JP3773225B2 - 内燃機関の排熱回収装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷式内燃機関、特にコージェネレーション用のレシプロ式(往復式)内燃機関の排気及び冷却水から排熱を回収する内燃機関の排熱回収装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
往復式内燃機関からは、軸動力と共に、排気ガス及び冷却水の2種類の排熱が発生する。そしてコージェネレーションは軸動力と共に、排熱を利用することで省エネルギーを達成するものである。
【0003】
それらの排熱のうち、排気ガスの温度は例えば700℃〜500℃という温度であるため、高い温度、圧力の水蒸気を発生できる。一方、冷却水の温度は一般的には100℃以下程度であるため、温水として利用される。
【0004】
しかし、工場等では蒸気の用途は大きいものの、温水の用途は限られるために有効に利用されない場合が多い。またビル等では夏期には排熱のままでは用途がないため、吸収冷凍機の熱源に利用することが多い。この場合も、温水熱源の吸収冷凍機は、性能、大きさ等で蒸気熱源の吸収冷凍機に比べてかなり劣るという問題がある。
【0005】
このため、内燃機関の冷却水から良質の水蒸気を回収することが望まれており、冷却水温度を120℃として、この温度で水蒸気を発生して利用するガスエンジンが実用化されている。
【0006】
その一例を図4に示す。内燃機関10の冷却水は、多岐管10aによってセパレータ15に導かれ、セパレータ15内の飽和水はその下部から吸入管10bで内燃機関10に送られて循環している。また、セパレータ15の下部には給水管15aが設けられて冷却水Wが給水されている。そして、セパレータ15の上部からは水蒸気ライン12が分岐され、気水分離器13で水分が分離されて蒸気圧コントローラで調圧された1kg/cm2の水蒸気Sが蒸気熱源として供給されている。なお、符号16は内燃機関10で駆動される発電機等の負荷を、11は排気ガスGを排出する排気管を示している。
【0007】
しかし、一般の工場での使用や、蒸気熱源吸収冷凍機での使用には、120℃という水蒸気温度では不十分であり、より高い温度の水蒸気を発生できることが望まれている。一方、冷却水温度を高くすると、往復式内燃機関各部の耐久性、燃焼性能への影響の検討が必要であり、設計の見直し、コストの上昇が避けられない。
【0008】
また、内燃機関の冷却水温度を高くすることなく、冷却水からの水蒸気を高温、高圧化する方法として、冷却水から発生する水蒸気を圧縮機で圧縮し、高温、高圧とする方法が提案されている。しかし、この圧縮機の駆動には内燃機関からの動力を使用する必要があるので、冷却水からの排熱は確かに利用しやすくなるが、その一方で、内燃機関の熱効率が低下するという問題があり、実際には使用されていない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、水冷式内燃機関の冷却水から発生する水蒸気を機関自体に過度な負担をかけたり、あるいは軸出力の一部を割愛して熱効率の低下を来たすようなことなく、高温、高圧化して排熱を回収する内燃機関の排熱回収装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の排熱回収装置は、水冷式内燃機関の排熱回収装置において、内燃機関の排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関を設け、該熱機関により圧縮機を駆動し、該圧縮機は内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめる様に構成している。すなわち、内燃機関の排気及び冷却水からの排熱を、内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気として回収しているのである。
【0011】
この熱機関は、内燃機関の排気ガスの持つ排熱の一部を動力に変換し、残りの熱エネルギーを冷却水に与える。そして、熱機関で発生された動力によって圧縮機が運転され、冷却水から発生した冷却水の温度及び圧力に対応する飽和水蒸気を圧縮し、冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気を吐出する。排気ガスから回収された排熟は、一部が冷却水に与えられ、残りは動力に変換された後、圧縮後の水蒸気に与えられる。システム全体としては、排気ガスから回収された排熱と、冷却水から回収された排熱が、全て冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気として利用されることが可能となる。
【0012】
この熱機関としては、外燃機関であれば良く、例えば、蒸気機関、スターリングエンジンのいずれも使用可能であり、また、これらに限られることは無い。
【0013】
また、内燃機関の運転条件によっては、熱機関の発生する動力が、冷却水から発生する水蒸気の全量を圧縮するに必要な動力に不足する場合もあり得る。その場合には、冷却水から発生する水蒸気の一部を圧縮することが簡単である。
【0014】
さらに、歯車列で結合する等の公知の方法によって、内燃機関の軸動力の一部を圧縮幾の駆動に用いることができる。または、電動機で発生する動力を、熱機関の発生する動力に合わせて用いてもよい。
【0015】
また、本発明の内燃機関の排熱回収装置は、水冷式内燃機関の排熱回収装置において、複数基のボイラーが設置され、その内の1基は内燃機関の排気ガスから排熱を回収して高温高圧の水蒸気を発生するボイラーとされ、前記複数基のボイラーの発生する水蒸気がそれぞれ別個のエジェクタに供給され、該エジェクタは内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめるように構成されている。
【0018】
この様な構成を具備する本発明によれば、排ガスボイラーで発生した高圧蒸気は、エジェクタに供給されて冷却水から発生した水蒸気を吸引し、そして該エジェクタのデフューザー部において、排ガスボイラーで発生した高圧蒸気及び冷却水から発生した水蒸気との流速を減速して、その圧力を高める。その結果、冷却水から発生する水蒸気が内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気になる。そして、システム全体としてみれば、排気ガスの排熱と冷却水の排熱が全て、冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気として利用可能となる。ここで、エジェクタを利用することにより、熱機関を利用する場合と比べて、排熱回収装置がより構造簡単で安価なものとなる。
【0019】
内燃機関の運転条件によっては、エジェクタに供給する水蒸気が冷却水から発生する水蒸気の全量を圧縮するには足りないこともあり得る。その場合には、単純に、冷却水から発生する蒸気の一部のみを圧縮してもよい。或いは、既設のボイラーを有する場合には、そのボイラーから発生する水蒸気を、排気から発生する水蒸気と合流させて用いても良い。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、前記図4と同様な構成部品は同じ番号を付し重複説明は省略する。
図1において、水冷式の往復式内燃機関10の冷却水系は、内燃機関10から多岐管10aで集められてセパレータ15に導かれ、セパレータ15において水蒸気と飽和水に分離され、セパレータ15の下部から再び吸入管10bにより内燃機関10に入って循環されている。そして、セパレータ15の上部からは水蒸気ライン12が分岐され、気水分離器13を介して圧縮機2に連通されており、圧縮機2で内燃機関10の冷却水より高い温度及び圧力の水蒸気Sに圧縮されて外部に蒸気源として供給されている。また、気水分離器13からはライン12aにより分離した水がセパレータ15の下部に戻されている。
【0022】
全体を符号1で示す熱機関は、セパレータ15内に設けられたコンデンサを低熱源Lとし、ポンプPを介して高熱源Hである排気管11に介装された排ガスボイラー4内に連通され、高熱源Hから膨脹機1aを介して再び低熱源Lに戻る蒸気機関である。そして、膨脹機1aによって前記圧縮機2が駆動されている。
【0023】
したがって、熱機関1は排ガスボイラー4を高熱源Hとし、セパレータ15内のコンデンサを低熱源Lとして内燃機関10の排気ガスGの持つ排熱の一部を膨脹機1aで動力に変換し、残りの熱エネルギーを冷却水Wに与えている。そして、膨脹機1aで発生された動力によって圧縮機2が運転され、セパレータ15から水蒸気ライン12で導入された飽和水蒸気を圧縮し、冷却水Wの温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気Sを吐出する。排気ガスGから回収された排熟は、一部が冷却水Wに与えられ、残りは動力に変換された後、圧縮後の水蒸気に与えられる。システム全体としては、排気ガスGから回収された排熱と、冷却水Wから回収された排熱が、全て冷却水Wの温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気Sとして利用することが可能となる。
【0024】
次に、図2を参照して別の実施形態を説明する。
排ガスボイラー4内にはポンプPによって清水が供給され、排ガスボイラー4で発生した高圧蒸気はエジェクタ3のノズル3aに導かれ、膨脹して高速の蒸気流を発生している。一方、セパレータ15からの水蒸気ライン12は、気水分離器13を介してエジェクタ3のノズル3aの周囲に開口されている。
【0025】
したがって内燃機関10の冷却水から発生した水蒸気は、セパレータ15から水蒸気ライン12によってエジェクタ3に導かれる。そして、エジェクタ3において、ノズル3aからの高速蒸気流に吸引されてスロート部3bからデフューザ部3cで減速し、その圧力が高められて高温、高圧の水蒸気Sとなり、外部に供給される。
【0026】
【実施例】
前記図1に示した蒸気機関1によって圧縮機2を駆動する実施形態については、具体的な運転条件として下記のような条件が可能である。
内燃機関10の熱収支としては、内燃機関の運転条件が出力310kw、回転数1500rpmの時に、燃料熱入力100%(849kw)に対して、
内燃機関軸出力 36.5%
排気ガス 35%
(このうち26%が排ガスボイラー4で蒸気の発生に使われる)
冷却水 23%
その他 5.5%
となる。
【0027】
内燃機関10の排気ガスGの温度は650℃以上であるので、ボイラー4からの発生蒸気は、例えば、圧力60気圧、温度450℃の過熱蒸気とすることができる。そして、内燃機関10の冷却水は、120℃で運転することとし、したがって、蒸気機関1のコンデンサLでの凝縮温度はやはり120℃とする。このとき蒸気機関1の作動サイクルは図3に示すようになり、各部の蒸気のエンタルピは、
排ガスボイラー入(60気圧、120℃):i4=120kcal/kg
排ガスボイラー出(60気圧、450℃):i1=790kcal/kg
コンデンサ入り (2気圧、120℃) :i2=620kcal/kg
となる。
【0028】
したがって、この条件での蒸気機関の熱効率は、η=(i1−i2)/(i1−i4)=25%、そして、蒸気機関の軸出力は、849×0.26×0.25=55kwとなる。
【0029】
一方、圧縮機2は120℃、2気圧の飽和蒸気を5気圧に圧縮するものとする。このときの圧縮機入口の蒸気のエンタルピは、646kcal/kg、圧縮機出口の蒸気のエンタルピは、688kcal/kgであり、圧縮の動力はその差の42kcal/kgである。一方、冷却水には、コンデンサLからの入熱も有り、発生する蒸気に与えられるエネルギは、849×(0.26×0.75+0.23)=361kwである。これによって発生する蒸気量は361×860/646=481kg/hrである。この蒸気量を圧縮する動力は、481×42/860=24kwとなり、これは、蒸気機関1で発生する動力55kwに対して、各部の損失を考慮しても小さい値であるから、このような排熱利用装置が運転可能であることがわかる。
【0030】
次に、前記図2に示した蒸気エジェクタ3を用いた実施形態については、具体的な運転条件として下記のような条件が可能である。
内燃機関10及び冷却水の条件は上記例と同様とする。排ガスボイラー4から発生する蒸気は、同じ条件で60気圧、450℃とすると、そのエンタルピはi1=790kcal/kgである。この蒸気は、ノズル3aにより60気圧から断熱膨脹して2気圧になり、周囲の低圧蒸気を巻き込んで、デフューザ3cで5気圧まで圧縮される。結局、60気圧、450℃から5気圧まで断熱膨張することになる。膨張後の蒸気のエンタルピは、i2=645kcal/kgであり、エジェクタ3で利用できるエネルギは、その差の145kcal/kgである。発生する蒸気量は、849×860×0.26/790=240kg/hrである。
【0031】
したがって、エジェクタ3で利用し得るエネルギの総量は、40kwとなる。一方、冷却水から発生した蒸気は、2気圧の飽和の条件から5気圧まで断熱圧縮される。その動力は上記図1の実施例と同じで42kcal/kgである。発生する蒸気量としては、冷却水の分だけを考慮すれば良く、849×860×0.23/646=260kgである。したがって、圧縮動力の総量は、260×42/860=13kwとなる。これはエジェクタ3の効率を考慮しても、利用しうるエネルギ40kwより十分低い値であり、このような排熱利用装置が運転可能であることがわかる。
【0032】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成され、以下の効果を奏する。
(1) 内燃機関の冷却水から発生する水蒸気を、排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関で駆動される圧縮機、または排気ガスボイラーで発生する高温高圧の水蒸気を供給したエジェクタによって高温、高圧化し排熱を回収することができる。
(2) 上記水蒸気の高温、高圧化は、機関自体に過度な負担をかけたり、あるいは軸出力の一部を使用するようなことなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の構成を示す側面図。
【図2】本発明の別の実施形態の構成を示す側面図。
【図3】本発明の作用を説明するエンタルピ・エントロピ線図
【図4】従来の排熱回収装置の構成を示す側面図。
【符号の説明】
1・・・熱機関
1a・・・膨脹機
2・・・圧縮機
3・・・エジェクタ
4・・・ボイラー
10・・・内燃機関
11・・・排気管
12・・・水蒸気ライン
15・・・セパレータ
16・・・発電機
H・・・高熱源
L・・・低熱源
Claims (5)
- 水冷式内燃機関の排熱回収装置において、内燃機関の排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関を設け、該熱機関により圧縮機を駆動し、該圧縮機は内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 前記圧縮機の駆動に前記熱機関の出力と共に、内燃機関の出力と電動機の出力のいずれか一方或いは両方を用いる請求項1の内燃機関の排熱回収装置。
- 前記熱機関が蒸気機関である請求項1または2いずれかの内燃機関の排熱回収装置。
- 前記熱機関がスターリングエンジンである請求項1または2いずれかの内燃機関の排熱回収装置。
- 水冷式内燃機関の排熱回収装置において、複数基のボイラーが設置され、その内の1基は内燃機関の排気ガスから排熱を回収して高温高圧の水蒸気を発生するボイラーとされ、前記複数基のボイラーの発生する水蒸気がそれぞれ別個のエジェクタに供給され、該エジェクタは内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
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