JP4155916B2 - 排熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、低沸点の媒体を高沸点の吸収液に吸収した作動溶液を高温排熱との熱交換により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器が発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気を冷却水との熱交換により冷却して作動溶液に復水させる復水器と、
前記復水器との間で循環する作動溶液を低温排熱との熱交換により加熱して前記作動溶液から媒体を分離する再生器と、
前記復水器から前記蒸気発生器に供給される作動溶液に前記再生器で分離された媒体を吸収させる吸収器とを備えた排熱回収システムに関する。

エンジンにおける排ガスなどの高温排熱と冷却水などの低温排熱を効率良く回収して、発電機等を駆動するための軸動力を得るための排熱回収システムが知られている。
この種の排熱回収システムは、上記蒸気発生器において、エンジンの排ガス等の高温排熱により作動溶液を蒸発させ、上記蒸気タービンにおいてその蒸気により軸動力を得てその軸動力により発電機等を駆動し、上記復水器において蒸気タービンを駆動した後に排出された蒸気を作動溶液に復水させるように構成されている。更に、上記作動溶液として、アンモニア等の低沸点の媒体を水等の高沸点の吸収液に吸収したアンモニア水溶液等を用い、吸収サイクルを利用して、上記再生器において復水器で復水した作動溶液から媒体を分離すると共に、上記吸収器において再生器で分離した媒体を再度復水器で復水した作動溶液に吸収させて媒体が非常に多く吸収された高濃度の作動溶液を生成して、上記蒸気発生器にその高濃度の作動溶液を供給するように構成されている（例えば、特許文献１を参照。）。

この排熱回収システムでは、復水器において、蒸気が凝縮し作動溶液に混合されるときに凝縮潜熱及び混合熱が発生するので、その熱を奪うために、復水器に配設された伝熱管内に冷却水を通流させて冷却するように構成されている。

また、この排熱回収システムでは、蒸気タービンから排出される比較的高温の蒸気からも熱回収するために、蒸気タービンから復水器に供給される蒸気との熱交換により給湯用の湯水を生成する湯水生成手段を設ける場合がある（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００３−１６１１１５号公報 特開２００１−２４８４０９号公報

従来の排熱回収システムでは、復水器に供給される蒸気の温度は、蒸気タービンの効率及び湯水生成装置の運転状態等の変化により、大幅に変化する可能性がある。そして、復水器に供給される蒸気の温度が非常に高くなった場合を想定して、復水器において蒸気を確実に凝縮させるために、復水器における冷却量即ち冷却水の流量は充分に大きめに設定されている。しかし、復水器に供給される蒸気の温度が低い場合には、その冷却水を供給されるためのポンプ動力が無駄に消費されることになり、運転効率の低下の原因となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、合理的な構成により高効率化を実現することができる排熱回収システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収システムは、低沸点の媒体を高沸点の吸収液に吸収した作動溶液を高温排熱との熱交換により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器が発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気を冷却水との熱交換により冷却して作動溶液に復水させる復水器と、
前記復水器との間で循環する作動溶液を低温排熱との熱交換により加熱して前記作動溶液から媒体を分離する再生器と、
前記復水器から前記蒸気発生器に供給される作動溶液に前記再生器で分離された媒体を吸収させる吸収器とを備えた排熱回収システムであって、その第１特徴構成は、前記復水器における温度又は圧力を検出する復水器状態検出手段と、
前記復水器状態検出手段で検出された温度又は圧力が所定の状態になるように、前記復水器における冷却水の流量を制御する冷却水量制御手段とを備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、例えば蒸気タービンの効率が変化し復水器に供給される蒸気の温度又は圧力が変化した場合でも、上記復水器状態検出手段で検出された復水器における温度又はその温度に応じて変化する圧力が高効率で運転可能な所定の状態になるように、上記冷却水量制御手段により、復水器における冷却水の流量を制御することで、復水器には蒸気を作動溶液に復水させるのに必要な分の冷却水のみが供給されることになり、冷却水を供給するためのポンプ動力の浪費が抑制され、高効率化が実現されることになる。
即ち、復水器に供給される蒸気の温度が高い場合には、復水器に供給される冷却水の流量が、蒸気を確実に復水させるように大きめに調整され、逆に、復水器に供給される蒸気の温度が低い場合には、復水器に供給される冷却水の流量が、蒸気を確実に復水できる範囲で充分に小さめに調整されて、冷却水を供給するためのポンプ動力が節約されることになる。
従って、上記のような合理的な構成により、復水器において蒸気を確実に復水させながら、冷却水を供給するためのポンプ動力の浪費を抑制して、高効率化を実現することができる排熱回収システムを提供することができた。

本発明に係る排熱回収システムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記蒸気タービンから前記復水器に供給される蒸気との熱交換により湯水を生成する湯水生成手段を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記湯水生成手段を備え、その湯水生成手段の運転状態の変化により、復水器に供給される蒸気の温度が変化した場合でも、前述のごとく、上記復水器状態検出手段の検出結果に基づいて、上記冷却水量制御手段により、復水器に供給される冷却水の流量を制御することで、復水器において蒸気を確実に復水させながら、冷却水を供給するためのポンプ動力の浪費を抑制して、高効率化を実現することができる。

本発明に係る排熱回収システムの第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記高温排熱がエンジンから排出されるエンジン排ガスの排熱であり、前記低温排熱が前記エンジンを冷却するエンジン冷却水の排熱である点にある。

上記第３特徴構成によれば、高温排熱としてエンジンの排ガスを用い、低温排熱としてエンジンの冷却水を用いた場合に、上記高温排熱及び低温排熱の温度は、エンジンの運転状態の変化により大幅に変化する可能性があるが、このような場合でも、前述のごとく、上記復水器状態検出手段の検出結果に基づいて、上記冷却水量制御手段により、復水器に供給される冷却水の流量を制御することで、復水器において蒸気を確実に復水させながら、冷却水を供給するためのポンプ動力の浪費を抑制して、高効率化を実現することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す排熱回収システムは、高温排熱としてのエンジン２０から排出されるエンジン排ガスの排熱を高温排熱とし、エンジン２０を冷却するエンジン冷却水の排熱を低温排熱として、これら排ガスと冷却水とから効率良く排熱回収して、発電機４を駆動するための軸動力を得るように構成されている。

この排熱回収システムは、低沸点の媒体としてのアンモニアを高沸点の吸収液としての水に吸収させたアンモニア水溶液を作動溶液として用いるように構成されており、排ガス管３２を通じてエンジン２０から供給された排ガスとの熱交換により、このアンモニア水溶液を加熱して、アンモニア水溶液の蒸気を発生する蒸気発生器１と、蒸気発生器１から蒸気供給管２１を通じて供給された蒸気により駆動して軸動力を出力する蒸気タービン３とが設けられており、蒸気タービン３が出力する軸動力により発電機４が駆動する。

また、蒸気タービン３から排出され蒸気排出管２２を通じて供給された蒸気を、３０℃程度の冷却水との熱交換により冷却してアンモニア水溶液に復水させる復水器６が設けられている。
この復水器６には、冷却水が通流する冷却管３８が配設され、その冷却管３８内に冷却水が通流することにより、蒸気及びアンモニア水溶液と冷却水との間の熱交換が行われ、蒸気が凝縮してアンモニア水溶液に混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水により奪われる。また、この冷却管３８への冷却水の流量は、その冷却水を供給するためのポンプ３７の動力の調整により調整可能に構成されている。

また、復水器６からポンプ２４により配管２５を通じてアンモニア水溶液が供給され、エンジン冷却水との熱交換により、そのアンモニア水溶液を加熱してアンモニア水溶液からアンモニア蒸気を分離する再生器８が設けられている。
この再生器８には、エンジン冷却水が通流する加熱管３５が配設され、その加熱管３５内に、エンジン２０との間でポンプ３４により循環されるエンジン冷却水を通流させることにより、アンモニア水溶液とエンジン冷却水との熱交換が行われる。

この再生器８でアンモニア蒸気が分離された後の比較的アンモニア濃度が低いアンモニア水溶液は、配管２７を通じて復水器６に戻されて、蒸気タービン３から供給された蒸気を吸収した後に再び再生器８に供給される。

また、復水器６から配管２６を通じて供給されたアンモニア水溶液に、再生器８から配管２７を通じて供給されたアンモニア蒸気を吸収させ、非常に高濃度のアンモニア水溶液を生成する吸収器１０が設けられている。
また、吸収器１０には、冷却水が通流する冷却管３９が配設され、その冷却管３９内に、復水器６に配設された冷却管３８から排出された冷却水を通流させることにより、吸収器１０における蒸気及びアンモニア水溶液と冷却水との熱交換が行われ、蒸気が凝縮してアンモニア水溶液に混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水により奪われる。
そして、この吸収器１０で生成された高濃度のアンモニア水溶液が、作動溶液としてポンプ２９により配管３０を通じて蒸気発生器１に供給される。

復水器６から排出されたアンモニア水溶液が通流する配管２５と、再生器８から排出されたアンモニア水溶液が通流する配管２７との間に、熱交換器１６が設けられている。
即ち、この熱交換器１６により、配管２７内を通流し再生器８でエンジン冷却水により加熱されて比較的高温となったアンモニア水溶液と、凝縮器６で冷却水により冷却され比較的低温となったアンモニア水溶液との熱交換を行って、再生器８における加熱効率、及び、復水器６における冷却効率を向上させることができる。

更に、蒸気タービン３から排出された蒸気との熱交換により、湯水を生成する湯水生成手段５０が設けられている。
この湯水生成手段５０は、蒸気タービン３から排出された蒸気が通流する蒸気排出管２２と、水が通流する水管５３との間で熱交換を行う熱交換器５４と、湯水を貯留する貯湯槽５１と、水を水管５３と貯湯槽５１との間で循環させるポンプ５２とからなる。
そして、ポンプ５２を作動させて、熱交換器５４に貯湯槽５１の下部にある比較的低温の水を供給することで、水管５３を通流する水が熱交換器５４において蒸気の顕熱又は潜熱を奪って加熱され湯水となり、貯湯槽５１の上部に温度成層を形成する状態で貯留される。この貯湯槽５１の上部に貯留された湯水が給湯用湯水として消費され、更に、その消費された湯水に相当する水が貯湯槽５１の下部へ供給される。

これまで説明してきた排熱回収システムには、合理的な構成により高効率化を実現するために、復水器状態検出手段として、復水器６における温度を検出する温度センサ４０が設けられ、更に、その温度センサ４０で検出された温度が所定の温度になるように、復水器６に配設された冷却管３８における冷却水の流量を制御するコンピュータからなる冷却水量制御手段４１が設けられている。

詳しくは、冷却水量制御手段４１は、温度センサ４０で検出された温度が予め設定された所定の設定温度範囲を超えた場合には、ポンプ３７の動力を増加さて冷却水の流量を増加させ、逆に、温度センサ４０で検出された温度が上記設定温度範囲を下回った場合には、ポンプ３７の動力を減少させて冷却水の流量を減少させるように構成されている。このように構成することで、復水器６には供給された蒸気をアンモニア水溶液に復水させるのに必要な分の冷却水のみが供給されることになり、冷却水を供給するためのポンプ３７の動力の浪費が抑制され、高効率化が実現される。尚、上記設定温度範囲は、本排熱回収システムを効率良く運転することができる温度範囲として決定されたものである。

〔別実施形態〕
（１） 上記実施の形態では、湯水生成手段５０を、ポンプ５２により循環される水を加熱して湯水を生成し貯湯槽５１に貯留するように構成したが、別に、ポンプ５２を設けることなく、自然対流を利用して循環する水を加熱して湯水を生成し貯留するように構成しても構わず、その湯水生成手段５０の構成について図２に基づいて説明する。
図２に示す湯水生成手段５０には、上部から給湯用湯水が取りだされ下部にその取り出された湯水に相当する水が供給されるタンク５５が設けられている。また、このタンク５５内には、上下方向に延出する板状に形成された仕切板５６が設けられており、その仕切板５６により、タンク５５内が、仕切板５６の上下において互いに連通する貯湯部５７と加熱部５８とに仕切られている。
また、仕切板５６の下部には、仕切板５６の下部に形成された連通部を開閉自在な仕切弁５９が設けられている。
更に、加熱部５８には、蒸気タービン３から排出された蒸気が通流する蒸気排出管２２が配置され、その加熱部５８に存在する水を蒸気との熱交換により加熱するように構成されている。
そして、このように構成された湯水生成手段５０は、仕切弁５９を開状態として、貯湯部５７と加熱部５８とを仕切板５６の上下において連通させる状態とすることで、加熱部５８において加熱され生成された湯水は、仕切板５６の上部を通じて貯湯部５７の上部に供給され、それに追従して、貯湯部５７の下部にある比較的低温の水は、仕切板５６の下部を通じて加熱部５８に流入するようになる。従って、このような水の対流を利用して、湯水を貯湯部５７の上部に温度成層を形成する状態で貯留することができる。

（２） 上記実施の形態では、復水器状態検出手段として、復水器６の温度を検出する温度センサ４０を設けたが、復水器６の圧力がその温度に応じて変化することを利用して、上記復水器状態検出手段として、復水器６の圧力を検出する圧力センサを設けても構わない。また、このように、復水器状態検出手段として圧力センサを設ける場合には、冷却水量制御手段４１は、圧力センサで検出された圧力が所定の圧力になるように、復水器６に配設された冷却管３８における冷却水の流量を制御するように構成される。

本発明に係る排熱回収システムの実施の形態を示す概略構成図 湯水生成手段の別実施形態を示す概略構成図

符号の説明

１：蒸気発生器
３：蒸気タービン
６：復水器
８：再生器
１０：吸収器
２０：エンジン
４０：温度センサ（復水器状態検出手段）
４１：冷却水量制御手段
５０：湯水生成手段

Claims (3)

1. 低沸点の媒体を高沸点の吸収液に吸収した作動溶液を高温排熱との熱交換により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器が発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された蒸気を冷却水との熱交換により冷却して作動溶液に復水させる復水器と、
   前記復水器との間で循環する作動溶液を低温排熱との熱交換により加熱して前記作動溶液から媒体を分離する再生器と、
   前記復水器から前記蒸気発生器に供給される作動溶液に前記再生器で分離された媒体を吸収させる吸収器とを備えた排熱回収システムであって、
   前記復水器における温度又は圧力を検出する復水器状態検出手段と、
   前記復水器状態検出手段で検出された温度又は圧力が所定の状態になるように、前記復水器における冷却水の流量を制御する冷却水量制御手段とを備えた排熱回収システム。
2. 前記蒸気タービンから前記復水器に供給される蒸気との熱交換により湯水を生成する湯水生成手段を備えた請求項１に記載の排熱回収システム。
3. 前記高温排熱がエンジンから排出されるエンジン排ガスの排熱であり、前記低温排熱が前記エンジンを冷却するエンジン冷却水の排熱である請求項１又は２に記載の排熱回収システム。
   

Images