JP3788354B2

JP3788354B2 - エンジン排熱回収装置

Info

Publication number: JP3788354B2
Application number: JP2002017832A
Authority: JP
Inventors: 岡田　　健; 俊浩浅沼; 陽一藤田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-01-28
Also published as: JP2003214255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，エンジンを加熱源とする冷却水からエンジン排熱を回収するエンジンの排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンを加熱源とする冷却水からエンジン排熱を回収するエンジンの排熱回収装置として、特開平６−２４１１１８号公報に記載ものがある。この装置では、冷却水を循環させる配管に分岐点に可変分流用三方弁を設け、一方の配管に排熱回収用熱交換器を配置し、他方の配管に放熱装置を配置した構成の排熱回収装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のエンジン排熱回収装置では、排熱回収熱交換器の交換熱量の調整には、可変分流用三方制御弁を用いていた。しかし、三方制御弁は、二方制御弁と比べて高価であり、かつ排熱回収熱交換器、三方制御弁とシリーズに排熱温水を流すため、排熱温水の循環抵抗が大きく、排熱温水循環ポンプの動力も大きなものが必要であった。また従来のシリーズに排熱温水を循環させる方式では、熱交換器に排熱温水を全量流すため、被加熱媒体とその温度差が大きく伝熱性能上小型の熱交換器で十分な場合に於いても、流路面積確保のため大型の熱交換器にならねばならない、経済的に不利な点があった。
【０００４】
さらに、上記の従来のエンジン排熱回収装置では、排熱回収熱交換器を使用目的別に複数個配置する場合、エンジンに対して上流側ほど、高温の排熱が得られ、エンジンに対して下流側になるほど、低温の排熱しか得られないという特徴があり、排熱回収熱交換器の２次側の流体条件を考慮して配置しなければならず、排熱回収熱交換器の２次側流体配管の長距離化、複雑化を招くことになっていた。
【０００５】
本発明の目的は、排熱回収装置の小型化を図ると共に、排熱回収用熱交換器の設置台数を自由に選定でき設計の自由度を向上し、効率の良い排熱回収を実現する構成を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のエンジンの排熱回収装置は、エンジンと、このエンジンで温められた冷却水を循環させる循環配管と、該循環配管のエンジンに冷却水を流入させる側の配管に冷却水循環ポンプを配置し、冷却水から排熱を取出す為に、複数の排熱回収熱交換器の一方を前記循環配管のエンジンからの流出側に、他方を流量調整用の二方制御弁を介して前記循環配管のエンジンへの流入側に並列に設け、更に前記循環配管のエンジンからの流出側とエンジンへの流入側とをバイパス配管と逃がし弁を介して接続し、前記エンジンの起動、停止、負荷変動や、排熱回収側の負荷変動により前記二方制御弁の開度を制御して排熱回収熱交換器の流量を調整すると共に、前記バイパス配管と逃がし弁により、前記排熱回収熱交換器の流量を調整する二方制御弁の開度に対して、冷却水循環用ポンプの吐出量を一定値以上に保つことを可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図を用いて説明する。図１に本発明を適用した排熱回収装置の全体構成を示す。
【０００８】
図１において、エンジン１は、発熱源であるエンジン本体１ｅと、発電機１ｆと、サイレンサ１ｄとから成り、それぞれにはジャケット熱交換器１ｂと、オイルクーラ１ｃと、インタークーラ１ａ等の冷却系が設けてある。エンジン本体１ｅに接続されたサイレンサ１ｄには、排気ガスの熱を回収する排熱回収器２１に連接する排気配管２０が設けてあり、排ガス回収器２１を通った排気は煙突２２より大気に排気される。エンジン本体１ｅで発生した動力を用いて発電する発電機１ｆが接続されている。
【０００９】
インタークーラ１ａとジャケット熱交換器１ｂとオイルクーラ１ｃで温度上昇した冷却水は排熱回収器１０に接続されており、そこで熱交換されて冷却された水が再びインタークーラ１ａ、ジャケット熱交換器１ｂ、オイルクーラ１ｃに戻される循環系の配管１３で接続されている。本図では、インタークーラ１ａには２つの冷却水の系統が設けてあり、一方側は独立した冷却水の循環路１２を、他方側がジャケット熱交換器１ｂとオイルクーラ１ｃの冷却水の循環路に接続されている。この一方側の循環路は、設けなくとも良い場合がある。
【００１０】
排熱回収器１０で熱交換された冷却水は、本実施例では配管９ａから吸収式冷温水機１１に流され、そこで熱交換され冷暖房用負荷１１ｂに利用される。また、熱交換された冷却水は冷却塔１１ａで冷却され配管９ｂを通って排熱回収器１０に戻される。又本図に示すように、排熱回収器１０には給湯用の熱交換器２５を接続する場合がある。
【００１１】
図２に排熱回収器１０のエンジンのジャケット等に接続された温熱された冷却水を冷却（熱交換）する配管系を示している。
【００１２】
エンジン１で温められた温水はエンジン流出側の温水配管である第１の配管２を経由して複数にバイパス３ａ、３ｂ、３ｃされ、それぞれ排熱回収熱交換器４ａ、４ｂ、４ｃに接続されている。これらの熱交換器４ａ、４ｂ、４ｃの出口側にはそれぞれ二方制御弁５ａ、５ｂ、５ｃが設けてあり、これらの弁を通過し熱交換されて、冷却された後の冷却水の配管がバイパス配管８であるエンジン流入側配管(第２の配管と称する場合もある)に接続されている。なお、バイパス配管８はレリーフ弁７(逃がし弁)を介して第１の配管２に接続されている。またバイパス配管８のエンジン１の入口側に冷却水循環ポンプ６が設けてあり、これにより、冷却水を加圧してエンジン１から第１の配管２、及び第２の配管８を経てエンジン１に循環させている。なお、この図に示した各排熱回収熱交換器は、放熱熱交換器４ａと、溶液熱交換器４ｂと温水熱交換器４ｃとしている。また、第１の配管２と第２の配管８とで冷却水の循環路を形成しており、この配管が図１の配管１３と同じものを示している。
【００１３】
このように構成することで、これまで排熱回収器１０に設けてある各排熱回収熱交換器の流出側の配管を第１の配管２に戻すために３方弁を用いていたものを、２方弁にすることができ且つ配管の配置も簡略化することができた。また、第１の配管２と第２の配管８との間に設けたレリーフ弁７により、冷却水循環用ポンプ６の吐出圧（吐出量）を制御することができ、効率の良い排熱回収が可能となった。
【００１４】
図３に、各排熱回収熱交換に接続された冷却系統の配管系を示す。
図３において、インタークーラ１ａの一方側に設けた冷却水の配管は、放熱熱交換器４ａの冷却側の冷却水配管９に並列に接続されている。また、溶液熱交換器４ｂの冷却用配管は吸収冷温水機１１の低温熱交換器１２からの冷却溶液が流入され、吸収冷温水機１１の高温熱交換器１３に流入するように構成されている。また、冷温水供給配管１４を分流し、一方を吸収冷温水器１１へ供給し、他方を温水熱交換器４ｃに供給するように構成しており、温水熱交換器４ｃで熱交換された冷温水は吸収冷温水器１１を通過した冷温水出口側配管１５に合流される構成となっている。
【００１５】
ところで、図４にレリーフ弁の特性の１例を示してある。図に示す入口圧力を所定の圧力に設定する（例えば３．５〜１００ｍＡｑ）ことで、設定圧力でレリーフ弁が解放し、弁前後の圧力差に応じて所望の流量を得ることができる。
【００１６】
なお、エンジンを冷却するための所望の流量を得るために、次の点を考慮する必要が有る。まず、各排熱回収熱交換器に流れる流量に関しては、各排熱回収熱交換器の出口側に設けた２方弁の開度を制御することによって行われる。なお、冷温水機運転の全てのモードにおいて、冷却水循環用ポンプ６の吐出流量の範囲に収めるために、各排熱回収熱交換器の流量を２方弁で制御しているが、２方弁を全閉するとポンプ６の吐出量が減り、ポンプ吐出流量の範囲に収まらなくなる可能性がある。更に、冷暖房時に、利用側（冷房時：溶液温度高、暖房時：温水温度高）の変動により、排熱回収が十分行われず、２方弁全開でも熱があまる可能性がある。この場合、放熱熱交換器の２方弁を開けて制御するが、最低でも放熱熱交換器４ａの仕様値の７０％の流量を得る必要が有る。この点を考慮して排熱回収系を設計する必要がある。
【００１７】
そこで、各熱交換器の運転状態における各機器の流量を演算により求めた一例を図５、図６、図７に示す。
【００１８】
本計算では、レリーフ弁７の設定値を１０ｍＡｑ、エンジン側配管の圧損を１５ｍＡｑとした。このエンジン側配管の圧損は、実際は１０ｍＡｑ程度であるが、配管の施工等の状態により変動するため余裕を見た値としたものである。また、ポンプの吐出流量は３２〜３４ｍ^３／ｈで、エンジンが全負荷運転状態としている。
【００１９】
図５に冷房時の溶液熱交換器４ｂ等の流量変化を示す。図において、通常運転時は、破線の交叉する仕様点で安定するが、その過渡過程においても、ポンプ吐出範囲に収まっており、流量の変動は１２ｍ^３／ｈとなる。なお、この流量変動はレリーフ弁の設定値を変えることで更に下げることができることが分かった。
【００２０】
図６に暖房時の温水熱交換器４ｃ等の流量変化を示す。図において、通常運転時は、破線の交叉する仕様点で安定するが、その過渡過程においても、ポンプ吐出範囲に収まっており、流量の変動は９ｍ^３／ｈとなる。なお、温水熱交換器４ｃの仕様流量は、溶液と比べて１４ｍ^３／ｈ少ないが、これは図のようにレリーフ弁７の流量によって補正されている。
【００２１】
図７に放熱時の放熱熱交換器４ａ等の流量変化を示している。図において、通常運転時は、暖房運転時の温水熱交換器と同様、破線の交叉する仕様点で安定するが、その過渡過程においても、ポンプ吐出範囲に収まっており、流量の変動は９ｍ^３／ｈとなる。なお、温水熱交換器４ｃの仕様流量は、溶液と比べて１４ｍ^３／ｈ少ないが、これは図のようにレリーフ弁７の流量によって補正されている。
【００２２】
以上のように、排熱回収時、各排熱回収熱交換器での交換熱量は、流量調整用の二方制御弁５ａ、５ｂ、５ｃの開度を調整することで行なえるが、全ての二方制御弁が全閉、または全閉に近づく場合もあり、本発明ではレリーフ弁７の流量調整によって冷却水のバイパス量が決定され、冷却水循環ポンプ６の吐出量がほぼ一定値となるように設定することで、系統全体の圧力損失が高くなり、冷却水循環ポンプ６の吐出量が減少し、ストール現象やオーバーロードの発生を回避している。
【００２３】
なお、本実施例では、冷却水を循環する循環配管路途中に排熱回収用の熱交換器を３つ並列に設けた構成としたが、２つまたは４つ以上を並列に設けた構成としても良い
【００２４】
【発明の効果】
排熱回収熱交換器の交換熱量の制御に三方制御弁より安価な二方制御弁を使用することで、原価低減が図れる。また、排熱回収熱交換器を選定する際、１次側流量や１次側出口温度が任意で選定できるため、熱交換器の最適化が図れ、原価低減が出来る。さらに、排熱回収熱交換器を使用目的別に複数個配置する場合、配置順序が任意で決定できるため、２次側配管の短距離、簡素化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンジン排熱回収システムの全体構成図である。
【図２】本発明の排熱回収器要部の系統図である。
【図３】本発明の排熱回収器の冷却系統の図である
【図４】レリーフ弁の流量特性の一例を示した図である。
【図５】冷房時に各機器に流れる冷却水の流量を示す図である。
【図６】暖房時に各機器に流れる冷却水の流量を示す図である。
【図７】放熱時に各機器に流れる冷却水の流量を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン
２…温水配管
３ａ、３ｂ、３ｃ…排熱回収配管
４ａ…放熱熱交換器
４ｂ…溶液熱交換器
４ｃ…温水熱交換器
５ａ、５ｂ、５ｃ…二方制御弁
６…冷却水循環ポンプ
７…レリーフ弁（逃がし弁）
８…バイパス配管

Claims

エンジンと、前記エンジンで温められた冷却水を循環させる循環配管と、前記循環配管のエンジンに冷却水を流入させる側の配管に冷却水循環ポンプを配置し、冷却水から排熱を取出す為に、複数の排熱回収熱交換器の一方を前記循環配管のエンジンからの流出側に、他方を流量調整用の二方制御弁を介して前記循環配管のエンジンへの流入側に並列に設け、
更に前記循環配管のエンジンからの流出側とエンジンへの流入側とをバイパス配管と逃がし弁を介して接続し、
前記エンジンの起動、停止、負荷変動や、排熱回収側の負荷変動により前記二方制御弁の開度を制御して排熱回収熱交換器の流量を調整すると共に、
前記バイパス配管と逃がし弁により、前記排熱回収熱交換器の流量を調整する二方制御弁の開度に対して、冷却水循環用ポンプの吐出量を一定値以上に保つことを可能にした
ことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
請求項１において、複数個配置した前記排熱回収熱交換器への冷却水の入口温度が前記全ての排熱回収熱交換器において同じになるように構成したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。