排熱回収発電装置
【課題】小型化および低コスト化した装置構成で温度の異なる熱媒体から熱を回収できる排熱回収発電装置を提供する。
【解決手段】作動媒体の有機媒体経路２３に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって作動媒体を蒸発させる複数の第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５と、単一のラジアルタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５からの各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するパワータービン１７と、パワータービン１７の回転動力によって発電する発電機１９と、パワータービン１７を通過した作動媒体を凝縮させる凝縮器２１と、を備えている。
【解決手段】作動媒体の有機媒体経路２３に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって作動媒体を蒸発させる複数の第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５と、単一のラジアルタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５からの各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するパワータービン１７と、パワータービン１７の回転動力によって発電する発電機１９と、パワータービン１７を通過した作動媒体を凝縮させる凝縮器２１と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排熱回収発電装置は、各種産業用プラント、船舶や車両用の動力源、等から排出される排ガス、温排水等あるいは地熱・ＯＴＥＣ等から回収した熱エネルギーを用いて発電するものである（特許文献１、特許文献２参照）。
排熱回収発電装置では、一般に、熱源の熱によって加熱蒸発させられた作動媒体をタービンに導入し、作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換し、発電している。タービンとしては、ラジアルタービンが広く用いられている。
【０００３】
ラジアルタービンでは、作動媒体の圧力に対し最適な条件に設計されるので、圧力の異なる複数の作動媒体が提供される場合、たとえば、特許文献１に示されるように、複数のタービンおよび発電機、すなわち、それぞれの１つの圧力の作動媒体に対して１つのタービンおよび発電機が用いられている。
あるいは、発電機は１台で、複数のタービンが軸接続されている構造も用いられる。これは、同一圧力の作動媒体を用いているものであるが、たとえば、特許文献２に示される構造とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０１−２８５６０７号公報
【特許文献２】特開平０８−２１８８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に示されるように複数のタービンを用いるものは、装置が大型化し、それに伴い製造コストが増加することになる。特に、設置スペースが限定される船舶では使用が制約される。
また、特許文献２に示されるように同一軸に複数のタービンホイールを設ける場合、タービン部品点数が多く、構造が複雑となるし、製造コストが増加することになる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、小型化および低コスト化した装置構成で温度の異なる熱媒体から熱を回収できる排熱回収発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、作動媒体の循環経路に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって前記作動媒体を蒸発させる複数の蒸発器と、単一のタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される前記各蒸発器からの前記各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するラジアルタービンと、該ラジアルタービンの回転動力によって発電する発電機と、前記ラジアルタービンを通過した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、を備えている排熱回収発電装置である。
【０００８】
本態様では、複数の蒸発器が作動媒体の循環経路に並列に設置され、各蒸発器では作動媒体が温度の異なる熱媒体によって蒸発させられているので、各蒸発器では、温度および圧力の異なるガス状の作動媒体が生成される。これらの圧力の異なる作動媒体は、ラジアルタービンのタービンホイールにおけるそれぞれ軸線方向で異なる位置、すなわち、供給される作動媒体の圧力がタービンホイールを流れる出口に向かい順次低下する圧力に一致するような位置に導入される。これら軸線方向で異なる位置から導入された作動媒体は、順次混合されるとともに順次圧力を低減されつつタービンホイールから流出し、タービンホイールに回転動力を発生させる。発電機は、タービンホイール、言い換えるとラジアルタービンの回転動力によって発電を行う。ラジアルタービンを通過した作動媒体は、凝縮器によって凝縮され、循環経路を通って各蒸発器に送られる。
このように、温度の異なる熱媒体によって圧力の異なる作動媒体を発生させ、それらの作動媒体を単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができるので、装置全体の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができるとともに温度の異なる熱媒体から有効に熱を回収できる。
【０００９】
本態様では、前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のシュラウド面に少なくとも１個のシュラウド側入口を備えているようにしてもよい。
【００１０】
主入口には、最も圧力の高い作動媒体が供給される。主入口から導入された作動媒体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出される。シュラウド面に設けられたシュラウド側入口に供給される作動流体は、主入口から導入され主通路を通る作動媒体と混合される。
シュラウド側入口に供給される作動流体は、主入口から導入され、主通路を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさの圧力、すなわち、主入口へ供給される作動媒体よりも低圧力とされる。軸線方向で主入口から離隔するほど低圧力とされる。蒸発器で生成される作動媒体の圧力に応じて、シュラウド側入口の設置位置が設定される。
【００１１】
本態様では、前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に前記主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口を備えているようにしてもよい。
【００１２】
主入口から導入された作動媒体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出される。主通路のハブ面から分岐され主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口に供給される作動流体は、従通路を通って主入口から導入され主通路を通る作動媒体と混合される。ハブ側入口から導入される作動媒体は、混合部分における圧力が、主入口から導入され、主通路を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさの圧力とされる。ハブ側入口と主入口との半径方向位置に応じ、外周側に位置する方に高圧力の作動流体が供給される。
なお、シュラウド側入口と組み合わせることによって、多数の圧力の異なる作動媒体を取り扱えることができる。
【００１３】
本態様では、前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水と、が用いられるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすると、排ガスよりも温度レベルが低く有効利用されていなかったエンジン冷却水（たとえば８０〜９０℃）および過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水（たとえば１３０〜１４０℃）から熱量を回収することができる。
【００１５】
本態様では、前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を該内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気と、が用いられるようにしてもよい。
【００１６】
このようにすると、エンジン冷却水および空気冷却水に加えて内燃機関の排ガスからも熱回収できるので、有効な排熱回収を行うことができる。
また、過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気は、比較的高温であるので、蒸発器で高圧の作動媒体を得ることができ、ラジアルタービンの出力を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、温度の異なる熱媒体によって圧力の異なる作動媒体を発生させ、それらの作動媒体を単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができるので、装置全体の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができるとともに温度の異なる熱媒体から有効に熱を回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンを示す断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンのさらに別の実施態様を示す断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図６】本発明の第三実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図７】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンを示す断面図である。
【図８】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図９】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１１】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１２】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかる排熱回収発電装置１について図１および図２に基づいて説明する。
本実施形態にかかる排熱回収発電装置１は、船舶の推進用主機としてのディーゼルエンジン（内燃機関）３の排熱回収用として設置された構成を例としている。
図１は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。図２は、排熱回収発電装置１のパワータービン１７を示す断面図である。
【００２１】
排熱回収発電装置１には、ディーゼルエンジン３のシリンダブロック等を冷却するシリンダジャケット内を流れるジャケット冷却水（熱媒体、エンジン冷却水）から熱回収し、する第一排熱回収器（蒸発器）５と、ディーゼルエンジン３の過給機７から吐出される圧縮空気を冷却する第一空気冷却器９を通る空気冷却水（熱媒体）から熱回収する第二排熱回収器（蒸発器）１１と、第一空気冷却器９を通る空気冷却水が第二排ガスエコノマイザ１３で加熱された蒸気（熱媒体）から熱回収する第三排熱回収器（蒸発器）１５と、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で熱回収され、蒸発された有機媒体（作動媒体）のエネルギーを回転動力に変換するパワータービン（ラジアルタービン）１７と、パワータービン１７の回転動力によって電力を生成する発電機１９と、パワータービン１７からの有機媒体を凝縮させる凝縮器２１と、これらの機器を結んで有機媒体が循環する有機媒体経路（循環経路）２３と、有機媒体経路２３を通って有機媒体を循環させる有機媒体用ポンプ２４と、が備えられている。
【００２２】
排熱回収発電装置１は、有機ランキンサイクル（Organic Rankin Cycle）を構成している。
有機媒体経路２３は、有機媒体用ポンプ２４とパワータービン１７との間で、第一排熱回収器５を通る経路、第二排熱回収器１１を通る経路および第三排熱回収器１５を通る経路が並列となるようにされている。言い換えると、第三排熱回収器１５を通る経路から第一排熱回収器５を通る経路および第二排熱回収器１１を通る経路が分岐され、パワータービン１７で合流するようにされている。
有機媒体経路２３を流れる有機媒体としては、たとえば、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や冷媒として用いられるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等を用いることができる。有機媒体は、回収する複数の熱媒体の温度分布に応じて最適なものが選定される。
【００２３】
シリンダジャケット内を流れるジャケット冷却水は、ジャケット冷却水ポンプ２５によって、ジャケット冷却水循環流路２７内を循環する。このジャケット冷却水循環流路２７は、シリンダジャケット、温度調整用三方弁２９、ジャケット冷却水ポンプ２５という順番でジャケット冷却水が流れるように形成されている。ジャケットから出たジャケット冷却水は、たとえば８０〜９０℃の水温である。
ジャケット冷却水循環流路２７には、第一排熱回収器５を経由するバイパス流路３１が設けられている。このバイパス流路３１を流れる流量は、バイパス流量調節弁３３によって調整する。これにより、第一排熱回収器５を流れるジャケット冷却水の流量を調整できるようになっている。
【００２４】
温度調整用三方弁２９は、シリンダジャケットから流出するジャケット冷却水が所望の出口温度となるように動作する。具体的には、ジャケット冷却水がシリンダジャケットから流出する出口温度が設定値よりも高い場合には、図示しないセントラル冷却器から流入する約３６℃程度の清水をジャケット冷却水循環流路２７へ多く流すように動作する。
第二空気冷却器３５は、過給機７から吐出された圧縮空気の流れに対して、第一空気冷却器９の下流側に設置されている。したがって、第一空気冷却器９の方が、第二空気冷却器３５よりも温度レベルが高くなるように設置されている。
第二空気冷却器３５にて圧縮空気を冷却した清水は、再びセントラル冷却器へと返送される。
【００２５】
過給機７で圧縮された圧縮空気は、たとえば、１５０〜１６０℃であり、第一空気冷却器９および第二空気冷却器３５を通ってディーゼルエンジン３に供給され、図示しない燃料供給系から供給された燃料と混合されて燃焼される。燃焼に伴う排ガスは、過給機７の作動に用いられた後、排ガス経路３７を通って煙突３９から外部に排出される。過給機７を出た排ガスの温度は、たとえば、２２０℃程度である。
排ガス経路３７には、第二排ガスエコノマイザ１３と、第二排ガスエコノマイザ１３の上流側に配置された第一排ガスエコノマイザ４１と、が設置されている。排ガス経路３７は、排ガスが、第一排ガスエコノマイザ４１および第二排ガスエコノマイザ１３を通過する、両者のいずれか一方を通過する、あるいは、両者を通過しない、のいずれかを選択できるように構成されている。
【００２６】
第一排ガスエコノマイザ４１には、蒸気ドラム４３との間に循環経路４５が形成されている。蒸気ドラム４３内の水をボイラドラム水循環ポンプ４７によって第一排ガスエコノマイザ４１へ送り、排ガスの熱回収によって蒸気を発生させている。発生した蒸気は、船舶の補助装置へ送られた後、たとえば、７０℃程度の水として大気圧ドレンタンク４９へ戻される。
大気圧ドレンタンク４９の水は、給水ポンプ５１によって蒸気ドラム４３に給水される。このとき、蒸気ドラムレベル制御弁５３によって蒸気ドラム４３内の水位が調整される。
【００２７】
また、大気圧ドレンタンク４９の水は、給水ポンプ５５によって給水経路５７を通って、第一空気冷却器９および第二排熱回収器１１を通った後、大気圧ドレンタンク４９に戻るように循環される。
給水経路５７には、第一空気冷却器９と第二排熱回収器１１との間に位置する分岐点Ａで分岐された分岐経路５９が接続されている。分岐経路５９は、第二排ガスエコノマイザ１３および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。第一空気冷却器９を通った空気冷却水は、分岐経路５９を通って第二排ガスエコノマイザ１３に供給され、排ガスによって高温・高圧の蒸気とされ、第三排熱回収器１５に供給される。
【００２８】
パワータービン１７には、ケーシング６１と、ケーシング６１に回転可能に支持された回転軸６３と、回転軸１３の外周に取り付けられたラジアルタービンホイール（タービンホイール）６５と、が備えられている。
ラジアルタービンホイール６５の外周端には、回転軸６３にほぼ平行な主入口６７が形成されている。
主入口６7の外周側には、スクロール状の空間である主流入路６９が形成されている。主流入路６９には、第三排熱回収器１５から供給される有機媒体が導入される主導入路７１が接続されている。主流入路６９と主入口６７との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル７３が設けられている接続路で接続されている。
【００２９】
ラジアルタービンホイール６５には、主入口６７からタービンホイール出口７５に向かって流れが流出するように半径方向から軸方向に向かい湾曲するとともに翼高さが順次高くなる主通路７７が形成されている。
主通路７７のシュラウド面には、主入口６７に対し半径方向および軸方向に離隔した位置にシュラウド側従入口（シュラウド側入口）７９が形成されている。
シュラウド側従入口７９の外周側には、スクロール状の空間であるシュラウド側従流入路８１が形成されている。シュラウド側従流入路８１には、第二排熱回収器１１から供給される有機媒体が導入されるシュラウド側従導入路８３が接続されている。シュラウド側従流入路８１とシュラウド側従入口７９との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル８５が設けられている接続路で接続されている。
【００３０】
主通路７７のハブ面には、背面側に向かい延在する従通路８７が備えられている。主通路７７と従通路８７とは、点線で示される主通路７７のハブ面の仮想線である合流部で流れが合流するように構成されている。言い換えれば、従通路８７は、主通路７７から分岐され、主通路７７の背面側に向かい延在するように形成されている。
従通路８７の背面側の外周端には、主入口２７と異なる半径位置に全周に亘るハブ側従入口（ハブ側入口）８９が形成されている。
ハブ側従入口８９の外周側には、一様な断面形状をした空間であるハブ側従流入路９１が形成されている。ハブ側従流入路９１には、第一排熱回収器５から供給される有機媒体が導入されるハブ側従導入路９３が接続されている。ハブ側従流入路９１とハブ側従入口８９との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル９５が設けられている接続路で接続されている。
【００３１】
主入口６７、シュラウド側従入口７９およびハブ側従入口８９の半径方向位置は、主入口６７が最も外周側に位置し、ハブ側従入口８９が最も内周側に位置させている。
シュラウド側従入口７９の半径方向位置は、シュラウド側従入口７９から導入される有機媒体の圧力が、主入口６７から導入され、主通路７７を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさとなるように設定される。
シュラウド側従入口７９は、スペースに余裕があれば軸線方向に複数設けられるようにしてもよい。
【００３２】
ハブ側従入口８９の半径方向位置は、ハブ側従入口８９から導入される有機媒体の圧力が従通路８７を通って順次低減された合流部における有機媒体の圧力が、主入口６７から導入され、主通路７７を通って順次圧力が低減される作動流体の合流部における圧力と略一致する大きさとなるように設定される。
したがって、ハブ側従入口８９の半径方向位置を主入口６７の半径方向位置よりも外周側に位置させ、ハブ側従入口８９に主入口６７に導入する有機媒体よりも高圧の有機媒体を供給するようにしてもよい。
【００３３】
次に、上記構成の排熱回収発電装置１の動作について説明する。
有機媒体用ポンプ２４を作動させると、凝縮器２１で海水によって凝縮された、たとえば、３５℃程度の有機媒体は、有機媒体経路２３を循環する。このとき、有機媒体の一部は、第一排熱回収器５を通ってパワータービン１７のハブ側従導入路９３へ、他の一部は、第二排熱回収器１１を通ってパワータービン１７のシュラウド側従導入路８３へ、残りは、第三排熱回収器１５を通ってパワータービン１７の主導入路７１へ供給される。
【００３４】
ジャケット冷却水ポンプ２５によってシリンダジャケットへと導かれたジャケット冷却水は、シリンダジャケットにてシリンダブロック等を冷却することによって、たとえば、８０〜９０℃に昇温させられる。このジャケット冷却水はバイパス流路３１を経由して第一排熱回収器５を通るので、ジャケット冷却水と有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、ジャケット冷却水によって、たとえば、６４℃程度に昇温され、蒸発させられる。言い換えると、ジャケット冷却水の顕熱が有機媒体経路２３を通る有機媒体に回収される。
【００３５】
ディーゼルエンジン３の過給機７によって圧縮された圧縮空気は、第一空気冷却器９および第二空気冷却器３５を通ってディーゼルエンジン３に供給される。このとき、第一空気冷却器９には、給水ポンプ５５によって大気圧ドレンタンク４９の、たとえば、７０℃程度の水が給水経路５７を通って通過しているので、たとえば、１５０〜１６０℃になる圧縮空気は、この水と熱交換され、たとえば、８０℃程度に冷却される。一方、給水経路５７を通る水は、圧縮空気によって加熱され、たとえば、１４０℃程度に昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が給水経路５７を通る水に回収される。
給水経路５７を通る水は、第一空気冷却器９で昇温された後、第二排熱回収器１１を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、たとえば、１００℃程度に昇温され、蒸発させられる。したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気の顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００３６】
第一空気冷却器９で昇温された給水経路５７を通る温水の一部は、分岐点Ａにおいて分岐され分岐経路５９を通って第二排ガスエコノマイザ１３を通る。
第二排ガスエコノマイザ１３には、第一排ガスエコノマイザ４１によって熱回収された、たとえば、２１０℃程度の排ガスが導入されているので、分岐経路５９を通る温水は、排ガスと熱交換され、たとえば、１９０〜２００℃に昇温され、蒸気とされる。言い換えると、排ガスの顕熱が分岐経路５９を通過する温水に回収される。
この温水は、分岐経路５９を経由して第三排熱回収器１５を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、たとえば、１２０〜１３０℃程度に昇温され、蒸発させられる。したがって、分岐経路５９を通る温水を介して、圧縮空気および排ガスの顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００３７】
このように、有機媒体経路２３を通る有機媒体は、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で独立して蒸発させられる。このとき、有機媒体の圧力は、第三排熱回収器１５で生成されたものが最も高く、第二排熱回収器１１、第一排熱回収器５の順に低くなる。
第三排熱回収器１５で蒸発させられた比較的高圧の有機媒体は、主導入路７１を通って主流入路６９に流入する。主流入路６９に流入した有機媒体は、主流入路６９およびノズル７３によって流量、流速を調整され、主入口６７から主通路７７に供給される。主通路７７を通る有機媒体は、ラジアルタービンホイール６５の出口まで連続的に圧力が低下しながら流れ、ラジアルタービンホイール６５および回転軸６３に回転動力を発生させる。
【００３８】
第二排熱回収器１１で蒸発させられた比較的中圧の有機媒体は、シュラウド側従導入路８３を通ってシュラウド側従流入路８１に流入する。シュラウド側従流入路８１に流入した有機媒体は、シュラウド側従流入路８１およびノズル８５によって流量、流速を調整され、シュラウド側従入口７９からラジアルタービンホイール６５に供給され、主入口６７から供給された有機媒体と混合される。
このとき、このシュラウド側従入口７９からラジアルタービンホイール６５内に供給される有機媒体の圧力は、主通路７７を流れる出口に向かい順次、言い換えれば連続的に低下する有機媒体のシュラウド側従入口７９位置における圧力に一致するようにされている。
【００３９】
第一排熱回収器５で蒸発させられた比較的低圧の有機媒体は、ハブ側従導入路９３を通ってハブ側従流入路９１に流入する。ハブ側従流入路９１に流入した有機媒体は、ノズル９５によって流量、流速を調整され、ハブ側従入口８９からラジアルタービンホイール６５の従通路８７に供給される。この有機媒体は、従通路８７を通るにつれて減圧され、合流部で主通路７７を流れる有機媒体と合流される。
このとき、ハブ側従入口８９に供給される有機媒体の圧力は、合流部での主通路７７を流れる有機媒体の圧力と略一致するように設定されている。
【００４０】
このように、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５からの圧力の異なる有機媒体を、それぞれラジアルタービンホイール６５の主入口６７、シュラウド側従入口７９およびハブ側従入口８９に供給することによって、単一のラジアルタービンホイール６５によって回転動力として取り出すことができる。
これにより、本実施形態にかかるパワータービン１７は、複数のタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。このため、排熱回収装置１の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができる。
また、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で、有機媒体は、ジャケット冷却水、過給機７で圧縮された圧縮空気および燃焼排ガスから熱回収するので、ディーゼルエンジン３の排熱を有効に回収することができる。
【００４１】
パワータービン１７にて仕事を終えた有機媒体は、凝縮器２１へと導かれ、海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮され、液化される。
なお、上記した各温度は、一例を示したものであり、それぞれの流体の流量、ディーゼルエンジン３の運転状況等種々の状況に応じて変化するものである。
【００４２】
なお、本実施形態では、シュラウド側従流入路８１がスクロール状とされているが、図３に示されるように一様な断面形状をした空間であるコレクタとしてもよい。これは、主流入路６９も同様である。こうすると、製造コストをより低減させることができる。
主導入路７１、シュラウド側従導入路８３およびハブ側従導入路９３の取付位置は、パワータービン１７の設置位置に合わせて設定してもよい。たとえば、図４に示されるように、シュラウド側従導入路８３を下部に位置するように設定してもよい。
【００４３】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図５を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５の熱源が異なるので、この異なる点について主として説明する。したがって、第一実施形態と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図５は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。
【００４４】
本実施形態では、第二排ガスエコノマイザ１３は設置されていない。
また、給水経路５７は、大気圧ドレンタンク４９の水が、第二空気冷却器３５を通って第二排熱回収器１１に供給され、その後は、大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
給水経路５７には、第二空気冷却器３５と第二排熱回収器１１との間に位置する分岐点Ｂで分岐された分岐経路９７が接続されている。分岐経路９７は、第一空気冷却器９および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
【００４５】
このように構成された本実施形態にかかる排熱回収装置１は、排熱回収を除き第一実施形態と同様に動作するので、重複する部分の説明は省略する。
本実施形態では、ディーゼルエンジン３の過給機７によって圧縮された、たとえば、１５０〜１６０℃になる圧縮空気は、第一空気冷却器９で後述する熱交換を行い低温とされた状態で第二空気冷却器３５に導入される。このとき、第二空気冷却器３５には、給水ポンプ５５によって大気圧ドレンタンク４９の水が給水経路５７を通って通過しているので、圧縮空気は、この水と熱交換され、冷却される。一方、給水経路５７を通る水は、圧縮空気によって加熱され、昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が給水経路５７を通る水に回収される。
給水経路５７を通る水は、第二空気冷却器３５で昇温された後、第二排熱回収器１１を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は昇温され、蒸発させられる。したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気の顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００４６】
第二空気冷却器３５で昇温された給水経路５７を通る温水の一部は、分岐点Ｂにおいて分岐され分岐経路９７を通って第一空気冷却器９を通る。
第一空気冷却器９には、第二空気冷却器３５よりも温度の高い圧縮空気が導入されているので、分岐経路９７を通る温水は、温度の高い圧縮空気と熱交換され、昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が分岐経路９７を通過する温水に回収される。
分岐経路９７が第三排熱回収器１５を通る際、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は昇温され、蒸発させられる。したがって、分岐経路９７を通る温水を介して、圧縮空気が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００４７】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図６および図７を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して第二排熱回収器１１が備えられていない点で異なるので、この異なる点について主として説明する。したがって、第一実施形態と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図６は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。図７は、排熱回収発電装置１のパワータービン１７を示す断面図である。
【００４８】
本実施形態では、第二排熱回収器１１が用いられていないので、第二排熱回収器１１およびこれに関連する部材を省略できる分、排熱回収発電装置１をより小型化することができる。
また、パワータービン１７は、第一実施形態のものに比べ、第二排熱回収器１１からの作動流体を取り扱うシュラウド側従入口７９、シュラウド側従流入路８１、シュラウド側従導入路８３およびノズル８５が省略されている構成とされている。
したがって、パワータービン１７の構造を簡素化でき、小型化できるとともに製造コストを低減できる。
【００４９】
なお、排熱回収発電装置１に用いられるパワータービン１７は、図７に示される構造に限定されるものではない。
たとえば、図８に示されるように、主流入路６９および主導入路７１とシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３とが全周に亘り一体的に構成されるとともに主流入路６９とシュラウド側従流入路９１とが連通するように構成されている。そして、主流入路６９とシュラウド側従流入路９１とが仕切板１００で仕切られ、高圧側では、ノズル７３、主入口６７および主通路７７、低圧側では、ノズル９５、ハブ側従入口８９および従通路８７がそれぞれ構成されるようにしてもよい。
これにより、回転軸６３は、長さを短くすることができ、軸振動を減少させることができる。
【００５０】
また、図９に示されるように、スクロールを形成するシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３が軸方向に扁平にされていてもよ。
このようにすると、ケーシング６１の開放時に、ケーシング６１がシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３に干渉しないようにすることができる。これにより、ケーシング６１の分解を容易に行うことができる。
【００５１】
また、図１０に示されるように、回転軸６３におけるパワータービン１７の取付位置に対する反対側端部に、別の独立した付加パワータービン１８を備えるようにしてもよい。
付加パワータービン１８は、パワータービン１７とは媒体の流れる流路が独立しているので、パワータービン１７とは別の媒体で駆動することも、同一の媒体で駆動することもできる。たとえば、付加パワータービン１８にパワータービン１７に供給される有機媒体よりも高圧な第二排ガスエコノマイザ１３からの蒸気を直接導入することができる。これにより、ディーゼルエンジン３の排熱を一層有効に回収することができる。パワータービン１８の排気を、別途設けられた低圧のパワータービンに導入することもできる。
なお、図１０では、パワータービン１７は図８に示された構造のものとしているが、これに限定されるものではなく、付加パワータービン１８は、本実施形態で説明したパワータービン１７を含む適宜構造をしたパワータービン１７と組み合わせることができる。
【００５２】
図１１に示されるパワータービン１７は、回転軸６３が磁気軸受１１０,１１１によって支持されるように構成されている。
このように回転軸６３が磁気軸受１１０,１１１によって支持されると、潤滑油を供給しないでもよいので、有機媒体中に潤滑油が飛散することを防止することができる。
【００５３】
また、図１２に示されるように、パワータービン１７は、シュラウド側従入口７９、シュラウド側従流入路８１、シュラウド側従導入路８３およびノズル８５を備え、ハブ側従入口８９、シュラウド側従流入路９１、シュラウド側従導入路９３およびノズル９５を省略するようにし、第一排熱回収器５からの有機媒体をシュラウド側従入口７９から主通路７７導入するようにしてもよい。
このようにすると、従通路８７を設けなくともよいので、パワータービン１７をより小型化することができる。
【００５４】
また、給水経路５７は、大気圧ドレンタンク４９の水が第一空気冷却器９を通った後、第二排ガスエコノマイザ１３および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
【００５５】
このように構成された本実施形態にかかる排熱回収装置１は、第二排熱回収器１１がない点およびそれに伴う排熱回収を除き第一実施形態と同様に動作するので、重複する部分の説明は省略する。
給水経路５７を通る水は、第一空気冷却器９を通る際に、圧縮空気によって昇温され、次いで、第二排ガスエコノマイザ１３を通る際に、排ガスに加熱され、第三排熱回収器１５に供給される。第三排熱回収器１５で、有機媒体は、給水経路５７を通る熱媒により加熱され、昇温される。
したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気および排ガスの顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００５６】
なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、上述した各実施形態の排熱回収発電装置１は、船舶への適用を例として説明したが、発電等に用いられる陸用の内燃機関に適用することもできるし、各種産業用プラントの排熱、地熱・ＯＴＥＣ等を用いた発電等に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 排熱回収発電装置
３ ディーゼルエンジン
５ 第一排熱回収器
７ 過給機
１１ 第二排熱回収器
１５ 第三排熱回収器
１７ パワータービン
１９ 発電機
２１ 凝縮器
２３ 有機媒体経路
６５ ラジアルタービンホイール
６７ 主入口
７７ 主通路
７９ シュラウド側従入口
８７ 従通路
８９ ハブ側従入口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排熱回収発電装置は、各種産業用プラント、船舶や車両用の動力源、等から排出される排ガス、温排水等あるいは地熱・ＯＴＥＣ等から回収した熱エネルギーを用いて発電するものである（特許文献１、特許文献２参照）。
排熱回収発電装置では、一般に、熱源の熱によって加熱蒸発させられた作動媒体をタービンに導入し、作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換し、発電している。タービンとしては、ラジアルタービンが広く用いられている。
【０００３】
ラジアルタービンでは、作動媒体の圧力に対し最適な条件に設計されるので、圧力の異なる複数の作動媒体が提供される場合、たとえば、特許文献１に示されるように、複数のタービンおよび発電機、すなわち、それぞれの１つの圧力の作動媒体に対して１つのタービンおよび発電機が用いられている。
あるいは、発電機は１台で、複数のタービンが軸接続されている構造も用いられる。これは、同一圧力の作動媒体を用いているものであるが、たとえば、特許文献２に示される構造とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０１−２８５６０７号公報
【特許文献２】特開平０８−２１８８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に示されるように複数のタービンを用いるものは、装置が大型化し、それに伴い製造コストが増加することになる。特に、設置スペースが限定される船舶では使用が制約される。
また、特許文献２に示されるように同一軸に複数のタービンホイールを設ける場合、タービン部品点数が多く、構造が複雑となるし、製造コストが増加することになる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、小型化および低コスト化した装置構成で温度の異なる熱媒体から熱を回収できる排熱回収発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、作動媒体の循環経路に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって前記作動媒体を蒸発させる複数の蒸発器と、単一のタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される前記各蒸発器からの前記各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するラジアルタービンと、該ラジアルタービンの回転動力によって発電する発電機と、前記ラジアルタービンを通過した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、を備えている排熱回収発電装置である。
【０００８】
本態様では、複数の蒸発器が作動媒体の循環経路に並列に設置され、各蒸発器では作動媒体が温度の異なる熱媒体によって蒸発させられているので、各蒸発器では、温度および圧力の異なるガス状の作動媒体が生成される。これらの圧力の異なる作動媒体は、ラジアルタービンのタービンホイールにおけるそれぞれ軸線方向で異なる位置、すなわち、供給される作動媒体の圧力がタービンホイールを流れる出口に向かい順次低下する圧力に一致するような位置に導入される。これら軸線方向で異なる位置から導入された作動媒体は、順次混合されるとともに順次圧力を低減されつつタービンホイールから流出し、タービンホイールに回転動力を発生させる。発電機は、タービンホイール、言い換えるとラジアルタービンの回転動力によって発電を行う。ラジアルタービンを通過した作動媒体は、凝縮器によって凝縮され、循環経路を通って各蒸発器に送られる。
このように、温度の異なる熱媒体によって圧力の異なる作動媒体を発生させ、それらの作動媒体を単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができるので、装置全体の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができるとともに温度の異なる熱媒体から有効に熱を回収できる。
【０００９】
本態様では、前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のシュラウド面に少なくとも１個のシュラウド側入口を備えているようにしてもよい。
【００１０】
主入口には、最も圧力の高い作動媒体が供給される。主入口から導入された作動媒体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出される。シュラウド面に設けられたシュラウド側入口に供給される作動流体は、主入口から導入され主通路を通る作動媒体と混合される。
シュラウド側入口に供給される作動流体は、主入口から導入され、主通路を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさの圧力、すなわち、主入口へ供給される作動媒体よりも低圧力とされる。軸線方向で主入口から離隔するほど低圧力とされる。蒸発器で生成される作動媒体の圧力に応じて、シュラウド側入口の設置位置が設定される。
【００１１】
本態様では、前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に前記主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口を備えているようにしてもよい。
【００１２】
主入口から導入された作動媒体は、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を通って順次圧力を低減されつつタービンホイールから吐出される。主通路のハブ面から分岐され主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口に供給される作動流体は、従通路を通って主入口から導入され主通路を通る作動媒体と混合される。ハブ側入口から導入される作動媒体は、混合部分における圧力が、主入口から導入され、主通路を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさの圧力とされる。ハブ側入口と主入口との半径方向位置に応じ、外周側に位置する方に高圧力の作動流体が供給される。
なお、シュラウド側入口と組み合わせることによって、多数の圧力の異なる作動媒体を取り扱えることができる。
【００１３】
本態様では、前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水と、が用いられるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすると、排ガスよりも温度レベルが低く有効利用されていなかったエンジン冷却水（たとえば８０〜９０℃）および過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水（たとえば１３０〜１４０℃）から熱量を回収することができる。
【００１５】
本態様では、前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を該内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気と、が用いられるようにしてもよい。
【００１６】
このようにすると、エンジン冷却水および空気冷却水に加えて内燃機関の排ガスからも熱回収できるので、有効な排熱回収を行うことができる。
また、過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気は、比較的高温であるので、蒸発器で高圧の作動媒体を得ることができ、ラジアルタービンの出力を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、温度の異なる熱媒体によって圧力の異なる作動媒体を発生させ、それらの作動媒体を単一のタービンホイールによって回転動力として取り出すことができるので、装置全体の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができるとともに温度の異なる熱媒体から有効に熱を回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンを示す断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかるパワータービンのさらに別の実施態様を示す断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図６】本発明の第三実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示すブロック図である。
【図７】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンを示す断面図である。
【図８】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図９】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１１】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【図１２】本発明の第三実施形態にかかるパワータービンの別の実施態様を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかる排熱回収発電装置１について図１および図２に基づいて説明する。
本実施形態にかかる排熱回収発電装置１は、船舶の推進用主機としてのディーゼルエンジン（内燃機関）３の排熱回収用として設置された構成を例としている。
図１は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。図２は、排熱回収発電装置１のパワータービン１７を示す断面図である。
【００２１】
排熱回収発電装置１には、ディーゼルエンジン３のシリンダブロック等を冷却するシリンダジャケット内を流れるジャケット冷却水（熱媒体、エンジン冷却水）から熱回収し、する第一排熱回収器（蒸発器）５と、ディーゼルエンジン３の過給機７から吐出される圧縮空気を冷却する第一空気冷却器９を通る空気冷却水（熱媒体）から熱回収する第二排熱回収器（蒸発器）１１と、第一空気冷却器９を通る空気冷却水が第二排ガスエコノマイザ１３で加熱された蒸気（熱媒体）から熱回収する第三排熱回収器（蒸発器）１５と、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で熱回収され、蒸発された有機媒体（作動媒体）のエネルギーを回転動力に変換するパワータービン（ラジアルタービン）１７と、パワータービン１７の回転動力によって電力を生成する発電機１９と、パワータービン１７からの有機媒体を凝縮させる凝縮器２１と、これらの機器を結んで有機媒体が循環する有機媒体経路（循環経路）２３と、有機媒体経路２３を通って有機媒体を循環させる有機媒体用ポンプ２４と、が備えられている。
【００２２】
排熱回収発電装置１は、有機ランキンサイクル（Organic Rankin Cycle）を構成している。
有機媒体経路２３は、有機媒体用ポンプ２４とパワータービン１７との間で、第一排熱回収器５を通る経路、第二排熱回収器１１を通る経路および第三排熱回収器１５を通る経路が並列となるようにされている。言い換えると、第三排熱回収器１５を通る経路から第一排熱回収器５を通る経路および第二排熱回収器１１を通る経路が分岐され、パワータービン１７で合流するようにされている。
有機媒体経路２３を流れる有機媒体としては、たとえば、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や冷媒として用いられるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等を用いることができる。有機媒体は、回収する複数の熱媒体の温度分布に応じて最適なものが選定される。
【００２３】
シリンダジャケット内を流れるジャケット冷却水は、ジャケット冷却水ポンプ２５によって、ジャケット冷却水循環流路２７内を循環する。このジャケット冷却水循環流路２７は、シリンダジャケット、温度調整用三方弁２９、ジャケット冷却水ポンプ２５という順番でジャケット冷却水が流れるように形成されている。ジャケットから出たジャケット冷却水は、たとえば８０〜９０℃の水温である。
ジャケット冷却水循環流路２７には、第一排熱回収器５を経由するバイパス流路３１が設けられている。このバイパス流路３１を流れる流量は、バイパス流量調節弁３３によって調整する。これにより、第一排熱回収器５を流れるジャケット冷却水の流量を調整できるようになっている。
【００２４】
温度調整用三方弁２９は、シリンダジャケットから流出するジャケット冷却水が所望の出口温度となるように動作する。具体的には、ジャケット冷却水がシリンダジャケットから流出する出口温度が設定値よりも高い場合には、図示しないセントラル冷却器から流入する約３６℃程度の清水をジャケット冷却水循環流路２７へ多く流すように動作する。
第二空気冷却器３５は、過給機７から吐出された圧縮空気の流れに対して、第一空気冷却器９の下流側に設置されている。したがって、第一空気冷却器９の方が、第二空気冷却器３５よりも温度レベルが高くなるように設置されている。
第二空気冷却器３５にて圧縮空気を冷却した清水は、再びセントラル冷却器へと返送される。
【００２５】
過給機７で圧縮された圧縮空気は、たとえば、１５０〜１６０℃であり、第一空気冷却器９および第二空気冷却器３５を通ってディーゼルエンジン３に供給され、図示しない燃料供給系から供給された燃料と混合されて燃焼される。燃焼に伴う排ガスは、過給機７の作動に用いられた後、排ガス経路３７を通って煙突３９から外部に排出される。過給機７を出た排ガスの温度は、たとえば、２２０℃程度である。
排ガス経路３７には、第二排ガスエコノマイザ１３と、第二排ガスエコノマイザ１３の上流側に配置された第一排ガスエコノマイザ４１と、が設置されている。排ガス経路３７は、排ガスが、第一排ガスエコノマイザ４１および第二排ガスエコノマイザ１３を通過する、両者のいずれか一方を通過する、あるいは、両者を通過しない、のいずれかを選択できるように構成されている。
【００２６】
第一排ガスエコノマイザ４１には、蒸気ドラム４３との間に循環経路４５が形成されている。蒸気ドラム４３内の水をボイラドラム水循環ポンプ４７によって第一排ガスエコノマイザ４１へ送り、排ガスの熱回収によって蒸気を発生させている。発生した蒸気は、船舶の補助装置へ送られた後、たとえば、７０℃程度の水として大気圧ドレンタンク４９へ戻される。
大気圧ドレンタンク４９の水は、給水ポンプ５１によって蒸気ドラム４３に給水される。このとき、蒸気ドラムレベル制御弁５３によって蒸気ドラム４３内の水位が調整される。
【００２７】
また、大気圧ドレンタンク４９の水は、給水ポンプ５５によって給水経路５７を通って、第一空気冷却器９および第二排熱回収器１１を通った後、大気圧ドレンタンク４９に戻るように循環される。
給水経路５７には、第一空気冷却器９と第二排熱回収器１１との間に位置する分岐点Ａで分岐された分岐経路５９が接続されている。分岐経路５９は、第二排ガスエコノマイザ１３および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。第一空気冷却器９を通った空気冷却水は、分岐経路５９を通って第二排ガスエコノマイザ１３に供給され、排ガスによって高温・高圧の蒸気とされ、第三排熱回収器１５に供給される。
【００２８】
パワータービン１７には、ケーシング６１と、ケーシング６１に回転可能に支持された回転軸６３と、回転軸１３の外周に取り付けられたラジアルタービンホイール（タービンホイール）６５と、が備えられている。
ラジアルタービンホイール６５の外周端には、回転軸６３にほぼ平行な主入口６７が形成されている。
主入口６7の外周側には、スクロール状の空間である主流入路６９が形成されている。主流入路６９には、第三排熱回収器１５から供給される有機媒体が導入される主導入路７１が接続されている。主流入路６９と主入口６７との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル７３が設けられている接続路で接続されている。
【００２９】
ラジアルタービンホイール６５には、主入口６７からタービンホイール出口７５に向かって流れが流出するように半径方向から軸方向に向かい湾曲するとともに翼高さが順次高くなる主通路７７が形成されている。
主通路７７のシュラウド面には、主入口６７に対し半径方向および軸方向に離隔した位置にシュラウド側従入口（シュラウド側入口）７９が形成されている。
シュラウド側従入口７９の外周側には、スクロール状の空間であるシュラウド側従流入路８１が形成されている。シュラウド側従流入路８１には、第二排熱回収器１１から供給される有機媒体が導入されるシュラウド側従導入路８３が接続されている。シュラウド側従流入路８１とシュラウド側従入口７９との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル８５が設けられている接続路で接続されている。
【００３０】
主通路７７のハブ面には、背面側に向かい延在する従通路８７が備えられている。主通路７７と従通路８７とは、点線で示される主通路７７のハブ面の仮想線である合流部で流れが合流するように構成されている。言い換えれば、従通路８７は、主通路７７から分岐され、主通路７７の背面側に向かい延在するように形成されている。
従通路８７の背面側の外周端には、主入口２７と異なる半径位置に全周に亘るハブ側従入口（ハブ側入口）８９が形成されている。
ハブ側従入口８９の外周側には、一様な断面形状をした空間であるハブ側従流入路９１が形成されている。ハブ側従流入路９１には、第一排熱回収器５から供給される有機媒体が導入されるハブ側従導入路９３が接続されている。ハブ側従流入路９１とハブ側従入口８９との間は、周方向に間隔を空けて配置された複数の翼から構成されるノズル９５が設けられている接続路で接続されている。
【００３１】
主入口６７、シュラウド側従入口７９およびハブ側従入口８９の半径方向位置は、主入口６７が最も外周側に位置し、ハブ側従入口８９が最も内周側に位置させている。
シュラウド側従入口７９の半径方向位置は、シュラウド側従入口７９から導入される有機媒体の圧力が、主入口６７から導入され、主通路７７を通って順次圧力が低減される作動流体の圧力と略一致する大きさとなるように設定される。
シュラウド側従入口７９は、スペースに余裕があれば軸線方向に複数設けられるようにしてもよい。
【００３２】
ハブ側従入口８９の半径方向位置は、ハブ側従入口８９から導入される有機媒体の圧力が従通路８７を通って順次低減された合流部における有機媒体の圧力が、主入口６７から導入され、主通路７７を通って順次圧力が低減される作動流体の合流部における圧力と略一致する大きさとなるように設定される。
したがって、ハブ側従入口８９の半径方向位置を主入口６７の半径方向位置よりも外周側に位置させ、ハブ側従入口８９に主入口６７に導入する有機媒体よりも高圧の有機媒体を供給するようにしてもよい。
【００３３】
次に、上記構成の排熱回収発電装置１の動作について説明する。
有機媒体用ポンプ２４を作動させると、凝縮器２１で海水によって凝縮された、たとえば、３５℃程度の有機媒体は、有機媒体経路２３を循環する。このとき、有機媒体の一部は、第一排熱回収器５を通ってパワータービン１７のハブ側従導入路９３へ、他の一部は、第二排熱回収器１１を通ってパワータービン１７のシュラウド側従導入路８３へ、残りは、第三排熱回収器１５を通ってパワータービン１７の主導入路７１へ供給される。
【００３４】
ジャケット冷却水ポンプ２５によってシリンダジャケットへと導かれたジャケット冷却水は、シリンダジャケットにてシリンダブロック等を冷却することによって、たとえば、８０〜９０℃に昇温させられる。このジャケット冷却水はバイパス流路３１を経由して第一排熱回収器５を通るので、ジャケット冷却水と有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、ジャケット冷却水によって、たとえば、６４℃程度に昇温され、蒸発させられる。言い換えると、ジャケット冷却水の顕熱が有機媒体経路２３を通る有機媒体に回収される。
【００３５】
ディーゼルエンジン３の過給機７によって圧縮された圧縮空気は、第一空気冷却器９および第二空気冷却器３５を通ってディーゼルエンジン３に供給される。このとき、第一空気冷却器９には、給水ポンプ５５によって大気圧ドレンタンク４９の、たとえば、７０℃程度の水が給水経路５７を通って通過しているので、たとえば、１５０〜１６０℃になる圧縮空気は、この水と熱交換され、たとえば、８０℃程度に冷却される。一方、給水経路５７を通る水は、圧縮空気によって加熱され、たとえば、１４０℃程度に昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が給水経路５７を通る水に回収される。
給水経路５７を通る水は、第一空気冷却器９で昇温された後、第二排熱回収器１１を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、たとえば、１００℃程度に昇温され、蒸発させられる。したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気の顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００３６】
第一空気冷却器９で昇温された給水経路５７を通る温水の一部は、分岐点Ａにおいて分岐され分岐経路５９を通って第二排ガスエコノマイザ１３を通る。
第二排ガスエコノマイザ１３には、第一排ガスエコノマイザ４１によって熱回収された、たとえば、２１０℃程度の排ガスが導入されているので、分岐経路５９を通る温水は、排ガスと熱交換され、たとえば、１９０〜２００℃に昇温され、蒸気とされる。言い換えると、排ガスの顕熱が分岐経路５９を通過する温水に回収される。
この温水は、分岐経路５９を経由して第三排熱回収器１５を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は、たとえば、１２０〜１３０℃程度に昇温され、蒸発させられる。したがって、分岐経路５９を通る温水を介して、圧縮空気および排ガスの顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００３７】
このように、有機媒体経路２３を通る有機媒体は、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で独立して蒸発させられる。このとき、有機媒体の圧力は、第三排熱回収器１５で生成されたものが最も高く、第二排熱回収器１１、第一排熱回収器５の順に低くなる。
第三排熱回収器１５で蒸発させられた比較的高圧の有機媒体は、主導入路７１を通って主流入路６９に流入する。主流入路６９に流入した有機媒体は、主流入路６９およびノズル７３によって流量、流速を調整され、主入口６７から主通路７７に供給される。主通路７７を通る有機媒体は、ラジアルタービンホイール６５の出口まで連続的に圧力が低下しながら流れ、ラジアルタービンホイール６５および回転軸６３に回転動力を発生させる。
【００３８】
第二排熱回収器１１で蒸発させられた比較的中圧の有機媒体は、シュラウド側従導入路８３を通ってシュラウド側従流入路８１に流入する。シュラウド側従流入路８１に流入した有機媒体は、シュラウド側従流入路８１およびノズル８５によって流量、流速を調整され、シュラウド側従入口７９からラジアルタービンホイール６５に供給され、主入口６７から供給された有機媒体と混合される。
このとき、このシュラウド側従入口７９からラジアルタービンホイール６５内に供給される有機媒体の圧力は、主通路７７を流れる出口に向かい順次、言い換えれば連続的に低下する有機媒体のシュラウド側従入口７９位置における圧力に一致するようにされている。
【００３９】
第一排熱回収器５で蒸発させられた比較的低圧の有機媒体は、ハブ側従導入路９３を通ってハブ側従流入路９１に流入する。ハブ側従流入路９１に流入した有機媒体は、ノズル９５によって流量、流速を調整され、ハブ側従入口８９からラジアルタービンホイール６５の従通路８７に供給される。この有機媒体は、従通路８７を通るにつれて減圧され、合流部で主通路７７を流れる有機媒体と合流される。
このとき、ハブ側従入口８９に供給される有機媒体の圧力は、合流部での主通路７７を流れる有機媒体の圧力と略一致するように設定されている。
【００４０】
このように、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５からの圧力の異なる有機媒体を、それぞれラジアルタービンホイール６５の主入口６７、シュラウド側従入口７９およびハブ側従入口８９に供給することによって、単一のラジアルタービンホイール６５によって回転動力として取り出すことができる。
これにより、本実施形態にかかるパワータービン１７は、複数のタービンあるいは複数のラジアルタービンホイールを備えるタービンに比べて部品点数を低減することができ、製造コストを低減することができる。このため、排熱回収装置１の小型化をはかることができ、製造コストを低減することができる。
また、第一排熱回収器５、第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５で、有機媒体は、ジャケット冷却水、過給機７で圧縮された圧縮空気および燃焼排ガスから熱回収するので、ディーゼルエンジン３の排熱を有効に回収することができる。
【００４１】
パワータービン１７にて仕事を終えた有機媒体は、凝縮器２１へと導かれ、海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮され、液化される。
なお、上記した各温度は、一例を示したものであり、それぞれの流体の流量、ディーゼルエンジン３の運転状況等種々の状況に応じて変化するものである。
【００４２】
なお、本実施形態では、シュラウド側従流入路８１がスクロール状とされているが、図３に示されるように一様な断面形状をした空間であるコレクタとしてもよい。これは、主流入路６９も同様である。こうすると、製造コストをより低減させることができる。
主導入路７１、シュラウド側従導入路８３およびハブ側従導入路９３の取付位置は、パワータービン１７の設置位置に合わせて設定してもよい。たとえば、図４に示されるように、シュラウド側従導入路８３を下部に位置するように設定してもよい。
【００４３】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図５を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して第二排熱回収器１１および第三排熱回収器１５の熱源が異なるので、この異なる点について主として説明する。したがって、第一実施形態と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図５は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。
【００４４】
本実施形態では、第二排ガスエコノマイザ１３は設置されていない。
また、給水経路５７は、大気圧ドレンタンク４９の水が、第二空気冷却器３５を通って第二排熱回収器１１に供給され、その後は、大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
給水経路５７には、第二空気冷却器３５と第二排熱回収器１１との間に位置する分岐点Ｂで分岐された分岐経路９７が接続されている。分岐経路９７は、第一空気冷却器９および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
【００４５】
このように構成された本実施形態にかかる排熱回収装置１は、排熱回収を除き第一実施形態と同様に動作するので、重複する部分の説明は省略する。
本実施形態では、ディーゼルエンジン３の過給機７によって圧縮された、たとえば、１５０〜１６０℃になる圧縮空気は、第一空気冷却器９で後述する熱交換を行い低温とされた状態で第二空気冷却器３５に導入される。このとき、第二空気冷却器３５には、給水ポンプ５５によって大気圧ドレンタンク４９の水が給水経路５７を通って通過しているので、圧縮空気は、この水と熱交換され、冷却される。一方、給水経路５７を通る水は、圧縮空気によって加熱され、昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が給水経路５７を通る水に回収される。
給水経路５７を通る水は、第二空気冷却器３５で昇温された後、第二排熱回収器１１を通るので、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は昇温され、蒸発させられる。したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気の顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００４６】
第二空気冷却器３５で昇温された給水経路５７を通る温水の一部は、分岐点Ｂにおいて分岐され分岐経路９７を通って第一空気冷却器９を通る。
第一空気冷却器９には、第二空気冷却器３５よりも温度の高い圧縮空気が導入されているので、分岐経路９７を通る温水は、温度の高い圧縮空気と熱交換され、昇温される。言い換えると、圧縮空気の顕熱が分岐経路９７を通過する温水に回収される。
分岐経路９７が第三排熱回収器１５を通る際、有機媒体経路２３を通る有機媒体との間で熱交換が行われ、有機媒体は昇温され、蒸発させられる。したがって、分岐経路９７を通る温水を介して、圧縮空気が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００４７】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図６および図７を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して第二排熱回収器１１が備えられていない点で異なるので、この異なる点について主として説明する。したがって、第一実施形態と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図６は、本実施形態にかかる排熱回収発電装置１を概略的に示すブロック図である。図７は、排熱回収発電装置１のパワータービン１７を示す断面図である。
【００４８】
本実施形態では、第二排熱回収器１１が用いられていないので、第二排熱回収器１１およびこれに関連する部材を省略できる分、排熱回収発電装置１をより小型化することができる。
また、パワータービン１７は、第一実施形態のものに比べ、第二排熱回収器１１からの作動流体を取り扱うシュラウド側従入口７９、シュラウド側従流入路８１、シュラウド側従導入路８３およびノズル８５が省略されている構成とされている。
したがって、パワータービン１７の構造を簡素化でき、小型化できるとともに製造コストを低減できる。
【００４９】
なお、排熱回収発電装置１に用いられるパワータービン１７は、図７に示される構造に限定されるものではない。
たとえば、図８に示されるように、主流入路６９および主導入路７１とシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３とが全周に亘り一体的に構成されるとともに主流入路６９とシュラウド側従流入路９１とが連通するように構成されている。そして、主流入路６９とシュラウド側従流入路９１とが仕切板１００で仕切られ、高圧側では、ノズル７３、主入口６７および主通路７７、低圧側では、ノズル９５、ハブ側従入口８９および従通路８７がそれぞれ構成されるようにしてもよい。
これにより、回転軸６３は、長さを短くすることができ、軸振動を減少させることができる。
【００５０】
また、図９に示されるように、スクロールを形成するシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３が軸方向に扁平にされていてもよ。
このようにすると、ケーシング６１の開放時に、ケーシング６１がシュラウド側従流入路９１およびシュラウド側従導入路９３に干渉しないようにすることができる。これにより、ケーシング６１の分解を容易に行うことができる。
【００５１】
また、図１０に示されるように、回転軸６３におけるパワータービン１７の取付位置に対する反対側端部に、別の独立した付加パワータービン１８を備えるようにしてもよい。
付加パワータービン１８は、パワータービン１７とは媒体の流れる流路が独立しているので、パワータービン１７とは別の媒体で駆動することも、同一の媒体で駆動することもできる。たとえば、付加パワータービン１８にパワータービン１７に供給される有機媒体よりも高圧な第二排ガスエコノマイザ１３からの蒸気を直接導入することができる。これにより、ディーゼルエンジン３の排熱を一層有効に回収することができる。パワータービン１８の排気を、別途設けられた低圧のパワータービンに導入することもできる。
なお、図１０では、パワータービン１７は図８に示された構造のものとしているが、これに限定されるものではなく、付加パワータービン１８は、本実施形態で説明したパワータービン１７を含む適宜構造をしたパワータービン１７と組み合わせることができる。
【００５２】
図１１に示されるパワータービン１７は、回転軸６３が磁気軸受１１０,１１１によって支持されるように構成されている。
このように回転軸６３が磁気軸受１１０,１１１によって支持されると、潤滑油を供給しないでもよいので、有機媒体中に潤滑油が飛散することを防止することができる。
【００５３】
また、図１２に示されるように、パワータービン１７は、シュラウド側従入口７９、シュラウド側従流入路８１、シュラウド側従導入路８３およびノズル８５を備え、ハブ側従入口８９、シュラウド側従流入路９１、シュラウド側従導入路９３およびノズル９５を省略するようにし、第一排熱回収器５からの有機媒体をシュラウド側従入口７９から主通路７７導入するようにしてもよい。
このようにすると、従通路８７を設けなくともよいので、パワータービン１７をより小型化することができる。
【００５４】
また、給水経路５７は、大気圧ドレンタンク４９の水が第一空気冷却器９を通った後、第二排ガスエコノマイザ１３および第三排熱回収器１５を通って大気圧ドレンタンク４９に戻るように構成されている。
【００５５】
このように構成された本実施形態にかかる排熱回収装置１は、第二排熱回収器１１がない点およびそれに伴う排熱回収を除き第一実施形態と同様に動作するので、重複する部分の説明は省略する。
給水経路５７を通る水は、第一空気冷却器９を通る際に、圧縮空気によって昇温され、次いで、第二排ガスエコノマイザ１３を通る際に、排ガスに加熱され、第三排熱回収器１５に供給される。第三排熱回収器１５で、有機媒体は、給水経路５７を通る熱媒により加熱され、昇温される。
したがって、給水経路５７を通る水を介して、圧縮空気および排ガスの顕熱が有機媒体経路２３の有機媒体に回収されることになる。
【００５６】
なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、上述した各実施形態の排熱回収発電装置１は、船舶への適用を例として説明したが、発電等に用いられる陸用の内燃機関に適用することもできるし、各種産業用プラントの排熱、地熱・ＯＴＥＣ等を用いた発電等に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 排熱回収発電装置
３ ディーゼルエンジン
５ 第一排熱回収器
７ 過給機
１１ 第二排熱回収器
１５ 第三排熱回収器
１７ パワータービン
１９ 発電機
２１ 凝縮器
２３ 有機媒体経路
６５ ラジアルタービンホイール
６７ 主入口
７７ 主通路
７９ シュラウド側従入口
８７ 従通路
８９ ハブ側従入口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体の循環経路に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって前記作動媒体を蒸発させる複数の蒸発器と、
単一のタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される前記各蒸発器からの前記各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するラジアルタービンと、
該ラジアルタービンの回転動力によって発電する発電機と、
前記ラジアルタービンを通過した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
を備えていることを特徴とする排熱回収発電装置。
【請求項２】
前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のシュラウド面に少なくとも１個のシュラウド側入口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収発電装置。
【請求項３】
前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に前記主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回収発電装置。
【請求項４】
前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水と、が用いられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
【請求項５】
前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を該内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気と、が用いられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
【請求項１】
作動媒体の循環経路に並列に設置され、それぞれ温度の異なる熱媒体によって前記作動媒体を蒸発させる複数の蒸発器と、
単一のタービンホイールで構成され、それぞれ軸線方向で異なる位置から導入される前記各蒸発器からの前記各作動媒体の旋回エネルギーを回転動力に変換するラジアルタービンと、
該ラジアルタービンの回転動力によって発電する発電機と、
前記ラジアルタービンを通過した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
を備えていることを特徴とする排熱回収発電装置。
【請求項２】
前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のシュラウド面に少なくとも１個のシュラウド側入口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収発電装置。
【請求項３】
前記タービンホイールは、外周端に主入口を有し、半径方向から軸方向に湾曲しつつ順次翼高さが高くなる主通路を備えるとともに該主通路のハブ面から分岐され前記主通路の背面側に向かい延在する従通路の外周端に前記主入口と異なる半径方向位置とされたハブ側入口を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回収発電装置。
【請求項４】
前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水と、が用いられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
【請求項５】
前記熱媒体として内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と、該内燃機関の過給機から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却水を該内燃機関の排ガスによって加熱した蒸気と、が用いられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２１５１２４（Ｐ２０１２−２１５１２４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１０９４（Ｐ２０１１−８１０９４）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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