WO2016129451A1 - 熱交換器、エネルギー回収装置、および船舶 - Google Patents

熱交換器、エネルギー回収装置、および船舶 Download PDF

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成人 足立
和雄 高橋
哲郎 藤井
一也 荒平
雅一 山本
裕 小林
利雄 提島
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株式会社神戸製鋼所
旭海運株式会社
常石造船株式会社
三浦工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger mounted on a ship, an energy recovery device including the heat exchanger, and a ship including the energy recovery device.
  • Patent Document 1 discloses exhaust heat recovery in which thermal energy of a diesel engine 500 of a ship is recovered and electric power is generated using the recovered thermal energy, as shown in FIG. The system is described. This exhaust heat recovery system heats the organic medium M having a lower boiling point than the air cooling water W by the air cooling water W of the air cooler 600 that cools the compressed air A discharged from the supercharger 510 of the diesel engine 500.
  • a first exhaust heat recovery device 700 is provided.
  • the air cooling water W recovers the heat of the compressed air A in the air cooler 600, then recovers the heat of the exhaust gas G sent from the supercharger 510 to the chimney 800, and then to the first exhaust heat recovery unit 700.
  • the exhaust heat recovery system of Patent Document 1 performs heat exchange between the two heat mediums of the compressed air A and the exhaust gas G and the air cooling water W, and the air cooling water W whose temperature has increased due to the heat exchange.
  • the organic medium M is heated. Thereby, the thermal energy of the diesel engine 500 is recovered via the organic medium M.
  • thermal energy can be recovered from two heat media, compressed air A and exhaust gas G.
  • the thermal energy is recovered in the organic medium M through the air cooling water W having a boiling point higher than that of the organic medium M.
  • the thermal energy of the compressed air A and the exhaust gas G is directly recovered by the organic medium M, it is difficult to sufficiently recover the thermal energy.
  • the diesel engine 500 may be operated at a low load for the purpose of reducing fuel consumption. In such a case, since the thermal energy of the compressed air A collected by the air cooling water W becomes small, it becomes more difficult to sufficiently collect the thermal energy.
  • An object of the present invention is to provide a heat exchanger that solves the above problems, an energy recovery device that includes the heat exchanger, and a ship that includes the energy recovery device.
  • a heat exchanger is mounted on a ship including an engine, a supercharger that supplies supercharged air to the engine, and an economizer that recovers exhaust heat of the engine to generate steam.
  • a heat exchanger that applies heat of supply air and steam to a working medium used for driving an expander of an energy recovery device, and is generated in the economizer, a first heating unit that heats the working medium with supercharged air Heated in the first heating part by the second heating part for heating the supercharged air before flowing into the first heating part by the steam, and the supercharged air before being heated in the second heating part
  • a third heating unit that heats the subsequent working medium.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust heat recovery system described in Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust heat recovery system described in Patent Document 1.
  • the ship Y1 includes an energy recovery device X1, a supercharger 100, an engine 200, and an economizer 300.
  • the supercharger 100 includes a compressor 110, a turbine 120, a scavenging line 130, and an exhaust line 140.
  • the supercharged air compressed by the compressor 110 is supplied to the engine 200 through the scavenging line 130.
  • Exhaust gas generated in the engine 200 is sent to the turbine 120 through the exhaust line 140.
  • the turbine 120 is driven by the expansion energy of the exhaust gas, and the compressor 110 is driven by the driving force of the turbine 120.
  • the economizer 300 recovers heat from the exhaust gas of the engine 200 and generates water vapor.
  • the economizer 300 is shown separately from the exhaust line 140, but in reality, the economizer 300 is provided at a site downstream of the turbine 120 of the exhaust line 140.
  • the energy recovery device X1 is a power generation system that uses a Rankine cycle of a working medium.
  • an organic fluid having a boiling point lower than that of water is used as the working medium.
  • R245fa or the like is used as the working medium.
  • the heat exchanger 2, the expander 3, the generator 4, the condenser 5, and the pump 6 are connected in this order by a circulation channel 7.
  • the heat exchanger 2 is located on the scavenging line 130. In the heat exchanger 2, the superheated air and the heat of water vapor flowing out from the economizer 300 are given to the working medium.
  • the expander 3 is located downstream of the heat exchanger 2 in the flow direction of the working medium.
  • a screw expander is used as the expander 3
  • the rotor portion which is a screw, is rotationally driven by the expansion energy of the gas phase working medium.
  • the expander 3 not only a screw expander but a centrifugal type, a scroll type, etc. may be used.
  • the generator 4 is connected to the expander 3.
  • the condensing part 5 is located downstream of the expander 3 in the flow direction of the working medium.
  • the condensing unit 5 includes a condenser 51 and a storage unit 52.
  • the condenser 51 has a working medium flow path 51a through which a working medium flows and a cooling water flow path 51b through which cooling water flows.
  • the storage part 52 is located downstream of the condenser 51 in the flow direction of the working medium.
  • the storage unit 52 stores a liquid-phase working medium.
  • the working medium flow path 51 a and the storage section 52 of the condenser 51 are connected by a connection pipe 53.
  • the pump 6 is located between the storage unit 52 and the heat exchanger 2 on the circulation flow path 7.
  • the pump 6 supplies the liquid phase working medium stored in the storage unit 52 to the heat exchanger 2.
  • a centrifugal pump having an impeller as a rotor, a gear pump having a rotor composed of a pair of gears, or the like is used as the pump 6.
  • the liquid phase working medium is heated by supercharged air and steam in the heat exchanger 2 to become superheated steam. Then, the working medium flows into the expander 3 from the heat exchanger, and the expander 3 is driven. The power of the expander 3 is transmitted to the generator 4 to generate electric power.
  • the gas phase working medium expanded by the expander 3 flows into the working medium flow path 51 a of the condenser 51.
  • the working medium is condensed by exchanging heat with the cooling water flowing through the cooling water flow path 51b.
  • the condensed working medium flows into the storage unit 52. Then, the liquid-phase working medium in the reservoir 52 is supplied to the heat exchanger 2 by the pump 6.
  • the working medium circulates in the circulation flow path 7, so that electric power is stably generated based on the heat of the supercharged air and water vapor.
  • the heat exchanger 2 includes a heat exchanger body 21, a working medium pipe 22 through which a working medium flows, and a steam pipe 23 through which water vapor from the economizer 300 flows.
  • the heat exchanger main body 21 accommodates a working medium pipe 22 and a steam pipe 23 in the internal space.
  • supercharged air flows through the space outside the working medium pipe 22 and the steam pipe 23 from the supercharger 100 to the engine 200.
  • the outer portion of the heat exchanger body 21 is referred to as “supercharged air flow path”.
  • the upstream part of the supercharged air flow path is connected to the first scavenging line 131 that is the upstream part of the scavenging line 130, and the downstream part of the supercharged air flow path is the downstream part of the scavenging line 130 Is connected to the second scavenging line 132.
  • the working medium pipe 22 has an upstream portion 22a that is an upstream portion in the flow direction of the working medium and a downstream portion 22c that is a downstream portion.
  • the upstream part 22a and the downstream part 22c are accommodated in the heat exchanger main body 21, respectively.
  • the upstream portion 22a of the working medium pipe 22 is located downstream of the heat exchanger 2 and the downstream portion 22c is located upstream in the flow direction of the supercharged air.
  • the steam pipe 23 is accommodated in the heat exchanger main body 21 and is positioned between the upstream portion 22a and the downstream portion 22c.
  • first heating part 2A A portion formed by the steam pipe 23 and the supercharger flow path is referred to as a “second heating unit 2B”.
  • second heating unit 2B A portion formed by the downstream portion 22c of the working medium pipe 22 and the supercharged air flow path is referred to as a “third heating portion 2C”.
  • the working medium flows in the order of the first heating unit 2A and the third heating unit 2C. Flowing. That is, in the heat exchanger 2, the flow of the supercharged air and the flow of the working medium are opposite to each other, so-called counterflow.
  • the working medium is heated by the supercharged air
  • the second heating unit 2B the supercharged air is heated by the water vapor.
  • FIG. 2 is a simulation result of temperature changes of the supercharged air and the working medium passing through the heat exchanger 2.
  • the section Z1 shown in FIG. 2 corresponds to the heating section of the working medium in the first heating section 2A
  • the section Z2 corresponds to the heating section of the supercharged air in the second heating section 2B
  • the section Z3 corresponds to the heating section of the working medium in the third heating unit 2C.
  • a liquid-phase working medium flows into the first heating unit 2A and is heated by the supercharged air after passing through the second heating unit 2B in the first heating unit 2A.
  • the working medium has a boiling point of 122.1 ° C. As a result, the liquid-phase working medium becomes steam.
  • the gas phase working medium flowing out from the first heating unit 2A flows into the third heating unit 2C, and flows into the heat exchanger main body 21 from the first scavenging line 131 in the third heating unit 2C. It is further heated by the supercharged air immediately after. That is, in the third heating unit 2C, the working medium after being heated in the first heating unit 2A is further heated by the supercharged air before being heated in the second heating unit 2B. As a result, the working medium becomes superheated steam and flows out from the third heating unit 2C.
  • the temperature of the working medium is constant in the section Z3, but actually, the temperature of the gas-phase working medium rises in the third heating unit 2C.
  • the supercharged air flows from the compressor 110 of FIG. 1 into the third heating unit 2C and heat-exchanges with the working medium, so that the temperature gradually decreases in the zone Z3. . Thereafter, the supercharged air flows into the second heating unit 2B and is heated by the water vapor flowing through the steam pipe 23. That is, in the second heating unit 2B, the supercharged air before flowing into the first heating unit 2A is heated by water vapor. As a result, the temperature of the supercharged air rises to a temperature sufficiently higher than the boiling point of the working medium in the zone Z2. The water vapor after heat exchange condenses and flows out of the heat exchanger main body 21.
  • the temperature of the supercharged air whose amount of heat has been recovered is lowered again by exchanging heat with the liquid-phase working medium in the first heating unit 2A. And as shown in FIG. 1, the supercharged air which became low temperature goes to the engine 200 from the 1st heating part 2A.
  • a cooling facility for cooling the supercharged air becomes unnecessary, or it is not necessary to provide a cooling facility having high cooling performance. Thereby, the electric power required for the operation of the cooling facility is reduced.
  • the structure and operation of the energy recovery device X1 mounted on the ship Y1 have been described above.
  • the supercharged air whose temperature has been lowered by heating the working medium in the third heating unit 2C is heated by the water vapor generated by the economizer 300 in the second heating unit 2B. .
  • the supercharged air can sufficiently heat the liquid-phase working medium in the first heating unit 2A.
  • the engine 200 of the ship Y1 when the engine 200 of the ship Y1 is operated at a low load, specifically, a load of 40% to 60% (more preferably, a load of 45% to 50%), compared to a high load. Even if the temperature of the supercharged air sent from the compressor 110 to the engine 200 decreases, the heat energy necessary for driving the energy recovery device X1 is ensured by heating the supercharged air with the steam.
  • the energy recovery device X1 is a power generation system that uses a Rankine cycle of a low-boiling organic fluid, it is possible to more efficiently recover the heat of the steam generated by the supercharged air and the economizer.
  • the first to third heating units 2A to 2C are integrally formed in the heat exchanger main body 21, whereby the heat exchanger 2 can be reduced in size.
  • the working medium and the supercharged air are counterflowed in the first heating unit 2A and the third heating unit 2C, thereby increasing the thermal energy recovery efficiency of the supercharged air in the energy recovery device X1.
  • the 3 includes a heat exchanger body 21, a supercharged air pipe 24 through which supercharged air flows, and a steam pipe 23 through which water vapor flowing out from the economizer 300 flows.
  • the supercharged air pipe 24 and the steam pipe 23 are accommodated in the heat exchanger main body 21.
  • the working medium flows through the space outside the supercharged air pipe 24 and the steam pipe 23.
  • the outer space is referred to as a “working medium flow path”.
  • the working medium flow path is connected to a part 71 between the expander 3 and the heat exchanger 2 and a part 74 between the pump 6 and the heat exchanger 2 in the circulation flow path 7.
  • the supercharged air pipe 24 has an upstream portion 24a which is an upstream portion in the supercharging air flow direction and a downstream portion 24c which is a downstream portion.
  • the upstream portion 24a is located on the downstream side in the working medium flow path, and the downstream portion 24c is located on the upstream side in the working medium flow path.
  • the upstream portion 24 a is connected to the first scavenging line 131.
  • the downstream part 24 c is connected to the second scavenging line 132.
  • the steam pipe 23 is located between the upstream part 24a and the downstream part 24c in the heat exchanger main body 21.
  • the first heating unit 2A is formed by the downstream portion 24c of the supercharged air pipe 24 and the working medium flow path.
  • the second heating unit 2B is formed by the steam pipe 23 and the working medium flow path.
  • a third heating unit 2C is formed by the upstream portion 24a of the supercharged air pipe 24 and the working medium flow path.
  • the working medium is in the order of the first heating unit 2A, the second heating unit 2B, and the third heating unit 2C.
  • Flowing That is, the flow of supercharged air and the flow of working medium are counterflows.
  • the liquid phase working medium flows into the first heating unit 2A.
  • the working medium is heated by the supercharged air after passing through the third heating unit 2C.
  • the liquid-phase working medium (some of which may be in the gas phase) is further heated and vaporized by the steam supplied from the economizer 300 to the steam pipe 23.
  • the gas phase working medium is heated by the high-temperature supercharged air immediately after being discharged from the compressor 110 to become superheated steam. That is, in the third heating unit 2C, the working medium heated in the second heating unit 2B is heated by the supercharged air before heat exchange with the working medium in the first heating unit 2A. The working medium that has become superheated steam flows into the expander 3.
  • heat exchange is performed between the working gas and the two gas phase heat mediums of supercharged air supplied to the engine 200 and water vapor generated in the economizer 300. For this reason, even when the engine 200 of the ship Y1 is operated at a low load, the energy recovery device X1 can recover sufficient thermal energy.
  • the first to third heating units 2A to 2C are integrally formed in the heat exchanger main body 21, whereby the heat exchanger 2 can be reduced in size.
  • the storage unit 52 and the connection pipe 53 may be omitted, and the condensing unit 5 may be formed using only the condenser 51. In this case, a portion in which the liquid phase working medium is stored is provided in the condenser 51.
  • a plurality of heat exchangers each having the first heating unit 2A, the second heating unit 2B, and the third heating unit 2C may be provided.
  • the working medium may flow out from the heat exchanger 2 as saturated steam.
  • a rotary machine such as a compressor may be used as a power recovery machine that recovers the power of the expander 3.
  • the above heat exchanger is mounted on a ship equipped with an engine, a supercharger that supplies supercharged air to the engine, and an economizer that recovers exhaust heat of the engine and generates steam.
  • a heat exchanger for supplying the working medium used for driving the expander of the energy recovery apparatus, the first heating unit for heating the working medium with supercharged air, and the steam generated in the economizer A second heating unit for heating the supercharged air before flowing into the first heating unit; and a working medium after being heated in the first heating unit by the supercharged air before being heated in the second heating unit And a third heating unit that heats.
  • the working medium is heated by the superheated air whose temperature has been lowered by heating the working medium in the third heating unit with steam in the second heating unit, and thereby the temperature has been raised. Can be further heated. For this reason, even if it is a case where the engine of a ship carries out low load operation, sufficient thermal energy can be collected in an energy recovery device.
  • the heat exchanger includes a working medium pipe through which a working medium flows, a steam pipe through which steam generated by the economizer flows, the working medium pipe and the steam pipe inside, and the working medium pipe and the It is preferable to have a heat exchanger main body formed so that supercharged air flows in a space outside the steam pipe.
  • the first heating part is formed by the upstream part and the outer space of the working medium pipe
  • the third heating part is formed by the downstream part and the outer space of the working medium pipe
  • the steam pipe is formed by the outer space.
  • the heat exchanger can be miniaturized by integrally forming the first heating unit, the second heating unit, and the third heating unit in the heat exchanger body.
  • the above heat exchanger is mounted on a ship equipped with an engine, a supercharger that supplies supercharged air to the engine, and an economizer that recovers exhaust heat of the engine and generates steam.
  • a heat exchanger for supplying the working medium used for driving the expander of the energy recovery apparatus, the first heating unit for heating the working medium with supercharged air, and the steam generated in the economizer A second heating unit for heating the working medium heated in the first heating unit, and an operation after being heated in the second heating unit by the supercharged air before heat exchange with the working medium in the first heating unit
  • a third heating unit that heats the medium.
  • heat exchanger heat exchange is performed between the two heat mediums of the supercharged air supplied to the engine and the steam generated in the economizer and the working medium.
  • sufficient thermal energy can be recovered in the energy recovery device.
  • the heat exchanger includes a supercharged air pipe through which supercharged air flows, a steam pipe through which steam generated by the economizer flows, the supercharged air pipe and the steam pipe inside, and the supercharger. It is preferable to have a heat exchanger main body formed so that the working medium flows in a space outside the air pipe and the steam pipe.
  • the first heating part is formed by the downstream part of the supercharged air pipe and the outer space
  • the third heating part is formed by the upstream part of the supercharged air pipe and the outer space
  • the second heating unit is preferably formed by a steam pipe and the outer space.
  • the heat exchanger can be miniaturized by integrally forming the first heating unit, the second heating unit, and the third heating unit in the heat exchanger body.
  • the third heating unit uses superheated steam as a working medium.
  • the energy recovery device includes a working medium that is an organic fluid having a boiling point lower than that of water, a heat exchanger according to the present invention, and a pump that supplies a liquid-phase working medium to the first heating unit of the heat exchanger.
  • An expander into which the gas phase working medium that has flowed out of the third heating unit flows, a power recovery device that is connected to the expander and collects power of the expander, and an operation that has flowed out of the expander A condensing unit for condensing the medium.
  • the ship includes an energy recovery device according to the present invention, an engine, a supercharger that supplies supercharged air to the engine, and an economizer that recovers exhaust heat of the engine to generate steam.
  • the ship includes the energy recovery device according to the present invention, sufficient energy can be recovered in the energy recovery device even when the engine is operated at a low load.

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Abstract

　エンジン２００、過給機１００、およびエコノマイザ３００を備える船舶Ｙ１に搭載されるエネルギー回収装置Ｘ１における熱交換器２であって、過給機１００の過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部２Ａと、エコノマイザ３００において生成された水蒸気により第１加熱部２Ａに流入する前の過給空気を加熱する第２加熱部２Ｂと、第２加熱部２Ｂにて加熱される前の過給空気により第１加熱部２Ａにおいて加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部２Ｃとを備える。

Description

熱交換器、エネルギー回収装置、および船舶
　本発明は、船舶に搭載される熱交換器、当該熱交換器を備えるエネルギー回収装置、および当該エネルギー回収装置を備える船舶に関連する。
　従来、各種の設備における熱エネルギーを回収するエネルギー回収装置が知られている。このようなエネルギー回収装置の一例として、特許文献１には、図４に示すように、船舶のディーゼルエンジン５００の熱エネルギーを回収し、当該回収した熱エネルギーを利用して発電を行う排熱回収システムが記載されている。この排熱回収システムは、ディーゼルエンジン５００の過給機５１０から吐出された圧縮空気Ａを冷却するエアクーラー６００の空気冷却水Ｗによって、当該空気冷却水Ｗよりも沸点の低い有機媒体Ｍを加熱するための第１排熱回収器７００を備えている。ここで、空気冷却水Ｗは、エアクーラー６００において圧縮空気Ａの熱を回収した後に、過給機５１０から煙突８００に送られる排ガスＧの熱を回収し、その後第１排熱回収器７００に流入する。すなわち、特許文献１の排熱回収システムは、圧縮空気Ａおよび排ガスＧの２つの熱媒体と空気冷却水Ｗとの間で熱交換を行い、当該熱交換によって温度が上昇した空気冷却水Ｗによって有機媒体Ｍを加熱する。これにより、有機媒体Ｍを介してディーゼルエンジン５００の熱エネルギーが回収される。
　特許文献１の排熱回収システムでは、圧縮空気Ａおよび排ガスＧの２つの熱媒体から熱エネルギーを回収できる。しかしながら、前記熱エネルギーは、有機媒体Ｍよりも沸点の高い空気冷却水Ｗを介して当該有機媒体Ｍに回収される。このため、圧縮空気Ａおよび排ガスＧの熱エネルギーが有機媒体Ｍに直接回収される場合に比して、熱エネルギーを十分に回収することが困難である。特に、排熱回収システムが搭載される船舶においては、例えば燃料消費量を抑える目的でディーゼルエンジン５００が低負荷運転される場合がある。このような場合、空気冷却水Ｗが回収する圧縮空気Ａの熱エネルギーが小さくなるため、熱エネルギーを十分に回収することがより困難となる。
特開２０１３－１６０１３２号公報
　本発明の目的は、上記の問題を解決した熱交換器、当該熱交換器を備えるエネルギー回収装置、および当該エネルギー回収装置を備える船舶を提供することである。
　本発明の一局面に従う熱交換器は、エンジン、前記エンジンに過給空気を供給する過給機、および前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザを備えた船舶に搭載され、過給空気及び蒸気の熱をエネルギー回収装置の膨張機の駆動に利用される作動媒体に与える熱交換器であって、過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部と、前記エコノマイザにおいて生成された蒸気により前記第１加熱部に流入する前の過給空気を加熱する第２加熱部と、前記第２加熱部にて加熱される前の過給空気により前記第１加熱部において加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部と、を備える。
本発明の第１実施形態に係る船舶Ｙ１の概略構成図である。 運転中の本実施形態に係るエネルギー回収装置において、熱交換器内の過給空気および作動媒体の温度を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る船舶Ｙ１の他の例を示す概略構成図である。 特許文献１に記載された排熱回収システムの概略構成図である。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本実施形態に係る船舶Ｙ１を説明するために必要な主要部材を簡略化して示したものである。したがって、本実施形態に係る船舶Ｙ１は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。
　船舶Ｙ１はエネルギー回収装置Ｘ１と、過給機１００と、エンジン２００と、エコノマイザ３００と、を備えている。
　過給機１００は、圧縮機１１０、タービン１２０、掃気ライン１３０、および排気ライン１４０を有している。圧縮機１１０で圧縮された過給空気は、掃気ライン１３０を通じてエンジン２００に供給される。エンジン２００にて生じた排ガスは、排気ライン１４０を通じてタービン１２０に送られる。タービン１２０は、排ガスの膨張エネルギーによって駆動され、このタービン１２０の駆動力により圧縮機１１０が駆動される。
　エコノマイザ３００は、エンジン２００の排ガスから熱を回収し水蒸気を生成する。なお、各図では、図示の都合上、エコノマイザ３００を排気ライン１４０から離間して示しているが、実際には、エコノマイザ３００は排気ライン１４０のタービン１２０よりも下流側の部位に設けられる。
　エネルギー回収装置Ｘ１は、作動媒体のランキンサイクルを利用した発電システムであり、当該作動媒体と、熱交換器２と、膨張機３と、発電機４と、凝縮部５と、ポンプ６と、循環流路７とを備えている。本実施形態では、作動媒体として、水よりも低沸点の有機流体が利用される。例えば、作動媒体としてＲ２４５ｆａ等が利用される。
　熱交換器２、膨張機３、発電機４、凝縮部５、およびポンプ６は、循環流路７によってこの順に接続されている。熱交換器２は掃気ライン１３０上に位置する。熱交換器２では、過給空気およびエコノマイザ３００から流出した水蒸気の熱が作動媒体に与えられる。
　膨張機３は作動媒体の流れ方向において熱交換器２の下流側に位置する。本実施形態では、膨張機３としてスクリュ膨張機が用いられ、気相の作動媒体の膨張エネルギーによりスクリュであるロータ部が回転駆動される。なお、膨張機３としては、スクリュ膨張機に限らず、遠心式のものやスクロールタイプのもの等が用いられてもよい。発電機４は膨張機３に接続されている。
　凝縮部５は、作動媒体の流れ方向において膨張機３の下流側に位置している。凝縮部５は凝縮器５１と、貯留部５２とを有している。凝縮器５１は作動媒体が流れる作動媒体流路５１ａと、冷却水が流れる冷却水流路５１ｂとを有している。貯留部５２は作動媒体の流れ方向において凝縮器５１の下流側に位置している。貯留部５２には液相の作動媒体が貯留されている。作動媒体流路５１ａと凝縮器５１の貯留部５２とは接続配管５３によって接続されている。
　ポンプ６は、循環流路７上において貯留部５２と熱交換器２との間に位置している。ポンプ６は貯留部５２に貯留された液相の作動媒体を熱交換器２に供給する。ポンプ６としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。
　エネルギー回収装置Ｘ１の駆動時には、熱交換器２において過給空気及び水蒸気により液相の作動媒体が加熱されて過熱蒸気となる。そして、作動媒体は熱交換器から膨張機３に流入し、膨張機３が駆動される。膨張機３の動力が発電機４に伝達されて電力が生成される。膨張機３にて膨張した気相の作動媒体は凝縮器５１の作動媒体流路５１ａに流入する。凝縮器５１では、作動媒体が冷却水流路５１ｂを流れる冷却水との間で熱交換して凝縮する。凝縮した作動媒体は貯留部５２に流入する。そして、貯留部５２内の液相の作動媒体はポンプ６により熱交換器２へと供給される。このように、エネルギー回収装置Ｘ１では、作動媒体が循環流路７を循環することにより過給空気及び水蒸気の熱に基づいて電力が安定的に生成される。
　次に、熱交換器２の構造について説明する。熱交換器２は、熱交換器本体２１と、作動媒体が流れる作動媒体配管２２と、エコノマイザ３００からの水蒸気が流れる蒸気配管２３と、を有している。熱交換器本体２１には、内部空間に作動媒体配管２２および蒸気配管２３が収容されている。
　熱交換器本体２１の内部では、作動媒体配管２２および蒸気配管２３の外側の空間を過給機１００からエンジン２００へと向かって過給空気が流れる。本実施形態では、熱交換器本体２１の当該外側の部位を「過給空気流路」という。過給空気の流れ方向において、過給空気流路の上流部は掃気ライン１３０の上流部分である第１掃気ライン１３１に接続され、過給空気流路の下流部は、掃気ライン１３０の下流部分である第２掃気ライン１３２に接続される。
　作動媒体配管２２は、作動媒体の流れ方向における上流側の部位である上流部２２ａと、下流側の部位である下流部２２ｃとを有している。上流部２２ａおよび下流部２２ｃはそれぞれ熱交換器本体２１内に収容される。熱交換器本体２１内では、過給空気の流れ方向において、作動媒体配管２２の上流部２２ａは熱交換器２の下流に位置し、下流部２２ｃは上流に位置している。
　蒸気配管２３は、熱交換器本体２１内に収容されて上流部２２ａと下流部２２ｃとの間に位置している。
　以下の説明では、熱交換器２のうち作動媒体配管２２の上流部２２ａおよび過給空気流路により形成される部位を「第１加熱部２Ａ」と呼ぶ。蒸気配管２３および過給機流路により形成される部位を「第２加熱部２Ｂ」と呼ぶ。作動媒体配管２２の下流部２２ｃおよび過給空気流路により形成される部位を「第３加熱部２Ｃ」と呼ぶ。
　熱交換器２では、過給空気が第３加熱部２Ｃ、第２加熱部２Ｂおよび第１加熱部２Ａの順に流れるのに対し、作動媒体は第１加熱部２Ａおよび第３加熱部２Ｃの順に流れる。すなわち、熱交換器２内において過給空気の流れおよび作動媒体の流れが互いに逆、いわゆる対向流とされる。第１加熱部２Ａ及び第３加熱部２Ｃでは過給空気により作動媒体が加熱され、第２加熱部２Ｂでは水蒸気により過給空気が加熱される。
　図２は熱交換器２を通過する過給空気および作動媒体の温度変化のシミュレーション結果である。ここで、図２に示す区間Ｚ１は、第１加熱部２Ａにおける作動媒体の加熱区間に対応し、区間Ｚ２は第２加熱部２Ｂにおける過給空気の加熱区間に対応する。区間Ｚ３は、第３加熱部２Ｃにおける作動媒体の加熱区間に対応する。
　図１に示すエネルギー回収装置Ｘ１の駆動時には、第１加熱部２Ａに液相の作動媒体が流入し、第１加熱部２Ａにおいて、第２加熱部２Ｂを通過した後の過給空気により加熱される。図２中に破線にて示すように、液相の作動媒体は区間Ｚ１において過給空気に加熱されることにより温度上昇し、区間Ｚ２の直前で沸点に達することが判る。本実施形態では、作動媒体の沸点は、１２２．１℃である。その結果、液相の作動媒体が蒸気となる。
　図１に示すように、第１加熱部２Ａから流出した気相の作動媒体は、第３加熱部２Ｃに流入し、第３加熱部２Ｃにおいて第１掃気ライン１３１から熱交換器本体２１に流入した直後の過給空気によってさらに加熱される。すなわち、第３加熱部２Ｃでは、第２加熱部２Ｂにて加熱される前の過給空気により第１加熱部２Ａにおいて加熱された後の作動媒体がさらに加熱される。その結果、作動媒体が過熱蒸気となり第３加熱部２Ｃから流出する。なお、図２では、作動媒体の温度は区間Ｚ３において一定となっているが、実際には、第３加熱部２Ｃでは、気相の作動媒体の温度が上昇する。作動媒体を過熱蒸気とすることにより、熱交換器２から膨張機３に至る途上において作動媒体の一部が液化してしまうことが防止される。
　一方、図２中に実線にて示すように、過給空気は図１の圧縮機１１０から第３加熱部２Ｃに流入して作動媒体と熱交することから、区間Ｚ３において温度が漸次減少する。その後、過給空気は第２加熱部２Ｂに流入し、蒸気配管２３を流れる水蒸気によって加熱される。すなわち、第２加熱部２Ｂでは、水蒸気により第１加熱部２Ａに流入する前の過給空気が加熱される。その結果、区間Ｚ２において過給空気の温度が作動媒体の沸点よりも十分に高い温度まで上昇する。なお、熱交換後の水蒸気は凝縮し、熱交換器本体２１の外部に流出する。熱量が回復した過給空気は第１加熱部２Ａにおいて液相の作動媒体と熱交換することにより、再び温度が低下する。そして、図１に示すように、第１加熱部２Ａからエンジン２００へと低温となった過給空気が向かう。船舶Ｙ１では、過給空気が熱交換器２にて冷却されることにより、過給空気を冷却する冷却設備が不要となる、あるいは、高い冷却性能を有する冷却設備を設ける必要がない。これにより、冷却設備の運転に必要な電力が低減される。
　以上、船舶Ｙ１に搭載されたエネルギー回収装置Ｘ１の構造および動作について説明した。このエネルギー回収装置Ｘ１の熱交換器２では、第３加熱部２Ｃにおいて作動媒体を加熱することにより温度が低下した過給空気が、第２加熱部２Ｂにおいてエコノマイザ３００が生成した水蒸気により加熱される。これにより、第１加熱部２Ａにおいて過給空気が液相の作動媒体を十分に加熱することができる。その結果、エネルギー回収装置Ｘ１において膨張機３および発電機４の駆動に必要な熱エネルギーを回収することができる。特に、船舶Ｙ１のエンジン２００が低負荷、具体的には、４０％以上６０％以下の負荷（より好ましくは、４５％以上５０％以下の負荷）にて運転される場合、高負荷時に比べて圧縮機１１０からエンジン２００へと送られる過給空気の温度が低下してしまっても、水蒸気により過給空気が加熱されることによりエネルギー回収装置Ｘ１の駆動に必要な熱エネルギーが確保される。
　エネルギー回収装置Ｘ１が低沸点有機流体のランキンサイクルを利用した発電システムであるため、より効率よく過給空気およびエコノマイザにて生成される水蒸気の熱を回収することができる。
　エネルギー回収装置Ｘ１では、熱交換器本体２１の内部に第１ないし第３加熱部２Ａ～２Ｃが一体に形成されることにより、熱交換器２を小型化することができる。熱交換器２では、第１加熱部２Ａおよび第３加熱部２Ｃにおいて、作動媒体と過給空気とが対向流になることにより、エネルギー回収装置Ｘ１における過給空気の熱エネルギー回収効率を高めることができる。
　（第２実施形態）
　次に、図３を参照しつつエネルギー回収装置Ｘ１における熱交換器２の他の構成例について説明する。
　図３に示す熱交換器２は、熱交換器本体２１と、過給空気が流れる過給空気配管２４と、エコノマイザ３００から流出した水蒸気が流れる蒸気配管２３とを備える。過給空気配管２４および蒸気配管２３は熱交換器本体２１内に収容される。熱交換器本体２１の内部では、過給空気配管２４および蒸気配管２３の外側の空間を作動媒体が流れる。以下、当該外側の空間を「作動媒体流路」という。作動媒体流路は、循環流路７のうち膨張機３と熱交換器２との間の部位７１、及び、ポンプ６と熱交換器２との間の部位７４に接続される。
　過給空気配管２４は、過給空気の流れ方向における上流側の部位である上流部２４ａと、下流側の部位である下流部２４ｃとを有している。熱交換器本体２１内部では、上流部２４ａは作動媒体流路における下流側に位置し、下流部２４ｃは作動媒体流路における上流側に位置している。上流部２４ａは第１掃気ライン１３１に接続される。下流部２４ｃは第２掃気ライン１３２に接続される。蒸気配管２３は、熱交換器本体２１の内部において、上流部２４ａと下流部２４ｃとの間に位置している。
　熱交換器２では、過給空気配管２４の下流部２４ｃおよび作動媒体流路により第１加熱部２Ａが形成される。蒸気配管２３および作動媒体流路により第２加熱部２Ｂが形成される。過給空気配管２４の上流部２４ａおよび作動媒体流路により第３加熱部２Ｃが形成される。
　熱交換器２では、過給空気が第３加熱部２Ｃおよび第１加熱部２Ａの順に流れるのに対し、作動媒体は第１加熱部２Ａ、第２加熱部２Ｂおよび第３加熱部２Ｃの順に流れる。すなわち、過給空気の流れおよび作動媒体の流れは対向流となっている。
　エネルギー回収装置Ｘ１の駆動時には、液相の作動媒体が第１加熱部２Ａに流入する。第１加熱部２Ａでは、第３加熱部２Ｃを通過した後の過給空気により作動媒体が加熱される。さらに、第２加熱部２Ｂにおいて、液相の作動媒体（ただし、一部が気相となっていてもよい。）がエコノマイザ３００から蒸気配管２３に供給された水蒸気によってさらに加熱されて気化する。
　第３加熱部２Ｃにおいて、気相の作動媒体は、圧縮機１１０から吐出された直後の高温の過給空気によって加熱されて過熱蒸気となる。すなわち、第３加熱部２Ｃでは、第１加熱部２Ａにて作動媒体と熱交換する前の過給空気により、第２加熱部２Ｂにおいて加熱された後の作動媒体が加熱される。過熱蒸気となった作動媒体は膨張機３に流入する。
　第２実施形態では、エンジン２００に供給される過給空気およびエコノマイザ３００において生成される水蒸気の２つの気相の熱媒体と作動媒体との熱交換がなされる。このため、船舶Ｙ１のエンジン２００が低負荷運転される場合であっても、エネルギー回収装置Ｘ１において十分な熱エネルギーを回収できる。
　エネルギー回収装置Ｘ１では、熱交換器本体２１の内部に第１ないし第３加熱部２Ａ～２Ｃが一体に形成されることにより、熱交換器２を小型化することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。例えば、上記実施形態では、貯留部５２および接続配管５３を省略して凝縮器５１のみにて凝縮部５が形成されてもよい。この場合、凝縮器５１内に液相の作動媒体が貯留される部位が設けられる。
　上記実施形態では、第１加熱部２Ａ、第２加熱部２Ｂ、および第３加熱部２Ｃをそれぞれ有する複数の熱交換器が設けられてもよい。
　上記実施形態では、熱交換器２から膨張機３に至る途上において、作動媒体が液化しないのであれば、作動媒体は飽和蒸気として熱交換器２から流出してもよい。膨張機３の動力を回収する動力回収機として発電機４以外に圧縮機などの回転機械が利用されてもよい。
　ここで、上記の第１実施形態および第２実施形態について概説する。
　上記の熱交換器は、エンジン、前記エンジンに過給空気を供給する過給機、および前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザを備えた船舶に搭載され、過給空気及び蒸気の熱をエネルギー回収装置の膨張機の駆動に利用される作動媒体に与える熱交換器であって、過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部と、前記エコノマイザにおいて生成された蒸気により前記第１加熱部に流入する前の過給空気を加熱する第２加熱部と、前記第２加熱部にて加熱される前の過給空気により前記第１加熱部において加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部と、を備える。
　上記の熱交換器では、第３加熱部において作動媒体を加熱することにより温度が下がった過給空気を、第２加熱部において蒸気により加熱し、これにより温度が上昇した過給空気によって作動媒体をさらに加熱することができる。このため、船舶のエンジンを低負荷運転する場合であっても、エネルギー回収装置において十分な熱エネルギーを回収できる。
　上記の熱交換器は、作動媒体が流れる作動媒体配管と、前記エコノマイザにて生成された蒸気が流れる蒸気配管と、前記作動媒体配管および前記蒸気配管を内部に収容するとともに前記作動媒体配管および前記蒸気配管の外側の空間を過給空気が流れるように形成された熱交換器本体と、を有することが好ましい。この場合、前記作動媒体配管の上流部および前記外側の空間により前記第１加熱部が形成され、前記作動媒体配管の下流部および前記外側の空間により前記第３加熱部が形成され、前記蒸気配管及び前記外側の空間により前記第２加熱部が形成されることが好ましい。
　上記の熱交換器では、熱交換器本体内に第１加熱部、第２加熱部、および第３加熱部が一体に形成されることにより熱交換器を小型化することができる。
　上記の熱交換器は、エンジン、前記エンジンに過給空気を供給する過給機、および前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザを備えた船舶に搭載され、過給空気及び蒸気の熱をエネルギー回収装置の膨張機の駆動に利用される作動媒体に与える熱交換器であって、過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部と、前記エコノマイザにおいて生成された蒸気により前記第１加熱部において加熱された作動媒体を加熱する第２加熱部と、前記第１加熱部にて作動媒体と熱交換する前の過給空気により前記第２加熱部において加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部と、を備える。
　上記の熱交換器では、エンジンに供給される過給空気およびエコノマイザにおいて生成される蒸気の２つの熱媒体と作動媒体との熱交換がなされるため、船舶のエンジンを低負荷運転する場合であっても、エネルギー回収装置において十分な熱エネルギーを回収できる。
　上記の熱交換器は、過給空気が流れる過給空気配管と、前記エコノマイザにて生成された蒸気が流れる蒸気配管と、前記過給空気配管および前記蒸気配管を内部に収容するとともに前記過給空気配管および前記蒸気配管の外側の空間を作動媒体が流れるように形成された熱交換器本体と、を有することが好ましい。この場合、前記過給空気配管の下流部および前記外側の空間により前記第１加熱部が形成され、前記過給空気配管の上流部および前記外側の空間により前記第３加熱部が形成され、前記蒸気配管および前記外側の空間により前記第２加熱部が形成されることが好ましい。
　上記の熱交換器では、熱交換器本体内に第１加熱部、第２加熱部、および第３加熱部が一体に形成されることにより、熱交換器を小型化することができる。
　上記の熱交換器は、前記第３加熱部が作動媒体を過熱蒸気とすることが好ましい。
　上記の熱交換器では、当該熱交換器から流出した後の作動媒体の一部が液化してしまうことを防止することができる。
　上記のエネルギー回収装置は、水よりも低沸点の有機流体である作動媒体と、本発明に係る熱交換器と、前記熱交換器の前記第１加熱部に液相の作動媒体を供給するポンプと、前記第３加熱部から流出した気相の作動媒体が流入する膨張機と、前記膨張機に接続されるとともに前記膨張機の動力を回収する動力回収機と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮する凝縮部と、を備える。
　上記のエネルギー回収装置では、低沸点有機流体のランキンサイクルを利用したエネルギー回収装置を利用することにより、船舶に搭載された際にエンジンが低負荷運転される場合であっても、十分な熱エネルギーを回収することができる。
　上記の船舶は、本発明に係るエネルギー回収装置と、エンジンと、前記エンジンに過給空気を供給する過給機と、前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザと、を備える。
　上記の船舶は、本発明に係るエネルギー回収装置を備えているため、エンジンが低負荷運転される場合であっても当該エネルギー回収装置において十分な熱エネルギーを回収することができる。

Claims (7)

  1. 　エンジン、前記エンジンに過給空気を供給する過給機、および前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザを備えた船舶に搭載され、過給空気及び蒸気の熱をエネルギー回収装置の膨張機の駆動に利用される作動媒体に与える熱交換器であって、
    　過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部と、
    　前記エコノマイザにおいて生成された蒸気により前記第１加熱部に流入する前の過給空気を加熱する第２加熱部と、
    　前記第２加熱部にて加熱される前の過給空気により前記第１加熱部において加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部と、を備える熱交換器。
  2. 　作動媒体が流れる作動媒体配管と、
    　前記エコノマイザにて生成された蒸気が流れる蒸気配管と、
    　前記作動媒体配管および前記蒸気配管を内部に収容するとともに前記作動媒体配管および前記蒸気配管の外側の空間を過給空気が流れるように形成された熱交換器本体と、
    を有し、
    　前記作動媒体配管の上流部および前記外側の空間により前記第１加熱部が形成され、前記作動媒体配管の下流部および前記外側の空間により前記第３加熱部が形成され、前記蒸気配管及び前記外側の空間により前記第２加熱部が形成される、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　エンジン、前記エンジンに過給空気を供給する過給機、および前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザを備えた船舶に搭載され、過給空気及び蒸気の熱をエネルギー回収装置の膨張機の駆動に利用される作動媒体に与える熱交換器であって、
    　過給空気により作動媒体を加熱する第１加熱部と、
    　前記エコノマイザにおいて生成された蒸気により前記第１加熱部において加熱された作動媒体を加熱する第２加熱部と、
    　前記第１加熱部にて作動媒体と熱交換する前の過給空気により前記第２加熱部において加熱された後の作動媒体を加熱する第３加熱部と、を備える熱交換器。
  4. 　過給空気が流れる過給空気配管と、
    　前記エコノマイザにて生成された蒸気が流れる蒸気配管と、
    　前記過給空気配管および前記蒸気配管を内部に収容するとともに前記過給空気配管および前記蒸気配管の外側の空間を作動媒体が流れるように形成された熱交換器本体と、
    を有し、
    　前記過給空気配管の下流部および前記外側の空間により前記第１加熱部が形成され、前記過給空気配管の上流部および前記外側の空間により前記第３加熱部が形成され、前記蒸気配管および前記外側の空間により前記第２加熱部が形成される、請求項３に記載の熱交換器。
  5. 　前記第３加熱部が作動媒体を過熱蒸気とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 　水よりも低沸点の有機流体である作動媒体と、
    　請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器と、
    　前記熱交換器の前記第１加熱部に液相の作動媒体を供給するポンプと、
    　前記第３加熱部から流出した気相の作動媒体が流入する膨張機と、
    　前記膨張機に接続されるとともに前記膨張機の動力を回収する動力回収機と、
    　前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮する凝縮部と、
    を備えるエネルギー回収装置。
  7. 　請求項６に記載のエネルギー回収装置と、
    　エンジンと、
    　前記エンジンに過給空気を供給する過給機と、
    　前記エンジンの排熱を回収して蒸気を生成するエコノマイザと、を備える船舶。
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