WO2016002425A1 - 廃熱回生システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a waste heat regeneration system, and more particularly, to a waste heat regeneration system capable of regenerating waste heat with higher efficiency than before by using a Rankine cycle in which a mixed medium is a working fluid.
- the heat energy of waste heat such as exhaust heat and cooling water heat of an internal combustion engine is used by Rankine cycle. It has been proposed to improve vehicle fuel efficiency by regenerating.
- the waste heat of a diesel engine includes a plurality of heat sources having various temperatures and heat amounts such as cooling water heat, EGR heat, CAC (intercooler) heat, and exhaust heat.
- a high-temperature heat source such as EGR heat or exhaust heat.
- the temperature at which the working fluid of the Rankine cycle undergoes a phase change becomes high, and therefore a medium having a high critical temperature such as water or ethanol is used as the working fluid.
- the temperature and pressure when changing the phase in the evaporator and the condenser are not constant as shown in FIG. For this reason, insufficient evaporation of the working fluid in the evaporator and insufficient aggregation in the condenser may occur, which may reduce the efficiency of waste heat regeneration in the waste heat regeneration system.
- An object of the present invention is to provide a waste heat regeneration system that can regenerate waste heat with higher efficiency than before by using a Rankine cycle in which a mixed medium is a working fluid.
- the waste heat regeneration system of the present invention that achieves the above object is a waste heat regeneration system using a Rankine cycle in which a working fluid composed of a mixed medium circulates sequentially through a compressor, an evaporator, an expander, and a condenser.
- Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the working fluid are respectively installed at the inlets of the evaporator and the condenser, and the pressure corresponding to the temperature of the heating source of the evaporator is set on the saturated vapor line of the mixed medium.
- the pressure corresponding to the temperature of the cooling source of the condenser on the saturated liquid line of the mixed medium is set as the adjusted pressure of the pressure adjusting means installed at the inlet of the condenser.
- the adjustment pressure is set as an adjustment pressure of the adjustment means.
- waste heat regeneration system of the present invention insufficient evaporation in the evaporator and insufficient condensation in the condenser do not occur in the Rankine cycle based on the saturated liquid line and saturated vapor line of the mixed medium that is the working fluid. Since the appropriate temperature and pressure of the working fluid are set, waste heat can be regenerated with higher efficiency than before.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing a waste heat regeneration system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is an example of a PT diagram of a mixed medium composed of water and ethanol (water 50%: ethanol 50%).
- FIG. 3 is a configuration diagram showing another example of the waste heat regeneration system according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is an example of a Ts diagram of a Rankine cycle using water as a working fluid.
- FIG. 5 is an example of a Ts diagram of a Rankine cycle in which a mixed medium composed of water and ethanol (water 60%: ethanol 40%) is used as a working fluid.
- FIG. 1 shows a waste heat regeneration system according to an embodiment of the present invention.
- the arrow in a figure has shown the flow direction of the fluid.
- This waste heat regeneration system regenerates waste heat of a diesel engine mounted on a vehicle using a Rankine cycle 1, and a compressor (pump) 3 in which a working fluid 2 is forcedly circulated in order, an evaporator 4, A superheater 5, an expander (turbine) 6 and a condenser 7 are provided.
- a mixed medium is used for the working fluid 2.
- Preferred examples of the mixed medium include two-component mixed media such as water and ethanol, water and methanol, or water and ethylene glycol.
- the evaporator 4 and the superheater 5 each use the waste heat of the diesel engine as a heating source.
- the waste heat include exhaust gas (particularly exhaust gas after post-treatment), EGR gas, intake air compressed by a supercharger, cooling water after heat absorption by an engine body, cooling water after heat dissipation by a radiator, and the like.
- a generator 9 is connected to the turbine 6 through a turbine shaft 8. Further, a cooling fan 10 is disposed so as to face the condenser 7.
- the working fluid 2 is compressed in a liquid state in the pump 3, heated at a constant pressure in the evaporator 4 to become a high-pressure gas, heated to a high temperature in the superheater 5, and then adiabatic expansion in the turbine 6.
- the generator 9 is rotationally driven through the turbine shaft 8 to generate power
- the condenser 7 is cooled at a constant pressure by the cooling fan 10 and returns to liquid again.
- pressure adjusting means 11 and 12 for adjusting the pressure of the working fluid 2 are respectively installed at the inlets of the evaporator 4 and the condenser 7.
- Examples of the pressure adjusting means 11 and 12 include pressure adjusting valves such as a pressure reducing valve and a back pressure valve.
- FIG. 2 shows a PT diagram of the mixed medium. 2 correspond to the saturated liquid line and the saturated vapor line in the Ts diagram of the mixed medium, respectively.
- the pressure (for example, about 1600 kPa) corresponding to the temperature (for example, about 180 ° C.) of the heating source (diesel engine waste heat) on the gas phase line as the adjustment pressure of the pressure adjusting means 11 installed at the inlet of the evaporator 4 Is set.
- FIG. 3 shows another example of the waste heat regeneration system according to the embodiment of the present invention.
- This waste heat regeneration system is configured such that the pressure adjusting means 11 and 12 can be remotely operated, and temperature sensors 13 and 14 are installed in the heating source of the evaporator 2 and the cooling source of the condenser 7, respectively. And they are connected to ECU15 through a signal line (indicated by a one-dot chain line).
- the ECU 15 stores the vapor characteristics of the mixed medium as map data.
- the ECU 15 determines the corresponding pressure on the saturated vapor line of the mixed medium from the detected value of the temperature sensor 13 of the heating source of the evaporator 2 based on the map data, and repeats the control to set as the adjustment pressure of the pressure adjustment means 11. Do. On the other hand, the ECU 15 determines the corresponding pressure on the saturated liquid line of the mixed medium from the detection value of the temperature sensor 14 of the cooling source of the condenser 7 based on the map data, and sets it as the adjustment pressure of the pressure adjustment means 12. Repeat the control.
- waste heat regeneration system By configuring the waste heat regeneration system in this way, it is possible to effectively regenerate the waste heat corresponding to the temperature change of the waste heat due to the operation state of the diesel engine.
Abstract
廃熱回生システムのランキンサイクル1における蒸発器2及び凝縮器7の入口に、混合媒体からなる作動流体2の圧力を調整する圧力調整手段11、12をそれぞれ設置して、混合媒体の飽和蒸気線上で、蒸発器2の加熱源の温度に対応する圧力を、圧力調整手段11の調整圧力として設定する一方で、混合媒体の飽和液線上で、凝縮器7の冷却源の温度に対応する圧力を、圧力調整手段12の調整圧力として設定する。
Description
本発明は廃熱回生システムに関し、更に詳しくは、混合媒体が作動流体であるランキンサイクルを用いて、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる廃熱回生システムに関する。
従来より、日本出願の特開平11-51582号公報(特許文献1)などに記載されているように、内燃機関の排気熱や冷却水熱などの廃熱の熱エネルギーを、ランキンサイクルを用いて回生することで、車両の燃費を向上させることが提案されている。例えば、ディーゼルエンジンの廃熱には、冷却水熱、EGR熱、CAC(インタークーラー)熱や排気熱などの様々な温度・熱量を有する複数の熱源が混在しているが、ランキンサイクルを高い効率で稼働させるためには、EGR熱や排気熱などの高温の熱源を利用することが望ましい。そのような熱源を利用した場合には、ランキンサイクルの作動流体をサイクル内で相変化させる温度が高くなるため、作動流体としては水やエタノールなどの臨界温度の高い媒体を使用することになる。
しかしながら、水は低温で氷結するおそれがあり、エタノールは可燃物質であるため取り扱いが困難であるという問題がある。
このような問題を解決するには、ランキンサイクルの作動流体として、水とエタノールからなる混合媒体を使用することが考えられる。ここで、水やエタノールなどの単一媒体からなる作動流体を用いたランキンサイクルでは、図4に示すように、高温側及び低温側の温度が決まれば、それに相当する圧力が決まるので、蒸発器内及び凝縮器内での相変化は一定温度で可能となる。
しかし、混合媒体を作動流体に使用した場合には、図5に示すように、蒸発器内及び凝縮器内で相変化させる際の温度や圧力が一定ではなくなる。そのため、作動流体の蒸発器内での蒸発不足や、凝縮器内での凝集不足が発生して、廃熱回生システムにおける廃熱の回生効率が低下してしまうおそれがある。
本発明の目的は、混合媒体が作動流体であるランキンサイクルを用いて、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる廃熱回生システムを提供することにある。
上記の目的を達成する本発明の廃熱回生システムは、混合媒体からなる作動流体が、圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を順に循環するランキンサイクルを用いた廃熱回生システムにおいて、前記蒸発器及び凝縮器の入口に前記作動流体の圧力を調整する圧力調整手段をそれぞれ設置して、前記混合媒体の飽和蒸気線上において前記蒸発器の加熱源の温度に対応する圧力を、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する一方で、前記混合媒体の飽和液線上において前記凝縮器の冷却源の温度に対応する圧力を、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定することを特徴とするものである。
本発明の廃熱回生システムによれば、作動流体である混合媒体の飽和液線及び飽和蒸気線に基づいて、ランキンサイクルにおいて蒸発器内での蒸発不足や凝縮器内での凝縮不足が発生しない作動流体の適切な温度及び圧力を設定するようにしたので、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態からなる廃熱回生システムを示す。なお、図中の矢印は、流体の流れ方向を示している。
この廃熱回生システムは、車両に搭載されたディーゼルエンジンの廃熱を、ランキンサイクル1を用いて回生するものであり、作動流体2が順に強制循環する圧縮機(ポンプ)3、蒸発器4、過熱器5、膨張器(タービン)6及び凝縮器7を備えている。
作動流体2には、混合媒体が用いられている。この混合媒体としては、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体が好ましく例示される。
蒸発器4及び過熱器5は、ディーゼルエンジンの廃熱をそれぞれ加熱源としている。この廃熱としては、排ガス(特に、後処理後の排ガス)、EGRガス、過給器で圧縮された吸入空気、エンジン本体で吸熱後の冷却水、ラジエータで放熱後の冷却水などが例示される。
タービン6にはタービン軸8を通じて発電機9が連結されている。また、凝縮器7に対向して冷却ファン10が配置されている。
ランキンサイクル1において作動流体2は、ポンプ3において液体の状態で圧縮され、蒸発器4において定圧的に加熱されて高圧の気体となり、過熱器5において高温に加熱されてから、タービン6で断熱膨張しつつタービン軸8を通じて発電機9を回転駆動して発電させた後に、凝縮器7において冷却ファン10により定圧的に冷却されて再び液体に戻るという相変化をする。
このような廃熱回生システムにおいて、蒸発器4及び凝縮器7の入口には、作動流体2の圧力を調整する圧力調整手段11、12がそれぞれ設置されている。この圧力調整手段11、12としては、減圧弁や背圧弁などの圧力調整弁が例示される。
そして、圧力調整手段11、12における調整後の出口圧力(調整圧力)として、作動流体2である混合媒体の飽和液線上及び飽和蒸気線上において、蒸発器2の加熱源の温度及び凝縮器7の冷却源の温度にそれぞれ対応する圧力を設定する。
水とエタノールのモル比が50%:50%である混合媒体を、作動流体2として用いた場合を以下に説明する。
図2は、混合媒体のP-T線図を示す。この図2における液相線及び気相線は、混合媒体のT-s線図における飽和液線及び飽和蒸気線にそれぞれ対応している。
蒸発器4の入口に設置された圧力調整手段11の調整圧力として、気相線上において加熱源(ディーゼルエンジンの廃熱)の温度(例えば、約180℃)に対応する圧力(例えば、約1600kPa)が設定される。このことにより、蒸発器4内で作動流体2の蒸発不足が発生しなくなるので、加熱源と作動流体2との間で確実な熱交換が実施されるようになる。
その一方で、凝縮器7の入口に設置された圧力調整手段12の調整圧力として、液相線上において冷却源(冷却ファンによる冷却風の温度)の温度(例えば、約160℃)に対応する圧力(例えば、約1400kPa)が設定される。このことにより、凝縮器7内で作動流体2の凝縮不足が発生しなくなるので、冷却源と作動流体2との間で確実な熱交換が実施されるようになる。
このように、混合媒体の飽和液線及び飽和蒸気線に基づいて、作動流体の適切な温度及び圧力が設定されることで、蒸発器2及び凝縮器7において確実な熱交換が実施されるようにしたので、従来よりも高い効率で廃熱の回生を行うことができるのである。
図3は、本発明の実施形態からなる廃熱回生システムの別の例を示す。
この廃熱回生システムは、圧力調整手段11、12を遠隔操作可能にするとともに、蒸発器2の加熱源及び凝縮器7の冷却源にそれぞれ温度センサ13、14を設置したものである。そして、それらはECU15に信号線(一点鎖線で示す)を通じて接続されている。ECU15には、混合媒体の蒸気特性がマップデータとして格納されている。
ECU15は、蒸発器2の加熱源の温度センサ13の検出値から、マップデータに基づいて混合媒体の飽和蒸気線上で対応する圧力を決定し、圧力調整手段11の調整圧力として設定する制御を繰り返し行う。その一方で、ECU15は、凝縮器7の冷却源の温度センサ14の検出値から、マップデータに基づいて混合媒体の飽和液線上で対応する圧力を決定し、圧力調整手段12の調整圧力として設定する制御を繰り返し行う。
このように廃熱回生システムを構成することで、ディーゼルエンジンの運転状態による廃熱の温度変化に対応して効果的に廃熱の回生を行うことができる。
1 ランキンサイクル
2 作動流体
3 ポンプ
4 蒸発器
5 過熱器
6 タービン
7 凝縮器
8 タービン軸
9 発電機
10 冷却ファン
11、12 圧力調整手段
13、14 温度センサ
15 ECU
2 作動流体
3 ポンプ
4 蒸発器
5 過熱器
6 タービン
7 凝縮器
8 タービン軸
9 発電機
10 冷却ファン
11、12 圧力調整手段
13、14 温度センサ
15 ECU
Claims (4)
- 混合媒体からなる作動流体が、圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を順に循環するランキンサイクルを用いた廃熱回生システムにおいて、
前記蒸発器及び凝縮器の入口に前記作動流体の圧力を調整する圧力調整手段をそれぞれ設置して、
前記混合媒体の飽和蒸気線上において前記蒸発器の加熱源の温度に対応する圧力を、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する一方で、
前記混合媒体の飽和液線上において前記凝縮器の冷却源の温度に対応する圧力を、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定することを特徴とする廃熱回生システム。 - 前記蒸発器の加熱源の温度及び前記凝縮器の冷却源の温度を測定する温度センサをそれぞれ設置するとともに、前記温度センサの検出値に基づいて前記圧力調整手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記混合媒体の飽和蒸気線上で、前記蒸発器の加熱源の温度を測定する温度センサの検出値に対応する圧力を決定し、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する制御を行う一方で、
前記混合媒体の飽和液線上で、前記凝縮器の温度を測定する温度センサの検出値に対応する圧力を決定し、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する制御を行う請求項1に記載の廃熱回生システム。 - 前記混合媒体が二成分からなる請求項1又は2に記載の廃熱回生システム。
- 前記蒸発器と前記膨張器との間に過熱器を設けた請求項1~3のいずれか1項に記載の廃熱回生システム。
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- 2014-06-30 JP JP2014134886A patent/JP2016011657A/ja active Pending
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- 2015-06-04 WO PCT/JP2015/066191 patent/WO2016002425A1/ja active Application Filing
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15814159 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15814159 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |