熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種即使從熱源供給的熱量變動也能夠維持穩(wěn)定的發(fā)電效率的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)。具有蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、循環(huán)泵，前述蒸發(fā)器借助熱源的熱將工作介質(zhì)加熱氣化，前述膨脹機(jī)被由前述蒸發(fā)器氣化的高壓的氣相工作介質(zhì)驅(qū)動，是容積型的，前述發(fā)電機(jī)被連結(jié)在前述膨脹機(jī)上來被驅(qū)動，前述冷凝器將從前述膨脹機(jī)送出的低溫低壓的氣相工作介質(zhì)冷卻來冷凝，前述循環(huán)泵將由前述冷凝器冷凝的液相工作介質(zhì)汲取，升壓，向前述蒸發(fā)器輸送。膨脹機(jī)具備使工作介質(zhì)階段性地膨脹的多個膨脹部。并且，多個膨脹部構(gòu)成為，通過在設(shè)計階段中調(diào)整內(nèi)部容積比，在膨脹機(jī)的吸入壓力或吐出壓力的至少一方變動的情況下，在變動范圍內(nèi)整體隔熱效率為70%以上。
【專利說明】
熱回收型發(fā)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及熱回收型發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為將低溫的廢熱回收來進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)，周知有雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)借助廢熱使沸點較低的工作介質(zhì)蒸發(fā)氣化，借助工作介質(zhì)的氣相流使容積型的膨脹機(jī)、例如螺旋式膨脹渦輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，使發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)一起旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行發(fā)電。此外，由這樣的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱回收的熱源遍布向船舶用發(fā)動機(jī)供給的增壓空氣、發(fā)動機(jī)的廢熱、火力發(fā)電站、焚燒施設(shè)、工廠等的廢熱等多個分支。
[0003]這樣的發(fā)電系統(tǒng)為了提高作為廢熱利用系統(tǒng)的利用價值，發(fā)電效率的提高成為問題。作為面向這樣的問題開發(fā)的例子，已知有專利文獻(xiàn)I中記載的技術(shù)。
[0004]專利文獻(xiàn)I中記載的技術(shù)是，使構(gòu)成螺旋式膨脹渦輪的陽轉(zhuǎn)子及陰轉(zhuǎn)子的螺旋的有效長與外徑D的比即L/D變長，使吸入口的內(nèi)端朝向前述陽轉(zhuǎn)子及陰轉(zhuǎn)子的高壓側(cè)端部附近的外周面開口。專利文獻(xiàn)I通過采取這樣的結(jié)構(gòu)，與如以往那樣經(jīng)過有限的面積的噴口向作用室流入的結(jié)構(gòu)相比，使工作介質(zhì)的流入損失變少，實現(xiàn)了效率的提高。
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開平9一88502號公報。
[0006]但是，以往的這樣的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)有從熱源供給的熱量容易變動而發(fā)電效率不穩(wěn)定的問題。此外，在專利文獻(xiàn)I所記載的方法中，有不能對應(yīng)于這樣的發(fā)電效率的穩(wěn)定化的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是鑒于這樣的背景而做出的，目的是提供一種即使從熱源供給的熱量變動、也能夠維持穩(wěn)定的發(fā)電效率的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)。
[0008]有關(guān)本發(fā)明的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，具有蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、循環(huán)栗，前述蒸發(fā)器借助熱源的熱將工作介質(zhì)加熱氣化，前述膨脹機(jī)被由前述蒸發(fā)器氣化的高壓的氣相工作介質(zhì)驅(qū)動，前述膨脹機(jī)是容積型的，前述發(fā)電機(jī)被連結(jié)在前述膨脹機(jī)上來被驅(qū)動，前述冷凝器將從前述膨脹機(jī)送出的低溫低壓的氣相工作介質(zhì)冷卻來冷凝，前述循環(huán)栗將由前述冷凝器冷凝的液相工作介質(zhì)汲取，升壓，向前述蒸發(fā)器輸送，前述膨脹機(jī)具備使工作介質(zhì)階段性地膨脹的多個膨脹部，前述多個膨脹部構(gòu)成為，通過在設(shè)計階段中調(diào)整內(nèi)部容積比，在前述膨脹機(jī)的吸入壓力或吐出壓力的至少一方變動的情況下，在變動范圍內(nèi)整體隔熱效率(全斷熱効率)為70%以上。
[0009]此外，優(yōu)選的是，調(diào)整前述膨脹機(jī)，以使各膨脹部的內(nèi)部容積比大致相同。
[0010]這里所謂“大致相同”，是關(guān)于從技術(shù)常識看判斷為想要使各膨脹部的內(nèi)部容積比相同的、即使有一些差異也看作相同的意思。因而，根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由于實現(xiàn)了多個膨脹部的共通化，所以設(shè)計及制造變?nèi)菀住?br>[0011]此外，優(yōu)選的是，前述膨脹機(jī)通過變更各膨脹部的膨脹行程結(jié)束位置來調(diào)整內(nèi)部容積比。
[0012]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，通過變更吐出口的形狀及大小，能夠變更各膨脹部的膨脹行程結(jié)束位置，能夠容易地調(diào)整膨脹行程結(jié)束時的容積。因而，通過這樣變更吐出口的形狀及大小，能夠容易地調(diào)整內(nèi)部容積比。
[0013]此外，多個膨脹部也可以由高壓側(cè)膨脹部和低壓側(cè)膨脹部的兩級構(gòu)成。
[0014]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠在抑制制造成本的同時做成高效率的發(fā)電系統(tǒng)。
[0015]此外，前述蒸發(fā)器構(gòu)成為，借助從增壓機(jī)向發(fā)動機(jī)供給的增壓空氣來加熱。
[0016]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠利用從增壓機(jī)向發(fā)動機(jī)供給的增壓空氣的熱量供給在船舶內(nèi)使用的電力。
[0017]此外，優(yōu)選的是，前述吸入壓力的前述變動范圍是IMPa以上2MPa以下的范圍，前述高壓側(cè)膨脹部及低壓側(cè)膨脹部的內(nèi)部容積比為，兩者都是2.6 ± 0.3。
[0018]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒗脧脑鰤簷C(jī)向發(fā)動機(jī)供給的增壓空氣的熱量及來自節(jié)能器的蒸氣的熱量的情況下的壓力變動覆蓋。此外，在此情況下，膨脹機(jī)的隔熱效率在低熱量供給時能夠維持73%，在高熱量供給時能夠維持75%，能夠使發(fā)熱量提高10%。
[0019]此外，優(yōu)選的是，前述多個膨脹部分別是螺旋式膨脹渦輪，前述多個膨脹部和前述發(fā)電機(jī)容納在一個箱體內(nèi)。
[0020]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由于借助在膨脹機(jī)中膨脹而壓力、溫度下降的工作介質(zhì)將發(fā)電機(jī)的繞組冷卻，所以能夠?qū)l(fā)電機(jī)的效率維持得較高。此外，能夠做成工作介質(zhì)及潤滑油不泄漏的構(gòu)造，由此能夠進(jìn)行長期的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
[0021]根據(jù)有關(guān)本發(fā)明的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，即使從熱源供給的熱量變動，也能夠維持穩(wěn)定的發(fā)電效率。
【附圖說明】
[0022]圖1是表示有關(guān)本發(fā)明的實施方式的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的配管系統(tǒng)圖。
[0023]圖2是該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電裝置的剖視圖。
[0024]圖3是該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計流程圖。
[0025]圖4是表示在該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計時使用的膨脹機(jī)的壓力比、內(nèi)部容積比、整體隔熱效率的關(guān)系的線圖。
[0026]圖5是說明該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的膨脹機(jī)出入口的壓力狀態(tài)的說明圖，圖5(a)是I級的情況下的圖，圖5(b)是2級的情況下的圖。
[0027]圖6是說明該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)中的膨脹機(jī)的壓力比、內(nèi)部容積比及整體隔熱效率的設(shè)定值的線圖。
[0028]圖7是該發(fā)電裝置中的螺旋式膨脹渦輪的吐出口附近的部分放大剖視圖。
[0029]圖8是該熱回收型發(fā)電系統(tǒng)的P—h線圖(莫利爾線圖)。
【具體實施方式】
[0030]以下參照【附圖說明】有關(guān)實施方式的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)。另外，本發(fā)明并不限定于以下說明的例示，而由權(quán)利要求書表示，意味著包含與權(quán)利要求書等同的意義及范圍內(nèi)的全部變更。
[0031]如圖1所示，有關(guān)實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)由能夠用來利用廢熱的熱源側(cè)流體回路I和將廢熱回收的工作介質(zhì)回路10構(gòu)成。
[0032]熱源側(cè)流體回路I能夠用來利用船舶推進(jìn)用的柴油發(fā)動機(jī)2的廢熱，具備用來將向柴油發(fā)動機(jī)2供給的吸氣壓縮的增壓機(jī)3，并且具備以排出氣體為熱源生成蒸氣的節(jié)能器4。
[0033]增壓機(jī)3連結(jié)在被柴油發(fā)動機(jī)2的排出氣體驅(qū)動的渦輪5上。此外構(gòu)成為，被增壓機(jī)3壓縮的壓縮空氣的熱被向構(gòu)成后述工作介質(zhì)回路10的蒸發(fā)器18的第I蒸發(fā)器16供給，在第I蒸發(fā)器16中將在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)加熱。由此，來自增壓機(jī)3的壓縮空氣被第I蒸發(fā)器16冷卻，被向柴油發(fā)動機(jī)2供給。
[0034]此外，節(jié)能器4構(gòu)成為，以穿過了驅(qū)動增壓機(jī)3的渦輪5后的排出氣體為熱源。構(gòu)成為，由節(jié)能器4生成的蒸氣的熱被向構(gòu)成后述工作介質(zhì)回路10的蒸發(fā)器18的第2蒸發(fā)器17供給，在第2蒸發(fā)器17中將在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)加熱。由第2蒸發(fā)器17將工作介質(zhì)加熱來液化的水被儲存到蓄水器6中，被栗7汲取來向節(jié)能器4送回。另外，在蒸氣被供給到船內(nèi)的需要地而蓄水器6內(nèi)的水減少的情況下，被從給水栓(不圖示)補(bǔ)給水。
[0035]工作介質(zhì)回路10形成有機(jī)蘭金循環(huán)式的發(fā)電裝置、所謂雙循環(huán)發(fā)電裝置。工作介質(zhì)回路10將膨脹機(jī)11、發(fā)電機(jī)12、冷凝器13、蓄水器14、循環(huán)栗15、第I蒸發(fā)器16、第2蒸發(fā)器17依次連結(jié)來形成密閉回路，在回路內(nèi)填充有工作介質(zhì)。第I蒸發(fā)器16和第2蒸發(fā)器17構(gòu)成工作介質(zhì)回路10中的蒸發(fā)器18。
[0036]工作介質(zhì)利用比水低沸點的有機(jī)流體。作為有機(jī)流體，使用R245fa。
[0037]膨脹機(jī)11作為將由蒸發(fā)器18加熱后的氣相工作介質(zhì)向膨脹室吸入并借助吸入的工作介質(zhì)的壓力來對應(yīng)于膨脹室的容積變化得到旋轉(zhuǎn)力的容積型膨脹機(jī)而使用螺旋式膨脹渦輪。此外，膨脹機(jī)11使吸入的高壓的氣相工作介質(zhì)以兩階段膨脹，具備由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成的高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22。容積型的膨脹機(jī)11能夠?qū)⑷肟趥?cè)和出口側(cè)的氣相工作介質(zhì)的壓力差效率良好地變換為旋轉(zhuǎn)力。因此，與以往的使用蒸氣渦輪形式的膨脹機(jī)的情況相比，能夠從低壓的氣相工作介質(zhì)效率良好地得到旋轉(zhuǎn)動力。
[0038]發(fā)電機(jī)12以高壓側(cè)膨脹部21、低壓側(cè)膨脹部22及發(fā)電機(jī)12同軸地固定的狀態(tài)收存在一個箱體30A內(nèi)，以使構(gòu)成膨脹機(jī)11的高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22的動力被傳遞給發(fā)電機(jī)12來生成電力。即，高壓側(cè)膨脹部21、低壓側(cè)膨脹部22及發(fā)電機(jī)12形成了作為一軸一體構(gòu)造的半密閉構(gòu)造的發(fā)電裝置30。
[0039]從膨脹機(jī)11吐出的氣相工作介質(zhì)在發(fā)電裝置30的箱體30A內(nèi)將發(fā)電機(jī)12冷卻后，被從發(fā)電裝置30的箱體30A內(nèi)導(dǎo)出。
[0040]冷凝器13將從發(fā)電裝置30導(dǎo)出的低溫的氣相工作介質(zhì)用冷卻水進(jìn)一步冷卻來使其冷凝液化。作為冷卻水使用海水。
[0041 ]蓄水器14是將由冷凝器13液化的工作介質(zhì)暫時儲存的容器。從該容器僅將液相工作介質(zhì)取出。
[0042]循環(huán)栗15在工作介質(zhì)回路10內(nèi)使工作介質(zhì)循環(huán)。在該回路中，發(fā)揮作用，以將蓄水器14內(nèi)的液狀冷媒汲取并升壓、向構(gòu)成蒸發(fā)器18的第I蒸發(fā)器16輸送。
[0043]蒸發(fā)器18將由循環(huán)栗15送來的液相工作介質(zhì)用增壓機(jī)3的增壓空氣的熱加熱，由此將增壓空氣的熱量向工作介質(zhì)回路10取入。第2蒸發(fā)器17將由第I蒸發(fā)器16加熱后的工作介質(zhì)再以由節(jié)能器4生成的蒸氣為熱源進(jìn)行加熱，將蒸氣的熱量向工作介質(zhì)回路10取入。這樣，被蒸發(fā)器18加熱的工作介質(zhì)成為氣相而被向膨脹機(jī)11輸送。
[0044]接著，基于圖2更具體地說明發(fā)電裝置30的構(gòu)造。另外，在以下的說明中，將圖2中的左右方向作為發(fā)電裝置30的左右方向，將圖2中的上下方向作為發(fā)電裝置30的上下方向，將圖2中的近側(cè)作為發(fā)電裝置30的前方，將圖2中的背面?zhèn)茸鳛榘l(fā)電裝置30的后方。
[0045]箱體30A為了將高壓側(cè)膨脹部21、低壓側(cè)膨脹部22及發(fā)電機(jī)12同軸地固定并收存，被分割為五個。將該分割的各箱體從左側(cè)起依次設(shè)為第I箱體31、第2箱體32、第3箱體33、第4箱體34、第5箱體35。此外，五個箱體為借助螺栓等的連結(jié)件(未圖示)連結(jié)的半密閉構(gòu)造。
[0046]第I箱體31是右端開放的容器，在左端的壁中央部設(shè)有用來將氣相工作介質(zhì)向內(nèi)部導(dǎo)入的導(dǎo)入口 41，并且在內(nèi)部形成有為了使流體的流動穩(wěn)定化而具備一定的容積的空間部42。
[0047]第2箱體32具備形成高壓側(cè)膨脹部21的螺旋式膨脹渦輪的轉(zhuǎn)子支承部43。形成高壓側(cè)膨脹部21的螺旋式膨脹渦輪由陰陽一對的螺旋轉(zhuǎn)子21A構(gòu)成。轉(zhuǎn)子支承部43將螺旋轉(zhuǎn)子21A可旋轉(zhuǎn)地支承。此外，在第2箱體32的上方部位，形成有將第I箱體31的空間部42內(nèi)的氣相工作流體向高壓側(cè)膨脹部21的吸入口 44導(dǎo)引的第I連絡(luò)通路45。
[0048]第3箱體33是左端開放的容器，在內(nèi)部形成有容納形成高壓側(cè)膨脹部21的螺旋式膨脹渦輪的螺旋轉(zhuǎn)子21A的第I容納室46。此外，通過第I容納室46的左端抵接在第2箱體32的壁體32A上，形成將工作介質(zhì)向高壓側(cè)膨脹部21的膨脹室引導(dǎo)的吸入口44。此外，在第I容納室46的下方部的壁體部上，形成有用來將由高壓側(cè)膨脹部21膨脹的氣相工作介質(zhì)吐出的吐出口 47，并形成有將從該吐出口 47吐出的氣相工作介質(zhì)向第4箱體34內(nèi)引導(dǎo)的第2連絡(luò)通路48。此外，右端的壁體33A構(gòu)成與第4箱體34的邊界壁。
[0049]第4箱體34是左端開放的容器，在中央部形成有容納形成低壓側(cè)膨脹部22的螺旋式膨脹渦輪的第2容納室49。形成低壓側(cè)膨脹部22的螺旋式膨脹渦輪由陰陽一對的螺旋轉(zhuǎn)子22A構(gòu)成。此外，在第2容納室49的左側(cè)形成有將左端開放的空間部50，構(gòu)成為，能夠?qū)碜缘?連絡(luò)通路48的氣相工作介質(zhì)向該空間部50引導(dǎo)。并且，在第2容納室49的左端上方部形成有低壓側(cè)膨脹部22的吸入口 51。吸入口 51用來將氣相工作介質(zhì)向低壓側(cè)膨脹部22的膨脹室吸入。此外，在吸入口51與空間部50之間，形成有將空間部50的氣相工作介質(zhì)向吸入口51引導(dǎo)的水平方向的第3連絡(luò)通路52。此外，在第2容納室49的下方部的壁體部上，形成有用來使由低壓側(cè)膨脹部22膨脹后的氣相工作介質(zhì)吐出的吐出口 53，并且形成有將從該吐出口53吐出的低溫低壓的氣相工作介質(zhì)向第5箱體35內(nèi)引導(dǎo)的第4連絡(luò)通路54。此外，右端的壁體34A構(gòu)成與第5箱體35的邊界壁。
[0050]形成高壓側(cè)膨脹部21的膨脹渦輪及形成低壓側(cè)膨脹部22的膨脹渦輪是一般的形式，陰陽一對的螺旋轉(zhuǎn)子21A、22A在相同的高度位置處分別以旋轉(zhuǎn)軸相互平行的方式配置。在圖2中，形成高壓側(cè)膨脹部21的膨脹渦輪及形成低壓側(cè)膨脹部22的膨脹渦輪分別配置在近側(cè)，以使陽螺旋轉(zhuǎn)子可見。并且，在高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22中，由螺旋轉(zhuǎn)子21A、22A的葉片和容納室46、49的壁面包圍的空間為膨脹室。此外，各膨脹室形成為，朝向吐出口 47、53逐漸擴(kuò)大。由此，被吸入到各容納室46、49中的工作介質(zhì)隨著朝向吐出口 47、53膨脹，螺旋轉(zhuǎn)子2IA、22A旋轉(zhuǎn)。
[0051]第5箱體35是左端開放的容器，在內(nèi)部容納有發(fā)電機(jī)12。此外，在右端的壁體35A的中央部，形成有將冷卻發(fā)電機(jī)12后的工作介質(zhì)向發(fā)電裝置30的外部導(dǎo)出的導(dǎo)出口 55。
[0052]發(fā)電機(jī)12直接連結(jié)在陰陽螺旋轉(zhuǎn)子的某一方的旋轉(zhuǎn)軸上。在本實施方式中，發(fā)電機(jī)12直接連結(jié)在構(gòu)成低壓側(cè)膨脹部22的近側(cè)的陽螺旋轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上。此外，低壓側(cè)膨脹部22的陽螺旋轉(zhuǎn)子和構(gòu)成高壓側(cè)膨脹部21的近側(cè)的陽螺旋轉(zhuǎn)子被固定在同一旋轉(zhuǎn)軸上。由此，由高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22構(gòu)成的膨脹機(jī)11的旋轉(zhuǎn)動力被向發(fā)電機(jī)12傳遞，能夠由發(fā)電機(jī)12得到電力。由發(fā)電機(jī)12得到的電力經(jīng)由未圖示的電力線被向船內(nèi)系統(tǒng)供給。
[0053]可是，有關(guān)本實施方式的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)為了利用柴油發(fā)動機(jī)2的廢熱，以利用柴油發(fā)動機(jī)2的排出氣體的熱量生成的增壓空氣的熱量為主，利用由節(jié)能器4生成的蒸氣的熱量作為輔助熱源。增壓空氣的熱量根據(jù)柴油發(fā)動機(jī)2的運轉(zhuǎn)負(fù)荷的大小變化而增減。此夕卜，蒸氣的熱量根據(jù)其他需要地的蒸氣的消耗量，與能夠由本熱回收型發(fā)電系統(tǒng)利用的蒸氣量一起，能夠利用的熱量變動。但是，本熱回收型發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了膨脹機(jī)11，以使得即使在利用的熱源的熱量中有變動，也能夠維持穩(wěn)定的發(fā)電效率。
[0054]接著，參照圖3說明膨脹機(jī)11的設(shè)計次序。
[0055]膨脹機(jī)11中的由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成的高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22構(gòu)成為，能夠?qū)崿F(xiàn)各自的螺旋轉(zhuǎn)子21A、22A的共通化。首先，如步驟SI所示，準(zhǔn)備各自的螺旋式膨脹渦輪的效率曲線。該效率曲線是按照內(nèi)部容積比Vi表示整體隔熱效率(全斷熱効率)相對于壓力比Ps/Pd的變化的特性線圖。這里，內(nèi)部容積比Vi是指吸入行程截止時的膨脹室的容積與膨脹行程結(jié)束時的膨脹室的容積的比。此外，壓力比Ps/Pd是指膨脹渦輪的吐出壓力Pd相對于膨脹渦輪的吸入壓力Ps的比。這樣的線圖例如是圖4所示那樣的。
[0056]接著，如步驟S2所示，根據(jù)熱源的熱量變化及冷卻水的溫度預(yù)測并設(shè)定膨脹機(jī)11的吸入壓力Ps和吐出壓力Pd。就該實施方式而言，如圖5(a)所示，當(dāng)將增壓空氣的熱量及蒸氣的熱量合計的熱量為最大預(yù)測值的高熱量供給時，膨脹機(jī)11的吸入壓力Ps為2MPa，膨脹機(jī)11的吐出壓力Pd為0.16MPa。因而，預(yù)測為壓力比Ps/Pd=2.0/0.16=12.5。另外，膨脹機(jī)11的吐出壓力Pd由作為冷卻水的海水的流量和溫度確定，但在船內(nèi)這些值不怎么變化。因而，吐出壓力Pd被維持為大致一定。
[0057]另一方面，在將增壓空氣的熱量及蒸氣的熱量合計的熱量為最小預(yù)測值的低熱量供給時，膨脹機(jī)11的吸入壓力Ps為IMPa，膨脹機(jī)11的吐出壓力Pd為0.16MPa，預(yù)測為壓力比Ps/Pd=l.0/0.16=6.26。
[0058]如果基于圖4調(diào)查由I級的螺旋式膨脹渦輪處理的情況下的效率，則在使內(nèi)部容積比Vi為2.6的情況下，雖然在圖4中斷開了，但實際上高熱量供給時(壓力比Ps/Pd=12.5)的效率是55%，低熱量供給時(壓力比Ps/Pd=6.26)的效率為67%。此外，在使內(nèi)部容積比Vi為3.6的情況下，高熱量供給時(壓力比Ps/Pd=12.5)的效率是59%，低熱量供給時(壓力比Ps/Pd=6.26)的效率為71%。此外，在使內(nèi)部容積比Vi為5.0的情況下，高熱量供給時(壓力比Ps/Pd=I 2.5 )的效率是62%，低熱量供給時(壓力比Ps/Pd=6.26 )的效率為67%。因而，在用I級的螺旋式膨脹渦輪處理的情況下，為了在高熱量供給時及低熱量供給時都為相同程度的效率，優(yōu)選的是使內(nèi)部容積比Vi為5.0，但整體上效率變低。
[0059]所以，將膨脹機(jī)11變更為階段性地膨脹的多級式膨脹渦輪來實現(xiàn)整體隔熱效率的提高。在此情況下，為使膨脹機(jī)11以高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22的2階段膨脹的方式。所以，如圖3的步驟S3所示，掌握使構(gòu)成膨脹機(jī)11的高壓側(cè)膨脹部21的內(nèi)部容積比Vi和低壓側(cè)膨脹部22的內(nèi)部容積比Vi相同的情況下的、內(nèi)部容積比Vi與各膨脹部的壓力比的關(guān)系。這樣使高壓側(cè)膨脹部21的內(nèi)部容積比Vi與低壓側(cè)膨脹部22的內(nèi)部容積比Vi相同是為了通過實現(xiàn)高壓側(cè)膨脹部21的結(jié)構(gòu)和低壓側(cè)膨脹部22的結(jié)構(gòu)的共通化來使它們的設(shè)計及制造容易化。
[0060]此外，具體而言，以提高整體隔熱效率為目的，將內(nèi)部容積比Vi設(shè)定為2.6。如果這樣，則如圖5(b)所示，在高熱量供給時，被高壓側(cè)膨脹部21從吸入壓力Ps=2.0減壓到中間壓力Pm=0.56，被低壓側(cè)膨脹部22從中間壓力Pm=0.56減壓到吐出壓力Pd=0.16。此外，在低熱量供給時，被高壓側(cè)膨脹部21從吸入壓力Ps=1.0減壓到中間壓力Pm=0.4，被低壓側(cè)膨脹部22從中間壓力Pm=0.4減壓到吐出壓力Pd=0.16。
[0061]在這樣的情況下，高熱量供給時的壓力比為，高壓側(cè)膨脹部21的壓力比Ps/Pm是3.57，低壓側(cè)膨脹部22的壓力比Pm/Pd是3.5，大致相同。此外，低熱量供給時的壓力比為，高壓側(cè)膨脹部21的壓力比Ps/Pm是2.5，低壓側(cè)膨脹部22的壓力比Pm/Pd也是2.5，大致相同。
[0062]接著，如圖3的步驟S4所示，計算設(shè)定的內(nèi)部容積比Vi下的高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22的整體隔熱效率，并掌握作為膨脹機(jī)11的整體隔熱效率，確定作為較高的整體隔熱效率的最優(yōu)的內(nèi)部容積比Vi。
[0063]所以，基于圖6，考察使內(nèi)部容積比Vi為2.6的情況下的整體隔熱效率。首先，如果考察高熱量供給時的整體隔熱效率，則由于高壓側(cè)膨脹部21的壓力比Ps/Pm是3.57，低壓側(cè)膨脹部22的壓力比Pm/Pd是3.5，所以高熱量供給時的整體隔熱效率在高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22都為75%。此外，如果考察低熱量供給時的整體隔熱效率，則由于高壓側(cè)膨脹部21的壓力比Ps/Pm及低壓側(cè)膨脹部22的壓力比Pm/Pd都是2.5，所以低熱量供給時的整體隔熱效率在高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22都為73%。
[0064]這樣，在內(nèi)部容積比Vi=2.6的情況下，高熱量供給時及低熱量供給時整體隔熱效率都變高，作為膨脹機(jī)整體的整體隔熱效率也變高為73%?75%，所以可知使內(nèi)部容積比Vi為2.6是適當(dāng)?shù)?。此外，明確了如果這樣則發(fā)熱量增加約10%。
[0065]接著，對容積型膨脹機(jī)的內(nèi)部容積比Vi的調(diào)整的方式進(jìn)行說明。在容積型膨脹機(jī)中，為了調(diào)整內(nèi)部容積比Vi，只要將膨脹行程結(jié)束的時機(jī)變更就可以，由此能夠?qū)⑴蛎浶谐探Y(jié)束時的膨脹室的容積變更來將內(nèi)部容積比變更。此外，為了將膨脹行程結(jié)束的時機(jī)變更，可以通過變更吐出口的大小形狀來進(jìn)行。因而，在設(shè)定最優(yōu)的內(nèi)部容積比Vi后，如圖3的步驟S5所示，設(shè)定吐出口的大小、形狀，以成為最優(yōu)的內(nèi)部容積比Vi(該實施方式的情況下為Vi=2.6)0
[0066]這里，基于圖7對本實施方式的高壓側(cè)膨脹部21的情況下的吐出口的大小形狀的設(shè)定進(jìn)行說明。如前述那樣，通過將對于膨脹行程結(jié)束的時機(jī)有影響的高壓側(cè)膨脹部21的吐出口 47的左端位置47A在軸向上變更，能夠?qū)⒏邏簜?cè)膨脹部21的膨脹行程結(jié)束的時機(jī)變更，由此能夠?qū)⒏邏簜?cè)膨脹部21的內(nèi)部容積比Vi變更。更具體地講，如果在圖7中使吐出口47的左端位置47A向右方錯移，則吐出口 47變小，膨脹行程結(jié)束的時機(jī)變晚。由此，能夠使膨脹行程結(jié)束時的膨脹室的容積變小，使內(nèi)部容積比Vi變大。相反，如果使吐出口 47的左端位置47A向左方錯移，則吐出口 47變小，膨脹行程結(jié)束的時機(jī)變早。由此，能夠使膨脹行程結(jié)束時的膨脹室的容積變大，使內(nèi)部容積比Vi變小。
[0067]以上，對將高壓側(cè)膨脹部21的內(nèi)部容積比Vi的設(shè)定變更的情況進(jìn)行了說明，但在將低壓側(cè)膨脹部22的內(nèi)部容積比Vi的設(shè)定變更的情況下也能夠據(jù)此進(jìn)行。這樣，在本實施方式的膨脹機(jī)11中，可以通過變更吐出口 47、53的大小和形狀來變更內(nèi)部容積比Vi的設(shè)定。
[0068]接著，對有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)的工作進(jìn)行說明。首先，說明熱源側(cè)流體回路I中的工作。
[0069]在熱源側(cè)流體回路I中，借助柴油發(fā)動機(jī)2的約170°C?300° C的排出氣體將渦輪5驅(qū)動，將連結(jié)在渦輪5上的增壓機(jī)3驅(qū)動。來自被柴油發(fā)動機(jī)2的排出氣體驅(qū)動的增壓機(jī)3的增壓空氣是約150° C?250° C的溫度，經(jīng)由工作介質(zhì)回路10的第I蒸發(fā)器16被向柴油發(fā)動機(jī)2供給。這樣，增壓空氣在第I蒸發(fā)器16中與在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)熱交換，增壓空氣的熱量被向在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)施加。
[0070]此外，供增壓機(jī)3的驅(qū)動的排出氣體在穿過渦輪5后成為約150°C?250° C的空氣而被向節(jié)能器4供給，在節(jié)能器4中供蒸氣的生成后，被排出。由節(jié)能器4生成的蒸氣被向船內(nèi)的吹灰器等其他需要地輸送，但當(dāng)其他需要地處的蒸氣的使用量較少時，其剩余蒸氣被向工作介質(zhì)回路10的第2蒸發(fā)器17輸送。在第2蒸發(fā)器17中，剩余蒸氣與在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)熱交換，剩余蒸氣的熱量被向在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)施加。另一方面，剩余蒸氣通過在工作介質(zhì)回路10中循環(huán)的工作介質(zhì)加熱而冷凝成水，被儲存到蓄水器6中之后，被栗7向節(jié)能器4送回。
[0071]接著，參照圖8所示的莫利爾線圖說明工作介質(zhì)回路10中的工作。另外，在圖8的莫利爾線圖中，對于表示工作介質(zhì)的狀態(tài)的代表性的點賦予附圖標(biāo)記A?F。此外，在表示工作介質(zhì)回路10的結(jié)構(gòu)的圖1中，也對與該點對應(yīng)的位置賦予附圖標(biāo)記A?F，使其對應(yīng)關(guān)系變得容易理解。
[0072]在工作介質(zhì)回路10中，約0.5MPa?2MPa的液相工作介質(zhì)被第I蒸發(fā)器16用增壓空氣的熱加熱而蒸發(fā)氣化(E—F)。由此，增壓空氣的熱量被回收。此外，被第I蒸發(fā)器16加熱后的液相、氣相混合的工作介質(zhì)在第2蒸發(fā)器17中被剩余蒸氣的熱進(jìn)一步加熱(F—A)。由此，剩余蒸氣的熱量被回收。
[0073]這樣被由第I蒸發(fā)器16及第2蒸發(fā)器17構(gòu)成的蒸發(fā)器18加熱后的氣相工作介質(zhì)被從導(dǎo)入口 41向發(fā)電裝置30導(dǎo)入，如圖2中的實線箭頭及虛線箭頭那樣流動。被導(dǎo)入到發(fā)電裝置30中的氣相工作介質(zhì)在由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成的高壓側(cè)膨脹部21中隔熱膨脹著在同樣由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成的低壓側(cè)膨脹部22中進(jìn)一步隔熱膨脹(B—C)』點的壓力是約0.5MPa?1.5MPa，C點的壓力為約0.110^?0.510^。并且，由這些膨脹渦輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力被向發(fā)電機(jī)12傳遞。
[0074]在高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22中膨脹而成為低溫的氣相流體的工作介質(zhì)將發(fā)電機(jī)12冷卻，穿過導(dǎo)出口55被從發(fā)電裝置30導(dǎo)出。借助工作介質(zhì)的該冷卻作用，能夠使發(fā)電機(jī)12的發(fā)電效率穩(wěn)定化。
[0075]被從發(fā)電裝置30導(dǎo)出的氣相工作介質(zhì)在冷凝器13中被作為冷卻水的約20°C?40°C的海水冷卻而冷凝液化(C—D)。并且，冷凝液化的工作介質(zhì)被暫時儲存到蓄水器14中，僅液相工作介質(zhì)被循環(huán)栗汲出，升壓(D—E)，向蒸發(fā)器18輸送。
[0076]被向工作介質(zhì)回路10填充的工作介質(zhì)通過形成前述那樣的循環(huán)，將增壓空氣的熱量及剩余蒸氣的熱量回收來進(jìn)行發(fā)電。在此情況下，構(gòu)成膨脹機(jī)11的高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成，并且如前述那樣內(nèi)部容積比Vi被確定為2.6以使整體隔熱效率變高，并且，設(shè)定吐出口 47、53的形狀及大小以實現(xiàn)該內(nèi)部容積比Vi。結(jié)果，即使由于柴油發(fā)動機(jī)2的負(fù)荷的增減，增壓空氣的熱量變動，此外，即使由于其他需要地處的蒸氣的消耗量的變動，能夠利用的剩余蒸氣的熱量變動，也以穩(wěn)定的效率進(jìn)行發(fā)電。
[0077](效果)
如以上那樣構(gòu)成的有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)起到以下這樣的效果。
[0078](I)根據(jù)本熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，由于膨脹機(jī)11具備使工作介質(zhì)階段性地膨脹的多個膨脹部，所以能夠使膨脹機(jī)11的整體隔熱效率提高。
[0079](2)此外，膨脹機(jī)11構(gòu)成為，在設(shè)計階段中調(diào)整各級的膨脹部的內(nèi)部容積比Vi，由此，在吸入壓力Ps的變動范圍內(nèi)整體隔熱效率成為70%以上。因而，本熱回收型發(fā)電系統(tǒng)即使熱源的熱量變動也能夠維持穩(wěn)定的發(fā)電效率。
[0080](3)此外，在本熱回收型發(fā)電系統(tǒng)中，由于將膨脹機(jī)11由高壓側(cè)膨脹部21和低壓側(cè)膨脹部22的兩級構(gòu)成，所以能夠在抑制制造成本的同時做成高效率的發(fā)電系統(tǒng)。
[0081](4)此外，由于將膨脹機(jī)11調(diào)整以使各膨脹部的內(nèi)部容積比Vi相同，所以能夠?qū)崿F(xiàn)多個膨脹部的共通化。因而，各膨脹部的設(shè)計及制造變?nèi)菀住?br>[0082](5)此外，膨脹機(jī)11由于使用容積型的膨脹渦輪，所以通過變更膨脹行程結(jié)束位置，能夠容易地調(diào)整內(nèi)部容積比。在如本實施方式那樣的螺旋式膨脹渦輪的情況下，通過變更吐出口 47、53的形狀及大小，能夠變更各膨脹部的膨脹行程結(jié)束位置，能夠容易地調(diào)整膨脹行程結(jié)束時的容積。
[0083](6)此外，在有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)中，將從增壓機(jī)3向船舶用的柴油發(fā)動機(jī)2供給的增壓空氣的熱量和由節(jié)能器4生成的蒸氣的熱量回收來發(fā)電，但由此能夠供給在船舶內(nèi)使用的電力。
[0084](7)此外，在有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)柴油發(fā)動機(jī)2的負(fù)荷，增壓機(jī)3的熱量變動，并且根據(jù)由節(jié)能器4生成的蒸氣的船內(nèi)需要地處的蒸氣的消耗量的變動，供于熱回收的蒸氣的熱量變動。因此，由于預(yù)測吸入壓力Ps的變動范圍是IMPa以上2MPa以下的范圍，所以高壓側(cè)膨脹部21及低壓側(cè)膨脹部22的內(nèi)部容積比兩者都優(yōu)選的是2.6±0.3左右。通過這樣結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒗脧脑鰤簷C(jī)3向柴油發(fā)動機(jī)2供給的增壓空氣和由節(jié)能器4生成的蒸氣的情況下的壓力變動覆蓋。此外，在此情況下，能夠?qū)⑴蛎洐C(jī)11的隔熱效率在低熱量供給時維持為73%，在高熱量供給時維持為75%。結(jié)果，能夠使發(fā)熱量提高10%。
[0085](8)此外，根據(jù)有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)，由于多個膨脹部分別是螺旋式膨脹渦輪，多個膨脹部和發(fā)電機(jī)12容納在一個箱體30A內(nèi)，所以能夠通過在膨脹機(jī)11中膨脹而壓力、溫度下降的氣相工作介質(zhì)將發(fā)電機(jī)12的繞組冷卻。由此能夠?qū)l(fā)電機(jī)12的效率維持得較高。
[0086](9)此外，根據(jù)有關(guān)本實施方式的回收型發(fā)電系統(tǒng)，由于將多個膨脹部和發(fā)電機(jī)12做成一軸一體構(gòu)造，做成收存到一個箱體30A中的半密閉構(gòu)造，所以能夠做成工作介質(zhì)及潤滑油不泄漏的構(gòu)造，由此能夠進(jìn)行長期的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
[0087][變形例]
關(guān)于前述實施方式的說明是遵循本發(fā)明的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)能夠取得的方式的例示，并不意味著限制其方式。遵循本發(fā)明的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)可以取例如將以下所示的前述實施方式的變形例及相互不矛盾的至少兩個變形例組合的方式。
[0088]在前述實施方式中，在設(shè)計次序中，首先準(zhǔn)備表示各個內(nèi)部容積比Vi下的整體隔熱效率與壓力比Ps/Pd的關(guān)系的效率曲線(圖3中的步驟SI)，接著，根據(jù)作為熱源的增壓空氣的熱量變化及冷卻水的溫度預(yù)測并設(shè)定膨脹機(jī)11的吸入壓力Ps和吐出壓力Pd(圖3中的步驟S2)。但是，關(guān)于這一點，也可以是相反的順序。
[0089]在前述實施方式中，作為膨脹機(jī)11使用由螺旋式膨脹渦輪構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，但并不限定于此，也可以使用渦旋式等其他容積型的結(jié)構(gòu)。
[0090]在前述實施方式中，作為膨脹機(jī)11構(gòu)成為以兩階段膨脹的形式，但并不限于此。膨脹機(jī)11的級數(shù)也可以兼顧制造成本來設(shè)為3級以上，通過使級數(shù)變多，能夠更好地實現(xiàn)整體隔熱效率的提尚。
[0091]各膨脹部的內(nèi)部容積比Vi的目標(biāo)值只要是在吸入壓力及吐出壓力的變動范圍內(nèi)全級熱效率為70%以上就可以，并不一定需要是2.6，也可以設(shè)為2.6以上3.6以下的值。此夕卜，需要根據(jù)級數(shù)來適當(dāng)設(shè)定內(nèi)部容積比Vi，但為了各膨脹部的設(shè)計及制造的容易化而優(yōu)選的是使內(nèi)部容積比Vi相同。但是，在設(shè)計及制造的工序數(shù)被容許的情況下，也可以按照膨脹部，使內(nèi)部容積比Vi在2.6以上3.6以下的范圍內(nèi)相互不同。
[0092]此外，在前述實施方式中，作為多級膨脹形式設(shè)為單將膨脹分為2階段進(jìn)行的循環(huán)，但并不限于此，也可以為多級再生循環(huán)或多級再熱循環(huán)。
[0093]前述實施方式的設(shè)計方法可以舉出利用船舶推進(jìn)用的柴油發(fā)動機(jī)的廢熱的方法，但也可以為將其他發(fā)動機(jī)的廢熱或火力發(fā)電站、焚燒施設(shè)、工廠等的廢熱等回收的方法。更具體地講，也可以將在工廠中排出的水蒸氣的熱量作為熱源、或?qū)⑺魵庖酝獾恼魵饣驕厮茸鳛闊嵩?，在熱源的熱量變動的情況下是有效的。
[0094]此外，在前述實施方式中，將第2蒸發(fā)器17形成為，輔助地利用由節(jié)能器4生成的蒸氣的熱量，但并不限定于此。例如也可以將利用這樣的輔助熱源的第2蒸發(fā)器省略。此外，也可以使第2蒸發(fā)器17的熱源為柴油發(fā)動機(jī)2的排出氣體，使工作介質(zhì)與柴油發(fā)動機(jī)2的排出氣體直接熱交換。
[0095]在前述實施方式中，由于在冷凝器13中使用的冷卻水是海水，所以在船內(nèi)使用冷卻水的流量及溫度不怎么變化的，但根據(jù)利用的廢熱，也可以關(guān)聯(lián)于利用環(huán)境的差異來使用不同的冷卻源。此外，冷卻源也可以是隨著季節(jié)或時間在冷卻性能上發(fā)生變化的，在這樣的情況下，只要根據(jù)其變動幅度來設(shè)計吸入側(cè)的壓力就可以。
[0096]在前述實施方式中，作為向工作介質(zhì)回路10填充的工作介質(zhì)使用R245fa，但也可以取代其而使用異戊烷、丁烷、丙烷等低分子碳化氫、或作為冷媒使用的R134a等。
[0097]附圖標(biāo)記說明
Pd吐出壓力;Ps吸入壓力;Vi內(nèi)部容積比；2 (柴油)發(fā)動機(jī);3增壓機(jī);4節(jié)能器;11膨脹機(jī)；12發(fā)電機(jī)；13冷凝器；15循環(huán)栗；16第I蒸發(fā)器；17第2蒸發(fā)器；18蒸發(fā)器;21高壓側(cè)膨脹部;22低壓側(cè)膨脹部。
【主權(quán)項】
1.一種熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 具有蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、循環(huán)栗， 前述蒸發(fā)器借助熱源的熱將工作介質(zhì)加熱氣化， 前述膨脹機(jī)被由前述蒸發(fā)器氣化的高壓的氣相工作介質(zhì)驅(qū)動，前述膨脹機(jī)是容積型的， 前述發(fā)電機(jī)被連結(jié)在前述膨脹機(jī)上來被驅(qū)動， 前述冷凝器將從前述膨脹機(jī)送出的低溫低壓的氣相工作介質(zhì)冷卻來冷凝， 前述循環(huán)栗將由前述冷凝器冷凝的液相工作介質(zhì)汲取，升壓，向前述蒸發(fā)器輸送， 前述膨脹機(jī)具備使工作介質(zhì)階段性地膨脹的多個膨脹部， 前述多個膨脹部構(gòu)成為，通過在設(shè)計階段中調(diào)整內(nèi)部容積比，在前述膨脹機(jī)的吸入壓力或吐出壓力的至少一方變動的情況下，在變動范圍內(nèi)整體隔熱效率為70%以上。2.如權(quán)利要求1所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 調(diào)整前述膨脹機(jī)，以使各膨脹部的內(nèi)部容積比大致相同。3.如權(quán)利要求1或2所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 前述膨脹機(jī)通過變更各膨脹部的膨脹行程結(jié)束位置來調(diào)整內(nèi)部容積比。4.如權(quán)利要求1?3中任一項所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 前述多個膨脹部由高壓側(cè)膨脹部和低壓側(cè)膨脹部的兩級構(gòu)成。5.如權(quán)利要求4所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 前述蒸發(fā)器構(gòu)成為，借助從增壓機(jī)向發(fā)動機(jī)供給的增壓空氣來加熱。6.如權(quán)利要求5所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 前述吸入壓力的前述變動范圍是IMPa以上2MPa以下的范圍， 前述高壓側(cè)膨脹部及低壓側(cè)膨脹部的內(nèi)部容積比為，兩者都是2.6 ± 0.3。7.如權(quán)利要求1?6中任一項所述的熱回收型發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 前述多個膨脹部分別是螺旋式膨脹渦輪， 前述多個膨脹部和前述發(fā)電機(jī)容納在一個箱體內(nèi)。
【文檔編號】F01C13/00GK105986840SQ201610167298
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】足立成人, 成川裕, 壺井升
【申請人】株式會社神戶制鋼所