CN109113819B - 热能回收系统及搭载该热能回收系统的船舶 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高热回收效率的热能回收系统。一种热能回收系统，具备发动机（10）、增压器（20）、空气冷却装置（30）、冷却器（40）、第1循环流路（50）、第2循环流路（60）、第1热交换部（71）、第2热交换部（72）、膨胀机（73）、动力回收机（74）和控制部（90），所述控制部在第2温度比第1温度大时，调整工作介质向第1热交换部的流入量，以使在第2热交换部与膨胀机之间的部位处流动的工作介质的过热度成为规定范围，并且在第2温度是第1温度以下时，使第2热交换部中的热交换停止，并调整工作介质向第1热交换部的流入量，以使在第1热交换部与第2热交换部之间的部位处流动的工作介质的过热度成为规定范围。

Description

热能回收系统及搭载该热能回收系统的船舶

技术领域

本发明涉及热能回收系统。

背景技术

以往，在具备增压器及发动机的内燃机中，已知有将增压空气具有的热和发动机冷却后的冷却水具有的热回收的热能回收系统，所述增压空气从增压器向发动机供给。例如，在专利文献1中，公开了一种排热回收装置（热能回收系统），其具备：柴油发动机；增压器，具有涡轮及压缩机；空气冷却器，将从压缩机排放的增压空气用冷却水冷却；排热回收部；将从发动机流出的冷却水向排热回收部引导的流路；和将从空气冷却器流出的冷却水向排热回收部引导的流路。

排热回收部经由冷却水由发动机及增压空气的热生成电力。具体而言，排热回收部具有：蒸发器，利用从发动机流出的冷却水及从空气冷却器流出的冷却水使工作介质蒸发；动力涡轮，由从蒸发器流出的工作介质的膨胀能驱动；发电机，被连接在动力涡轮上；冷凝器，使从动力涡轮流出的工作介质冷凝；和循环泵，将从冷凝器流出的工作介质向蒸发器输送。

专利文献1：日本特开2016－142223号公报。

在专利文献1所记载那样的热能回收系统中，难以效率良好地将热回收。具体而言，由于从发动机流出的冷却水的温度不那么高，所以能够向蒸发器供给的热量不充分，另一方面，由于从空气冷却器流出的冷却水的温度大幅度地变动，所以有从空气冷却器流出的冷却水的温度比从发动机流出的冷却水的温度低的情况。在此情况下，有可能由发电机带来的发电量减少，或工作介质以气液两相的状态流入到膨胀机中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高热回收效率的热能回收系统及搭载该热能回收系统的船舶。

为了实现前述目的，本发明提供一种热能回收系统，所述热能回收系统具备：发动机；增压器，具有涡轮以及压缩机，所述涡轮由从前述发动机排出的排气驱动，所述压缩机连接在前述涡轮上，排放用来向前述发动机供给的增压空气；空气冷却装置，对向前述发动机供给的增压空气进行冷却；冷却器，储存对前述发动机及前述增压空气进行冷却的冷却水，并将该冷却水冷却；第1循环流路，使前述冷却水在前述冷却器与前述发动机之间循环；第2循环流路，使前述冷却水在前述冷却器与前述空气冷却装置之间循环；第1热交换部，被设置在前述第1循环流路中的前述发动机与前述冷却器之间的部位，通过使将前述发动机冷却后的冷却水与工作介质热交换，而将该工作介质加热；第2热交换部，被设置在前述第2循环流路中的前述空气冷却装置与前述冷却器之间的部位，通过使从前述空气冷却装置流出的冷却水与从前述第1热交换部流出的工作介质热交换，而将该工作介质加热；膨胀机，使从前述第2热交换部流出的工作介质膨胀；动力回收机，被连接在前述膨胀机上；冷凝器，使从前述膨胀机流出的工作介质冷凝；泵，将从前述冷凝器流出的工作介质向前述第1热交换部输送；工作介质循环流路，将前述第1热交换部、前述第2热交换部、前述膨胀机、前述冷凝器及前述泵以该顺序连接；和控制部，第1温度是在前述第1循环流路中的前述发动机与前述第1热交换部之间的部位处流动的冷却水的温度，第2温度是在前述第2循环流路中的前述空气冷却装置与前述第2热交换部之间的部位处流动的冷却水的温度，所述控制部在所述第2温度比所述第1温度大时，维持前述第2热交换部中的前述冷却水与前述工作介质的热交换，并调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第2热交换部与前述膨胀机之间的部位处流动的工作介质的过热度成为规定范围，并且，在前述第2温度是前述第1温度以下时，使前述第2热交换部中的前述冷却水与前述工作介质的热交换停止，并调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围。

在本热能回收系统中，在第2温度比第1温度大时，维持第2热交换部中的冷却水与工作介质的热交换，并且调整工作介质向第1热交换部的流入量，以使流入膨胀机的工作介质的过热度成为规定范围。在此情况下，工作介质的蒸发主要由第2热交换部进行，因此，即通过工作介质从具有比较大的热量的冷却水（从空气冷却装置流出的冷却水）接受热来进行。并且，在第2温度是第1温度以下时，即在工作介质在第2热交换部中与冷却水热交换的情况下该工作介质的温度有可能下降时，使第2热交换部中的冷却水及工作介质间的热交换停止，并且调整工作介质向第1热交换部的流入量，以使从第1热交换部流出的工作介质的过热度成为前述规定范围。由此，发动机的热及增压空气的热被有效地回收，并且抑制了工作介质以气液两相的状态向膨胀机流入。

另外，“使冷却水与工作介质的热交换停止”不是将冷却水及工作介质间的全部的热的授受隔断的意思，而是指实质上不进行冷却水及工作介质间的热交换的状态。

在该情况下，优选的是，进一步具备：旁通流路，以将前述第2热交换部旁通的方式连接在前述第2循环流路上；和切换部，能够在定常状态和旁通状态之间切换，在所述定常状态下，从前述空气冷却装置流出的冷却水仅流入前述第2热交换部，在所述旁通状态下，从前述空气冷却装置流出的冷却水仅流入前述旁通流路；前述控制部在前述第2温度比前述第1温度大时，使前述切换部为前述定常状态，在前述第2温度是前述第1温度以下时，使前述切换部为前述旁通状态。

如果这样做，则根据第1温度及第2温度的关系，有效地切换在第2热交换部中进行冷却水与工作介质的热交换的情况和停止冷却水与工作介质的热交换的情况。

此外，也可以是，在前述热能回收系统中，前述控制部在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间流动的工作介质的过热度成为前述规定范围，并且在前述工作介质循环流路中的前述第2热交换部与前述膨胀机之间流动的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与极限值之间的范围，所述极限值是比前述规定范围的下限值低的值。

在该技术方案中，由于基于从第1热交换部流出的工作介质的过热度来调整工作介质向第1热交换部的流入量，所以工作介质向第1热交换部的流入量的调整的响应性变高。进而，调整工作介质向第1热交换部的流入量以使流入膨胀机的工作介质的过热度成为极限值以上，所以即使在工作介质从第1热交换部流出后到流入膨胀机之间，该工作介质的过热度下降，也抑制工作介质以气液两相的状态向膨胀机流入。

或者，也可以是，前述控制部在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与基准值之间的范围，所述基准值是比前述规定范围的下限值大且比前述上限值小的值。

在该技术方案中，也能得到与上述同样的效果。

此外，本发明提供一种搭载前述热能回收系统的船舶。

如以上那样，根据本发明，能够提供一种能够提高热回收效率的热能回收系统及搭载该热能回收系统的船舶。

附图说明

图1是概略地表示本发明的一实施方式的热能回收装置的结构的图。

图2是概略地表示热能回收单元的变形例的图。

图3是概略地表示热能回收单元的变形例的图。

图4是概略地表示热能回收单元的变形例的图。

具体实施方式

参照图1对本发明的一实施方式的热能回收系统进行说明。如图1所示，本热能回收系统具备发动机10、增压器20、空气冷却装置30、冷却器40、第1循环流路50、第2循环流路60、热能回收单元70、切换部80和控制部90。在本实施方式中，热能回收系统被搭载在船舶上。即，采用船舶用发动机作为发动机10。

增压器20具有：涡轮21，被从发动机10排出的排气驱动；和压缩机22，被连接在涡轮21上，排放用来向发动机10供给的增压空气。从压缩机22排放的增压空气通过吸气线路11向发动机供给，所述吸气线路11将压缩机22与发动机连接。从发动机10排出的排气通过排气线路12向涡轮21供给，所述排气线路12将发动机10与涡轮21连接。

空气冷却装置30被设置在吸气线路11中。空气冷却装置30将向发动机10供给的增压空气（从压缩机22排放的增压空气）用冷却水冷却。

冷却器40储存将发动机10及增压空气冷却的冷却水，并且将该冷却水用海水等冷却。

第1循环流路50使冷却水在冷却器40与发动机10之间循环。在该第1循环流路50中的冷却器40的下游侧且发动机10的上游侧的部位，设置有第1泵51。

第2循环流路60使冷却水在冷却器40与空气冷却装置30之间循环。在该第2循环流路60中的冷却器40的下游侧且空气冷却装置30的上游侧的部位，设置有第2泵61。

热能回收单元70经由前述冷却水将发动机10的热及增压空气的热回收。具体而言，热能回收单元70具有第1热交换部71、第2热交换部72、膨胀机73、动力回收机74、冷凝器75、泵76、和工作介质循环流路77，所述工作介质循环流路77将第1热交换部71、第2热交换部72、膨胀机73、冷凝器75及泵76以该顺序连接。

第1热交换部71被设置在第1循环流路50中的发动机10的下游侧且冷却器40的上游侧之间的部位。第1热交换部71通过使从发动机10流出的冷却水与工作介质热交换，而将工作介质加热。第1热交换部71具有供工作介质流动的第1工作介质流路71a、供冷却水流动的第1冷却水流路71b、和收纳各流路71a、71b的第1收纳部71c。从第1冷却水流路71b流出的冷却水经由第1循环流路50向冷却器40流入。

第2热交换部72被设置在包括下述部位的位置：工作介质循环流路77中的第1热交换部71的下游侧且膨胀机73的上游侧的部位、和第2循环流路60中的空气冷却装置30的下游侧且冷却器40的上游侧的部位。第2热交换部72通过使从空气冷却装置30流出的冷却水与从第1热交换部71流出的工作介质热交换，而将工作介质加热。第2热交换部72具有供工作介质流动的第2工作介质流路72a、供冷却水流动的第2冷却水流路72b和收纳各流路72a、72b的第2收纳部72c。第1收纳部71c和第2收纳部72c既可以由一体的壳体构成，也可以由相互独立的2个壳体构成。在图1中，表示了第1收纳部71c及第2收纳部72c由一体的壳体构成的例子。从第2冷却水流路72b流出的冷却水经由第2循环流路60向冷却器40流入。

本实施方式的热能回收系统具备连接在第2循环流路60上的旁通流路62，以便将第2热交换部72的第2冷却水流路72b旁通。

膨胀机73被设置在工作介质循环流路77中的第2热交换部72的下游侧的部位。膨胀机73使从第2热交换部72流出的气相的工作介质膨胀。在本实施方式中，作为膨胀机73，使用具有转子的容积式的螺杆膨胀机，所述转子被气相的工作介质的膨胀能旋转驱动。

动力回收机74被连接在膨胀机73上。动力回收机74通过随着膨胀机73的驱动而旋转，从工作介质回收动力。在本实施方式中，作为动力回收机74而使用发电机。另外，作为动力回收机74也可以使用压縮机等。

冷凝器75被设置在工作介质循环流路77中的膨胀机73的下游侧的部位。冷凝器75通过使从膨胀机73流出的工作介质与冷却介质（海水等）热交换，使工作介质冷凝。

泵76被设置在工作介质循环流路77中的冷凝器75的下游侧的部位（冷凝器75与第1热交换部71之间的部位）。泵76将从冷凝器75流出的液相的工作介质向第1热交换部71输送。

切换部80在定常状态和旁通状态之间切换，在所述定常状态下，从空气冷却装置30流出的冷却水仅向第2热交换部72流入定常状态，在所述旁通状态下，从空气冷却装置30流出的冷却水仅向旁通流路62流入。在本实施方式中，切换部80具有：第1开闭阀V1，设置在第2循环流路60中的旁通流路62的上游侧的端部与第2热交换部72之间的部位处；和第2开闭阀V2，设置在旁通流路62中。即，定常状态是第1开闭阀V1被打开并且第2开闭阀V2被关闭的状态，旁通状态是第1开闭阀V1被关闭并且第2开闭阀V2被打开的状态。

控制部90在向第2热交换部72流入的冷却水（在第2循环流路60中的空气冷却装置30与第2热交换部72之间的部位处流动的冷却水）的温度即第2温度比向第1热交换部71流入的冷却水（在第1循环流路50中的发动机10与第1热交换部71之间的部位处流动的冷却水）的温度即第1温度大时，将切换部80维持为定常状态，并且调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使流入到膨胀机73中的工作介质（在工作介质循环流路77中的第2热交换部72与膨胀机73之间的部位处流动的工作介质）的过热度成为规定范围。控制部90在前述第2温度是前述第1温度以下时，使第2热交换部72中的冷却水与工作介质的热交换停止，并调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使在工作介质循环流路77中的第1工作介质流路71a与第2工作介质流路72a之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围。

这里，第2热交换部72中的冷却水与工作介质的热交换的停止通过将切换部80从定常状态切换为旁通状态来进行，即，通过从第1开闭阀V1打开且第2开闭阀V2关闭的状态切换为第1开闭阀V1关闭且第2开闭阀V2打开的状态来进行。另外，“第2热交换部72中的冷却水与工作介质的热交换的停止”不是将冷却水及工作介质间的全部的热的授受隔断的意思，是指实质上不进行冷却水及工作介质间的热交换的状态。

此外，在本实施方式中，控制部90借助泵76的转速的调整来进行工作介质向第1热交换部71的流入量的调整。

另外，前述第1温度由温度传感器91检测，所述温度传感器91设置在第1循环流路50中的发动机10与第1热交换部71之间的部位处。前述第2温度由温度传感器92检测，所述温度传感器92设置在第2循环流路60中的空气冷却装置30的下游侧且第2循环流路60与旁通流路62的上游侧的端部的连接部的上游侧的部位处。向膨胀机73流入的工作介质的过热度基于温度传感器93及压力传感器94的各检测值来计算，所述温度传感器93及压力传感器94设置在工作介质循环流路77中的第2热交换部72与膨胀机73之间的部位处。在工作介质循环流路77中的第1工作介质流路71a与第2工作介质流路72a之间的部位处流动的工作介质的过热度基于设置在该部位处的温度传感器95及压力传感器96的各检测值来计算。

此外，在本实施方式中，控制部90在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使从第1工作介质流路71a流出的工作介质（在工作介质循环流路77中的第1热交换部71与第2热交换部72之间流动的工作介质）的过热度成为前述规定范围，并且向膨胀机73流入的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与极限值之间的范围，所述极限值是比前述规定范围的下限值低的值。但是，控制部90也可以在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使在工作介质循环流路77中的第1热交换部71与第2热交换部72之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与基准值之间的范围，基准值是比前述规定范围的下限值大且比前述上限值小的值。

如以上那样，在本热能回收系统中，当第2温度比第1温度大时，维持第2热交换部72中的冷却水与工作介质的热交换（切换部80被设为定常状态），并且调整工作介质向第1热交换部71的流入量（泵76的转速），以使向膨胀机73流入的工作介质的过热度成为规定范围。在此情况下，工作介质的蒸发主要由第2热交换部72进行，因此，即通过工作介质从具有比较大的热量的冷却水（从空气冷却装置30流出的冷却水）接受热来进行。并且，当第2温度是第1温度以下时，即在工作介质在第2热交换部72中与冷却水热交换的情况下该工作介质的温度有可能下降时，将第2热交换部72中的冷却水及工作介质间的热交换停止（切换部80被设为旁通状态），并且调整工作介质向第1热交换部71的流入量（泵76的转速），以使从第1热交换部71流出的工作介质的过热度成为前述规定范围。由此，发动机10的热及增压空气的热被有效地回收，并且抑制工作介质以气液两相的状态向膨胀机73流入。

此外，控制部90在第2温度是第1温度以下时，调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使从第1工作介质流路71a流出的工作介质的过热度成为前述规定范围，并且向膨胀机73流入的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与前述极限值之间的范围。在该技术方案中，由于基于从第1热交换部71流出的工作介质的过热度调整工作介质向第1热交换部71的流入量，所以工作介质向第1热交换部71的流入量的调整的响应性变高。进而，由于调整工作介质向第1热交换部71的流入量，以使向膨胀机73流入的工作介质的过热度成为极限值以上，所以即使工作介质从第1热交换部71流出后到流入膨胀机73之间该工作介质的过热度下降，也抑制工作介质以气液两相的状态向膨胀机73流入。

另外，这里公开的实施方式在全部的方面都为例示，应被认为是非限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式的说明表示而是由权利要求书表示，进一步包括与权利要求书等同的意义及范围内的全部变更。

例如，由控制部90进行的工作介质向第1热交换部71的流入量的调整也可以如图2所示那样，通过调整在旁通流路78中设置的旁通阀V3的开度来进行，所述旁通流路78以将泵76旁通的方式连接在工作介质循环流路77上。或者，前述流入量的调整也可以如图3所示那样，通过调整流量调整阀V4的开度来进行，所述流量调整阀V4设置在工作介质循环流路77中的泵76的下游侧的部位处。另外，在图2及图3中，除了从控制部90向旁通阀V3及流量调整阀V4输入的信号，省略控制部90接收的信号及控制部90发送的信号的图示。

此外，也可以是，代替以将第2热交换部72的第2冷却水流路72b旁通的方式连接在第2循环流路60上的旁通流路62，而如图4所示那样，设置旁通流路79，所述旁通流路79以将第2热交换部72的第2工作介质流路72a旁通的方式连接在工作介质循环流路77上。此外，也可以在旁通流路79的上游侧的端部（工作介质循环流路77中的第1工作介质流路71a和第2工作介质流路72a之间的部位与旁通流路79的连接部）处设置切换部（在该例中是三通阀）80。在此情况下，控制部90通过调整切换部（三通阀）80的开度，在定常状态和旁通状态之间切换，在所述定常状态下，从第1工作介质流路71a流出的工作介质仅向第2工作介质流路72a流入，在所述旁通状态下，从第1工作介质流路71a流出的工作介质仅向旁通流路79流入。

附图标记说明

10 发动机

20 增压器

21 涡轮

22 压缩机

30 空气冷却装置

40 冷却器

50 第1循环流路

60 第2循环流路

62 旁通流路

70 热能回收单元

71 第1热交换部

72 第2热交换部

73 膨胀机

74 动力回收机

75 冷凝器

76 泵

77 工作介质循环流路

80 切换部

90 控制部

V1 第1开闭阀

V2 第2开闭阀。

Claims (5)

1.一种热能回收系统，所述热能回收系统的特征在于，具备：

发动机；

增压器，具有涡轮以及压缩机，所述涡轮由从前述发动机排出的排气驱动，所述压缩机连接在前述涡轮上，排放用来向前述发动机供给的增压空气；

空气冷却装置，对向前述发动机供给的增压空气进行冷却；

冷却器，储存对前述发动机及前述增压空气进行冷却的冷却水，并将该冷却水冷却；

第1循环流路，使前述冷却水在前述冷却器与前述发动机之间循环；

第2循环流路，使前述冷却水在前述冷却器与前述空气冷却装置之间循环；

第1热交换部，被设置在前述第1循环流路中的前述发动机与前述冷却器之间的部位，通过使将前述发动机冷却后的冷却水与工作介质热交换，而将该工作介质加热；

第2热交换部，被设置在前述第2循环流路中的前述空气冷却装置与前述冷却器之间的部位，通过使从前述空气冷却装置流出的冷却水与从前述第1热交换部流出的工作介质热交换，而将该工作介质加热；

膨胀机，使从前述第2热交换部流出的工作介质膨胀；

动力回收机，被连接在前述膨胀机上；

冷凝器，使从前述膨胀机流出的工作介质冷凝；

泵，将从前述冷凝器流出的工作介质向前述第1热交换部输送；

工作介质循环流路，将前述第1热交换部、前述第2热交换部、前述膨胀机、前述冷凝器及前述泵以该顺序连接；和

控制部，第1温度是在前述第1循环流路中的前述发动机与前述第1热交换部之间的部位处流动的冷却水的温度，第2温度是在前述第2循环流路中的前述空气冷却装置与前述第2热交换部之间的部位处流动的冷却水的温度，所述控制部在所述第2温度比所述第1温度大时，维持前述第2热交换部中的前述冷却水与前述工作介质的热交换，并调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第2热交换部与前述膨胀机之间的部位处流动的工作介质的过热度成为规定范围，并且，在前述第2温度是前述第1温度以下时，使前述第2热交换部中的前述冷却水与前述工作介质的热交换停止，并调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围。

2.如权利要求1所述的热能回收系统，其特征在于，

进一步具备：

旁通流路，以将前述第2热交换部旁通的方式连接在前述第2循环流路上；和

切换部，能够在定常状态和旁通状态之间切换，在所述定常状态下，从前述空气冷却装置流出的冷却水仅流入前述第2热交换部，在所述旁通状态下，从前述空气冷却装置流出的冷却水仅流入前述旁通流路；

前述控制部在前述第2温度比前述第1温度大时，使前述切换部为前述定常状态，在前述第2温度是前述第1温度以下时，使前述切换部为前述旁通状态。

3.如权利要求1或2所述的热能回收系统，其特征在于，

前述控制部在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间流动的工作介质的过热度成为前述规定范围，并且在前述工作介质循环流路中的前述第2热交换部与前述膨胀机之间流动的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与极限值之间的范围，所述极限值是比前述规定范围的下限值低的值。

4.如权利要求1或2所述的热能回收系统，其特征在于，

前述控制部在前述第2温度是前述第1温度以下时，调整前述工作介质向前述第1热交换部的流入量，以使在前述工作介质循环流路中的前述第1热交换部与前述第2热交换部之间的部位处流动的工作介质的过热度成为前述规定范围的上限值与基准值之间的范围，所述基准值是比前述规定范围的下限值大且比前述上限值小的值。

5.一种船舶，所述船舶的特征在于，

搭载权利要求1～4中任一项所述的热能回收系统。

Images