JP6781673B2 - 熱エネルギー回収装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギー回収装置に関する。
従来、特許文献１に開示されるように、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置が知られている。この熱エネルギー回収装置は、加熱器、膨張機、発電機、凝縮器、循環ポンプ及びこれらの機器を接続する配管を有しており、この配管を通じて低沸点の作動媒体を各機器に流通させるオーガニックランキンサイクルを構成している。そして、排ガスエコノマイザにおいて排ガスの熱を利用して発生させた蒸気を加熱器に流入させ、加熱器において蒸気により作動媒体を加熱し、蒸発した作動媒体によって発電機のロータを回転させることにより、排ガスの熱エネルギーが電気エネルギーとして回収される。
特開２０１６−２０００４８号公報
特許文献１では、内燃機関から排出される排ガスは、過給機のタービン及び排ガスエコノマイザを順に通過した後、外部に排出される。ここで、排ガスエコノマイザにおいて排ガスの熱を利用して蒸気を発生させることができる一方、排ガスエコノマイザを通過する際に排ガスの圧力損失が増加してしまう。これにより、排ガスをスムーズに外部へ排出することが困難になる場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収すると共に、その排ガスをスムーズに外部へ排出することを可能とする熱エネルギー回収装置を提供することである。
本発明の一局面に係る熱エネルギー回収装置は、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する装置である。この熱エネルギー回収装置は、前記排ガスが流れる排ガス経路と熱媒体が流れる熱媒経路とに接続され、前記排ガス経路から流入する前記排ガスと前記熱媒経路から流入する前記熱媒体との間で熱交換することにより前記熱媒体を加熱するエコノマイザと、前記熱媒経路に接続され、前記エコノマイザで加熱された前記熱媒体の熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収部と、前記排ガス経路に配置され、前記排ガス経路を流れる前記排ガスを昇圧させる送風機構と、を備えている。
この熱エネルギー回収装置によれば、エコノマイザにおいて排ガスとの熱交換により熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体の熱エネルギーを熱エネルギー回収部において回収することにより、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収することができる。ここで、内燃機関から排出される排ガスがエコノマイザを通過する際、排ガスの圧力損失が大きくなることがある。これに対して、この熱エネルギー回収装置では、排ガス経路に配置された送風機構によって排ガスを昇圧させることができるため、エコノマイザの通過時に生じる排ガスの圧力損失を補うことができる。したがって、この熱エネルギー回収装置によれば、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収すると共に、その排ガスをスムーズに外部へ排出することが可能になる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記熱エネルギー回収部は、前記エコノマイザで加熱された前記熱媒体と作動媒体との間で熱交換することにより前記作動媒体を加熱する加熱器と、前記加熱器で加熱された蒸気状の前記作動媒体のエネルギーを電気エネルギーとして回収する回収機と、を有していてもよい。この熱エネルギー回収装置は、前記送風機構の駆動エネルギーとして、前記回収機により回収された電気エネルギーが用いられるように構成されていてもよい。
この構成によれば、排ガスの熱エネルギーを利用して発生させた電気エネルギーを送風機構の駆動に用いることにより、別の電源から送風機構に供給する電力をより少なくすることができる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記送風機構は、前記排ガスの流れ方向において前記エコノマイザよりも下流側に配置されていてもよい。
この構成によれば、エコノマイザで熱交換に供された後の排ガスが送風機構を通過するため、内燃機関から排出された直後の高温の排ガスが送風機構を通過する場合に比べて、送風機構の熱損傷をより軽減することができる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記エコノマイザは、前記排ガスが通過する空間を有するシェルと、前記空間に配置されると共に前記熱媒体が流れるチューブと、を有していてもよい。前記エコノマイザは、前記空間を規定する前記シェルの内面が前記排ガス経路の内面と面一になるように前記排ガス経路に接続されていてもよい。
この構成によれば、エコノマイザと排ガス経路との接続部において排ガスをスムーズに流すことができるため、当該接続部における排ガスの圧力損失を小さくすることができる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記送風機構が複数配置されていてもよい。
この構成によれば、複数の送風機構を用いて排ガスを昇圧させることにより、エコノマイザの通過時に生じる圧力損失をより確実に補うことができる。
上記熱エネルギー回収装置において、複数の前記送風機構は、前記排ガス経路の幅方向に並んで配置されていてもよい。
この構成によれば、排ガス経路の幅方向に並ぶ複数の送風機構を用いることにより、排ガス経路の幅が大きい場合でも、排ガスを確実に昇圧させることができる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記エコノマイザは、前記排ガスの流れ方向において直列に複数配置されていてもよい。
この構成によれば、複数のエコノマイザを用いることにより、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを高効率に回収することができる。しかも、複数のエコノマイザを直列に配置することによりスペース効率の面においても有利である。
上記熱エネルギー回収装置において、前記排ガス経路は、複数の経路に分岐していてもよい。前記エコノマイザは、前記複数の経路の各々に配置されていてもよい。
この構成によれば、複数のエコノマイザを並列に配置することにより、直列配置の場合に比べて排ガスの圧力損失をより小さくすることができる。
上記熱エネルギー回収装置において、前記排ガスは、ＪＩＳ Ｋ ２２０５に規定されるＡ重油又はＪＩＳ Ｋ ２２０５に規定されるＣ重油であって硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたものを燃料として前記内燃機関で燃焼させたときに排出されるものであってもよい。この熱エネルギー回収装置において、前記エコノマイザから流出する前記排ガスの温度が１３０℃未満になってもよい。
硫黄成分が２．０質量％以下であるＡ重油又は硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたＣ重油を燃料とした場合には、内燃機関から排出される排ガスの酸露点が下がる。このため、エコノマイザから流出する排ガスの温度を１３０℃未満まで低下させても、排ガスが液化して排ガス経路の配管や煙突が腐食する問題を回避することができる。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収すると共に、排ガスをスムーズに外部へ排出することを可能とする熱エネルギー回収装置を提供することができる。
本発明の実施形態１における熱エネルギー回収装置の構成を模式的に示す図である。 図１中の領域ＩＩにおけるエコノマイザと排ガス経路との接続部の構成を詳細に示す図である。 本発明の実施形態２における熱エネルギー回収装置の構成を模式的に示す図である。 実施形態２の変形例における送風機構の配置を示す模式図である。 本発明の実施形態３における熱エネルギー回収装置の構成を模式的に示す図である。 本発明のその他実施形態における熱エネルギー回収装置を説明するための模式図である。
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る熱エネルギー回収装置について詳細に説明する。
（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１に係る熱エネルギー回収装置１について、図１を主に参照して説明する。図１は、実施形態１に係る熱エネルギー回収装置１の構成を模式的に示している。
熱エネルギー回収装置１は、例えば船舶に搭載されるものであって、船舶推進用の内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する装置である。図１に示すように、船内には、船舶推進用の内燃機関（ディーゼルエンジン）と、この内燃機関から排出される排ガスが流れる排ガス経路１００と、過給機９０と、が配置されている。内燃機関から排出される排ガスは、排ガス経路１００を通じて船外に排出される。過給機９０は、ターボチャージャーであって、排ガスの流れを受けて回転するタービン９２と、このタービン９２の回転により駆動する圧縮機９１と、を有している。圧縮機９１は、外部から取り込んだ空気を圧縮して内燃機関へ送る。本実施形態において、内燃機関は、Ａ重油（ＪＩＳ Ｋ ２２０５ １９９１）、又は硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたＣ重油（ＪＩＳ Ｋ ２２０５ １９９１）を燃料として燃焼させる。なお、本発明では内燃機関の燃料はこれらに限定されず、例えば精製前のＣ重油や液化天然ガス（ＬＮＧ；Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）であってもよい。
熱エネルギー回収装置１は、複数のエコノマイザ１１（第１エコノマイザ１１Ａ，第２エコノマイザ１１Ｂ，第３エコノマイザ１１Ｃ）と、複数の熱エネルギー回収部１０（第１熱エネルギー回収部１０Ａ，第２熱エネルギー回収部１０Ｂ，第３熱エネルギー回収部１０Ｃ）と、送風機構３０と、を主に備えている。図１に示すように、本実施形態において、複数のエコノマイザ１１は、排ガスの流れ方向において（排ガス経路１００の上流側から下流側に向かって）直列に配置されている。熱エネルギー回収部１０は、エコノマイザ１１と同じ数（本実施形態では３つ）だけ設けられている。
船内には、例えば水などの熱媒体が流れる複数の熱媒経路１２（第１熱媒経路１２Ａ，第２熱媒経路１２Ｂ，第３熱媒経路１２Ｃ）が設けられている。図１に示すように、第１熱媒経路１２Ａは、第１エコノマイザ１１Ａと第１熱エネルギー回収部１０Ａとに接続されており、第１エコノマイザ１１Ａと第１熱エネルギー回収部１０Ａとの間で熱媒体を循環させる。第１熱媒経路１２Ａは、第１エコノマイザ１１Ａから第１熱エネルギー回収部１０Ａに熱媒体を送る送り側経路１２ＡＡと、第１熱エネルギー回収部１０Ａから第１エコノマイザ１１Ａに熱媒体を戻す戻し側経路１２ＡＢと、を有している。同様に、第２熱媒経路１２Ｂは、第２エコノマイザ１１Ｂと第２熱エネルギー回収部１０Ｂとに接続されており、第２エコノマイザ１１Ｂと第２熱エネルギー回収部１０Ｂとの間で熱媒体を循環させる。また第３熱媒経路１２Ｃは、第３エコノマイザ１１Ｃと第３熱エネルギー回収部１０Ｃとに接続されており、第３エコノマイザ１１Ｃと第３熱エネルギー回収部１０Ｃとの間で熱媒体を循環させる。
エコノマイザ１１は、内燃機関から排出される排ガスと水（熱媒体）との間で熱交換することにより水を加熱し、水蒸気又は温水を発生させる熱交換器である。エコノマイザ１１は、排ガス経路１００と、熱媒経路１２と、に接続されている。
図１に示すように、排ガス経路１００は、内燃機関から過給機９０のタービン９２に排ガスを導く第１排ガス経路１０１と、タービン９２から第１エコノマイザ１１Ａに排ガスを導く第２排ガス経路１０２と、第１エコノマイザ１１Ａから第２エコノマイザ１１Ｂに排ガスを導く第３排ガス経路１０３と、第２エコノマイザ１１Ｂから第３エコノマイザ１１Ｃに排ガスを導く第４排ガス経路１０４と、第３エコノマイザ１１Ｃから船外へ排ガスを導く第５排ガス経路１０５と、を有している。
第１エコノマイザ１１Ａには、その一端側に第２排ガス経路１０２が接続されると共に、他端側に第３排ガス経路１０３が接続されている。第２エコノマイザ１１Ｂには、その一端側に第３排ガス経路１０３が接続されると共に、他端側に第４排ガス経路１０４が接続されている。第３エコノマイザ１１Ｃには、その一端側に第４排ガス経路１０４が接続されると共に、他端側に第５排ガス経路１０５が接続されている。これにより、内燃機関から排出される排ガスを過給機９０のタービン９２に通過させた後、第１〜第３エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを順に通過させ、その後船外へ排出することができる。そして、各エコノマイザ１１において、排ガス経路１００から流入する排ガスと熱媒経路１２から流入する水との間で熱交換を行うことができる。
図２は、図１中の領域ＩＩにおけるエコノマイザ１１と排ガス経路１００との接続部の構成を示している。なお、図２では、第１エコノマイザ１１Ａと排ガス経路１００との接続部が図示されていないが、第２，第３エコノマイザ１１Ｂ，１１Ｃと排ガス経路１００との接続部と同様に構成されている。
図２に示すように、第３排ガス経路１０３は、排ガスＧが流れる空間１０３Ｄが設けられた筒状の部材からなっている。同様に、第４，第５排ガス経路１０４，１０５も、排ガスＧが流れる空間１０４Ｄ，１０５Ｄが設けられた筒状の部材からなっている。
第４排ガス経路１０４の上端及び下端には、径方向外側に拡がる上端フランジ１０４Ｃ及び下端フランジ１０４Ｂがそれぞれ設けられている。同様に、第３排ガス経路１０３の上端にも径方向外側に拡がる上端フランジ１０３Ｃが設けられており、第５排ガス経路１０５の下端にも径方向外側に広がる下端フランジ１０５Ｂが設けられている。なお、第３排ガス経路１０３の下端にも下端フランジが設けられているが、図２では省略されている。
第２エコノマイザ１１Ｂは、例えばシェル＆チューブ式熱交換器であって、排ガスＧが通過する空間５１Ｄを有するシェル５１と、この空間５１Ｄに配置される蛇行状のチューブ５２（伝熱管）と、を有している。シェル５１の空間５１Ｄは、上流側の第３排ガス経路１０３の空間１０３Ｄ、及び下流側の第４排ガス経路１０４の空間１０４Ｄに連通している。チューブ５２は、第２熱媒経路１２Ｂから送られる水（熱媒体）が流れるものであり、第２熱媒経路１２Ｂの戻し側経路が接続される熱媒入口５２Ａと、第２熱媒経路１２Ｂの送り側経路が接続される熱媒出口５２Ｂと、を有する。
第２エコノマイザ１１Ｂによれば、第３排ガス経路１０３からシェル５１の空間５１Ｄに流入する排ガスと、第２熱媒経路１２Ｂ（戻し側流路）からチューブ５２内に流入する水との間で熱交換を行うことができる。そして、排ガスとの熱交換により発生させた水蒸気を、第２熱媒経路１２Ｂの送り側流路を通じて第２熱エネルギー回収部１０Ｂに送ることができる。
第３エコノマイザ１１Ｃも、第２エコノマイザ１１Ｂと同様のシェル＆チューブ式熱交換器からなっており、排ガスＧが通過する空間４１Ｄを有するシェル４１と、この空間４１Ｄに配置されると共に第３熱媒経路１２Ｃから流入する水（熱媒体）が流れるチューブ４２と、を有している。また第１エコノマイザ１１Ａも、第２，第３エコノマイザ１１Ｂ，１１Ｃと同様の構成を有するシェル＆チューブ式熱交換器からなっている。
第２エコノマイザ１１Ｂのシェル５１の上端及び下端には、径方向外側に拡がる上端フランジ５１Ｂ及び下端フランジ５１Ｃが設けられている。図２に示すように、シェル５１は、上端フランジ５１Ｂが第４排ガス経路１０４の下端フランジ１０４Ｂに接触すると共に、下端フランジ５１Ｃが第３排ガス経路１０３の上端フランジ１０３Ｃに接触した状態で固定されている。両フランジは、例えばボルトなどの締結部材（図示しない）を貫通させることにより互いに固定される。
これと同様に、第３エコノマイザ１１Ｃのシェル４１の上端及び下端にも、径方向外側に拡がる上端フランジ４１Ｂ及び下端フランジ４１Ｃが設けられている。そして、シェル４１は、上端フランジ４１Ｂが第５排ガス経路１０５の下端フランジ１０５Ｂに接触すると共に、下端フランジ４１Ｃが第４排ガス経路１０４の上端フランジ１０４Ｃに接触した状態で固定されている。
図２に示すように、第２エコノマイザ１１Ｂは、空間５１Ｄを規定するシェル５１の内面５１Ａが第３，第４排ガス経路１０３，１０４の内面１０３Ａ，１０４Ａと面一になるように、第３，第４排ガス経路１０３，１０４にそれぞれ接続されている。つまり、シェル５１の内面５１Ａと第３排ガス経路１０３の内面１０３Ａとの接続部において段差が形成されておらず、またシェル５１の内面５１Ａと第４排ガス経路１０４の内面１０４Ａとの接続部においても段差が形成されていない。これにより、第２エコノマイザ１１Ｂと第３，第４排ガス経路１０３，１０４との接続部における排ガスＧの流れの乱れが抑制され、その結果排ガスＧの圧力損失を抑えることができる。これと同様に、第３エコノマイザ１１Ｃも、空間４１Ｄを規定するシェル４１の内面４１Ａが第４，第５排ガス経路１０４，１０５の内面１０４Ａ，１０５Ａと面一になるように、第４，第５排ガス経路１０４，１０５にそれぞれ接続されている。
なお、本実施形態のように、エコノマイザ１１のシェル内面と排ガス経路１００の内面とが面一である場合には限定されず、エコノマイザ１１のシェル内面と排ガス経路１００の内面との接続部において段差が形成されていてもよい。
本実施形態において、排ガスの温度は、過給機９０のタービン９２の出口において二百数十度であり、第３エコノマイザ１１Ｃの出口において１３０℃未満（例えば１００℃程度）にまで下がる。ここで、硫黄成分が多いＣ重油などが内燃機関の燃料として用いられる場合には、排ガスの温度が１３０℃未満まで低下すると、排ガスの液化により排ガス経路１００を構成する筒状の部材（配管や煙突など）の腐食が問題となる。これに対して、本実施形態では、Ａ重油又は精製されたＣ重油が内燃機関の燃料として用いられるため、排ガスの酸露点がより下がっている。このため、排ガスの温度を第３エコノマイザ１１Ｃの出口において１３０℃未満まで低下させたとしても、上述のような腐食の問題を回避することができる。
図１に示すように、熱エネルギー回収部１０は、熱媒経路１２に接続されており、エコノマイザ１１で加熱された熱媒体（水蒸気）の熱エネルギーを回収する部分である。本実施形態では、第１〜第３熱エネルギー回収部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、それぞれ同じ構成を有している。ここでは、第１熱エネルギー回収部１０Ａの構成についてのみ説明し、第２，第３熱エネルギー回収部１０Ｂ，１０Ｃの説明については省略する。
図１に示すように、第１熱エネルギー回収部１０Ａは、循環ポンプ１８と、加熱器１３と、膨張機１５及び発電機１６を含む発電装置１４と、凝縮器１７と、これらの機器を順に接続すると共に低沸点の作動媒体が循環する循環経路２０と、を有している。これらの構成要素によって、オーガニックランキンサイクルが構成されている。
循環経路２０は、循環ポンプ１８から吐出された作動媒体を、加熱器１３、膨張機１５及び凝縮器１７の各機器を順に経て再び循環ポンプ１８に吸入させるものであり、本実施形態では第１〜第４配管２１〜２４からなっている。作動媒体としては、例えばＲ２４５ｆａなどのフロン系媒体を用いることができるが、これに限定されない。
第１配管２１は、循環ポンプ１８の吐出口と加熱器１３における作動媒体の入口とを接続している。第２配管２２は、加熱器１３における作動媒体の出口と膨張機１５とを接続している。第３配管２３は、膨張機１５と凝縮器１７における作動媒体の入口とを接続している。第４配管２４は、凝縮器１７における作動媒体の出口と循環ポンプ１８の吸入口とを接続している。
循環ポンプ１８は、例えば電動ポンプであり、作動媒体を加圧し、加圧された作動媒体を第１配管２１を通じて加熱器１３に供給する。循環ポンプ１８の動作は、制御部６０によりコントロールされる。
加熱器１３は、第１エコノマイザ１１Ａで加熱された熱媒体（水蒸気）と循環ポンプ１８により送られる作動媒体との間で熱交換することにより作動媒体を加熱する。加熱器１３は、循環ポンプ１８により送られる作動媒体が流れる第１流路１３Ａと、送り側経路１２ＡＡから流入する水蒸気が流れる第２流路１３Ｂと、を有している。加熱器１３は、第１流路１３Ａを流れる作動媒体と第２流路１３Ｂを流れる水蒸気との間で熱交換を行う。これにより、作動媒体が水蒸気によって加熱されて蒸発する。つまり、本実施形態では、加熱器１３は、水蒸気との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸発器として機能する。なお、加熱器１３において作動媒体と熱交換した後の水蒸気（又は当該熱交換により水蒸気が凝縮して発生する水）は、戻し側経路１２ＡＢを通じて第１エコノマイザ１１Ａに戻る。
発電装置１４は、膨張機であるスクリュー式のタービン１５と、タービン１５に接続された発電機１６と、を含み、これらが共通のハウジング（図示しない）に収容された構成を有している。タービン１５は、第２配管２２を通じて加熱器１３から流入する作動媒体の圧力と第３配管２３を通じて凝縮器１７に向かって流出する作動媒体の圧力との差によって回転駆動する。発電機１６は、タービン１５の回転により発電することによって、加熱器１３で加熱された蒸気状の作動媒体のエネルギーを電気エネルギーとして回収する回収機として機能する。なお、回収機は、発電機１６に限定されるものではない。またタービン１５としては、スクロール式などの容積型のタービンや遠心型ガスタービンなどの非容積型のタービンを用いることもできる。
凝縮器１７は、膨張機１５から送られる作動媒体が流れる第１流路１７Ａと、例えば冷却水などの冷却媒体が流れる第２流路１７Ｂと、を有している。第２流路１７Ｂには、クーリングタワー（図示しない）などの冷却水源から冷却水循環ポンプなどによって冷却水が供給される。凝縮器１７は、第１流路１７Ａを流れる作動媒体と第２流路１７Ｂを流れる冷却媒体との間で熱交換を行う。これにより、作動媒体が冷却媒体により冷却されて凝縮する。
次に、熱エネルギー回収装置１における重要な構成要素である送風機構３０について説明する。図１に示すように、本実施形態において、送風機構３０は、第５排ガス経路１０５に配置されている。つまり、送風機構３０は、排ガスの流れ方向において第３エコノマイザ１１Ｃ（最下流に位置するエコノマイザ１１）よりも下流側に配置されている。なお、送風機構３０の位置はこれに限定されず、第３，第４排ガス経路１０３，１０４（エコノマイザ１１同士の間）に配置されていてもよいし、第２排ガス経路１０２（最上流に位置する第１エコノマイザ１１Ａよりも上流側）に配置されていてもよい。
送風機構３０は、例えば軸流ファンであって、モーター３１と、モーター３１の回転軸３１Ａに接続されたプロペラ３２と、を有しており、モーター３１が回転駆動することによりプロペラ３２が回転するように構成されている。図２に示すように、送風機構３０は、回転軸３１Ａが排ガスの流れ方向に沿った状態で第５排ガス経路１０５の筒内に収容されている。送風機構３０によれば、プロペラ３２を回転させることにより第５排ガス経路１０５を流れる排ガスを上流側から吸い込むと共に昇圧させ、昇圧させた排ガスを下流側に吐き出すことができる。
モーター３１は、外部電源（図示しない）から供給される電力に加えて、熱エネルギー回収部１０の回収機により回収された電気エネルギー、即ち発電機１６において発生させた電気エネルギーを補助電力として駆動するように構成されている。つまり、送風機構３０の駆動エネルギーとして、発電機１６において発生させた電気エネルギーを利用することが可能になっている。なお、モーター３１は、発電機１６において発生させた電気エネルギーを利用せず、外部電源から供給される電力のみによって駆動してもよい。
熱エネルギー回収装置１においては、複数のエコノマイザ１１を排ガス経路１００の途中に配置することにより、排ガスの熱を利用して水蒸気を発生させることができるが、エコノマイザ１１を通過する際に排ガスの圧力損失が問題になる。図２では、エコノマイザ１１のチューブ４２，５２が簡略化して描かれているが、実際にはシェル４１，５１の径方向断面の大部分を占めるようにチューブ４２，５２が配置されている。このため、各エコノマイザ１１のシェル４１，５１内において、チューブ４２，５２の存在により排ガスの流れが乱れることがある。その結果、排ガスの圧力損失が大きくなり、排ガスをスムーズに船外へ排出するのが困難になることがある。特に、本実施形態のように、複数のエコノマイザ１１が排ガスの流れ方向において直列に配置される場合には、この問題が顕著である。
これに対して、本実施形態に係る熱エネルギー回収装置１によれば、排ガス経路１００に送風機構３０を配置し、この送風機構３０によって排ガスを昇圧させることにより、各エコノマイザ１１の通過時に生じる排ガスの圧力損失を補うことができる。これにより、各エコノマイザ１１において排ガスの熱エネルギーを回収すると共に、排ガスをスムーズに船外へ排出することが可能になっている。
なお、本実施形態では、送風機構の一例として、排ガスが回転軸３１Ａに沿って直線的に流れる軸流送風機について説明したが、これに限定されない。本発明における送風機構は、例えば、昇圧された排ガスが径方向外側に向かって吐き出される遠心送風機（シロッコファン、ターボファンなど）であってもよいし、排ガスがファンの回転軸に対して斜め方向に流れる斜流送風機であってもよい。しかし、遠心送風機や斜流送風機では、排ガス経路１００の内面に向かって排ガスが吐き出されるのに対し、本実施形態における軸流送風機によれば、排ガス経路１００が延びる方向に沿って排ガスを吐き出すことができるため、圧力損失を低減する観点から特に好ましい。さらに、本発明における送風機構は、ファンにも限定されず、ファンよりも高い圧力に排ガスを昇圧させるブロワーやコンプレッサーを採用することも可能である。
ここで、上記の通り説明した実施形態１に係る熱エネルギー回収装置１の特徴及び作用効果について列記する。
熱エネルギー回収装置１は、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する装置である。熱エネルギー回収装置１は、排ガスが流れる排ガス経路１００と熱媒体（水、水蒸気）が流れる熱媒経路１２とに接続され、排ガス経路１００から流入する排ガスと熱媒経路１２から流入する熱媒体（水）との間で熱交換することにより熱媒体（水）を加熱するエコノマイザ１１と、熱媒経路１２に接続され、エコノマイザ１１で加熱された熱媒体（水蒸気）の熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収部１０と、排ガス経路１００に配置され、排ガス経路１００を流れる排ガスを昇圧させる送風機構３０と、を備えている。
熱エネルギー回収装置１によれば、エコノマイザ１１において排ガスとの熱交換により熱媒体（水）を加熱し、加熱された熱媒体（水蒸気）の熱エネルギーを熱エネルギー回収部１０において回収することにより、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収することができる。ここで、内燃機関から排出される排ガスがエコノマイザ１１を通過する際、排ガスの圧力損失が大きくなることがある。これに対して、熱エネルギー回収装置１では、排ガス経路１００に配置された送風機構３０によって排ガスを昇圧させることができるため、エコノマイザ１１の通過時に生じる排ガスの圧力損失を補うことができる。したがって、熱エネルギー回収装置１によれば、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収すると共に、その排ガスをスムーズに船外へ排出することが可能になる。
熱エネルギー回収装置１において、熱エネルギー回収部１０は、エコノマイザ１１で加熱された熱媒体（水蒸気）と作動媒体との間で熱交換することにより作動媒体を加熱する加熱器１３と、加熱器１３で加熱された蒸気状の作動媒体のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機１６（回収機）と、を有している。熱エネルギー回収装置１は、送風機構３０の駆動エネルギーとして、発電機１６において発生した（回収機により回収された）電気エネルギーが用いられるように構成されている。これにより、排ガスの熱エネルギーを利用して発生させた電気エネルギーを送風機構３０の駆動に用いることによって、外部電源から送風機構３０に供給する電力をより少なくすることができる。
熱エネルギー回収装置１において、送風機構３０は、排ガスの流れ方向において第３エコノマイザ１１Ｃよりも下流側に配置されている。これにより、第１〜第３エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃで熱交換に供された後の排ガスが送風機構３０を通過するため、内燃機関から排出された直後の高温の排ガスが送風機構３０を通過する場合に比べて、送風機構３０の熱損傷をより軽減することができる。
熱エネルギー回収装置１において、エコノマイザ１１は、排ガスが通過する空間４１Ｄ，５１Ｄを有するシェル４１，５１と、空間４１Ｄ，５１Ｄに配置されると共に熱媒体（水、水蒸気）が流れるチューブ４２，５２と、を有している。エコノマイザ１１は、空間４１Ｄ，５１Ｄを規定するシェル４１，５１の内面４１Ａ，５１Ａが排ガス経路１００の内面１０３Ａ，１０４Ａ，１０５Ａと面一になるように排ガス経路１００に接続されている。これにより、エコノマイザ１１と排ガス経路１００との接続部において排ガスをスムーズに流すことができるため、当該接続部における排ガスの圧力損失を小さくすることができる。
熱エネルギー回収装置１において、エコノマイザ１１は、排ガスの流れ方向において直列に複数配置されている。これにより、複数のエコノマイザ１１（第１〜第３エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）を用いることによって、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを高効率に回収することができる。しかも、複数のエコノマイザ１１を直列に配置することにより、船内のスペース効率の面においても有利である。
熱エネルギー回収装置１において、排ガスは、Ａ重油又は硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたＣ重油を燃料として内燃機関で燃焼させたときに排出されるものである。熱エネルギー回収装置１において、第３エコノマイザ１１Ｃから流出する排ガスの温度が１３０℃未満になる。
硫黄成分が２．０質量％以下であるＡ重油又は硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたＣ重油を燃料とした場合には、内燃機関から排出される排ガスの酸露点が下がる。このため、第３エコノマイザ１１Ｃから流出する排ガスの温度を１３０℃未満まで低下させても、排ガスが液化して排ガス経路１００が腐食する問題を回避することができる。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る熱エネルギー回収装置１Ａについて、図３を参照して説明する。実施形態２に係る熱エネルギー回収装置１Ａは、基本的に実施形態１に係る熱エネルギー回収装置１と同様の構成を備えているが、複数の送風機構３０が排ガス経路１００に配置されている点で実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。
図３に示すように、実施形態２に係る熱エネルギー回収装置１Ａでは、複数（２つ）の送風機構３０が排ガス経路１００に配置されている（第１送風機構３０Ａ，第２送風機構３０Ｂ）。実施形態２においては、第１送風機構３０Ａが第５排ガス経路１０５に配置されると共に、第２送風機構３０Ｂが第２排ガス経路１０２に配置されている。つまり、第２送風機構３０Ｂが排ガスの流れ方向において第１エコノマイザ１１Ａ（最上流のエコノマイザ１１）よりも上流側に配置されると共に、第１送風機構３０Ａが排ガスの流れ方向において第３エコノマイザ１１Ｃ（最下流のエコノマイザ１１）よりも下流側に配置されている。第１，第２送風機構３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ同じ構成を有するものであるが、互いに異なる構成のものでもよい。
実施形態２によれば、複数の送風機構３０を用いて排ガスを昇圧させることにより、エコノマイザ１１の通過時に生じる排ガスの圧力損失をより確実に補うことができる。なお、送風機構３０の位置は、図３に示す位置に限定されるものではない。例えば、送風機構３０は、第３排ガス経路１０３（第１エコノマイザ１１Ａと第２エコノマイザ１１Ｂとの間）や第４排ガス経路１０４（第２エコノマイザ１１Ｂと第３エコノマイザ１１Ｃとの間）に配置されてもよい。また３つ以上の送風機構３０が排ガス経路１００に配置されてもよい。
図４は、実施形態２の変形例における送風機構３０の配置を示している。図４に示すように、複数（２つ）の送風機構３０は、排ガス経路１００の幅方向（排ガスの流れ方向に対して直交する方向）に並んで配置されていてもよい。この場合、排ガス経路１００の幅が大きい場合でも、排ガス経路１００の流路面積の大部分に送風機構３０を配置することができるため、送風機構３０により昇圧されないまま排ガスが下流側へ流れるのを防ぐことができる。したがって、排ガスを確実に昇圧させることができる。図４では、第５排ガス経路１０５において複数の送風機構３０が幅方向に並んで配置されているが、第２〜第４排ガス経路１０２，１０３，１０４において同様に複数の送風機構３０が幅方向に並べられてもよい。また３つ以上の送風機構３０が排ガス経路１００の幅方向に並んで配置されていてもよい。
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る熱エネルギー回収装置１Ｂについて、図５を参照して説明する。実施形態３に係る熱エネルギー回収装置１Ｂは、基本的に実施形態１に係る熱エネルギー回収装置１と同様の構成を備えているが、複数のエコノマイザ１１が並列に配置されている点で実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。
図５に示すように、実施形態３において、排ガス経路１００は、複数の経路に分岐している。より具体的には、排ガス経路１００は、第２排ガス経路１０２における任意の点Ｐ１から分岐すると共に第２排ガス経路１０２から流入する排ガスを第４エコノマイザ１１Ｄに導く第６排ガス経路１０６と、第４エコノマイザ１１Ｄから船外へ排ガスを導く第７排ガス経路１０７と、を有している。このように、実施形態３においては、排ガス経路１００は、第１，第２，第５排ガス経路１０１，１０２，１０５からなる経路と、第６，第７排ガス経路１０６，１０７からなる経路と、に分岐しており、各分岐経路にエコノマイザ１１（第１エコノマイザ１１Ａ，第４エコノマイザ１１Ｄ）が配置されている。なお、第４エコノマイザ１１Ｄは、第１〜第３エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと同様の構成を有するものである。また第４熱エネルギー回収部１０Ｄは、第４熱媒経路１２Ｄを介して第４エコノマイザ１１Ｄに接続されており、これも第１〜第３熱エネルギー回収部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同様の構成を有するものである。
送風機構３０は、２つのエコノマイザ１１の下流側、即ち第５，第７排ガス経路１０５，１０７にそれぞれ配置されている。なお、送風機構３０の位置は、図５に示す位置に限定されず、例えば、第２排ガス経路１０２における点Ｐ１よりも上流側の位置（つまり分岐点よりも上流側の位置）に配置されていてもよい。
実施形態３に係る熱エネルギー回収装置１Ｂによれば、複数のエコノマイザ１１を並列に配置することにより、複数のエコノマイザ１１を直列に配置する場合に比べて、排ガスの圧力損失をより小さくすることができる。しかも、各分岐経路に送風機構３０を配置することにより、排ガスをよりスムーズに船外に排出することが可能になる。
なお、排ガス経路１００は、３つ以上の経路に分岐していてもよく、その場合、３つ以上のエコノマイザ１１が各分岐経路にそれぞれ配置される。また図５の形態では、各分岐経路に１つずつエコノマイザ１１が配置される場合について説明したが、各分岐経路において複数のエコノマイザ１１が直列に配置されていてもよい。つまり、複数のエコノマイザ１１が直列と並列を組み合わせた形態で配置されていてもよい。
（その他実施形態）
最後に、本発明のその他実施形態に係る熱エネルギー回収装置について説明する。
実施形態１においては、図１に示すように、第１，第２エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂで発生させた蒸気が、それぞれ別の熱エネルギー回収部（第１，第２熱エネルギー回収部１０Ａ，１０Ｂ）に送られる場合について説明したが、これに限定されない。図６に示すように、第１熱エネルギー回収部１０Ａは、加熱器１３として、蒸発器１９Ａと、蒸発器１９Ａの下流側に配置された過熱器１９と、を有していてもよい。そして、第１エコノマイザ１１Ａで発生させた蒸気が第１熱媒経路１２Ａを通じて蒸発器１９Ａに送られると共に、第２エコノマイザ１１Ｂで発生させた蒸気が第２熱媒経路１２Ｂを通じて過熱器１９に送られてもよい。また図６の形態において、蒸発器１９Ａにはエコノマイザ１１で発生させた蒸気以外の熱源（例えば船内で利用する水蒸気）が供給されると共に、過熱器１９にはエコノマイザ１１で発生させた蒸気が供給されてもよい。
実施形態１〜３では、複数のエコノマイザ１１が設けられる場合について説明したがこれに限定されず、１つのエコノマイザ１１のみが設けられてもよい。
実施形態１では、第１〜第３エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの全てにおいて蒸気を発生させる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、第１，第２エコノマイザ１１Ａ，１１Ｂにおいて排ガスの熱により蒸気を発生させる一方、第３エコノマイザ１１Ｃにおいては排ガスの熱により温水を発生させてもよい。
実施形態１では、熱媒体の一例として水を説明したがこれに限定されず、例えば熱媒油や各種冷媒などの他の熱媒体を用いることも可能である。
実施形態１では、熱エネルギー回収部１０が水蒸気により作動媒体を蒸発させて電気エネルギーを回収するバイナリー発電装置である場合について説明したが、これに限定されない。例えば、エコノマイザ１１で発生させた水蒸気を船用の蒸気タービンに供給してもよいし、例えばスートブロー装置などの船内の需要先にそのまま供給し、バラストタンク、積荷室又は甲板の洗浄に使用してもよい。これらも水蒸気の熱エネルギー回収の一態様となる。
実施形態１では、船舶推進用ディーゼルエンジン（内燃機関）から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する場合について説明したがこれに限定されず、例えばガソリンエンジンから排出される排ガスの熱エネルギー回収に適用されてもよい。
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１，１Ａ，１Ｂ 熱エネルギー回収装置
１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ） 熱エネルギー回収部
１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ） エコノマイザ
１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ） 熱媒経路
１３ 加熱器
１６ 発電機（回収機）
１９ 過熱器（加熱器）
１９Ａ 蒸発器（加熱器）
３０（３０Ａ，３０Ｂ） 送風機構
４１，５１ シェル
４１Ａ，５１Ａ 内面
４１Ｄ，５１Ｄ 空間
４２，５２ チューブ
１００ 排ガス経路
１０３Ａ，１０４Ａ，１０５Ａ 内面
Ｇ 排ガス

Claims (7)

  1. 内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置であって、
    前記排ガスが流れる排ガス経路と熱媒体が流れる熱媒経路とに接続され、前記排ガス経路から流入する前記排ガスと前記熱媒経路から流入する前記熱媒体との間で熱交換することにより前記熱媒体を加熱するエコノマイザと、
    前記熱媒経路に接続され、前記エコノマイザで加熱された前記熱媒体の熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収部と、
    前記排ガス経路に配置され、前記排ガス経路を流れる前記排ガスを昇圧させる送風機構と、を備え、
    前記エコノマイザは、前記排ガスが通過する空間を有するシェルと、前記空間に配置されると共に前記熱媒体が流れるチューブと、を有し、
    前記エコノマイザは、前記空間を規定する前記シェルの内面が前記排ガス経路の内面と面一になるように前記排ガス経路に接続されており、
    前記排ガスは、ＪＩＳ Ｋ ２２０５に規定されるＡ重油又はＪＩＳ Ｋ ２２０５に規定されるＣ重油であって硫黄成分が２．０質量％以下になるまで精製されたものを燃料として前記内燃機関で燃焼させたときに排出されるものであり、
    前記エコノマイザから流出する前記排ガスの温度が１３０℃未満になることを特徴とする、熱エネルギー回収装置。
  2. 前記熱エネルギー回収部は、
    前記エコノマイザで加熱された前記熱媒体と作動媒体との間で熱交換することにより前記作動媒体を加熱する加熱器と、
    前記加熱器で加熱された蒸気状の前記作動媒体のエネルギーを電気エネルギーとして回収する回収機と、を有しており、
    前記送風機構の駆動エネルギーとして、前記回収機により回収された電気エネルギーが用いられるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱エネルギー回収装置。
  3. 前記送風機構は、前記排ガスの流れ方向において前記エコノマイザよりも下流側に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収装置。
  4. 前記送風機構が複数配置されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の熱エネルギー回収装置。
  5. 複数の前記送風機構は、前記排ガス経路の幅方向に並んで配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の熱エネルギー回収装置。
  6. 前記エコノマイザは、前記排ガスの流れ方向において直列に複数配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の熱エネルギー回収装置。
  7. 前記排ガス経路は、複数の経路に分岐しており、
    前記エコノマイザが前記複数の経路の各々に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の熱エネルギー回収装置。
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