JP6029403B2 - 蒸気発生システム - Google Patents
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Description
前者のシステムとしては、下記の特許文献1の図2に記載のシステムがあり、このシステムでは、例えば、水冷式内燃機関に80℃の冷却水が供給され、冷却水により回収される熱により温水を発生させる。
後者のシステムを構築しようとすると、図4に示すように、冷却水の循環経路に気水分離器4を設け、この気水分離器4で蒸気を発生させて、排熱を回収することとなる。この構成の場合、熱を蒸気として回収するため(蒸気を発生させるため)、水冷式内燃機関から気水分離器4までの冷却水は沸騰状態となる。
即ち、内燃機関から冷却水により回収される熱を使用して、安定的に蒸気を得ることができる技術は、未だ確立されていない。
本発明の目的は、水冷式内燃機関の寿命を充分長いものとしながら、当該内燃機関で発生する熱を利用して安定的に蒸気を得ることができる蒸気発生システムを得ることにある。
を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第1循環路と、
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第1運転状態と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第2運転状態との間で、運転状態を切換可能に構成されている点にある。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第2循環路を流れる循環水に与えられ、第2循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は100℃以上のため、第2循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、第1循環路における冷却水の温度を冷却器によって下げることで、第2循環路に伝熱される熱量を低減することができる。よって、例えば、気水分離器において発生する蒸気量が過大となり、その圧力が、所定の圧力よりも高くなった場合に、冷却器を用いることで、第2循環路における蒸気の発生量を抑え、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能となる。
また、第1運転状態と第2運転状態とを切り替えることで、第1循環路を流れる冷却水の温度を調整することができる。よって、熱交換器を介して第2循環路に与えられる熱量を増減することができ、第2循環路において発生する蒸気量を調整することが可能となる。よって、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第1戻り流量と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第2戻り流量との関係を調整可能に構成されている点にある。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第2循環路を流れる循環水に与えられ、第2循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は100℃以上のため、第2循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、第1循環路における冷却水の温度を冷却器によって下げることで、第2循環路に伝熱される熱量を低減することができる。よって、例えば、気水分離器において発生する蒸気量が過大となり、その圧力が、所定の圧力よりも高くなった場合に、冷却器を用いることで、第2循環路における蒸気の発生量を抑え、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能となる。
また、第1戻り流量と第2戻り流量との関係を調整することで、第1循環路を流れる冷却水の温度を調整することができる。よって、熱交換器を介して第2循環路に与えられる熱量を増減することができ、第2循環路において発生する蒸気の量、さらには圧力を調整することが可能となる。よって、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備えると好適である。
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
また、前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える点にある。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第2循環路を流れる循環水に与えられ、第2循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は100℃以上のため、第2循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、蒸気圧力の値が高くなるほど、気水分離器における蒸気の発生量が抑制され、蒸気圧力の値が低くなるほど、蒸気の発生量が増加する方向に向かう。よって、蒸気圧力を一定の値とすることができる。すなわち、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第2運転状態から前記第1運転状態とし、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第1運転状態から前記第2運転状態とする制御手段と、を備えると好適である。
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記第1戻り流量を前記第2戻り流量に対して相対的に増加側に制御し、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記第2戻り流量を前記第1戻り流量に対して相対的に増加側に制御する制御手段と、を備えると好適である。
(1)システム構成
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図1に示すように、本願発明に係る蒸気発生システム1は、水冷式内燃機関2において、冷却水Wcが水冷式内燃機関2を冷却することにより回収する熱を利用して、蒸気を発生するように構成されている。冷却水Wcは、水冷式内燃機関2に設けられたウォータージャケット内を通過することで、水冷式内燃機関2により発生した熱を回収する。本実施形態においては、水冷式内燃機関2としてガスエンジンを用いている。
第1循環路3は、水冷式内燃機関2を冷却後の冷却水Wcを、再度、水冷式内燃機関2の冷却水Wcとして再利用するための循環水路である。第1循環路3は、冷却水Wcが循環可能なように、水冷式内燃機関2を通る閉回路として構成されている。第1循環路3には、第1ポンプ11が備えられており、第1ポンプ11によって、冷却水Wcは第1循環路3内を循環する。なお、第1ポンプ11は、制御手段10によってその供給圧を可変できるように構成されている。本実施形態においては、第1ポンプ11は、水冷式内燃機関2の上流側に配置されている。
第2循環路5は、第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された循環路である。第2循環路5は、熱交換器6の上流側に、外部から給水されるための給水口22を備えている。給水口22からは、第2循環路5を循環する循環水Wbの量が一定となるように水が供給される。
また、蒸気回収路23には、気水分離器4で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力Pvを計測する圧力計8が備えられている。蒸気回収路23は、計測された蒸気圧力Pvを制御手段10に伝達可能に構成されている。
制御手段10は、マイクロプロセッサ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータを主要な機器として構築される。本実施形態において、制御手段10は、圧力計8及び温度計9の計測値(すなわち、冷却後水温Tw及び蒸気圧力Pv)を取得可能に構成されるとともに、それらの計測値に基づいて、第1ポンプ11及び三方弁13を制御可能に構成されている。
本実施形態においては、制御手段10は、圧力計8で計測される蒸気圧力Pvが高くなるに従って、温度計9で計測される冷却後水温Twが低くなるように、蒸気発生システム1の運転状態(上記第1運転状態と第2運転状態とのいずれで運転するか)の制御を行う。ここで、「蒸気圧力Pvが高くなるに従って、冷却後水温Twが低くなる」とは、例えば、図3に示すように、蒸気圧力Pvの上昇に対して線形的に冷却後水温Twを低くする場合に加え、蒸気圧力Pvの上昇に対して、段階的に冷却後水温Twを低くするような場合も含む。
第1実施形態においては、蒸気発生システム1の三方弁13としてバイパス路12と冷却路14とで択一的に切替可能とする三方弁を用いる。このため、第1実施形態においては、制御手段10は、冷却後水温Twの調整を、冷却水Wcが冷却路14を通る第1運転状態とバイパス路12を通る第2運転状態との切り替えによって行う。
(1)上記実施形態においては、第1循環路3における冷却水Wcの冷却後水温Twを調整するために、蒸気発生システム1がバイパス路12と冷却路14とを備え、第1循環路3における冷却水Wcの流路をバイパス路12と冷却路14との間で切替可能とする三方弁13を用いる場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、蒸気発生システム1がバイパス路12を備えず、冷却後水温Twを調整するために、冷却路14における冷却器7の冷却度合いを調整するように構成しても構わない。冷却器7の冷却度合いの調整方法としては、例えば、冷却器7として熱交換器を備え、当該熱交換器を流れる冷媒の温度を変える方法を用いることができる。
2 :水冷式内燃機関
3 :第1循環路
4 :気水分離器
5 :第2循環路
6 :熱交換器
7 :冷却器
8 :圧力計
9 :温度計
10 :制御手段
13 :三方弁
21 :第2ポンプ
Pv :蒸気圧力
Wb :循環水
Wc :冷却水
Claims (8)
- 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第1循環路と、
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第1運転状態と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第2運転状態との間で、運転状態を切換可能に構成されている蒸気発生システム。 - 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第1循環路と、
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第1戻り流量と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第2戻り流量との関係を調整可能に構成されている蒸気発生システム。 - 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える請求項1又は2に記載の蒸気発生システム。 - 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第1循環路と、
第1循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第2循環路とを備え、
前記第1循環路内を流れる冷却水と前記第2循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記第1循環路において、加圧により液相状態に保たれた100℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第2循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える蒸気発生システム。 - 前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備えた請求項4記載の蒸気発生システム。
- 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第2運転状態から前記第1運転状態とし、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第1運転状態から前記第2運転状態とする制御手段と、を備える請求項1記載の蒸気発生システム。 - 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記第1戻り流量を前記第2戻り流量に対して相対的に増加側に制御し、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記第2戻り流量を前記第1戻り流量に対して相対的に増加側に制御する制御手段と、を備える請求項2記載の蒸気発生システム。 - 前記制御手段によって、前記冷却後水温が115℃以上125℃以下で、前記内燃機関冷却後の冷却水の圧力が大気圧に対して140kPa〜170kPa高い圧力となるように制御する請求項3〜7の何れか一項に記載の蒸気発生システム。
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