JPS6239650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はデイゼル機関に於ける排熱回収動力発
生装置の改良に係り、排熱の回収を空気冷却器の
系統と、エンジンジヤケツトクーラ及び排ガスク
ーラの系統とに分けて行なうことにより、排熱回
収効率の大幅な向上を可能としたデイゼル機関に
於ける排熱回収動力発生装置に関する。 従前から、大形の船舶用デイゼル機関に於いて
は、廃熱ボイラー等により排気ガスの排熱を回収
し、発生した蒸気を暖房や発電用に用いることが
行なわれている。 然し乍ら、デイゼル機関に於ける排熱量は、第
１表に示す如く、エンジンジヤケツトクーラーや
空気冷却器等からの排媒量が排気ガスの排熱量の
約60％強にも達しており、従前の排熱回収装置の
様に排気ガスのみを対象とする排熱回収装置で
は、省エネルギーを十分に達成出来ないという問
題が残されている。尚、第１表は中・小型デイゼ
ル機関の一例を示すものであるが、大型機関にあ
つても略同一の傾向にある。 又、第１図の機関出力に対する冷却系排熱量の
変化からも明らかな様に、1500PS以上のデイゼ
ル機関にあつては、空気冷却器の排熱量がより大
きなものになり、その結果空気冷却器からの効率
のよい排熱回収が熱回収率を高める上で重要なフ
アクターとなつてくる。

【表】 上述の如き事情に鑑み、近年省エネルギーのよ
り徹底を図るという観点から、排気ガスの排熱の
みならずエンジンジヤケツトの冷却熱や空気冷却
器の排熱等をも全て回収し、暖房や加熱用の熱源
としたり、或いは低沸点媒体を動作流体とするラ
ンキンサイクル機関を駆動して、電力等の動力を
発生する様にした排熱回収システムの開発が進め
られている。 第２図及び第３図はその代表例を示すものであ
つて、前者は、エンジンジヤケツトの冷却水と過
給器出口の空気冷却器からの排熱を暖房又は加熱
用に利用するものであり、又、後者は、エンジン
ジヤケツトの冷却水の排熱を利用してランキンサ
イクル機関を駆動し、発電を行なおうとするもの
である。 即ち、第２図に於いて、１はデイゼルエンジ
ン、２はエンジンジヤケツトクーラ、３は過給器
用排気タービン、４はターボ過給器、５は排ガス
クーラ、９は空気冷却器、１１は２次冷却熱媒ポ
ンプ、１４は１次冷却熱媒ポンプ、１７は熱交換
器であり、ジヤケツトクーラ２と空気冷却器９と
熱交換器１７を直列に接続して構成した閉回路に
１次冷却熱媒Ａを流過せしめ、熱交換器１７で予
熱した２次熱媒体Ｂを排ガスクーラ５で再加熱し
た後、所要箇所へ供給するよう構成されている。 而して、一般にデイゼル機関のエンジンジヤケ
ツトクーラ２に於いては、エンジンジヤケツトの
構造上１次冷却熱媒Ａの沸騰による気泡の発生を
避けねばならず、１次冷却熱媒Ａの温度もその沸
点以下に保たねばならない。又、エンジンジヤケ
ツトの耐圧の方も一般に４Kg／cm²Ｇ以下であり、
従つて１次冷却熱媒Ａの作動圧力もこれ以下とす
る必要があり、通常冷却効果の面からする１次冷
却熱媒Ａの作動温度としては、100℃程度までが
許容されている。 一方、ターボ過給器４を出る空気温度は通常
120〜130℃程度であつて、この熱を利用しようと
する場合に於いて空気冷却器９の経済的な設計を
行なおうとすれば、熱交換器１７に入る２次冷却
熱媒Ｂの温度を十分近いものにしなくてはならな
くなつてくる。この様に、空気冷却器９とエンジ
ンジヤケツトクーラ２とは、構造や温度、圧力条
件を夫々著しく異にするものであり、第１図の如
く、温度や圧力条件が大きく異なる空気冷却器９
とジヤケツトターラ２を直列に接続して一次冷却
熱媒Ａの閉流路を構成するシステムにあつては、
熱回収効率を向上せしめる上でより理想的な設計
を行い得ないという難点がある。 第３図は、前述の如くエンジンジヤケツトの冷
却熱を動力発生用に用いたシステムを示すもので
あり、１次冷却熱媒Ａに高騰点熱媒油を用い、且
つエンジンジヤケツトクーラ２と排ガスクーラ５
とを直列に接続して１次冷却熱媒Ａの閉循環回路
を構成するものである。尚、第３図に於いて、６
は低沸点媒体の蒸発器、１０は蒸発器出口に於け
る１次冷却熱媒体Ａの温度を更に下げるための熱
交換器であり、該熱交換器１０で放出された熱量
は暖房やエンジンオイルの加熱用熱源として利用
される。又、７は発電タービン、８は凝縮器、１
１は２次冷却熱媒ポンプ、１５はバイパス切替弁
である。 而して、前記第３図に示すシステムにあつて
は、熱交換器１０を出る１次冷却熱媒体Ａの温度
が相当高いため、空気冷却器９の排熱を回収する
ことが出来ない場合が多くあり、その結果熱回収
効率の大幅な向上を図り得ないという基本的な欠
点が内存する。 本発明は、従前のデイゼル機関の排熱回収動力
発生装置に於ける上述の如き問題の解決を課題と
するものであり、デイゼル機関に於けるエンジン
ジヤケツトクーラ２と空気冷却器９の構造や温度
並びに耐圧条件の差異に着目して両者の冷却系統
を夫々分離することにより、理想的な熱回収設計
と熱回収効率の大幅な向上を可能とした排熱回収
動力発生装置の提供を目的とするものである。 本発明は、デイゼル機関のエンジンジヤケツト
クーラと空気冷却器の冷却熱量並びに排気ガスの
熱量を夫々回収し、当該回収熱量によりランキン
サイクル機関を作動させ動力を発生するようにし
た排熱回収動力発生装置に於いて、前記エンジン
ジヤケツトクーラ→排ガスクーラ→蒸発器→減圧
機構→エンジンジヤケツトクーラの順に高沸点熱
媒を循環させると共に、タービン→凝縮器→空気
冷却器の順に循環させた低沸点熱媒を前記蒸発器
へ環流させ、高沸点熱媒と低沸点熱媒の混合によ
り発生した低沸点熱媒の蒸気をタービンへ供給す
ることを発明の基本構成とするものである。 以下、第５図に示す本発明の実施例に基づいて
その詳細を説明する。尚、第４図及び第５図に於
いて、前記第２図及び第３図と同一の部位名称に
は同じ参照番号を使用するものとする。 第４図は、本発明の基礎を成す排熱回収動力発
生装置のフローダイヤグラムであり、１次冷却熱
媒としては、高沸点の熱媒油Aoが使用されてい
る。 ジヤケツトクーラ２を出た熱媒油Aoは、排ガ
スクーラ５で排ガスＤにより更に加熱され、蒸発
器６に於いて低沸点熱媒であるフロンBoを加熱
したあと、熱交換器１０で暖房又は加熱用の熱量
を熱媒体Ｃに与え、１次冷却熱媒ポンプ１４を介
して再びジヤケツトクーラ２へ戻される。一方、
低沸点熱媒Boは蒸発器６→タービン７→凝縮器
８→ポンプ１１→空気冷却器９の順に循環し、空
気冷却器９に於いて低沸点熱媒体Boの沸点温度
以下の中間温度にまで予熱されたあと、蒸発器６
へ返されることになる。 当該排熱回収動力発生装置にあつては、一次冷
却熱媒が流過するジヤケツトクーラ２→排ガスク
ーラ５→蒸発器６→熱交換器１０→一次冷却熱媒
ポンプ１４の回路は、高沸点の熱媒油Aoを用い
ているため、エンジンジヤケツトの構造上から要
求される所定の低圧状態に容易に保持することが
出来、且つエンジンジヤケツトクーラ２内に熱媒
Aoの滞留が生じても、熱媒油Aoの有する高い安
定性の故に熱分解を生じる怖れは全くない。 一方、空気冷却器９の方は、構造上高圧に耐え
得る管型熱交換器を採用することによつて容易に
低沸点熱媒体の動作圧力に耐えることができ、前
記第２図の如き、熱交換器１７を介しての間接熱
利用の場合に比較して、空気冷却器９に於ける熱
回収効率が著しく向上する。又、ターボ過給器４
からの空気温度は120〜130℃程度であり、従つて
フロン等の低沸点熱媒Boが熱分解を起す危険も
殆んど無く、当該低沸点熱媒Boによる直接冷却
方式は極めて有利なものとなる。 第５図は、本発明の実施例に係る排熱回収動力
発生装置のフローダイグフラムであり、エンジン
ジヤケツトクーラ２から給液ポンプ１８，排ガス
クーラ５，蒸発器６を順次経てエンジンジヤケツ
トクーラ２に至る高沸点熱媒Aoの循環経路３１
を設け、その蒸発器６からエンジンジヤケツトク
ーラ２に至る循環経路部分３１ａに、給液ポンプ
１８の駆動軸と同軸連結した液タービン１２及び
高沸点熱媒Aoの熱量を回収してその回収熱を暖
房等の熱源として利用するための熱交換器１０を
介設し、更にタービン７から凝縮器８，空気冷却
器９，蒸発器６を順次経てタービン１２に至る低
沸点熱媒Boの循環経路３２を設けてある。そし
て、蒸発器６として、１次冷却熱媒である高沸点
熱媒油Aoと、２次冷却熱媒である低沸点熱媒Bo
とを直接混合して熱交換を行なう構造のものが使
用されている。 即ち、１次側の高沸点熱媒油Aoは、蒸発器６
にて低沸点熱媒体Boを加熱したあと更に熱交換
器１０にて暖房又は加熱用熱媒Ｃを加熱する。そ
して、熱交換器１０を出たあと減圧機構たる液タ
ービン１２へ入つてこれを回転駆動し、エンジン
ジヤケツトクーラ２の耐圧強度程度にまで圧力降
下されたあとジヤケツトクーラ２へ入る。エンジ
ンジヤケツト部の冷却を行なつた熱媒油Aoは、
給液ポンプ１８により加圧され、排ガスクーラ５
で排熱を回収したあと再び蒸発器６に還り、低沸
点媒体Boを加熱する。 一方、低沸点熱媒Boは蒸発器６内で熱媒油Ao
との直接混合によつて加熱され蒸発する。そし
て、当該蒸気は、タービン７を駆動した後凝縮器
８で冷却液化され、ポンプ１１により空気冷却器
９へ送られて過給器４からの高温空気により加熱
された後、再び蒸発器６へ還される。尚、液ター
ビン１２の吐出側と給液ポンプ１８の吸入側間の
熱媒油Aoの圧力は、エンジンジヤケツトクーラ
２の耐圧範囲内に保持される様になつており、従
つて、蒸発器６で熱媒油Aoと低沸点熱媒Boが直
接混合され、蒸発器６の器内圧力がエンジンジヤ
ケツトへ伝播しても何等問題は無い。また、蒸発
器６を出た高沸点熱媒Aoは高温であり、そのま
まエンジンジヤケツトクーラ２に供給したのでは
エンジンジヤケツトクーラ２の冷却機能を良好に
発揮させ得ないが、この高沸点熱媒Aoは熱交換
器１０により熱媒体Ｃと熱交換されて低温化され
るから、このような問題は生じない。一方、高沸
点熱媒Aoからの回収熱は暖房等の熱負荷部にお
ける熱源として利用され、無駄にならない。 前記液タービン１２は、給液ポンプ１８と電動
機１３を介して同軸に連絡されており、ポンプ１
８の駆動に必要なエネルギーの一部が液タービン
１２から供給され、その不足分が電動機１３より
供給される構成となつている。当該構成とするこ
とにより、熱媒油Aoの減圧に伴なうエネルギー
損失の一部をポンプ１８の駆動用動力として回収
することが出来、系内の消費電力の削減が可能と
なる。 又、液タービン１２による減圧に代え、圧力検
知器１９′と減圧弁１６を用いる様にすることも
可能ではあるが、このようにすると、熱媒油Ao
をジヤケツトクーラ２の圧力から蒸発器６の圧力
にまで加圧するための全エネルギーを、電動機１
３により供給する必要があり、消費電力がそれだ
け増加することになる。 液タービン１２が故障若しくは停止した場合に
は、ジヤケツトクーラ２内の圧力が過上昇する。
従つて、圧力の過上昇に起因する破損を防止する
ために、ジヤケツトクーラ２内の圧力を圧力検出
器１９によりり検知し、当該信号により電磁弁２
０を閉止して蒸発器６からジヤケツトクーラ２へ
の圧力伝播を遮断する。又、ジヤケツトクーラ２
の出口側の方は、給液ポンプ１８の逆止弁２１に
より遮断されるので、クーラ２内圧の過上昇は完
全に防止されることになる。 尚、電磁弁２０によるジヤケツトクーラ２と蒸
発器６間の回路遮断に代えて、蒸発器６とタービ
ン７間に設けた三方バイパス弁２２を圧力検知器
１９の信号により作動させ、熱媒蒸気を凝縮器８
へ放出する構成とすることも可能である。 本発明は上述の通り、空気冷却器系統の排熱回
収とジヤケツトクーラ系統の熱回収とを夫々分離
して行ない、デイゼル機関のエンジンジヤケツト
クーラ２と排ガスクーラ５とを直列に連結してこ
れに高沸点冷却熱媒Ao例えば熱媒油を流過さ
せ、回収熱量を蒸発器６にて低沸点熱媒Bo例え
ばフロンに直接的に与えてランキンサイクル機関
により動力の発生を行なうと共に、凝縮器８を出
た低温の低沸点熱媒Boをエンジン過給器４の空
気冷却器９へ直接通し、予熱後にこれを蒸発器６
へ還す構成としているため、デイゼル機関のジヤ
ケツトクーラ２や空気熱交換器９等の構造、温
度、耐圧に夫々応じた最適の排熱回収を行なうこ
とが出来、従前のこの種排熱回収動力発生装置に
比較して極めて効率の高い熱回収を行ない得る。 しかも、蒸発器６からエンジンジヤケツトクー
ラ２へと供給される高沸点熱媒Aoを給液ポンプ
１８と同軸連結せる液タービン１２及び熱回収用
の熱交換器１０により、クーラ２の構造，機能に
適した圧力，温度にまで低下させるようにしたか
ら、高圧，高温の高沸点熱媒Aoがそのまま供給
されることによつて生じるクーラ２の耐圧構造上
及び冷却機能上の問題を効果的に解消しうるもの
であると共に、高沸点熱媒Aoを減圧，低温化さ
せることによる損失エネルギを給液ポンプ１８の
駆動エネルギ及び熱負荷部の熱源として利用し得
て、更なる排熱回収効率の向上並びに省エネルギ
化を図りうるものである。 本発明は上述の通り優れた実用的効用を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、デイゼル機関に於ける機関出力と各
冷却用機器に於ける熱損失量の関係を示すもので
ある。第２図は、従前の空気冷却器とエンジンジ
ヤケツトクーラの排熱を回収し、暖房又は加熱用
に利用する場合のフローダイヤグラムであり、第
３図は、従前のジヤケツトクーラの排熱を利用し
てランキンサイクル機関により動力発生を行なう
場合のフローダイヤグラムである。第４図は、本
発明の基礎を成す排熱回収動力発生装置のフロー
ダイヤグラムである。第５図は、本発明の実施例
に係る排熱回収動力発生装置のフローダイヤグラ
ムである。 Ao…高沸点熱媒、Bo…低沸点熱媒、Ｄ…排気
ガス、１…デイゼルエンジン、２…エンジンジヤ
ケツトクーラ、３…過給器用排気タービン、４…
ターボ過給器、５…排ガスクーラ、６…蒸発器、
７…タービン、８…凝縮器、９…空気冷却器、１
０…熱交換器、１１…２次冷却熱媒ポンプ、１２
…液タービン、１３…電動機、１４…１次冷却熱
媒ポンプ、１８…給液ポンプ、３１…高沸点熱媒
の循環経路、３１ａ…循環経路部分、３２…低沸
点熱媒の循環経路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ デイゼル機関のエンジンジヤケツトクーラ２
   と空気冷却器９の冷却熱量並びに排気ガスＤの熱
   量を夫々回収し、当該回収熱量によりランキンサ
   イクル機関を作動させ動力を発生するようにした
   排熱回収動力発生装置に於いて、エンジンジヤケ
   ツトクーラ２から給液ポンプ１８，排ガスクーラ
   ５，蒸発器６を順次経てエンジンジヤケツトクー
   ラ２に至る高沸点熱媒Aoの循環経路３１を設
   け、その蒸発器６からエンジンジヤケツトクーラ
   ２に至る循環経路部分３１ａに、給液ポンプ１８
   の駆動軸と同軸連結した液タービン１２及び高沸
   点熱媒Aoの熱量を回収してその回収熱を暖房等
   の熱源として利用するための熱交換器１０を介設
   し、更にタービン７から凝縮器８，空気冷却器
   ９，蒸発器６を順次経てタービン１２に至る低沸
   点熱媒Boの循環経路３２を設け、蒸発器６を高
   沸点熱媒Aoと低沸点熱媒Boとを直接混合して低
   沸点熱媒Boの蒸気を発生させる構成としたこと
   を特徴とするデイゼル機関に於ける排熱回収動力
   発生装置。