JP6502014B2

JP6502014B2 - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP6502014B2
Application number: JP2014011354A
Authority: JP
Inventors: 厚太郎八木; 泰英岡▲崎▼; 和輝若宮
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: WO2015111643A1; JP2015137628A

Description

本発明は、廃熱回収装置に関する。

従来より、ランキンサイクルを利用して原動機等の廃熱からエネルギーを回収する廃熱回収装置が知られている。特許文献１のランキンサイクル装置では、湿り蒸気状態（すなわち、乾き度が１以下）の冷媒が膨張機に流入することを防止するために、膨張機に流入する冷媒の過熱度に基づいて、熱交換器を通過する冷媒の流量を制御している。具体的には、膨張機に流入する冷媒の圧力および温度に基づいて冷媒の過熱度が求められ、当該過熱度が所定の過熱度未満の場合、冷媒の一部を、バイパス経路を介して熱交換器および膨張機を迂回させる。バイパス経路を流れる冷媒の流量は、上述の冷媒の過熱度が小さくなるに従って増加する。これにより、熱交換器を通過する冷媒の流量が減少し、熱交換器通過後の冷媒が所定の過熱度以上の過熱蒸気状態に維持される。

特開２０１２−６７６８４号公報

ところで、特許文献１のランキンサイクル装置では、上述のように、膨張機に流入する冷媒の圧力および温度を測定して冷媒の過熱度を求め、当該過熱度に基づいて熱交換器を通過する冷媒の流量を制御している。当該装置では、膨張機に流入する冷媒が湿り蒸気状態である場合、当該冷媒の圧力および温度は一定となるため、冷媒の過熱度を求めることはできない。したがって、熱交換器を通過する冷媒の流量を適切に制御することができないおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、膨張機に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて熱交換器を通過させることにより、廃熱の回収効率を向上することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、廃熱回収装置であって、装置からの廃熱を熱源として作動流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器にて加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する回転式の膨張機であるタービンと、前記タービンにて膨張させた作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、前記凝縮器にて液化された作動流体を前記熱交換器へと送出するポンプと、前記タービンへと流入する作動流体の乾き度を取得する乾き度取得部と、前記乾き度取得部からの出力に基づいて前記乾き度が１以下の範囲において前記熱交換器を通過する作動流体の流量を制御する流量制御部とを備え、前記作動流体が有機媒体であり、前記作動流体のＴ−Ｓ線図における乾き飽和蒸気線は、比エントロピーの増加に従って高温側へと向かう。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置であって、前記乾き度取得部が、前記熱交換器と前記タービンとの間における作動流体の圧力である上流圧力を測定する第１測定部と、前記タービンと前記凝縮器との間における作動流体の圧力および温度を測定する第２測定部と、前記タービンの性能特性を示す特性データを記憶する記憶部と、前記第１測定部および前記第２測定部からの出力と前記特性データとに基づいて前記乾き度を求める乾き度演算部とを備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の廃熱回収装置であって、前記熱交換器と前記タービンとの間に配置され、前記上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置であって、前記ポンプ、前記熱交換器、前記タービンおよび前記凝縮器を順に接続するとともに作動流体が流れる主配管と、前記熱交換器と前記タービンとの間の分岐部にて前記主配管から分岐し、前記タービンと前記凝縮器との間の合流部にて前記主配管に合流するとともに、前記熱交換器から送出された作動流体の一部が流れる分岐配管と、前記分岐配管上に設けられる減圧部とをさらに備え、前記乾き度取得部が、前記分岐部と前記減圧部との間における作動流体の圧力である分岐上流圧力を測定する第１測定部と、前記減圧部と前記合流部との間における作動流体の圧力および温度を測定する第２測定部と、前記減圧部において等エンタルピー膨張が行われると仮定した場合の前記減圧部の性能特性を示す特性データを記憶する記憶部と、前記第１測定部および前記第２測定部からの出力と前記特性データとに基づいて前記乾き度を求める乾き度演算部とを備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の廃熱回収装置であって、前記熱交換器と前記分岐部との間に配置され、前記分岐上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部をさらに備える。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の廃熱回収装置であって、前記流量制御部が、前記ポンプと前記熱交換器との間に設けられる流量調節弁を備える。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の廃熱回収装置であって、前記流量制御部が、前記ポンプの出力をインバータ制御するポンプ制御部をさらに備える。

本発明では、膨張機に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて熱交換器を通過させることにより、廃熱の回収効率を向上することができる。

第１の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。廃熱回収装置のＴ−Ｓ線図である。システム制御部の機能を示すブロック図である。膨張機の性能特性の一例を示す図である。作動流体の乾き度と発電機の出力との関係を示す図である。第２の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。第３の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る原動機システム１の構成を示す図である。原動機システム１は、例えば、船舶の主機システムとして利用される。原動機システム１は、過給機付き原動機２と、過給機付き原動機２の廃熱を回収する廃熱回収装置６とを備える。

過給機付き原動機２は、内燃機関である原動機３と、ターボチャージャである過給機４とを備える装置である。原動機３は、例えば、２ストロークエンジンである舶用原動機である。過給機４は、タービン４１と、タービン４１に機械的に接続されるコンプレッサ４２とを備える。原動機３と過給機４とは、掃気路３１および排気路３２により接続される。排気路３２は、原動機３からの排気をタービン４１へと導き、タービン４１を通過した排気を原動機システム１の外部へと導く。

タービン４１は、原動機３から排気路３２を介して供給された排気により回転する。コンプレッサ４２は、タービン４１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン４１の回転を動力として）、原動機システム１の外部から吸気路４３を介して過給機４に導かれた吸気（空気）を加圧して圧縮する。コンプレッサ４２により加圧された吸気である圧縮空気（以下、「掃気」という。）は、原動機３に供給される。このように、過給機４では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。掃気路３１は、加圧された吸気を過給機４から原動機３へと導く流路、すなわち、加圧吸気路である。

廃熱回収装置６は、配管６１と、排気熱交換器６２と、膨張機６３と、凝縮器６４と、ポンプ６５と、流量制御部６６と、乾き度取得部６７と、圧力制御部６８とを備える。廃熱回収装置６は、これらの構成を制御するシステム制御部（後述）も備える。排気熱交換器６２、膨張機６３、凝縮器６４およびポンプ６５は、作動流体が流れる配管６１により、上記順序にて接続される。当該作動流体は、例えば有機媒体である。図１に示す廃熱回収装置６では、例えば、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系のＲ２４５ｆａが作動流体として利用され、いわゆる有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：Organic Rankine Cycle）が行われる。

流量制御部６６は、ポンプ６５と排気熱交換器６２との間にて配管６１上に設けられる流量調節弁６６１を備える。好ましくは、ポンプ６５はインバータポンプであり、ポンプ６５の出力をインバータ制御するポンプ制御部６６２が流量制御部６６に設けられる。

乾き度取得部６７は、第１測定部６７１と、第２測定部６７２とを備える。第１測定部６７１は、排気熱交換器６２と膨張機６３との間にて配管６１上に設けられる。第１測定部６７１は、排気熱交換器６２と膨張機６３との間における作動流体の圧力である上流圧力を測定する上流圧力測定部である。第２測定部６７２は、下流圧力測定部６７３と、下流温度測定部６７４とを備える。下流圧力測定部６７３および下流温度測定部６７４は、膨張機６３と凝縮器６４との間にて配管６１上に設けられる。第２測定部６７２の下流圧力測定部６７３および下流温度測定部６７４により、膨張機６３と凝縮器６４との間における作動流体の圧力および温度である下流圧力および下流温度がそれぞれ測定される。

圧力制御部６８は、排気熱交換器６２と膨張機６３との間にて配管６１上に配置される圧力調節弁６８１を備える。図１に示す例では、圧力調節弁６８１は、排気熱交換器６２と第１測定部６７１との間にて配管６１上に設けられる。圧力制御部６８は、上述の上流圧力を所定の圧力に維持する。

廃熱回収装置６では、ポンプ６５により液状の作動流体が加圧されて排気熱交換器６２へと送出される。排気熱交換器６２は、排気路３２上においてタービン４１よりも下流側に設けられる。排気熱交換器６２では、ポンプ６５から送出された液状の作動流体が、排気路３２を流れるタービン４１からの排気（すなわち、タービン４１を通過した後の原動機３からの排気）を熱源として加熱される。換言すれば、排気熱交換器６２は、排気に含まれる過給機付き原動機２からの廃熱を熱源として作動流体を加熱する熱交換器である。

排気熱交換器６２は、予熱器６２１と、蒸発器６２２とを備える。予熱器６２１では、液状の作動流体が、排気路３２を流れる排気により加熱される。予熱器６２１にて加熱された液状の作動流体は、蒸発器６２２へと導かれる。蒸発器６２２では、液状の作動流体が、排気路３２を流れる排気により加熱されて気化（蒸発）する。排気熱交換器６２を通過した作動流体は、膨張機６３へと導かれる。

膨張機６３は、排気熱交換器６２により加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。図１に示す例では、作動流体により回転するタービンが膨張機６３として利用される。当該タービンの軸は発電機８に接続されている。排気熱交換器６２から配管６１を介して送り込まれる作動流体によりタービンが駆動されることにより、発電機８において発電が行われる。なお、本発明に関連する技術では、タービン以外の構成が膨張機６３として利用されてもよい。

図２は、廃熱回収装置６のＴ−Ｓ線図である。図２の横軸は比エントロピーを示し、縦軸は温度を示す。図２中の実線９０１は、廃熱回収装置６におけるＯＲＣを示す。また、図２中の破線９０２，９０３はそれぞれ、廃熱回収装置６の作動流体であるＲ２４５ｆａの飽和液線および乾き飽和蒸気線である。図２に示すように、作動流体の乾き飽和蒸気線９０３は、Ｔ−Ｓ線図上において正の勾配を有する。換言すれば、作動流体のＴ−Ｓ線図上における乾き飽和蒸気線は、比エントロピーの増加に従って高温側へと向かう。このため、膨張機６３では、図２中の点９０４に対応する湿り蒸気状態の作動流体が膨張することにより、図２中の点９０５に対応する乾き蒸気状態の作動流体となる。したがって、膨張機６３内における作動流体の液滴の生成が防止（または抑制）される。

図１に示す膨張機６３を通過した作動流体は、凝縮器６４へと導かれる。凝縮器６４は、膨張機６３にて膨張させた作動流体を凝縮して液化する。凝縮器６４にて液化された作動流体は、ポンプ６５により加圧されて排気熱交換器６２へと送出される。

図３は、上述のシステム制御部７の機能を示すブロック図である。図３では、廃熱回収装置６の他の構成も併せて描いている。システム制御部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む一般的なコンピュータシステムである。システム制御部７は、記憶部７１と、乾き度演算部７２と、流量指示部７３とを備える。記憶部７１および乾き度演算部７２は、上述の乾き度取得部６７の一部でもある。換言すれば、乾き度取得部６７は、上述の第１測定部６７１および第２測定部６７２と、記憶部７１および乾き度演算部７２とを備える。

記憶部７１は、膨張機６３の性能特性を示す特性データを記憶する。図４は、記憶部７１に予め記憶される膨張機６３の性能特性の一例を示す図である。図４の横軸は、膨張機６３の下流側における作動流体の圧力である上述の下流圧力を示す。図４の縦軸は、膨張機６３の下流側における作動流体の温度である上述の下流温度を示す。図４では、膨張機６３の上流側における作動流体の圧力である上述の上流圧力が所定の圧力ＰＨ１である場合の下流圧力と下流温度との関係を示す。図１に示す廃熱回収装置６では、圧力制御部６８の圧力調節弁６８１がシステム制御部７（図３参照）により制御されることにより、上流圧力が圧力ＰＨ１に維持される。

図４中の実線９１１は、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度（すなわち、膨張機６３の上流側における作動流体の乾き度）が１である場合の下流圧力と下流温度との関係を示す。実線９１２は、膨張機６３の上流側における作動流体の乾き度が０．９である場合の下流圧力と下流温度との関係を示す。また、実線９１３は、膨張機６３の上流側における作動流体の乾き度が０．８である場合の下流圧力と下流温度との関係を示す。図４における図示は省略するが、記憶部７１には、膨張機６３の上流側における作動流体の乾き度が、実線９１１〜９１３に示すものとは異なる場合の下流圧力と下流温度との関係も記憶されている。また、記憶部７１には、上流圧力が圧力ＰＨ１とは異なる場合の各乾き度における下流圧力と下流温度との関係も記憶されている。

図１に示す廃熱回収装置６では、第１測定部６７１からの出力である作動流体の上流圧力の測定値、並びに、第２測定部６７２からの出力である作動流体の下流圧力の測定値および下流温度の測定値が、図３に示す乾き度取得部６７の乾き度演算部７２へと送られる。乾き度演算部７２では、第１測定部６７１および第２測定部６７２からの出力と、上述の膨張機６３の特性データとに基づいて、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が求められる。

具体的には、第１測定部６７１から出力された上流圧力に対応する特性データ（図４参照）が記憶部７１から抽出される。なお、第１測定部６７１により測定された上流圧力に対応する特性データが存在しない場合、測定された上流圧力との差が小さい２つの上流圧力に対応する２つの特性データが抽出され、当該２つの特性データに基づいて（例えば、直線補間することにより）、測定された上流圧力に対応する特性データが生成される。そして、測定された上流圧力に対応する特性データが示す膨張機６３の性能特性において、第２測定部６７２から出力された下流圧力および下流温度の交点が示す乾き度が、作動流体の乾き度として求められる。

乾き度取得部６７により取得された当該乾き度は、流量指示部７３へと送られる。流量指示部７３には、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度の目標値である目標乾き度が予め記憶されている。流量指示部７３では、目標乾き度と、乾き度取得部６７により取得された乾き度（以下、「測定乾き度」という。）とが比較される。

測定乾き度が目標乾き度よりも小さい場合は、流量指示部７３からの指示により、図１に示す流量制御部６６において流量調節弁６６１の開度が減少する。また、必要に応じて、ポンプ制御部６６２によりポンプ６５がインバータ制御され、ポンプ６５の出力が低下する。これにより、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量が減少し、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が増大する。

一方、測定乾き度が目標乾き度よりも大きい場合は、流量指示部７３からの指示により、流量制御部６６において流量調節弁６６１の開度が増加する。また、必要に応じて、ポンプ制御部６６２によりポンプ６５がインバータ制御され、ポンプ６５の出力が増大する。これにより、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量が増大し、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が減少する。このように、廃熱回収装置６では、流量制御部６６が、乾き度取得部６７からの出力である測定乾き度に基づいて、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を制御することにより、測定乾き度が目標乾き度におよそ等しくなる。

図５は、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度と発電機８の出力との関係を示す図である。図５の横軸は、上記乾き度を示す。横軸の値は、排気熱交換器６２に流入する作動流体のエンタルピーと排気熱交換器６２から送出される作動流体のエンタルピーとの差を、作動流体の蒸発潜熱で除算して求めている。横軸の１よりも大きい範囲は、膨張機６３へと流入する作動流体が過熱状態である場合に対応し、当該範囲における横軸の値は過熱度に対応する。図５の縦軸は、発電機８の出力を、作動流体の乾き度が１の場合の発電機８の出力で除算して無次元化した値（すなわち、出力比）を示す。

図５中の実線９２１は、作動流体として上述のようにＲ２４５ｆａが利用される廃熱回収装置６における発電機８の出力を示す。実線９２１にて示すように、廃熱回収装置６では、発電機８の出力は、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度がおよそ０．５である場合に最大となり、当該乾き度が０．５から離れるに従って漸次減少する。したがって、廃熱回収装置６における廃熱回収の効率向上という観点からは、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度は、０．５近傍とされることが好ましい。一方、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が過剰に低い場合、膨張機６３における膨張後の作動流体が湿り蒸気状態となり、膨張機６３内において作動流体の液滴が発生する可能性がある。当該液滴は、通常、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１よりも大きい場合は発生しない。

廃熱回収装置６では、目標乾き度を１以下とすることにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１よりも大きい場合（すなわち、過熱蒸気が膨張機６３に流入する場合）に比べて、廃熱の回収効率が向上される。さらに、目標乾き度は、１以下の範囲において、膨張機６３内における作動流体の液滴発生を防止することが可能な範囲に設定される。上述のように、廃熱回収装置６では、作動流体のＴ−Ｓ線図における乾き飽和蒸気線が、比エントロピーの増加に従って高温側へと向かうため、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が比較的低い場合であっても、膨張機６３内における作動流体の液滴発生を抑制することができる。目標乾き度は、例えば、０．６以上０．８以下の範囲に設定される。

図１に示す廃熱回収装置６では、上述のように、乾き度取得部６７からの出力に基づいて排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を制御することにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１以下の範囲において制御され、目標乾き度におよそ等しい値とされる。換言すれば、廃熱回収装置６では、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて排気熱交換器６２を通過させる。これにより、廃熱回収装置６における廃熱の回収効率を向上することができる。

上述のように、乾き度取得部６７は、上流圧力を測定する第１測定部６７１と、下流圧力および下流温度を測定する第２測定部６７２と、膨張機６３の特性データを記憶する記憶部７１と、第１測定部６７１および第２測定部６７２からの出力と当該特性データとに基づいて作動流体の測定乾き度を求める乾き度演算部７２とを備える。これにより、測定乾き度（すなわち、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度）を求めるための構造を簡素化することができる。また、測定乾き度を容易に求めることもできる。

廃熱回収装置６では、上述の上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部６８が、排気熱交換器６２と膨張機６３との間に設けられる。これにより、乾き度演算部７２において、当該所定の圧力における膨張機６３の性能特性を示す１種類の特性データに基づいて乾き度を求めることができる。その結果、測定乾き度に基づく上述の作動流体の流量制御（すなわち、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量の制御）を簡素化することができる。記憶部７１では、上述の１種類の特性データが記憶されていれば、他の特性データは記憶されていなくてもよい。

なお、圧力制御部６８により上流圧力が精度良く制御可能であれば、乾き度取得部６７から第１測定部６７１は省略されてもよい。この場合、乾き度演算部７２による乾き度の算出では、第１測定部６７１からの出力である上流圧力の測定値に代えて圧力制御部６８により維持される上流圧力の値（すなわち、圧力制御部６８による上流圧力の制御における目標値）が利用される。換言すれば、乾き度演算部７２では、圧力制御部６８により維持される上流圧力の値と、第２測定部６７２からの出力と、上述の１種類の特性データに基づいて乾き度が求められる。この場合であっても、上記と同様に、測定乾き度に基づく上述の作動流体の流量制御を簡素化することができる。

上述のように、流量制御部６６は、ポンプ６５と排気熱交換器６２との間に設けられる流量調節弁６６１を備える。これにより、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量制御を、簡素な構成にて実現することができる。また、流量制御部６６は、ポンプ６５の出力をインバータ制御するポンプ制御部６６２をさらに備える。これにより、ポンプ６５の消費電力を低減することができる。

図５中の破線９２２は、廃熱回収装置６において、アンモニアが作動流体として利用されたと仮定した場合の発電機８の出力を示す。破線９２２にて示すように、発電機８の出力は、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１よりも小さくなるに従って漸次増大し、当該乾き度がおよそ０．４である場合に最大となる。作動流体としてアンモニアを利用する場合も、上記と同様に、乾き度取得部６７からの出力に基づいて排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を制御することにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１以下の範囲において制御される。このように、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて排気熱交換器６２を通過させることにより、廃熱回収装置６における廃熱の回収効率を向上することができる。

図６は、第２の実施の形態に係る原動機システム１ａの構成を示す図である。原動機システム１ａでは、図１に示す原動機システム１の各構成に加えて、廃熱回収装置６ａが分岐配管６１ａおよび減圧部６９をさらに備える。原動機システム１ａの他の構成は、図１に示す原動機システム１とおよそ同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。

図６に示す廃熱回収装置６ａの配管６１は、図１に示す配管６１と同様に、ポンプ６５、排気熱交換器６２、膨張機６３および凝縮器６４を順に接続する。分岐配管６１ａは、排気熱交換器６２と膨張機６３との間の分岐部６１１にて配管６１から分岐し、膨張機６３と凝縮器６４との間の合流部６１２にて配管６１に合流する。以下の説明では、配管６１と分岐配管６１ａとの区別をより明確にするために、配管６１を「主配管６１」という（図７に示す例においても同様）。排気熱交換器６２から送出された作動流体の一部は分岐配管６１ａを流れ、合流部６１２にて、主配管６１を流れる残りの作動流体に合流する。換言すれば、作動流体の上記一部は、主配管６１上に設けられた膨張機６３を避けて分岐配管６１ａを流れる。

分岐配管６１ａ上には、減圧部６９が設けられる。減圧部６９としては、例えば、膨張弁が利用される。減圧部６９は、およそ等エンタルピー膨張が行われるとみなすことが可能な構造を有するものであれば、膨張弁には限定されない。減圧部６９は、例えば、オリフィスや多孔質部材であってもよい。

廃熱回収装置６ａの乾き度取得部６７では、第１測定部６７１が、分岐部６１１と減圧部６９との間にて分岐配管６１ａ上に設けられる。また、第２測定部６７２の下流圧力測定部６７３および下流温度測定部６７４は、減圧部６９と合流部６１２との間にて分岐配管６１ａ上に設けられる。第１測定部６７１は、分岐部６１１と減圧部６９との間における作動流体の圧力である分岐上流圧力を測定する。下流圧力測定部６７３および下流温度測定部６７４は、減圧部６９と合流部６１２との間における作動流体の圧力および温度である分岐下流圧力および分岐下流温度をそれぞれ測定する。分岐上流圧力は、減圧部６９に流入する作動流体の圧力である。分岐下流圧力および分岐下流温度は、減圧部６９から送出された作動流体の圧力および温度である。

記憶部７１（図３参照）には、減圧部６９において等エンタルピー膨張が行われると仮定した場合の減圧部６９の性能特性を示す特性データ（以下、「減圧部特性データ」という。）が記憶される。減圧部特性データは、例えば、図４に示す膨張機６３の性能特性と同様の態様にて、減圧部６９の性能特性を示す。具体的には、上述の分岐上流圧力が所定の圧力ＰＨ１である場合の分岐下流圧力と分岐下流温度との関係が減圧部特性データとして記憶部７１に記憶される。当該関係は、減圧部６９に流入する作動流体の複数の乾き度についてそれぞれ記憶される。また、記憶部７１には、分岐上流圧力が圧力ＰＨ１とは異なる場合の各乾き度における分岐下流圧力と分岐下流温度との関係も記憶されている。

図６に示す廃熱回収装置６ａでは、第１測定部６７１からの出力である作動流体の分岐上流圧力の測定値、並びに、第２測定部６７２からの出力である作動流体の分岐下流圧力の測定値および分岐下流温度の測定値が、乾き度演算部７２（図３参照）へと送られる。図６に示す例では、分岐上流圧力は、圧力制御部６８により圧力ＰＨ１に維持される。乾き度取得部６７の乾き度演算部７２では、第１測定部６７１および第２測定部６７２からの出力と、上述の減圧部特性データとに基づいて、減圧部６９へと流入する作動流体の乾き度が求められる。乾き度取得部６７により取得された乾き度である測定乾き度は、排気熱交換器６２から送出された作動流体の乾き度におよそ等しく、また、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度にもおよそ等しい。

乾き度取得部６７による測定乾き度の具体的な取得方法は、図１に示す廃熱回収装置６による上述の測定乾き度の取得方法とおよそ同様である。まず、第１測定部６７１から出力された分岐上流圧力に対応する減圧部特性データが記憶部７１から抽出される。なお、第１測定部６７１により測定された分岐上流圧力に対応する減圧部特性データが存在しない場合、測定された分岐上流圧力との差が小さい２つの分岐上流圧力に対応する２つの減圧部特性データが抽出され、当該２つの減圧部特性データに基づいて（例えば、直線補間することにより）、測定された分岐上流圧力に対応する減圧部特性データが生成される。そして、測定された分岐上流圧力に対応する減圧部特性データが示す減圧部６９の性能特性において、第２測定部６７２から出力された分岐下流圧力および分岐下流温度に対応する乾き度が、作動流体の測定乾き度として求められる。

乾き度取得部６７により取得された測定乾き度は、流量指示部７３（図３参照）へと送られる。流量指示部７３には、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度の目標値である目標乾き度が予め記憶されている。流量指示部７３では、目標乾き度と測定乾き度とが比較される。測定乾き度が目標乾き度よりも小さい場合は、流量指示部７３からの指示に基づいて流量制御部６６が駆動し、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量が減少する。これにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が増大する。一方、測定乾き度が目標乾き度よりも大きい場合は、流量指示部７３からの指示に基づいて流量制御部６６が駆動し、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量が増大する。これにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が減少する。

このように、廃熱回収装置６ａでは、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、乾き度取得部６７からの出力に基づいて排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を制御することにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１以下の範囲において制御され、目標乾き度におよそ等しい値とされる。換言すれば、廃熱回収装置６ａでは、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて排気熱交換器６２を通過させる。これにより、廃熱回収装置６ａにおける廃熱の回収効率を向上することができる。

上述のように、廃熱回収装置６ａでは、分岐配管６１ａが、排気熱交換器６２と膨張機６３との間の分岐部６１１にて主配管６１から分岐し、膨張機６３と凝縮器６４との間の合流部６１２にて主配管６１に合流する。分岐配管６１ａ上には、作動流体の等エンタルピー膨張が行われると仮定し得る減圧部６９が設けられる。そして、減圧部６９の上流側の分岐上流圧力、下流側の分岐下流圧力および分岐下流温度、並びに、減圧部特性データに基づいて、膨張機６３に流入する作動流体の乾き度（すなわち、上述の測定乾き度）が求められる。このため、膨張機６３の性能特性が不明である場合であっても、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を適切に制御することができる。これにより、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、廃熱回収装置６ａにおける廃熱の回収効率を向上することができる。

なお、図６に示す例では、膨張機６３の性能特性を示す特性データ（図４参照）は記憶部７１に記憶されていてもよく、記憶されていなくてもよい。膨張機６３の性能特性を示す特性データが記憶部７１に記憶されている場合であっても、当該特性データは、測定乾き度の算出には利用されない。

廃熱回収装置６ａでは、上述の分岐上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部６８が、排気熱交換器６２と分岐部６１１との間に設けられる。これにより、乾き度演算部７２において、当該所定の圧力における減圧部６９の性能特性を示す１種類の減圧部特性データに基づいて乾き度を求めることができる。その結果、測定乾き度に基づく上述の作動流体の流量制御（すなわち、排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量の制御）を簡素化することができる。記憶部７１では、上述の１種類の減圧部特性データが記憶されていれば、他の特性データは記憶されていなくてもよい。

なお、圧力制御部６８により分岐上流圧力が精度良く制御可能であれば、乾き度取得部６７から第１測定部６７１は省略されてもよい。この場合、乾き度演算部７２による乾き度の算出では、第１測定部６７１からの出力である分岐上流圧力の測定値に代えて圧力制御部６８により維持される分岐上流圧力の値（すなわち、圧力制御部６８による分岐上流圧力の制御における目標値）が利用される。換言すれば、乾き度演算部７２では、圧力制御部６８により維持される分岐上流圧力の値と、第２測定部６７２からの出力と、上述の１種類の特性データに基づいて乾き度が求められる。この場合であっても、上記と同様に、測定乾き度に基づく上述の作動流体の流量制御を簡素化することができる。

図７は、第３の実施の形態に係る原動機システム１ｂの構成を示す図である。原動機システム１ｂでは、図１に示す流量制御部６６に代えて、廃熱回収装置６ｂが流量制御部６６ａを備える。原動機システム１ｂの他の構成は、図１に示す原動機システム１とおよそ同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。

図７に示す廃熱回収装置６ｂでは、流量制御部６６ａが、分岐配管６１ｂと、流量調節弁６６３とを備える。分岐配管６１ｂは、ポンプ６５と排気熱交換器６２との間の分岐部６１３にて主配管６１から分岐し、膨張機６３と凝縮器６４との間の合流部６１４にて主配管６１に合流する。流量調節弁６６３は、分岐部６１３と合流部６１４との間にて分岐配管６１ｂ上に設けられる。ポンプ６５の出力は、所定の出力に維持される。

流量調節弁６６３が開かれることにより、ポンプ６５から送出された作動流体の一部が分岐配管６１ｂを流れ、合流部６１４にて、主配管６１を流れる残りの作動流体に合流する。換言すれば、作動流体の上記一部は、主配管６１上に設けられた排気熱交換器６２および膨張機６３を避けて分岐配管６１ｂを流れる。また、流量調節弁６６３の開度が調節されることにより、分岐配管６１ｂを流れる作動流体の流量が調節される。これにより、排気熱交換器６２を通過して膨張機６３に流入する作動流体の流量が調節される。

廃熱回収装置６ｂでは、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、乾き度取得部６７からの出力に基づいて排気熱交換器６２を通過する作動流体の流量を制御することにより、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度が１以下の範囲において制御され、目標乾き度におよそ等しい値とされる。換言すれば、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて排気熱交換器６２を通過させる。これにより、廃熱回収装置６ｂにおける廃熱の回収効率を向上することができる。

上記廃熱回収装置６，６ａ，６ｂでは、様々な変更が可能である。

例えば、図１および図７に示す廃熱回収装置６，６ｂでは、圧力制御部６８は省略されてもよい。この場合、測定乾き度を目標乾き度に等しくする過程において、上流圧力が変化する可能性がある。したがって、記憶部７１には、膨張機６３の特性データとして、複数の上流圧力にそれぞれ対応する複数の特性データが記憶される。また、図６に示す廃熱回収装置６ａにおいても、圧力制御部６８は省略されてもよい。この場合、記憶部７１には、減圧部６９の特性データとして、複数の分岐上流圧力にそれぞれ対応する複数の減圧部特性データが記憶される。

廃熱回収装置６，６ａ，６ｂでは、圧縮空気熱交換器が、ポンプ６５と排気熱交換器６２との間において配管６１上に設けられてもよい。当該圧縮空気熱交換器は、過給機付き原動機２のコンプレッサ４２と原動機３との間において掃気路３１上に設けられる。圧縮空気熱交換器では、掃気路３１を流れるコンプレッサ４２からの掃気（すなわち、圧縮空気）を熱源として、ポンプ６５から送出された液状の作動流体が予備的に加熱される。換言すれば、圧縮空気熱交換器では、圧縮された空気を冷却するために生じる熱（すなわち、掃気に含まれる過給機付き原動機２の廃熱）を熱源として作動流体が加熱される。圧縮空気熱交換器が設けられることにより、過給機付き原動機２の廃熱の回収効率をより一層向上することができる。廃熱回収装置６，６ａ，６ｂでは、原動機３のジャケット冷却水を熱源として作動流体を加熱する他の熱交換器が設けられてもよい。

図１および図６に示す廃熱回収装置６，６ａでは、ポンプ６５の出力は、必ずしもインバータ制御される必要はなく、例えば、所定の出力に維持されていてもよい。

廃熱回収装置６，６ａ，６ｂでは、膨張機６３へと流入する作動流体の乾き度の取得は、上述の取得方法以外の方法により行われてもよい。また、廃熱回収装置６，６ａ，６ｂは、作動流体が過熱蒸気である場合であっても、上述と同様の流量調整を行うことができる。本発明に関連する技術では、有機媒体以外の作動流体が利用されてもよい。さらには、作動流体のＴ−Ｓ線図における乾き飽和蒸気線は、比エントロピーの増加に従って必ずしも高温側へと向かう必要はない。

原動機３は、例えば、４ストロークエンジンであってもよい。この場合、コンプレッサ４２により加圧された吸気である圧縮空気は「給気」と呼ばれ、掃気路３１は給気路と呼ばれる。また、原動機３は、舶用原動機以外の内燃機関であってもよく、内燃機関以外の原動機であってもよい。

廃熱回収装置６，６ａ，６ｂは、原動機システム以外の様々な設備において利用可能であり、廃熱回収装置６，６ａ，６ｂには、様々な装置の廃熱を熱源として作動流体を加熱する熱交換器が設けられてよい。この場合であっても、上記と同様に、膨張機６３に流入する作動流体が湿り蒸気状態となる範囲において、作動流体を適切な流量にて排気熱交換器６２を通過させることにより、廃熱の回収効率を向上することができる。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

２過給機付き原動機
６，６ａ，６ｂ廃熱回収装置
６１（主）配管
６１ａ分岐配管
６２排気熱交換器
６３膨張機
６４凝縮器
６５ポンプ
６６，６６ａ流量制御部
６７乾き度取得部
６８圧力制御部
６９減圧部
７１記憶部
７２乾き度演算部
６１１分岐部
６１２合流部
６６１流量調節弁
６６２ポンプ制御部
６７１第１測定部
６７２第２測定部
９０３乾き飽和蒸気線

Claims

廃熱回収装置であって、
装置からの廃熱を熱源として作動流体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器にて加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する回転式の膨張機であるタービンと、
前記タービンにて膨張させた作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、
前記凝縮器にて液化された作動流体を前記熱交換器へと送出するポンプと、
前記タービンへと流入する作動流体の乾き度を取得する乾き度取得部と、
前記乾き度取得部からの出力に基づいて前記乾き度が１以下の範囲において前記熱交換器を通過する作動流体の流量を制御する流量制御部と、
を備え、
前記作動流体が有機媒体であり、
前記作動流体のＴ−Ｓ線図における乾き飽和蒸気線は、比エントロピーの増加に従って高温側へと向かうことを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１に記載の廃熱回収装置であって、
前記乾き度取得部が、
前記熱交換器と前記タービンとの間における作動流体の圧力である上流圧力を測定する第１測定部と、
前記タービンと前記凝縮器との間における作動流体の圧力および温度を測定する第２測定部と、
前記タービンの性能特性を示す特性データを記憶する記憶部と、
前記第１測定部および前記第２測定部からの出力と前記特性データとに基づいて前記乾き度を求める乾き度演算部と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
請求項２に記載の廃熱回収装置であって、
前記熱交換器と前記タービンとの間に配置され、前記上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部をさらに備えることを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１に記載の廃熱回収装置であって、
前記ポンプ、前記熱交換器、前記タービンおよび前記凝縮器を順に接続するとともに作動流体が流れる主配管と、
前記熱交換器と前記タービンとの間の分岐部にて前記主配管から分岐し、前記タービンと前記凝縮器との間の合流部にて前記主配管に合流するとともに、前記熱交換器から送出された作動流体の一部が流れる分岐配管と、
前記分岐配管上に設けられる減圧部と、
をさらに備え、
前記乾き度取得部が、
前記分岐部と前記減圧部との間における作動流体の圧力である分岐上流圧力を測定する第１測定部と、
前記減圧部と前記合流部との間における作動流体の圧力および温度を測定する第２測定部と、
前記減圧部において等エンタルピー膨張が行われると仮定した場合の前記減圧部の性能特性を示す特性データを記憶する記憶部と、
前記第１測定部および前記第２測定部からの出力と前記特性データとに基づいて前記乾き度を求める乾き度演算部と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
請求項４に記載の廃熱回収装置であって、
前記熱交換器と前記分岐部との間に配置され、前記分岐上流圧力を所定の圧力に維持する圧力制御部をさらに備えることを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の廃熱回収装置であって、
前記流量制御部が、前記ポンプと前記熱交換器との間に設けられる流量調節弁を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
請求項６に記載の廃熱回収装置であって、
前記流量制御部が、前記ポンプの出力をインバータ制御するポンプ制御部をさらに備えることを特徴とする廃熱回収装置。