつ、給湯タンク37の上下方向ほぼ中央部に、給湯管42に接続される廻し湯用のリターン配管43が接続され、吸収器17および凝縮器18での冷却に伴って回収した熱エネルギー、ならびに、蒸気発生装置9に供給後の燃焼排ガスの熱エネルギーを給湯に利用し、排熱をより一層有効に回収するように構成されている。
【0032】
本発明は、上述実施例のようなミラーサイクルガスエンジン1に限らず、第4実施例の構成を採用することにより、ディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いる排熱回収システムにも好適に適用できる。
【0033】
また、上記実施例では、エンジンによって発電機3を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジンによって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【0034】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジンから排出される燃焼排ガスを利用し、蒸気タービンを駆動して取り出した動力により、排熱源自体のエンジンの過給機を作動して圧縮空気をエンジンに供給するから、エンジンのクランク軸と過給機とをギアなどを介して連動連結せずに済み、過給機駆動のための動力ロスを無くすことができ、エンジン排熱を有効に回収してエンジン出力を向上できるようになった。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を、吸収式冷凍機の作動と蒸気発生装置に供給する吸収液の予熱に利用するから、吸収式冷凍機によって取り出した冷水を冷房や冷凍などに利用でき、エンジン排熱をより有効に回収できる。
【0035】
また、請求項2に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジン排熱を電力として回収でき、そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を、吸収式冷凍機の作動と蒸気発生装置に供給する吸収液の予熱に利用するから、吸収式冷凍機によって取り出した冷水を冷房や冷凍などに利用でき、エンジン排熱をより有効に回収できる。
【0036】
ガスエンジン等のエンジンでは、圧縮比を高くすると出力が高くなるが、圧縮比を高くしすぎると燃焼室内の温度が高くなり、ノッキングを起こす。このため、高圧縮比を保ちつつノッキングを防止して高出力を得ることが重要である。一方、ミラーサイクルガスエンジンは、圧縮開始時期を調整できる特徴がある。このミラーサイクルガスエンジンに、請求項3に係る発明を適用し、過給機で圧縮された燃焼用空気を供給するとともに圧縮開始時期を遅らせると燃焼室内の温度の上昇を抑えることができる。このため、ノッキングを防止しつつ高圧縮比の運転ができ、エンジン出力を高めることができる。
エンジンのクランク軸から取り出した動力で過給機を駆動する従来の方法ではメカニカルロスが大きくなる。また、排熱回収で発電した電力で過給機を駆動すると発電ロスおよびモーターロスが発生する。これに対して、排熱で駆動する蒸気タービンを過給機に連動連結した請求項3に係る発明の排熱回収システムでは、メカニカルロスが少ないうえ、排熱回収によって得られる動力がフルに利用できるようにミラーサイクルガスエンジンの吸入弁の閉止タイミングを調整すると、エンジン全体の熱効率を飛躍的に向上させることができる。エンジン排熱による過給機の作動に圧縮比を合わせて高出力状態を得ることができるから、例えば、過給機の作動をエンジンに合わせるために、蒸気タービンと過給機との連動連結構成にギア変速とか周波数調整といった特別な構成を付加せずに済み、過給機駆動のための動力ロスを無くすこともできる。このため、構成簡単にしてより一層エンジン出力を向上できる。
【0037】
また、請求項4に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジンおよび燃料電池から排出される低温排熱である温水を吸収式冷凍機の作動に利用し、更に、燃料電池から排出される高温排熱である低圧蒸気とエンジンから排出される高温排熱である燃焼排ガスにより、再生器で予熱された吸収液の加熱に利用するから、エンジンおよび燃料電池のいずれの排熱をも有効に回収できる。
【0038】
(削除)
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る排熱回収システムの実施例に至る前の開発例を示す概略構成図である。
【図2】 本発明に係る排熱回収システムの第1実施例を示す概略構成図である。
【図3】 本発明に係る排熱回収システムの第2実施例を示す概略構成図である。
【図4】 本発明に係る排熱回収システムの第3実施例を示す概略構成図である。
【図5】 本発明に係る排熱回収システムの第4実施例を示す要部の概略構成図である。
【図6】 本発明に係る排熱回収システムの変形例を示す要部の概略構成図である。
【図7】 本発明に係る排熱回収システムの別の変形例を示す要部の概略構成図である。
【符号の説明】
1…ミラーサイクルガスエンジン
2…伝動クラッチ
3…発電機
5a…エンジン温水供給管
6…循環配管
7…第1の熱交換器
9…蒸気発生装置
10…蒸気タービン
11…復水器
12…過給機
13…排ガス供給管
14…吸収式冷凍機
15…再生器
17…吸収器
24…第2の熱交換器
25…燃料電池
26…蒸気供給管
27…燃料電池温水供給管
31…発電機
Claims (4)
- エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンに前記エンジンの過給機を連動連結し、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成したことを特徴とする排熱回収システム。
- エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動するように構成し、かつ、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成したことを特徴とする排熱回収システム。
- 請求項1または2に記載の排熱回収システムにおいて、エンジンがミラーサイクルガスエンジンである排熱回収システム。
- 請求項1、2、3のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、再生器に、燃料電池から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管を接続し、前記再生器と蒸気発生装置との間に熱交換器を付設するとともに、前記燃料電池から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管を前記熱交換器に接続してある排熱回収システム。
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