JP5902512B2 - 廃熱回収ランキンサイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、廃熱回収ランキンサイクルシステムに関する。

従来、エンジン等の熱源から放出される廃熱を回収して高温高圧の蒸気を生成し、この蒸気を作動媒体として膨張機を駆動して発電する廃熱回収ランキンサイクルシステムが公知となっている。このような廃熱回収ランキンサイクルシステムにおいて、水蒸気（水）を作動媒体とする第一のランキンサイクルと水よりも低沸点の物質を作動媒体とする第二のランキンサイクルを組み合わせたものがある。第一の作動媒体である水蒸気を熱源として第二の作動媒体の蒸気を生成し、当該蒸気を利用して再び発電するように構成される。第一の作動媒体を第二の作動媒体を加熱する熱源として再利用することで、廃熱による発電効率を向上させるものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

しかし、特許文献１に開示されている技術は、第二の作動媒体が有する熱を更に利用する場合、第二の膨張機の駆動源として利用された後の、第二の作動媒体を第三のランキンサイクルの熱源としている。このため、第二の作動媒体による第二の膨張機の仕事量と、第二の凝縮器おいて、第三の作動媒体に供給される熱量とは比例する関係にある。つまり、第二の膨張機において出力される仕事量と第二の凝縮器において放出される熱量との比率を変更することができないため、第三のランキンサイクルからの熱需要に応じた熱量を供給することができないことがあった。

特開２００８−２６７３４１号公報

本発明は、以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される廃熱回収ランキンサイクルシステムの提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、第一作動媒体で作動される第一ランキンサイクルと、前記第一作動媒体よりも低沸点の第二作動媒体で作動される第二ランキンサイクルと、から構成される廃熱回収ランキンサイクルシステムであって、前記第一ランキンサイクルは、前記第二作動媒体によって、前記第一作動媒体が凝縮される第一凝縮器を具備し、前記第二ランキンサイクルは、前記第一凝縮器に前記第二作動媒体を供給する復水ポンプと、前記第二作動媒体の流量を変更する調量弁と、前記第一凝縮器で加熱された前記第二作動媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置と、を具備し、前記第二作動媒体の気相が膨張機に供給され、前記第二作動媒体の液相が熱交換器に供給され、制御装置が、前記熱交換器に供給される給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される熱量を増加させる場合、前記第二作動媒体の流量を増大させるように前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御し、前記熱交換器に供給される給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される熱量を減少させる場合、前記第二作動媒体の流量を減少させるように、前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御するようにプログラムされているものである。

請求項２においては、前記気液分離装置が前記第二作動媒体から気相を分離できる限界の液面位置が検出される液面検出手段を更に備え、前記制御装置は、前記液面検出手段によって前記液面位置が検出されると、前記第二作動媒体の流量を増加させるように、前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御するものである。

請求項３においては、冷却水によって前記膨張機から排出された前記第二作動媒体が凝縮される第二凝縮器と、前記給水が供給される供給先に前記給水に代えて前記冷却水が供給されるように前記冷却水の経路が変更される切り替え弁と、を更に備え、前記制御装置は、前記給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される給水の単位流量当たりの熱量が、前記第二凝縮器において前記冷却水と前記第二作動媒体との間で熱交換される冷却水の単位流量当たりの熱量以下の場合に、前記冷却水が前記給水先に供給されるように前記切り替え弁を切り替えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、請求項１に係る発明によれば、第二ランキンサイクルにおいて、廃熱を膨張機の動力として回収するだけでなく給水を加熱するための熱として回収することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

また、第二作動媒体の流量を変更して第二作動媒体における気相と液相との割合を変更し、膨張機おいてされる仕事量と熱交換器において熱交換される熱量との比率を変更することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

請求項２に係る発明によれば、熱交換器に気相が供給されることを防止することができる。これにより、熱交換器の効率を低下させることがない。

請求項３に係る発明によれば、熱需要が少ない場合には、給水の供給先に熱を供給しつつ、第二作動媒体を全て膨張機に供給することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

本発明の第一実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムの構成を示す概略図。 本発明の廃熱回収ランキンサイクルシステムにおける作動媒体の相変化を表す図。 本発明の第一実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムにおける第二作動媒体の単位時間当たりの流量に対する給熱量及び発電量の関係を表す図。 本発明の第一実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムにおける第二復水ポンプの制御手順を示すフローチャート図。 本発明の別実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムにおける第二復水ポンプの制御手順を示すフローチャート図。 本発明の第二実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムの構成を示す概略図。 本発明の第二実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステムにおける第二復水ポンプの制御手順を示すフローチャート図。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の第一実施形態に係るスクロール形流体機械を備えた廃熱回収ランキンサイクルシステム１の構成について図１を用いて説明する。

図１に示すように、廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、エンジンからの排気ガス等を熱源として発電と熱供給とを並行して行う熱電併給システムである。図１に示すように、廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、第一作動媒体で作動される第一ランキンサイクル２と、第一作動媒体よりも低沸点である第二作動媒体で作動される第二ランキンサイクル３とを具備する。

第一ランキンサイクル２は、外部の熱源によって加熱された第一作動媒体によって発電を行う。第一ランキンサイクル２は、蒸気発生器４と、膨張機である第一スクロール形流体機械５と、第一発電機６と、第一凝縮器７と、第一復水ポンプ８とを具備する。

蒸気発生器４は、第一作動媒体を加熱して高温高圧の蒸気を生成する。蒸気発生器４は、エンジンの排気ガスを熱源とする廃熱回収ボイラから構成される。蒸気発生器４は、第一作動媒体と排気ガスとの熱交換によって蒸気を生成する。蒸気発生器４は、作動媒体通路９ａを介して第一スクロール形流体機械５に接続される。蒸気発生器４において生成された蒸気は、作動媒体通路９ａを介して第一スクロール形流体機械５に供給される。なお、本実施形態において、熱源をエンジンの排気ガスとしたがこれに限定するものではない。

膨張機である第一スクロール形流体機械５は、蒸気のエネルギーを回転力に変換して出力する。第一スクロール形流体機械５は、作動媒体通路９ｂを介して第一凝縮器７に接続される。第一スクロール形流体機械５は、内部に形成される図示しない膨張室に蒸気発生器４から第一作動媒体が気相（蒸気）として供給され、断熱膨張することでクランク軸５ａを回転させる。なお、本実施形態において、膨張機をスクロール形としたがこれに限定するものでなくタービン形であってもよい。

第一発電機６は、外部からの駆動力によって電気を発電する。第一発電機６は、第一スクロール形流体機械５のクランク軸５ａに連結される。すなわち、第一発電機６は、クランク軸５ａの回転によって発電可能に構成される。第一発電機６によって発電された電気は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１の外部に供給される。

第一凝縮器７は、第一作動媒体の気相である蒸気を冷却して凝縮させる（復水させる）。第一凝縮器７は、作動媒体通路９ｃを介して第一復水ポンプ８に接続される。第一凝縮器７は、作動媒体通路９ｂを介して第一スクロール形流体機械５から第一作動媒体が供給される。また、第一凝縮器７は、第二ランキンサイクル３の作動媒体通路１８ｄを介して第二作動媒体が供給される。第一凝縮器７は、第一作動媒体と第二作動媒体との熱交換によって第一作動媒体を復水させる。つまり、第一凝縮器７は、第二ランキンサイクル３の第二作動媒体を冷却剤として第一作動媒体を凝縮させる。一方、第二作動媒体は、第一作動媒体との熱交換によって加熱される。

第一復水ポンプ８は、第一作動媒体を蒸気発生器４に供給する。第一復水ポンプ８は、作動媒体通路９ｄを介して蒸気発生器４に接続される。第一凝縮器７において復水された第一作動媒体は、第一復水ポンプ８によって蒸気発生器４に供給される。

第二ランキンサイクル３は、第一作動媒体を熱源として加熱された第二作動媒体によって発電及び給熱を行う。第二ランキンサイクル３は、膨張機である第二スクロール形流体機械１０と、第二発電機１１と、第二凝縮器１２と、復水タンク１３と、第二復水ポンプ１４と、気液分離装置１５と、熱交換器１６と、調量弁１７、制御装置２１とを具備する。

膨張機である第二スクロール形流体機械１０は、蒸気のエネルギーを回転力に変換して出力する。第二スクロール形流体機械１０は、作動媒体通路１８ａを介して第二凝縮器１２に接続される。第二スクロール形流体機械１０は、第一凝縮器７で加熱された第二作動媒体のうち後述の気液分離装置１５によって分離された気相（蒸気）部分が供給される。第二スクロール形流体機械１０は、内部に形成される図示しない膨張室に第二作動媒体が供給され、断熱膨張することでクランク軸１０ａを回転させる。なお、本実施形態において、膨張機をスクロール形としたがこれに限定するものでなくタービン形であってもよい。

第二発電機１１は、外部からの駆動力によって電気を発電する。第二発電機１１は、第二スクロール形流体機械１０のクランク軸１０ａに連結される。すなわち、第二発電機１１は、クランク軸１０ａの回転によって発電可能に構成される。第二発電機１１によって発電された電気は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１の外部に供給される。

第二凝縮器１２は、第二作動媒体からなる蒸気を冷却して凝縮させる（復水させる）。第二凝縮器１２は、作動媒体通路１８ｂを介して復水タンク１３に接続される。第二凝縮器１２は、作動媒体通路１８ａを介して第二スクロール形流体機械１０から第二作動媒体が供給される。また、第二凝縮器１２は、冷却水通路１９ａを介して冷却水が供給される。第二凝縮器１２は、第二作動媒体と冷却水との熱交換によって第二作動媒体を復水させる。第二凝縮器１２において復水された第二作動媒体は、作動媒体通路１８ｂを介して復水タンク１３に供給される。

復水タンク１３は、第二凝縮器１２によって復水された第二作動媒体を溜める。復水タンク１３は、作動媒体通路１８ｃを介して第二復水ポンプ１４に接続される。

第二復水ポンプ１４は、第二作動媒体を第一ランキンサイクル２の第一凝縮器７に供給する。第二復水ポンプ１４は、単位時間当たりの流量を任意に変更可能に構成される。第二復水ポンプ１４は、作動媒体通路１８ｄを介して第一凝縮器７に接続される。復水タンク１３内の第二作動媒体は、第二復水ポンプ１４によって第一凝縮器７に供給される。すなわち、第二作動媒体は、第一凝縮器７において第一作動媒体から熱が供給される。

気液分離装置１５は、第二作動媒体を気相（蒸気）と液相とに分離する。気液分離装置１５は、気相保持部分１５ａと液相保持部分１５ｂとから構成される。気液分離装置１５には、作動媒体通路１８ｅを介して第一凝縮器７が接続される。これにより、気液分離装置１５には、第一凝縮器７において加熱されたことで気相と液相とが混在した第二作動媒体が供給される。また、気液分離装置１５は、気相保持部分１５ａが作動媒体通路１８ｆを介して第二スクロール形流体機械１０に接続される。さらに、気液分離装置１５は、液相保持部分１５ｂが作動媒体通路１８ｇを介して熱交換器１６に接続される。これにより、第二作動媒体は、気相部分が第二スクロール形流体機械１０に供給され、液相部分が熱交換器１６に供給される。

熱交換器１６は、第二作動媒体と冷却媒体との間で熱交換するものである。熱交換器１６は、作動媒体通路１８ｈを介して復水タンク１３に接続される。また、熱交換器１６は、冷却媒体として給水通路２０を介して外部熱機器群２２と接続される。熱交換器１６は、作動媒体通路１８ｇを介して液相としての第二作動媒体が供給される。熱交換器１６は、第二作動媒体と給水との熱交換によって第二作動媒体を冷却すると共に給水を加熱する。

調量弁１７は、第二作動媒体の流量を制御する。調量弁１７は、作動媒体通路１８ｈに設けられる。調量弁１７は、弁の開度を任意に設定することができる。すなわち、調量弁１７は、通過する流体の単位時間当たりの流量を任意に変更可能に構成される。

制御装置２１は、熱需要に基づいて廃熱回収ランキンサイクルシステム１の制御を行う。制御装置２１は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納される。制御装置２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

制御装置２１は、外部熱機器群２２に接続され、外部熱機器群２２から熱需要についての情報を取得することができる。制御装置２１は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１を構成する各種装置、例えば、第二復水ポンプ１４及び調量弁１７に接続される。制御装置２１は、第二復水ポンプ１４が供給する第二作動媒体の単位時間当たりの流量を制御することができる。また、制御装置２１は、調量弁１７の開度を制御することができる。

このような構成の廃熱回収ランキンサイクルシステム１において、第一ランキンサイクル２は、蒸気発生器４によって加熱された第一作動媒体によって第一スクロール形流体機械５の駆動に用いられる。第一スクロール形流体機械５から排出された第一作動媒体は、第一凝縮器７によって復水された後に蒸気発生器４に供給される。第二ランキンサイクル３は、第一凝縮器７における第一作動媒体との熱交換によって第二作動媒体が加熱される。第二作動媒体は、気液分離装置１５によって気相（蒸気）部分と液相部分とに分離される。第二作動媒体のうち気相部分は、第二スクロール形流体機械１０の駆動に用いられる。第二作動媒体のうち液相部分は、熱交換器１６に供給され給水の加熱に用いられる。このようにして、第一作動媒体によって発電がされるとともに、第二作動媒体によって発電及び給熱が行われる。

次に、図１及び図２を用いて、廃熱回収ランキンサイクルシステム１における第二作動媒体の相変化について説明する。

図２は、本実施形態におけるＴ−Ｓ線図（温度−エントロピ線図）である。図中における矢印は、第二作動媒体のランキンサイクルを示している。

図１及び図２に示すように、温度Ｔ１は、第一凝縮器７の入口温度、温度Ｔ２は、第二作動媒体の蒸気温度である。点Ａ１は、第一凝縮器７の入口における第二作動媒体の状態である。点Ａ２は、第一凝縮器７での蒸気発生開始点である。点Ａ３は、第一凝縮器７の出口における第二作動媒体の状態である。点Ａ４は、第二スクロール形流体機械１０の蒸気排出口における第二作動媒体の状態である。

点Ａ１から点Ａ２の間において、第二作動媒体は、液相として存在し、蒸気発生器４によって加熱及び加圧される。そして、点Ａ２の状態において第二作動媒体は、液相から気相（蒸気）への相変化を開始する。

点Ａ２から点Ａ３の間において、第二作動媒体は、蒸気発生器４によってさらに加熱及び加圧される。この間において、第二作動媒体は、液相と気相とが混在している。第二作動媒体は、点Ａ３の状態において気相への相変化が完了される。点Ａ３から点Ａ４の間において、第二作動媒体は、第二スクロール形流体機械１０の膨張室内において膨張しながら仕事をする。膨張室内における第二作動媒体の膨張は、近似的な断熱膨張であることから第二作動媒体の温度が低下する。この間において、第二作動媒体の一部は、凝縮して気相から液相への相変化を開始する。

点Ａ４から点Ａ１の間において、第二作動媒体は、第二凝縮器１２によって冷却され、一定圧力の状態で凝縮する。この間において、第二作動媒体は、気相から液相への相変化を開始する。この結果、第二作動媒体は、点Ａ１の状態において液相への相変化が完了する。

次に、図１から図３を用いて第二ランキンサイクル３における第二復水ポンプ１４の動作態様について説明する。

図１に示すように、第二作動媒体は、第二復水ポンプ１４によって第一凝縮器７に供給される。この際、第一作動媒体から供給される第二作動媒体の単位流量当たりの給熱量は、第二復水ポンプ１４の運転状態及び調量弁１７の開度から決定される第二作動媒体の単位時間当たりの流量（以下、単に、「流量Ｆ」とする）が増加するほど減少する。すなわち、第二作動媒体の相状態は、第二作動媒体の流量Ｆによって決定される。

図３に示すように、第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｌ未満である場合、第二作動媒体は、第一凝縮器７において第一作動媒体からの熱によって全て気相である蒸気に相変化する。すなわち、第二作動媒体は、図２における点Ａ１の状態から点Ａ３の状態に相変化して第一凝縮器７から排出される。気相である第二作動媒体は、気液分離装置１５によってすべて第二スクロール形流体機械１０に供給される。この結果、第二ランキンサイクル３は、第二スクロール形流体機械１０によって発電が行われ、熱交換器１６による給水への熱の供給は行われない。

図３に示すように、第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｌ以上流量Ｆｈ未満である場合、第二作動媒体は、第一凝縮器７において第一作動媒体から第二作動媒体に供給される第二作動媒体の単位流量当たりの給熱量の減少に伴い、その一部だけが気相に相変化する。すなわち、第二作動媒体は、図２における点Ａ１の状態から流量Ｆに応じた点Ａ２と点Ａ３との間の状態に相変化して第一凝縮器７から排出される。具体的には、第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｌである場合、第二作動媒体は、その大部分が気相に相変化している。第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｌと流量Ｆｈの間である場合、第二作動媒体は、その流量Ｆに応じた割合で気相に相変化している。つまり、流量Ｆに応じた割合で気相と液相とが混在している。第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｈ近傍である場合、第二作動媒体は、その大部分が液相でありごく一部が気相に相変化している。

気相として存在する第二作動媒体は、気液分離装置１５によって第二スクロール形流体機械１０に供給される。この結果、第二ランキンサイクル３は、第二スクロール形流体機械１０によって発電が行われる。一方、液相として存在する第二作動媒体は、気液分離装置１５によって熱交換器１６に供給される。この結果、第二ランキンサイクル３は、熱交換器１６において第二作動媒体から給水に熱が供給される。

図３に示すように、第二作動媒体の流量Ｆが流量Ｆｈよりも大きい場合、第二作動媒体は、第一凝縮器７において第一作動媒体から第二作動媒体に供給される第二作動媒体の単位流量当たりの給熱量では気相である蒸気に相変化することなく液相を維持する。すなわち、第二作動媒体は、図２における点Ａ１の状態から相変化を伴わない点Ａ２の状態で第一凝縮器７から排出される。液相である第二作動媒体は、気液分離装置１５によってすべて熱交換器１６に供給される。この結果、第二ランキンサイクル３は、熱交換器１６において第二作動媒体から給水に熱が供給され、第二スクロール形流体機械１０による発電は行われない。

このようにして、第二ランキンサイクル３は、第二作動媒体の流量Ｆを変更することによって、発電量と給水に供給される熱量との割合を変更することができる。

以下では、図４を用いて上述の如く構成される廃熱回収ランキンサイクルシステム１における制御装置２１の動作態様について説明する。

制御装置２１は、外部熱機器群２２から熱需要についての情報を取得する。制御装置２１は、取得した情報に基づいて第二復水ポンプ１４が供給する第二作動媒体の流量Ｆ及び調量弁１７の開度を制御する（図１参照）。

図４に示すように、制御装置２１は、以下のステップで第二復水ポンプ１４を制御する。

まず、ステップＳ１０１において、制御装置２１は、制御装置２１に接続されている外部熱機器群２２からの熱需要についての情報、第二作動媒体の流量Ｆを取得する。

ステップＳ１０２において、制御装置２１は、外部熱機器群２２からの熱需要についての情報から、第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも多いか否か判定する。すなわち、第一凝縮器７における熱交換によって気相に相変化しなかった液相である第二作動媒体から給水への給水の単位時間当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも多いか否か判定する。その結果、第二復水ポンプ１４が供給する第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも多いと判定した場合、すなわち、熱交換による第二作動媒体から給水への給水の単位流量当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも多いと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０３に移行させる。一方、第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも多くないと判定した場合、すなわち、熱交換による第二作動媒体から給水への給水の単位時間当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも多くないと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ２０３に移行させる。

ステップＳ１０３において、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４の運転状態及び調量弁１７の開度を制御して第二作動媒体の流量Ｆを目標流量Ｆｔまで減少させる。これにより、熱交換器１６における給水への給水の単位時間当たりの給熱量が減少する。一方、第一凝縮器７における熱交換によって気相に相変化した第二作動媒体の流量が増加する。これにより、第二スクロール形流体機械１０に供給される第二作動媒体が増加し、第二発電機１１による発電量が増加する。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ２０３において、制御装置２１は、外部熱機器群２２からの熱需要についての情報から、第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも少ないか否か判定する。すなわち、第一凝縮器７における熱交換によって気相に相変化しなかった第二作動媒体から給水への給水の単位時間当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも少ないか否か判定する。その結果、第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも少ないと判定した場合、すなわち、熱交換による第二作動媒体から給水への給水の単位時間当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも少ないと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ２０４に移行させる。一方、第二作動媒体の流量Ｆが熱需要に基づいた目標流量Ｆｔよりも少なくないと判定した場合、すなわち、熱交換による第二作動媒体から給水への給水の単位時間当たりの給熱量が外部熱機器群２２からの熱需要よりも少なくないと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ２０４において、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４の運転状態及び調量弁１７の開度を制御して第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｔまで増加させる。これにより、熱交換器１６における給水への給水の単位時間当たりの給熱量が増加する。一方、第一凝縮器７における熱交換によって気相に相変化した第二作動媒体の流量が減少する。これにより、第二スクロール形流体機械１０に供給される第二作動媒体が減少し、第二発電機１１による発電量が減少する。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

また、本実施形態における廃熱回収ランキンサイクルシステム１の他の実施形態として、気液分離装置１５に液面位置検出手段である液面検出センサー１５ｃを設けた構成のものがある。液面検出センサー１５ｃは、気液分離装置１５において分離された液相である第二作動媒体の液面を検出するものである。液面検出センサー１５ｃは、制御装置２１に接続される（図１参照）。また、制御装置２１は、液面検出センサー１５ｃが検出する第二作動媒体の液面位置についての液面信号Ｓを取得することができる。

以下では、図５を用いて上述の如く液面検出センサー１５ｃを設けた廃熱回収ランキンサイクルシステム１における制御装置２１の動作態様について説明する。

まず、ステップＳ１０１において、制御装置２１は、制御装置２１に接続されている外部熱機器群２２からの熱需要についての情報、第二復水ポンプ１４の運転状態及び調量弁１７の開度から決定される第二作動媒体の流量Ｆ、及び液面検出センサー１５ｃから気液分離装置１５における第二作動媒体の液面についての液面信号Ｓを取得する。

ステップＳ１１１において、制御装置２１は、液面信号Ｓが気液分離装置１５に蒸気を分離できる限界の液面位置Ｓｌよりも高いか否か判定する。すなわち、気液分離装置１５において気相である第二作動媒体が熱交換器１６に供給されることがない液面位置か否か判定する。その結果、液面信号Ｓが液面位置Ｓｌよりも高いと判定した場合、すなわち、気相である第二作動媒体が熱交換器１６に供給されることがないと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０２に移行させる。一方、液面信号Ｓが液面位置Ｓｌよりも高くないと判定した場合、すなわち、気相である第二作動媒体が熱交換器１６に供給されると判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ３１２に移行させる。

ステップＳ３１２において、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４を制御して第二作動媒体の流量Ｆを所定量だけ増加させる。すなわち、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４を制御して、気液分離装置１５における第二作動媒体の液面位置を高くする。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ１０２からステップＳ２０４までは既に説明した実施形態と同様であるのでその具体的説明を省略する。

以上が本実施形態に係る廃熱回収ランキンサイクルシステム１の動作態様についての説明である。なお、本発明の技術的思想は、上述したスクロール形流体機械への適用に限るものではなく、その他の構成のスクロール形流体機械に適用することが可能である。

加えて、廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、例えば高温蒸気を用いて推進力を得る船舶等に利用することが可能である。また、本スクロール形流体機械は、他の機器から廃熱を回収して回転動力に変換する動力機械として用いることが可能である。

以上の如く、第一作動媒体で作動される第一ランキンサイクル２と、第一作動媒体よりも低沸点の第二作動媒体で作動される第二ランキンサイクル３と、から構成される廃熱回収ランキンサイクルシステム１であって、第一ランキンサイクル２は、第二作動媒体によって第一作動媒体の蒸気が凝縮される第一凝縮器７を具備し、第二ランキンサイクル３は、第一凝縮器７に第二作動媒体を供給する復水ポンプである第二復水ポンプ１４と、復水ポンプ１４の流量を変更する調量弁１７と、第一凝縮器７で加熱された第二作動媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置１５と、を具備し、第二作動媒体の気相が膨張機に供給され、第二作動媒体の液相が熱交換器１６に供給される。このように構成することで、第二ランキンサイクル３において、廃熱を膨張機の動力として回収するだけでなく給水を加熱するための熱として回収することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

また、制御装置２１を更に備え、熱交換器１６に供給される給水と第二作動媒体との間で熱交換される熱量を増加させる場合、前記第二作動媒体の流量を増大させるように前記復水ポンプの運転状態及び調量弁１７の開度を制御し、熱交換器１６に供給される給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される熱量を減少させる場合、前記第二作動媒体の流量を減少させるように前記復水ポンプの運転状態及び調量弁１７の開度を制御する。このように構成することで、第二作動媒体の流量Ｆを変更して第二作動媒体における気相と液相との割合を変更し、第二スクロール形流体機械１０おいてされる仕事量と熱交換器１６において放出される熱量との比率を変更することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

また、気液分離装置１５が第二作動媒体から気相を分離できる限界の液面位置が検出される液面検出手段を更に備え、制御装置２１は、液面検出手段によって液面位置が検出されると、第二作動媒体の流量を増加させるように前記復水ポンプの運転状態及び調量弁１７の開度を制御する。このように構成することで、熱交換器１６に蒸気が供給されることを防止することができる。これにより、これにより、熱交換器１６の効率を低下させることがない。

以下では、図６を用いて、本発明に係る廃熱回収ランキンサイクルシステム１における第二実施形態である排廃熱回収ランキンサイクルシステム３０について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

排廃熱回収ランキンサイクルシステム３０は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１に加えて、第二凝縮器１２に給水が供給されるように給水通路を切り替えるための切り替え弁２３を更に備える。

切り替え弁２３は、給水通路２０を切り替える。切り替え弁２３は、給水通路２０に設けられる。また、切り替え弁２３には、冷却水通路１９ｂが接続されている。切り替え弁２３は、スプールを摺動させることにより位置Ｘ及び位置Ｙに切り換えることが可能である。また、冷却水通路１９ｃには、冷却水通路を遮断する冷却水弁２４が設けられる。

切り替え弁２３が位置Ｘの状態にある場合、冷却水通路１９ｂは給水通路２０と遮断される。従って、給水通路２０には、給水が供給され、冷却水は供給されない。この際、冷却水弁２４は、冷却水通路１９ｃを遮断しない状態であり、冷却水が冷却水弁２４を介して外部に排出される。切り替え弁２３が位置Ｙの状態にある場合、冷却水通路１９ｂは給水通路２０と連通される。従って、給水通路２０には、給水が供給されずに冷却水が供給される。この際、冷却水弁２４は、冷却水通路１９ｃを遮断する状態であり、冷却水が冷却水弁２４を介して外部に排出されない。

制御装置２１は、外部熱機器群２２に接続され、外部熱機器群２２から熱需要についての情報を取得することができる。制御装置２１は、廃熱回収ランキンサイクルシステム３０を構成する各種装置、例えば、切り替え弁２３及び冷却水弁２４に接続され、切り替え弁２３の位置及び冷却水弁２４の開閉をすることができる。

このような構成の廃熱回収ランキンサイクルシステム３０において、第二スクロール形流体機械１０の駆動に用いられた第二作動媒体は、第二凝縮器１２によって冷却される。すなわち、第二凝縮器１２に供給される冷却水には、第二作動媒体との熱交換によって熱が供給される。外部熱機器群２２からの熱需要が、第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｌとしたときの第二凝縮器１２における冷却水への冷却水の単位時間当たりの給熱量よりも小さい場合、制御装置２１は、切り替え弁２３を位置Ｙの状態に切り替えるとともに冷却水弁２４を閉状態にして、加熱された冷却水を給水通路２０に供給させる。これにより、第二発電機１１による発電量を減少させることなく外部熱機器群２２に熱を供給することができる。

以下では、図７を用いて上述の如く構成される廃熱回収ランキンサイクルシステム３０における制御装置２１の動作態様について説明する。

まず、ステップＳ１０１において、制御装置２１は、制御装置２１に接続されている外部熱機器群２２からの熱需要についての情報、第二復水ポンプ１４の運転状態及び調量弁１７の開度から決定される第二作動媒体の流量Ｆ、及び切り替え弁２３の位置を取得する。

ステップＳ１３１において、制御装置２１は、外部熱機器群２２からの熱需要が、第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｌとしたときの第二作動媒体から冷却水への冷却水の単位時間当たりの給熱量よりも多いか否か判定する。その結果、外部熱機器群２２からの熱需要が第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｌとしたときの第二作動媒体から冷却水への冷却水の単位時間当たりの給熱量よりも多いと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ１３２に移行させる。一方、外部熱機器群２２からの熱需要が第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｌとしたときの第二作動媒体から冷却水への冷却水の単位時間当たりの給熱量よりも多くないと判定した場合、制御装置２１は、ステップをステップＳ４３２に移行させる。

ステップＳ１３２において、制御装置２１は、切り替え弁２３を制御して給水通路２０を連通させるとともに冷却水通路１９ｂと給水通路とを遮断させる。すなわち、制御装置２１は、切り替え弁２３を位置Ｘの状態に制御して加熱された冷却水を給水通路２０に供給させない。合わせて冷却水弁２４を遮断しない状態に制御する。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０２に移行させる。

ステップＳ４３２において、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４を制御して第二作動媒体の流量Ｆを流量Ｆｌにさせる。すなわち、制御装置２１は、第二復水ポンプ１４を制御して第二作動媒体を全て気相として第二スクロール形流体機械１０に供給させる。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ４３３に移行させる。

ステップＳ４３３において、制御装置２１は、切り替え弁２３を制御して給水通路２０を遮断させるとともに冷却水通路１９ｂと給水通路２０とを連通させる。すなわち、制御装置２１は、切り替え弁２３を位置Ｙの状態に制御して加熱された冷却水を給水通路２０に供給させる。合わせて冷却水弁２４を遮断状態に制御する。その後、制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ１０２からステップＳ２０４までは既に説明した実施形態と同様であるのでその具体的説明を省略する。制御装置２１は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

以上の如く、冷却水によって膨張機である第二スクロール形流体機械１０から排出された第二作動媒体が凝縮される第二凝縮器１２と、給水が供給される供給先である外部熱機器群２２に給水に代えて冷却水が供給されるように冷却水の経路が変更される切り替え弁２３と、を更に備え、制御装置２１は、給水と第二作動媒体との間で熱交換される給水の単位流量当たりの熱量が第二凝縮器１２において冷却水と第二作動媒体との間で熱交換される冷却水の単位流量当たりの熱量以下の場合に、冷却水が外部熱機器群２２に供給されるように切り替え弁２３を切り替える。このように構成することで、熱需要が少ない場合には、給水の供給先である外部熱機器群２２に熱を供給しつつ第二作動媒体を全て膨張機に供給することができる。これにより、廃熱が熱需要に応じた形態で効率的に回収される。

１ 廃熱回収ランキンサイクルシステム
２ 第一ランキンサイクル
３ 第二ランキンサイクル
７ 第一凝縮器
１４ 第二復水ポンプ
１５ 気液分離装置
１６ 熱交換器
１７ 調量弁

Claims (3)

1. 第一作動媒体で作動される第一ランキンサイクルと、前記第一作動媒体よりも低沸点の第二作動媒体で作動される第二ランキンサイクルと、から構成される廃熱回収ランキンサイクルシステムであって、
   前記第一ランキンサイクルは、
   前記第二作動媒体によって、前記第一作動媒体が凝縮される第一凝縮器を具備し、
   前記第二ランキンサイクルは、
   前記第一凝縮器に前記第二作動媒体を供給する復水ポンプと、
   前記第二作動媒体の流量を変更する調量弁と、
   前記第一凝縮器で加熱された前記第二作動媒体を気相と液相とに分離する気液分離装置と、を具備し、
   前記第二作動媒体の気相が膨張機に供給され、前記第二作動媒体の液相が熱交換器に供給され、
   制御装置が、
   前記熱交換器に供給される給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される熱量を増加させる場合、前記第二作動媒体の流量を増大させるように前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御し、
   前記熱交換器に供給される給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される熱量を減少させる場合、前記第二作動媒体の流量を減少させるように、前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御するようにプログラムされている
   廃熱回収ランキンサイクルシステム。
2. 前記気液分離装置が前記第二作動媒体から気相を分離できる限界の液面位置が検出される液面検出手段を更に備え、前記制御装置は、前記液面検出手段によって前記液面位置が検出されると、前記第二作動媒体の流量を増加させるように、前記復水ポンプの運転状態及び前記調量弁の開度を制御する請求項１に記載の廃熱回収ランキンサイクルシステム。
3. 冷却水によって前記膨張機から排出された前記第二作動媒体が凝縮される第二凝縮器と、前記給水が供給される供給先に前記給水に代えて前記冷却水が供給されるように前記冷却水の経路が変更される切り替え弁と、を更に備え、前記制御装置は、前記給水と前記第二作動媒体との間で熱交換される給水の単位流量当たりの熱量が、前記第二凝縮器において前記冷却水と前記第二作動媒体との間で熱交換される冷却水の単位流量当たりの熱量以下の場合に、前記冷却水が前記給水先に供給されるように前記切り替え弁を切り替える請求項１又は請求項２に記載の廃熱回収ランキンサイクルシステム。

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