폐열 회수 시스템 및 폐열 회수 방법

폐열 회수 시스템 및 폐열 회수 방법{WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM AND WASTE HEAT RECOVERY METHOD}

본 발명은 폐열 회수 장치 및 폐열 회수 방법에 관한 것이다.

종래, 과급기로부터 엔진에 공급되는 과급 공기의 폐열을 회수하는 폐열 회수 시스템이 알려져 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2011-149332호 공보(이하, 「특허문헌 1」이라고 함)에는, 과급기로부터 엔진에 공급되는 압축 공기를 냉각하는 공기 냉각기와, 제2 폐열 회수기와, 증발기와, 터빈과, 터빈에 접속된 발전기와, 응축기를 구비하는 폐열 회수 발전 장치가 개시되어 있다. 공기 냉각기는, 과급기로부터 엔진에 공급되는 압축 공기를 제2 전열관 내에 흐르는 냉각 매체로 냉각한 후에 제1 전열관 내에 흐르는 냉각 매체로 냉각한다. 제2 폐열 회수기는, 공기 냉각기에 있어서 압축 공기로부터 회수한 폐열에 의해 열매(熱媒)를 가열한다. 증발기는, 열매와 유기 유체를 열교환시킴으로써 유기 유체를 증발시킨다. 터빈은, 증발기로부터 유출된 유기 유체를 팽창시킨다. 응축기는, 터빈으로부터 유출된 유기 유체를 응축시킨다. 공기 냉각기의 제1 전열관에는, 압축 공기를 냉각하기 위한 냉각 매체로서, 청수 또는 해수가 공급되고 있다. 또한, 응축기에는, 유기 유체를 냉각하기 위한 냉각 매체로서 해수가 공급되고 있다.

상기 특허문헌 1에 개시되는 폐열 회수 발전 장치에서는, 공기 냉각기의 제1 전열관에의 냉각 매체(민물 또는 해수)의 공급과 응축기에의 냉각 매체(해수)의 공급이 각각 별도의 공급 라인을 통하여 행하여지고 있다. 이로 인해, 각 공급 라인에 각각 펌프가 필요해져서, 구조가 복잡하다.

본 발명의 목적은, 간단한 구성에 의해 엔진에 공급되는 과급 공기의 폐열을 회수하는 것이 가능한 폐열 회수 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 따르는 폐열 회수 시스템은, 엔진에 공급되는 과급 공기와 작동 매체를 열교환시킴으로써 그 작동 매체를 증발시키는 가열기와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속된 동력 회수기와, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 가열기로부터 유출된 과급 공기를 냉각하는 에어 쿨러에 냉각 매체를 공급하기 위한 냉각 매체 공급관과, 상기 냉각 매체 공급관에 설치되어 있고, 상기 냉각 매체를 상기 에어 쿨러에 보내는 냉각 매체 펌프와, 상기 냉각 매체에 의해 상기 작동 매체가 냉각되도록, 상기 냉각 매체 공급관에 흐르는 상기 냉각 매체의 일부를 상기 응축기에 분기시키는 분기관을 구비하고 있다.

또한, 본 발명의 다른 국면에 따르는 폐열 회수 방법은, 엔진에 공급되는 과급 공기의 폐열을 회수하는 방법이다. 이 폐열 회수 방법은, 상기 과급 공기를 가열기에 공급함으로써 그 가열기로 작동 매체를 증발시키는 증발 공정과, 상기 가열기로부터 유출된 과급 공기와 냉각 매체를 에어 쿨러로 열교환시킴으로써 상기 과급 공기를 냉각하는 냉각 공정과, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체를 팽창기로 팽창시킴으로써 상기 작동 매체로부터 동력을 회수하는 동력 회수 공정과, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축기로 응축시키는 응축 공정을 구비하고 있다. 상기 응축 공정에서는, 상기 냉각 공정에 있어서 상기 에어 쿨러에 공급되는 냉각 매체의 일부를 상기 응축기에 분기시킴으로써 그 응축기에 있어서 상기 작동 매체를 응축시킴과 함께, 상기 에어 쿨러로부터 유출되는 과급 공기의 온도가 설정 온도 이하로 되도록 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급량을 조정한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태의 폐열 회수 장치의 구성 개략을 도시하는 도면이다.
도 2는, 제어부의 제어 내용을 도시하는 흐름도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 구체화한 일례이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 성격의 것이 아니다.

본 발명의 일 실시 형태의 폐열 회수 시스템에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 폐열 회수 시스템은, 과급기 부착 엔진(1)과, 과급기 부착 엔진(1)의 폐열을 회수하는 폐열 회수 장치(10)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 폐열 회수 시스템은 선박에 탑재되어 있다.

과급기 부착 엔진(1)은 과급기(2)와, 선박용의 엔진(3)과, 흡기 라인(4)과, 배기 라인(5)과, 흡기 라인(4)에 설치된 에어 쿨러(6)와, 냉각 매체를 공급하기 위한 냉각 매체 공급관(7)과, 냉각 매체 공급관(7)에 설치된 냉각 매체 펌프(8)를 갖는다.

과급기(2)는 압축기(2a)와, 이 압축기(2a)와 접속된 터빈(2b)을 갖는다. 압축기(2a)로 압축된 과급 공기는, 흡기 라인(4)을 통해서 에어 쿨러(6)에 공급된다.

에어 쿨러(6)는 압축기(2a)로부터 토출된 과급 공기와 냉각 매체를 열교환시킴으로써 과급 공기를 냉각한다. 구체적으로, 에어 쿨러(6)는 흡기 라인(4)을 통하여 공급되는 과급 공기가 흐르는 제1 유로(6a)와, 냉각 매체가 흐르는 제2 유로(6b)를 갖고 있다. 제2 유로(6b)는 냉각 매체 공급관(7)과 접속되어 있다. 이로 인해, 제2 유로(6b)에는, 냉각 매체 공급관(7)을 통하여 공급되는 냉각 매체가 흐른다. 본 실시 형태에서는, 냉각 매체로서 해수가 사용되고 있다. 에어 쿨러(6)로부터 유출된 과급 공기는, 흡기 라인(4)을 통하여 엔진(3)에 공급된다.

엔진(3)의 배기 가스는, 배기 라인(5)을 통하여 터빈(2b)에 보내진다. 터빈(2b)은 배기 가스의 팽창 에너지에 의해 구동되어, 이 터빈(2b)의 구동력에 의해 압축기(2a)가 구동된다.

폐열 회수 장치(10)는, 가열기(12)와, 팽창기(16)와, 동력 회수기(18)와, 응축기(20)와, 순환 펌프(22)와, 가열기(12), 팽창기(16), 응축기(20) 및 순환 펌프(22)를 이 순서대로 직렬로 접속하는 순환 유로(24)를 구비하고 있다.

가열기(12)는 흡기 라인(4)에 있어서의 압축기(2a)와 에어 쿨러(6) 사이의 부위에 접속되어 있다. 가열기(12)는 압축기(2a)로 압축된 과급 공기와 액상의 작동 매체를 열교환시킴으로써 작동 매체를 증발시킨다. 구체적으로, 가열기(12)는 압축기(2a)로부터 흡기 라인(4)을 통하여 공급되는 과급 공기가 흐르는 제1 유로(12a)와, 작동 매체가 흐르는 제2 유로(12b)를 갖는다.

본 실시 형태에서는, 순환 유로(24) 중 가열기(12)의 하류측의 부위에 열교환기(14)가 설치되어 있다. 이 열교환기(14)는 선박 내에 설치되어 있는 증기 라인에 접속된다. 즉, 열교환기(14)는 가열기(12)로부터 유출된 작동 매체와 선박에서 발생하는 잉여 수증기(가열 매체)를 열교환시킴으로써 작동 매체를 가열한다. 또한, 이 열교환기(14)는 생략되어도 된다.

팽창기(16)는 순환 유로(24) 중 열교환기(14)의 하류측의 부위에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 팽창기(16)로서, 열교환기(14)로부터 유출된 가스 상태의 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 회전 구동되는 로터를 갖는 용적식의 스크루 팽창기가 사용되고 있다. 구체적으로, 이 팽창기(16)는 내부에 로터실이 설치된 케이싱과, 로터실 내에 회전 가능하게 지지된 자웅 한 쌍의 스크류 로터를 갖고 있다. 팽창기(16)에서는, 상기 케이싱에 설치된 흡기구로부터 상기 로터실에 공급된 가스 상태의 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 상기 스크류 로터가 회전 구동된다. 그리고, 상기 로터실 내에서 팽창함으로써 압력이 저하된 작동 매체는, 상기 케이싱에 설치된 배출구로부터 순환 유로(24)에 배출된다. 또한, 팽창기(16)로서는, 용적식의 스크루 팽창기에 한하지 않고, 원심식의 것이나 스크롤 타입의 것 등이 사용되어도 된다.

동력 회수기(18)는 팽창기(16)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 동력 회수기(18)로서 발전기가 사용되고 있다. 이 동력 회수기(18)는 팽창기(16)의 한 쌍의 스크류 로터 중 한쪽에 접속된 회전축을 갖고 있다. 동력 회수기(18)는 상기 회전축이 상기 스크류 로터의 회전에 수반하여 회전함으로써 전력을 발생시킨다. 또한, 동력 회수기(18)로서, 발전기 외에, 압축기 등이 사용되어도 된다.

응축기(20)는 순환 유로(24) 중 팽창기(16)의 하류측의 부위에 설치되어 있다. 응축기(20)는 작동 매체를 냉각 매체에 의해 냉각함으로써 응축(액화)시킨다. 구체적으로, 응축기(20)는 냉각 매체가 흐르는 제1 유로(20a)와, 팽창기(16)로부터 유출된 작동 매체가 흐르는 제2 유로(20b)를 갖는다. 제1 유로(20a)의 상류측의 단부는 분기관(26)에 접속되어 있다. 분기관(26)은 냉각 매체 펌프(8)에 의해 냉각 매체 공급관(7) 내를 통과해서 에어 쿨러(6)를 향하도록 공급되는 냉각 매체의 일부를 응축기(20)에 분기시킨다. 즉, 본 실시 형태에서는, 에어 쿨러(6)에 공급되는 냉각 매체(본 실시 형태에서는 해수)의 일부가 응축기(20)에 있어서 작동 매체를 냉각하기 위한 냉각 매체로서 이용되고 있다. 또한, 제1 유로(20a)의 하류측의 단부는 냉각 매체를 배출하는 배출관(28)에 접속되어 있다.

순환 펌프(22)는 순환 유로(24)에 있어서의 응축기(20)의 하류측의 부위(가열기(12)와 응축기(20) 사이의 부위)에 설치되어 있다. 순환 펌프(22)는 응축기(20)로 응축된 액상의 작동 매체를 소정의 압력까지 가압하여 순환 유로(24)에 있어서의 그 순환 펌프(22)의 하류측에 송출한다. 순환 펌프(22)로서는, 임펠러를 로터로서 구비하는 원심 펌프나, 로터가 한 쌍의 기어를 포함하는 기어 펌프 등이 사용된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 폐열 회수 시스템에서는, 에어 쿨러(6)에 공급되는 냉각 매체(냉각 매체 펌프(8)에 의해 송출된 냉각 매체)의 일부가 냉각 매체 공급관(7)으로부터 분기한 분기관(26)을 통하여 응축기(20)에 유도된다. 이로 인해, 에어 쿨러(6)에 냉각 매체를 공급하기 위한 기존의 냉각 매체 펌프(8)를 이용함으로써 에어 쿨러(6) 및 응축기(20)의 양쪽에 냉각 매체를 공급할 수 있다. 즉, 본 시스템에서는, 응축기(20)에 냉각 매체를 공급하기 위한 전용 펌프를 설치하지 않고, 에어 쿨러(6)에 공급되는 냉각 매체의 일부를 응축기(20)에 분기시킨다는 간단한 구성에 의해 과급 공기의 폐열을 회수할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 엔진(3)은 선박용의 엔진이며, 냉각 매체 공급관(7)은 해수를 냉각 매체로서 에어 쿨러(6) 내에 공급 가능하도록 구성되어 있다. 분기관(26)은 해수를 냉각 매체로서 응축기(20) 내에 공급 가능하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 에어 쿨러(6) 및 응축기(20)에 냉각 매체를 공급하기 위한 전용 공급원을 설치하지 않고, 해수를 이용함으로써, 선박용의 엔진(3)에 공급되는 과급 공기의 폐열을 유효하게 회수할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 폐열 회수 장치(10)는 분기관(26)에 설치된 조정 밸브 V1과, 가열기(12)를 바이패스하는 제1 바이패스 유로(40)와, 제1 바이패스 유로(40)에 설치된 제1 바이패스 밸브 V2와, 팽창기(16)를 바이패스하는 제2 바이패스 유로(42)와, 제2 바이패스 유로(42)에 설치된 제2 바이패스 밸브 V3과, 작동 매체의 팽창기(16)에의 유입을 차단 가능한 차단 밸브 V4와, 각종 제어를 행하는 제어부(30)를 더 구비하고 있다.

조정 밸브 V1은, 그 개방도가 조정 가능하도록 구성되어 있다. 이 조정 밸브 V1의 개방도에 따라서 분기관(26)으로부터 응축기(20)에 공급되는 냉각 매체의 유량이 변동한다.

제1 바이패스 유로(40)는 순환 유로(24)에 있어서의 순환 펌프(22)와 가열기(12) 사이의 부위와, 순환 유로(24)에 있어서의 열교환기(14)와 팽창기(16) 사이의 부위를 접속하고 있다.

제2 바이패스 유로(42)는 순환 유로(24)에 있어서의 열교환기(14)와 팽창기(16) 사이의 부위와, 순환 유로(24)에 있어서의 팽창기(16)와 응축기(20) 사이의 부위를 접속하고 있다.

차단 밸브 V4는, 순환 유로(24) 중 그 순환 유로(24)와 제2 바이패스 유로(42)의 접속부보다도 하류측이고 또한 팽창기(16)보다도 상류측의 부위에 설치되어 있다.

제어부(30)는 흡기 라인(4)에 있어서의 에어 쿨러(6)와 엔진(3) 사이의 부위에 있어서의 과급 공기의 온도 Ta에 기초하여 조정 밸브 V1의 개방도를 제어한다. 구체적으로, 제어부(30)는 흡기 라인(4)에 있어서의 에어 쿨러(6)와 엔진(3) 사이의 부위에 설치된 온도 센서(9)의 검출값 Ta가 설정 온도 Ta_max 이하로 되도록, 조정 밸브 V1의 개방도를 제어한다. 또한, 제어부(30)는 상기 검출값 Ta가 상기 설정 온도 Ta_max보다도 낮은 지정 온도 Ta_min 이하일 때는, 응축기(20)에 유입되기 전의 냉각 매체의 압력 P1로부터 응축기(20)로부터 유출된 후의 냉각 매체의 압력 P2를 뺀 압력차 ΔP가 특정 압력 Pα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정한다. 상기 압력차 ΔP는, 분기관(26)에 설치된 압력 센서(33)의 검출값 P1로부터 배출관(28)에 설치된 압력 센서(35)의 검출값 P2를 빼는 것에 의해 산출된다. 또한, 분기관(26)에 흐르는 냉각 매체가 응축기(20)를 통과할 때에 압력 손실이 발생하기 때문에, 상기 압력차 ΔP는 양의 값이 된다.

또한, 제어부(30)는 냉각 매체의 온도에 기초하여 순환 펌프(22)의 구동을 제어한다. 구체적으로, 제어부(30)는 응축기(20)로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도 T2가 규정값 A 이하로 되도록 순환 펌프(22)의 회전수를 조정한다. 또한, 제어부(30)는 응축기(20)로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도 T2로부터 응축기(20)에 유입되기 전의 냉각 매체의 온도 T1을 뺀 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상으로 되었을 때에 순환 펌프(22)를 정지시킨다. 상기 온도차 ΔT는, 배출관(28)에 설치된 온도 센서(34)의 검출값 T2로부터 분기관(26)에 설치된 온도 센서(32)의 검출값 T1을 빼는 것에 의해 산출된다. 이 경우에 있어서, 제어부(30)는 조정 밸브 V1의 개방도를 지정 개방도로 유지하면서, 제1 바이패스 밸브 V2 및 제2 바이패스 밸브 V3을 개방하고, 또한 차단 밸브 V4를 폐쇄한다. 그 후, 제어부(30)는 열교환기(14)로부터 유출된 가스 상태의 작동 매체와, 순환 펌프(22)의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로(40)를 경유한 액상의 작동 매체가 합류한 후의 작동 매체의 온도 Tr이 역치 Tr_max 이하로 되었을 때에 조정 밸브 V1을 폐쇄한다. 상기 온도 Tr은, 순환 유로(24)에 있어서의 열교환기(14)의 하류측이고 또한 제1 바이패스 유로(40)와 팽창기(16) 사이의 부위에 설치된 온도 센서(44)에 의해 검출된다.

이하, 제어부(30)의 상기의 제어 내용을 도 2를 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 폐열 회수 시스템이 기동되면, 제어부(30)는 흡기 라인(4)에 있어서의 에어 쿨러(6)의 하류측의 부위에 설치된 온도 센서(9)의 검출값 Ta가 설정 온도 Ta_max를 초과하고 있는지의 여부를 판단한다(스텝 ST1). 그 결과, 상기 검출값 Ta가 설정 온도 Ta_max를 초과하고 있으면(스텝 ST1에서 "예"), 제어부(30)는 조정 밸브 V1의 개방도를 작게 하고(스텝 ST2), 다시 스텝 ST1로 복귀된다. 조정 밸브 V1의 개방도를 작게 함으로써, 에어 쿨러(6)에 보다 많은 냉각 매체가 공급되기 때문에, 상기 검출값 Ta가 저하된다.

한편, 상기 검출값 Ta가 설정 온도 Ta_max 이하라면(스텝 ST1에서 "아니오"), 제어부(30)는 그 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 ST3). 이 결과, 상기 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min 이하라면(스텝 ST3에서 "예"), 제어부(30)는 상기 압력차 ΔP가 특정 압력 Pα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정한다(스텝 ST4). 이에 의해, 응축기(20)에의 냉각 매체의 공급량이 거의 일정하게 유지된다. 구체적으로, 상기 압력차 ΔP와 응축기(20)의 제1 유로(20a)에 흐르는 냉각 매체의 유량은 일정한 관계를 갖고 있기 때문에, 이 관계 및 상기 압력차 ΔP로부터 상기 제1 유로(20a)에 흐르는 냉각 매체의 유량을 산출할 수 있다. 이로 인해, 상기 압력차 ΔP가 상기 특정 압력 Pα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정함으로써, 응축기(20)에의 냉각 매체의 공급량이 안정된다.

스텝 ST4 후 및 상기 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min보다도 큰 경우(스텝 ST3에서 "아니오"), 제어부(30)는 배출관(28)에 설치된 온도 센서(34)의 검출값 T2가 규정값 A보다도 큰지의 여부를 판단한다(스텝 ST5). 이 결과, 상기 검출값 T2가 상기 규정값 A보다도 크면(스텝 ST5에서 "예"), 제어부(30)는 순환 펌프(22)의 회전수를 저하시키고(스텝 ST6), 다시 스텝 ST5로 복귀된다. 순환 펌프(22)의 회전수를 저하시킴으로써, 순환 유로(24)를 순환하는 작동 매체의 유량이 감소한다. 이로 인해, 응축기(20)에 있어서 작동 매체가 냉각 매체에 부여하는 열량이 저하되고, 이에 의해 상기 검출값 T2도 저하된다.

한편, 상기 검출값 T2가 상기 규정값 A 이하라면(스텝 ST5에서 "아니오"), 제어부(30)는 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상인지의 여부를 판단한다(스텝 ST7). 이 결과, 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO보다도 작으면(스텝 ST7에서 "아니오"), 제어부(30)는 스텝 ST1로 복귀된다. 한편, 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상이라면(스텝 ST7에서 "예"), 제어부(30)는 순환 펌프(22) 및 팽창기(16)를 정지시킨다(스텝 ST8).

그리고, 제어부(30)는 조정 밸브 V1을 지정 개방도로 유지하면서, 제1 바이패스 밸브 V2 및 제2 바이패스 밸브 V3을 개방하고, 또한 차단 밸브 V4를 폐쇄한다(스텝 ST9). 그렇게 하면, 가열기(12)에 있어서 과급 공기의 폐열을 회수한 고온의 작동 매체는, 순환 펌프(22)의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로(40)를 경유한 저온의 액상의 작동 매체와 합류한다. 이에 의해, 상기 고온의 작동 매체는, 상기 저온의 액상의 작동 매체에 의해 냉각된 후, 제2 바이패스 유로(42)를 경유하여 응축기(20)에 유입된다. 즉, 가열기(12)로부터 유출된 고온의 작동 매체가, 순환 펌프(22)의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로(40)를 경유한 저온의 작동 매체에 의해 냉각된다.

그 후, 제어부(30)는 순환 유로(24)에 있어서의 열교환기(14)와 팽창기(16) 사이의 부위에 설치되어 있는 온도 센서(44)의 검출값 Tr이 역치 Tr_max 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 ST10). 그 결과, 상기 검출값 Tr이 역치 Tr_max보다도 크면(스텝 ST10에서 "아니오"), 제어부(30)는 다시 검출값 Tr이 역치 Tr_max 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 ST10). 한편, 검출값 Tr이 역치 Tr_max 이하라면(스텝 ST10에서 "예"), 제어부(30)는 조정 밸브 V1 및 제1 바이패스 밸브 V2를 폐쇄한다(스텝 ST11). 그렇게 하면, 상기 검출값 Tr이 역치 Tr_max 이하로 된 후, 냉각 매체의 전량이 에어 쿨러(6)에 공급된다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 폐열 회수 시스템에서는, 제어부(30)는 에어 쿨러(6)로부터 유출된 과급 공기의 온도 Ta가 설정 온도 Ta_max 이하가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정한다. 따라서, 그 온도가 설정 온도 Ta_max 이하로 되도록 에어 쿨러(6)로 적절하게 냉각된 과급 공기가 엔진(3)에 공급되고, 또한 과급 공기의 폐열이 동력 회수기(18)로 유효하게 회수된다. '

또한, 제어부(30)는 상기 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min 이하일 때는, 응축기(20) 전후의 냉각 매체의 압력차 ΔP가 특정 압력 Pα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정한다. 이로 인해, 응축기(20)에의 냉각 매체의 공급량이 안정된다. 따라서, 에어 쿨러(6)로부터 유출된 후의 과급 공기의 온도가 상기 지정 온도 Ta_min 이하인 상태에 있어서, 동력 회수기(18)에 의해 안정적으로 동력을 회수할 수 있다.

또한, 제어부(30)는 응축기(20)로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도 T2가 규정값 A 이하로 되도록 순환 펌프(22)의 회전수를 조정하므로, 응축기(20)로부터 유출된 냉각 매체가 주위의 환경에 미치는 영향이 억제된다.

추가로, 제어부(30)는 응축기(20) 전후의 냉각 매체의 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상으로 되었을 때에 순환 펌프(22)를 정지시킨다. 이에 의해, 상기 시스템의 손상이 억제된다. 구체적으로, 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상이 되면(응축기(20)로부터 유출되는 냉각 매체의 온도가 너무 높아지면), 순환 유로(24)를 순환하는 작동 매체의 온도가 높아지므로, 상기 시스템에 사용되고 있는 시일재가 손상되는 등의 문제의 발생이 염려된다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상으로 되었을 때에 순환 펌프(22)를 정지시키므로, 상기 시스템의 손상이 억제된다.

이 경우에 있어서, 제어부(30)는 조정 밸브 V1의 개방도를 지정 개방도로 유지하면서, 제1 바이패스 밸브 V2 및 제2 바이패스 밸브 V3을 개방하고, 또한 차단 밸브 V4를 폐쇄한다. 이에 의해, 열교환기(14)로부터 유출된 고온의 작동 매체는, 순환 펌프(22)의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로(40)를 경유한 저온의 작동 매체와 합류함으로써 그 저온의 작동 매체에 의해 냉각된다. 따라서, 가열기(12)의 하류측에 있어서 작동 매체가 너무 고온이 되는 것에 기인하는 상기 시일재의 손상 등이 억제된다.

그 후, 제어부(30)는 열교환기(14)로부터 유출된 고온의 작동 매체와 제1 바이패스 유로(40)를 경유한 저온의 작동 매체가 합류한 후의 작동 매체의 온도 Tr이 역치 Tr_max 이하로 되었을 때에 조정 밸브 V1을 폐쇄한다. 따라서, 상기 온도 Tr이 역치 Tr_max 이하가 된 후, 에어 쿨러(6)에 있어서 유효하게 과급 공기를 냉각할 수 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니라 청구범위에 의해 기술되고, 또한 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 폐열 회수 시스템이 선박에 탑재된 예가 기술되었지만, 이 폐열 회수 시스템은, 선박 이외의 내연 기관에 적용되어도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 제어부(30)는 상기 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min 이하일 때는, 상기 압력차 ΔP가 특정 압력 Pα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정하는(스텝 ST3 및 스텝 ST4) 것이 예시되었지만, 제어부(30)의 제어 내용은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제어부(30)는 상기 검출값 Ta가 지정 온도 Ta_min 이하일 때는, 상기 온도차 ΔT가 특정 온도 Tα가 되도록 조정 밸브 V1의 개방도를 조정해도 된다. 이 경우, 조정 밸브 V1의 개방도는, 상기 온도차 ΔT와 분기관(26)에 흐르는 냉각 매체의 유량의 관계를 나타내는 맵으로서 미리 제어부(30)에 기억된 것에 따라서 조정된다. 이와 같이 하여도, 응축기(20)에의 냉각 매체의 공급량이 안정된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 제어부(30)는 상기 온도차 ΔT가 기준 온도 TO 이상으로 되었을 때에 순환 펌프(22)를 정지시키는(스텝 ST7 및 스텝 ST8) 것이 예시되었지만, 제어부(30)의 제어 내용은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제어부(30)는 상기 압력차 ΔP가 기준 압력 PO 이하로 되었을 때에 순환 펌프(22)를 정지시켜도 된다. 이와 같이 하여도, 본 폐열 회수 시스템의 손상이 억제된다.

이상에 설명한 실시 형태에 대하여 개략적으로 설명한다.

본 실시 형태의 폐열 회수 시스템은, 엔진에 공급되는 과급 공기와 작동 매체를 열교환시킴으로써 그 작동 매체를 증발시키는 가열기와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속된 동력 회수기와, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 가열기로부터 유출된 과급 공기를 냉각하는 에어 쿨러에 냉각 매체를 공급하기 위한 냉각 매체 공급관과, 상기 냉각 매체 공급관에 설치되어 있고, 상기 냉각 매체를 상기 에어 쿨러에 보내는 냉각 매체 펌프와, 상기 냉각 매체에 의해 상기 작동 매체가 냉각되도록, 상기 냉각 매체 공급관 중 상기 냉각 매체 펌프의 하류측이고 또한 상기 에어 쿨러의 상류측의 부위에 흐르는 상기 냉각 매체의 일부를 상기 응축기에 분기시키는 분기관을 구비하고 � ��다.

본 폐열 회수 시스템에서는, 에어 쿨러에 공급되는 냉각 매체(냉각 매체 펌프에 의해 송출된 냉각 매체)의 일부가, 냉각 매체 공급관으로부터 분기한 분기관을 통하여 응축기에 유도되므로, 에어 쿨러에 냉각 매체를 공급하기 위한 기존의 냉각 매체 펌프를 이용함으로써 에어 쿨러 및 응축기의 양쪽에 냉각 매체를 공급할 수 있다. 즉, 본 시스템에서는, 응축기에 냉각 매체를 공급하기 위한 전용 펌프를 설치하지 않고, 에어 쿨러에 공급되는 냉각 매체의 일부를 응축기에 분기시킨다는 간단한 구성에 의해 과급 공기의 폐열을 회수할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 분기관에 설치되어 있고 개방도를 조정 가능한 조정 밸브와, 상기 에어 쿨러로부터 유출된 과급 공기의 온도가 설정 온도 이하로 되도록 상기 조정 밸브의 개방도를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 제어부가 조정 밸브의 개방도를 조정하므로, 그 온도가 설정 온도 이하로 되도록 에어 쿨러로 적절하게 냉각된 과급 공기를 얻으면서, 과급 공기의 폐열을 동력 회수기로 유효하게 회수할 수 있다.

또한 이 경우에 있어서, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 순환 펌프를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도로부터 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 온도를 뺀 온도차가 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 압력으로부터 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 압력을 뺀 압력차가 기준 압력 이하로 되었을 때에 상기 순환 펌프를 정지시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상기 시스템의 손상이 억제된다. 구체적으로, 상기 온도차가 기준 온도 이상, 또는 상기 압력차가 기준 압력 이하가 되면(응축기로부터 유출되는 냉각 매체의 온도가 너무 높아지면), 작동 매체의 온도가 높아지므로, 상기 시스템에 사용되고 있는 시일재가 손상되는 등의 문제의 발생이 염려된다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 상기 온도차가 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 압력차가 기준 압력 이하로 되었을 때에 순환 펌프를 정지시키므로, 상기 시스템의 손상이 억제된다.

추가로, 상기 가열기를 바이패스하는 제1 바이패스 유로와, 상기 제1 바이패스 유로에 설치된 제1 바이패스 밸브와, 상기 팽창기를 바이패스하는 제2 바이패스 유로와, 상기 팽창기 바이패스 유로에 설치된 제2 바이패스 밸브와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체의 상기 팽창기에의 유입을 차단 가능한 차단 밸브를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 온도차가 상기 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 압력차가 상기 기준 압력 이하로 되었을 때에 상기 순환 펌프를 정지시킴과 함께, 상기 조정 밸브의 개방도를 지정 개방도로 유지하면서 상기 제1 바이패스 밸브 및 상기 제2 바이패스 밸브를 개방하고, 상기 차단 밸브를 폐쇄하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상기 시스템의 손상이 보다 확실하게 억제된다. 구체적으로, 순환 펌프가 정지되어, 제1 바이패스 밸브 및 제2 바이패스 밸브가 개방됨과 동시에 차단 밸브가 폐쇄되는 것에 의해, 가열기에 있어서 과급 공기의 폐열을 회수한 고온의 작동 매체는, 순환 펌프의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로를 경유한 저온의 액상의 작동 매체와 합류한 후, 제2 바이패스 유로를 경유하여 응축기에 유입됨으로써 응축된다. 즉, 가열기로부터 유출된 고온의 작동 매체가, 순환 펌프의 하류측에 있어서 제1 바이패스 유로를 경유한 저온의 작동 매체에 의해 냉각되므로, 가열기의 하류측에 있어서 작동 매체가 너무 고온이 되는 것에 기인하는 상기 시일재의 손상 등이 억제된다.

구체적으로, 상기 제어부는, 상기 가열기의 하류측이고 또한 상기 제1 바이패스 유로와 상기 팽창기 사이에 있어서의 작동 매체의 온도가 역치 이하로 되었을 때에 상기 조정 밸브를 폐쇄하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 가열기의 하류측이고 또한 제1 바이패스 유로와 팽창기 사이에 있어서의 작동 매체의 온도가 역치 이하로 된 후, 냉각 매체의 전량이 에어 쿨러에 공급되므로, 그 에어 쿨러에 있어서 유효하게 과급 공기를 냉각할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 제어부는, 상기 에어 쿨러로부터 유출된 후의 과급 공기의 온도가 상기 설정 온도보다도 낮은 지정 온도 이하일 때는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도로부터 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 온도를 뺀 온도차가 특정 온도로 되도록, 또는 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 압력으로부터 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 압력을 뺀 압력차가 특정 압력으로 되도록, 상기 조정 밸브의 개방도를 조정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 에어 쿨러로부터 유출된 후의 과급 공기의 온도가 상기 지정 온도 이하일 때의 응축기에의 냉각 매체의 공급량이 안정된다. 구체적으로, 상기 온도차와 분기관에 흐르는 냉각 매체의 유량의 관계는 미리 구해져 있고, 또한, 분기관의 면적은 미리 측정되어 있기 때문에, 이 면적 및 상기 압력차로부터 분기관에 흐르는 냉각 매체의 유량을 산출할 수 있다. 이로 인해, 상기 온도차가 상기 특정 온도로 되도록, 또는 상기 압력차가 상기 특정 압력으로 되도록 조정 밸브의 개방도를 조정함으로써, 응축기에의 냉각 매체의 공급량이 안정된다. 따라서, 동력 회수기에 있어서 안정적으로 동력을 회수할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 제어부는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도가 규정값 이하로 되도록 상기 순환 펌프의 회전수를 조정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 응축기로부터 유출된 냉각 매체가 주위의 환경에 미치는 영향이 억제된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 엔진은 선박용의 엔진이며, 상기 냉각 매체 공급관은, 해수를 상기 냉각 매체로서 상기 에어 쿨러 내에 공급 가능하도록 구성되어 있고, 상기 분기관은, 해수를 상기 냉각 매체로서 상기 응축기 내에 공급 가능하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 에어 쿨러 및 응축기에 냉각 매체를 공급하기 위한 전용 공급원을 설치하지 않고, 해수를 이용함으로써, 선박용의 엔진에 공급되는 과급 공기의 폐열을 유효하게 회수할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 다른 국면에 따르는 폐열 회수 방법은, 엔진에 공급되는 과급 공기의 폐열을 회수하는 방법이다. 이 폐열 회수 방법은, 상기 과급 공기를 가열기에 공급함으로써 상기 가열기로 작동 매체를 증발시키는 증발 공정과, 상기 가열기로부터 유출된 과급 공기와 냉각 매체를 에어 쿨러로 열교환시킴으로써 상기 과급 공기를 냉각하는 냉각 공정과, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체를 팽창기로 팽창시킴으로써 상기 작동 매체로부터 동력을 회수하는 동력 회수 공정과, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축기로 응축시키는 응축 공정을 구비하고 있다. 상기 응축 공정에서는, 상기 냉각 공정에 있어서 상기 에어 쿨러에 공급되는 냉각 매체의 일부를 상기 응축기에 분기시킴으로써 그 응축기에 있어서 상기 작동 매체를 응축시킴과 함께, 상기 에어 쿨러로부터 유출되는 과급 공기의 온도가 설정 온도 이하로 되도록 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급량을 조정한다.

본 폐열 회수 방법에서는, 그 온도가 설정 온도 이하로 되도록 에어 쿨러로 적절하게 냉각된 과급 공기를 얻으면서, 과급 공기의 폐열을 유효하게 회수할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 작동 매체 순환 공정을 더 구비하고, 상기 작동 매체 순환 공정에서는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도로부터 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 온도를 뺀 온도차가 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 압력으로부터 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 압력을 뺀 압력차가 기준 압력 이하로 되었을 때에, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 이송 조작을 정지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 응축 공정에서는, 상기 온도차가 상기 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 압력차가 상기 기준 압력 이하로 되었을 때에, 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급량을 일정한 범위 내에 수용되도록 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 작동 매체 순환 공정에서는, 상기 온도차가 상기 기준 온도 이상으로 되었을 때, 또는 상기 압력차가 상기 기준 압력 이하로 되었을 때에 상기 이송 조작을 정지함과 함께, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체로서 상기 가열기에 유입되기 전의 것을 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체와 합류시키고, 이 합류 후의 작동 매체를 상기 팽창기에 유입시키지 않고 상기 응축기에 유입시키는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 응축 공정에서는, 상기 합류 후의 작동 매체의 온도가 역치 이하로 되었을 때에 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급을 정지하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상기 합류 후의 작동 매체의 온도가 역치 이하로 된 후, 냉각 매체의 전량이 에어 쿨러에 공급되므로, 그 에어 쿨러에 있어서 유효하게 과급 공기를 냉각할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 응축 공정에서는, 상기 에어 쿨러로부터 유출되는 과급 공기의 온도가 상기 설정 온도보다도 낮은 지정 온도 이하일 때는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도로부터 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 온도를 뺀 온도차가 특정 온도로 되도록, 또는, 상기 응축기에 유입되기 전의 냉각 매체의 압력으로부터 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 압력을 뺀 압력차가 특정 압력으로 되도록, 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급량을 조정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 응축기에의 냉각 매체의 공급량이 안정되므로, 안정적으로 동력을 회수할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 응축 공정에서는, 상기 응축기로부터 유출된 후의 냉각 매체의 온도가 규정값 이하로 되도록 상기 응축기에의 상기 냉각 매체의 공급량을 조정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 응축기로부터 유출된 냉각 매체가 주위의 환경에 미치는 영향이 억제된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 엔진으로서 선박용의 엔진이 사용되고, 상기 에어 쿨러 및 상기 응축기에 공급되는 냉각 매체로서 해수가 사용되는 것이 바람직하다.