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KR20150128575A - 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 기동 방법 - Google Patents

열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 기동 방법 Download PDF

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KR20150128575A
KR20150128575A KR1020150062950A KR20150062950A KR20150128575A KR 20150128575 A KR20150128575 A KR 20150128575A KR 1020150062950 A KR1020150062950 A KR 1020150062950A KR 20150062950 A KR20150062950 A KR 20150062950A KR 20150128575 A KR20150128575 A KR 20150128575A
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KR
South Korea
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pump
heater
condenser
working medium
flow path
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Application number
KR1020150062950A
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Inventor
시게토 아다치
유타카 나루카와
다카유키 후쿠다
Original Assignee
가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 filed Critical 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

열에너지 회수 장치는, 열매체의 열에 의해 작동 매체를 증발시키는 가열기와, 가열기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 팽창기에 접속되는 구동기와, 냉각 매체에 의해 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 응축기에 있어서 응축된 작동 매체를 저류하는 저류부와, 저류부로부터 유출된 작동 매체를 가열기에 보내는 펌프(7)와, 가열기, 팽창기, 응축기, 저류부 및 펌프를 이 순서대로 접속하는 작동 매체의 순환 유로와, 펌프의 구동을 제어하는 펌프 제어부를 구비하고, 펌프 제어부는 가열기에 열매체가 공급됨과 함께 응축기에 냉각 매체가 공급된 후에, 펌프를 구동한다. 이에 의해, 펌프의 상류에 위치하는 저류부 내의 액상의 작동 매체의 양을 확보할 수 있다.

Description

열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 기동 방법{THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE AND START-UP METHOD OF THERMAL ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은, 배열을 회수하는 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 기동 방법에 관한 것이다.
종래, 각종 설비에 있어서 발생하는 열에너지를 회수하는 장치가 알려져 있다. 이 장치의 일례로서, 일본 특허 공개 제2012-202374호에는, 열매체에 의해 작동 매체액을 증발시키는 가열기와, 작동 매체 증기를 팽창시키는 팽창기와, 작동 매체 증기를 응축시키는 응축기와, 작동 매체를 순환시키는 펌프가 직렬 접속된 순환 유로를 구비하는 발전 장치가 기재되어 있다. 이 발전 장치에서는, 팽창기가 스크류 로터를 구비하고 있고, 당해 스크루 로터가 팽창기에 있어서 팽창한 작동 매체 증기에 의해 회전한다. 이 스크루 로터는 발전기에 접속되어 있고, 당해 발전기가 스크류 로터의 회전을 전력으로 변환한다.
상기 선행 기술의 발전 장치는, 펌프의 입구측의 작동 매체의 압력을 검출하는 압력 센서와, 펌프의 입구측의 작동 매체의 온도로부터 당해 작동 매체의 포화 증기 압력을 검출하는 도출 수단을 더 구비하고 있다. 이 발전 장치는, 압력 센서에 있어서 검출된 압력과 도출 수단에 있어서 도출된 포화 증기 압력과의 차압에 따라서 작동 매체의 순환량을 조정함으로써, 펌프에 있어서의 캐비테이션의 발생을 억제하고 있다.
그런데, 응축기 및 펌프가 가열기보다도 상방에 위치하는 경우, 펌프의 정지 시에 액상의 작동 매체가 가열기와 펌프 사이의 배관 부분에 저류되어 버려, 펌프의 상류에 존재하는 액상의 작동 매체의 양이 부족하게 된다. 이와 같은 상태에서 펌프가 시동되면, 당해 펌프에 있어서 캐비테이션이 발생하게 된다. 상기 선행 기술의 방법에서는, 당해 펌프의 시동 시에서의 캐비테이션의 발생은 피하기 어렵다.
본 발명은, 상기의 관점으로부터 이루어진 것이며, 그 목적은, 열에너지 회수 장치에 있어서 펌프의 상류에 위치하는 저류부 내의 액상의 작동 매체의 양을 확보하는 것이다.
본 발명에 관한 열에너지 회수 장치는, 열매체의 열에 의해 작동 매체를 가열하는 가열기와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속되는 동력 회수기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 냉각 매체에 의해 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 상기 응축기에 있어서 응축된 작동 매체를 저류하는 저류부와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 상기 저류부로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 펌프와, 상기 가열기, 상기 팽창기, 상기 응축기, 상기 저류부 및 상기 펌프를 이 순서대로 접속하는 작동 매체의 순환 유로와, 상기 펌프의 구동을 제어하는 펌프 제어부를 구비하고, 상기 펌프 제어부는, 상기 가열기에 열매체가 공급되고, 또한 상기 응축기에 냉각 매체가 공급되고 상기 저류부에 작동 매체가 저류된 후에, 상기 펌프를 구동한다.
열에너지 회수 장치의 정지 시에는, 통상, 가열기에의 열매체의 공급 및 응축기에의 냉각 매체의 공급이 정지된다. 이로 인해, 가열기가 저류부보다도 하방에 배치되는 구조에서는, 저류부로부터 유출된 작동 매체가 펌프를 통과해서 가열기의 상류측에 체류하게 된다. 그 결과, 저류부 내의 액상의 작동 매체가 부족하고, 펌프를 구동할 때에 캐비테이션이 발생할 우려가 있다.
이에 대해, 본 발명에 관한 열에너지 회수 장치에서는, 펌프의 구동 전, 즉, 열에너지 회수 장치의 운전 개시 전에, 가열기에 열매체가 공급되고, 또한, 응축기에 냉각 매체가 공급되어 저류부 내에 충분한 양의 작동 매체가 저류된다. 이에 의해, 펌프를 구동할 때의 캐비테이션을 방지할 수 있다.
또한, 상기 저류부는, 당해 저류부에 저류된 작동 매체의 액면의 높이를 검출하는 액면 센서를 갖고, 상기 펌프 제어부는, 상기 액면 센서의 검출값에 기초하여 상기 저류부에 저류된 작동 매체의 양이 소정량 이상으로 된 경우에, 상기 펌프를 구동하는 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 저류부 내의 작동 매체의 양을 확실하게 확보한 상태에서 펌프를 구동할 수 있다.
또한, 상기 펌프 제어부는, 상기 응축기에 냉각 매체의 공급이 개시되고 나서 소정의 시간이 경과된 후에, 상기 펌프를 구동해도 좋다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 액면 센서를 설치할 필요가 없으므로, 비용을 저감할 수 있다.
또한, 상기 가열기와 상기 팽창기를 연결하는 상기 순환 유로의 제1 유로에 설치되는 차단 밸브와, 상기 팽창기 및 상기 응축기를 연결하는 상기 순환 유로의 제2 유로와, 상기 제1 유로 중 상기 차단 밸브보다도 상류측의 부위를 연결하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로에 설치되는 바이패스 밸브와, 상기 차단 밸브 및 상기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부를 더 구비하고, 상기 밸브 제어부는, 상기 펌프의 구동 전에, 상기 차단 밸브를 폐쇄한 상태로 하고, 또한 상기 바이패스 밸브를 개방한 상태로 하는 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 팽창기에 걸쳐서 제1 유로와 제2 유로를 연결하는 바이패스 유로가 설치되어 있고, 펌프의 구동이 개시되기 전에 가열기에 있어서 증발한 작동 매체가 제1 유로, 바이패스 유로 및 제2 유로를 통하여 응축기에 유입된다. 즉, 상기의 열에너지 회수 장치에서는, 펌프의 구동이 개시되기 전에 가열기에 있어서 증발한 작동 매체가 팽창기를 통하는 일 없이 응축기에 유입되게 된다. 이로 인해, 가열기에 있어서 증발한 작동 매체를 효율적으로 응축기에 유입시킬 수 있다.
또한, 상기 순환 유로 중 상기 펌프와 상기 가열기를 연결하는 유로가, 상기 펌프에 접속됨과 함께 상방을 향해 볼록해지는 굴곡부를 구비하는 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 펌프의 구동 전에 저류부로부터 가열기로 작동 매체가 흐르게 되는 것이 억제되어, 당해 저류부에 액상의 작동 매체를 보다 신속하게 축적할 수 있다.
또한, 상기 응축기와 상기 저류부는, 별도의 부재인 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 응축기 내에 액상의 작동 매체가 저류되는 것이 억제되므로, 당해 응축기 중 작동 매체의 유입측의 압력을 저감하는 것이 가능하게 되고, 이에 의해 동력 회수기에 있어서 효율적으로 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 상기 순환 유로 중 상기 펌프와 상기 가열기를 연결하는 유로에는, 개폐 밸브가 설치되고, 상기 가열기에 열매체가 공급되고, 또한 상기 응축기에 냉각 매체가 공급되고 상기 저류부에 작동 매체가 저류된 후에, 상기 개폐 밸브를 개방하고, 상기 펌프를 구동하는 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치에서는, 펌프의 구동 정지 시에 개폐 밸브를 폐쇄함으로써, 당해 펌프의 구동 전에 가열기로 작동 매체가 흐르게 되는 것이 방지되어, 저류부 내에 액상의 작동 매체를 보다 신속하게 축적할 수 있다.
또한, 상기 열매체는, 엔진에 공급되는 과급 공기, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기 가스 또는 상기 배기 가스로부터 열을 회수하는 에코노마이저에 의해 발생한 증기 중 적어도 1개를 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 열에너지 회수 장치는, 예를 들어 흔들림이 발생하기 쉬운 선박이나 차량 혼의 이동체에 탑재되고, 당해 이동체의 엔진 주변에 있어서 발생한 열에너지를 회수할 수 있다.
또한, 본 발명은, 열매체에 의해 작동 매체를 가열하는 가열기와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속되는 동력 회수기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 냉각 매체에 있어서 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 상기 응축기에 있어서 응축된 작동 매체를 저류하는 저류부와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 상기 저류부로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 펌프를 구비하고, 상기 가열기, 상기 팽창기, 상기 응축기, 상기 저류부 및 상기 펌프가 이 순서대로 열에너지 회수 장치의 기동 방법이며, 상기 가열기에 열매체를 공급하는 제1 스텝과, 상기 응축기에 냉각 매체를 공급해서 상기 저류부에 작동 매체가 저류하는 제2 스텝과, 상기 제1 스텝 및 상기 제2 스텝 이후에 상기 펌프를 구동하는 제3 스텝을 구비한다.
상기의 열에너지 회수 장치의 기동 방법에서는, 가열기에 열매체를 공급하고, 또한 응축기에 냉각 매체를 공급해서 펌프의 구동 전에 저류부 내에 충분한 양의 작동 매체를 저류한 후에 당해 펌프를 구동하므로, 펌프를 구동할 때의 캐비테이션을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펌프의 상류에 위치하는 저류부 내의 액상의 작동 매체의 양을 확보할 수 있는 열에너지 회수 장치 및 열에너지 회수 장치의 기동 방법이 제공된다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치에 있어서의 기동 제어의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치의 변형예 1이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치의 변형예 2이며, 도 1과 마찬가지의 개략 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 변형예 2의 기동 제어의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치의 변형예 3이며, 기동 제어의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치의 변형예 4이며, 도 1과 마찬가지의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 단, 이하에서 참조하는 각 도면은, 설명의 편의상, 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치를 설명하기 위해 필요한 주요 부재를 간략화해서 나타낸 것이다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치는, 본 명세서가 참조하는 각 도면에 도시되어 있지 않은 임의의 구성 부재를 구비할 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 열에너지 회수 장치(X1)는, 가열기(2), 팽창기(3), 동력 회수기(4), 응축기(5), 저류부(6), 펌프(7), 순환 유로(8), 바이패스 유로(11), 차단 밸브(81a) 및 제어부(9)를 구비하고 있다. 그리고, 순환 유로(8)가 가열기(2), 팽창기(3), 응축기(5), 저류부(6) 및 펌프(7)를 이 순서대로 접속하고 있다. 이하의 설명에서는, 순환 유로(8) 중 가열기(2)와 팽창기(3)를 연결하는 부위를 「제1 유로(81)」라고 한다. 팽창기(3)와 응축기(5)를 연결하는 부위를 「제2 유로(82)」라고 한다. 응축기(5)와 펌프(7)를 연결하는 부위를 「제3 유로(83)」라고 한다. 펌프(7)와 가열기(2)를 연결하는 부위를 「제4 유로(84)」라고 한다.
본 실시 형태에서는, 열에너지 회수 장치(X1)는 선박에 탑재되고, 과급기가 부착된 엔진(100)의 배열을 회수하도록 이용된다. 또한, 열에너지 회수 장치(X1)는, 예를 들어 차량에 탑재되어도 좋고, 공장 등에 있어서의 각종 설비에 적용되어도 좋다.
과급기가 부착된 엔진(100)은, 과급기, 엔진(130), 소기 라인(140, 150) 및 배기 라인(160)을 갖고 있다. 과급기는 압축기(110) 및 당해 압축기(110)에 접속된 터빈(120)을 갖고 있다. 압축기(110)에 의해 압축된 과급 공기는, 소기 라인(140, 150)을 통해 엔진(130)에 공급된다. 엔진(130)으로부터의 배기 가스는 배기 라인(160)을 통하여 터빈(120)에 보내진다. 터빈(120)은 배기 가스의 팽창 에너지에 의해 구동되고, 이 터빈(120)의 구동력에 의해 압축기(110)가 구동된다. 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치(X1)에서는, 가열기(2)가 소기 라인(140)과 소기 라인(150) 사이에 위치하고 있고, 소기 라인(140)으로부터 소기 라인(150)으로 이동하는 과급 공기의 배열을 회수할 수 있다.
가열기(2)는 열매체 유로(21) 및 작동 매체 유로(22)를 갖고 있다. 열매체 유로(21)는 압축기(110)로부터의 과급 공기가 흐르는 유로이며, 일단부가 소기 라인(140)에 접속되어 있음과 함께 타단부가 소기 라인(150)에 접속되어 있다. 작동 매체 유로(22)는 작동 매체가 흐르는 유로이다. 가열기(2)는 열매체 유로(21)를 흐르는 과급 공기와 작동 매체 유로(22)를 흐르는 액상의 작동 매체를 열교환시킴으로써 당해 작동 매체를 증발시킨다.
팽창기(3)는 순환 유로(8)에 있어서의 가열기(2)의 하류측에 위치하고 있다. 팽창기(3)와 가열기(2)의 작동 매체 유로(22)는 순환 유로(8)의 제1 유로(81)를 통하여 서로 접속되어 있다. 가열기(2)에 있어서 증발한 작동 매체는, 제1 유로(81)를 통하여 팽창기(3)에 유입된다.
본 실시 형태에서는, 팽창기(3)로서, 기상의 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 회전 구동되는 로터를 갖는 용적식의 스크류 팽창기가 사용되고 있다. 또한, 팽창기(3)로서는, 용적식의 스크류 팽창기에 한정되지 않고, 원심식의 것이나 스크롤 타입의 것 등이 사용되어도 좋다.
동력 회수기(4)는 팽창기(3)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 동력 회수기(4)로서 발전기가 사용되고 있다. 이 동력 회수기(4)는 팽창기(3)의 한 쌍의 스크류 로터 중 한쪽에 접속된 회전축을 갖고 있다. 동력 회수기(4)는, 상기 회전축이 상기 스크류 로터의 회전에 수반하여 회전함으로써 전력을 발생시킨다. 또한, 동력 회수기(4)로서, 발전기 외에, 압축기 등이 사용되어도 좋다.
응축기(5)는 순환 유로(8)에 있어서의 팽창기(3)의 하류측에 위치하고 있다. 또한, 응축기(5)는 중력 방향에 있어서 가열기(2)보다도 상방에 배치되어 있다. 응축기(5)는 냉각수 유로(51) 및 작동 매체 유로(52)를 갖고 있다. 냉각수 유로(51)는 냉각수가 흐르는 유로이다. 작동 매체 유로(52)는 작동 매체가 흐르는 유로이다. 작동 매체 유로(52)는 순환 유로(8)의 제2 유로(82)를 통하여 팽창기(3)에 접속되어 있다. 팽창기(3)로부터 유출된 기상의 작동 매체는, 제2 유로(82)를 통하여 응축기(5)의 작동 매체 유로(52)에 유입된다. 그리고, 작동 매체 유로(52)를 흐르는 기상의 작동 매체와 냉각수 유로(51)를 흐르는 냉각수 사이에서 열교환이 행해짐으로써, 당해 작동 매체가 응축된다. 또한, 냉각수 유로(51)를 흐르는 냉각수로서는, 예를 들어 해수가 사용되지만, 이에 한정되지 않고, 작동 매체 유로(52)를 흐르는 기상의 작동 매체를 응축 가능한 냉각 매체이면 된다.
저류부(6)는 순환 유로(8)의 제3 유로(83) 상에서 응축기(5)의 하류측에 위치하고 있다. 또한, 저류부(6)는 중력 방향에 있어서 응축기(5)보다도 하방에 위치하고, 또한, 가열기(2)보다도 상방에 배치되어 있다. 응축기(5)의 작동 매체 유로(52)와 펌프(7)는, 제3 유로(83)를 통하여 서로 접속되어 있고, 저류부(6)가 당해 제3 유로(83)의 도중에 설치되어 있다. 응축기(5)에 있어서 응축된 작동 매체는, 제3 유로(83)에 유입됨과 함께, 당해 제3 유로(83)의 도중에 설치된 저류부(6)에 저류된다.
펌프(7)는 순환 유로(8)에 있어서의 저류부(6)의 하류측에 위치하고 있다. 또한, 펌프(7)는 중력 방향에 있어서 응축기(5) 및 저류부(6)보다도 하방에 위치하고, 또한, 가열기(2)보다도 상방에 위치한다. 펌프(7)와 가열기(2)의 작동 매체 유로(22)는, 순환 유로(8)의 제4 유로(84)를 통하여 서로 접속되어 있다. 저류부(6)에 저류된 액상의 작동 매체는 펌프(7)에 유입됨과 함께, 당해 펌프(7)에 의해 소정의 압력으로 가열기(2)의 작동 매체 유로(22)에 보내진다. 펌프(7)로서는, 임펠러를 로터로서 구비하는 원심 펌프나, 로터가 한 쌍의 기어로 이루어지는 기어 펌프 등이 사용된다.
차단 밸브(81a)는 순환 유로의 제1 유로(81)에 설치된다. 바이패스 유로(11)는 팽창기(3)를 우회하여 제1 유로(81)와 제2 유로(82)를 연결하는 유로이다. 바이패스 유로(11)의 일단부는, 제1 유로(81) 중 차단 밸브(81a)보다도 상류측의 부위에 접속되어 있다. 바이패스 유로(1)의 타단부는, 제2 유로(82)의 소정 개소에 접속되어 있다. 이에 의해, 가열기(2)에 있어서 증발한 작동 매체는, 팽창기(3)를 통하여 응축기(5)에 유입될 수 있음과 함께, 팽창기(3)를 통하지 않고 바이패스 유로(11)를 통하여 응축기(5)에 유입될 수도 있다.
제어부(9)는 열에너지 회수 장치(X1)의 구동 중의 제어 이외에 기동을 제어하는 역할도 하고, 펌프 제어부(91)와, 밸브 제어부(92)와, 판정부(93)를 기능적으로 갖고 있다.
판정부(93)는 저류부(6)에 설치된 액면 센서(61)로부터의 신호를 받아, 저류부(6)에 액상의 작동 매체가 충분히 저류되어 있는지 여부를 판정한다.
펌프 제어부(91)는 판정부(93)로부터 판정 신호를 받은 경우에, 펌프(7)의 구동을 개시시키는 제어를 행한다.
밸브 제어부(92)는 바이패스 밸브(11a)의 개폐 제어, 차단 밸브(81a)의 개폐 제어 및 응축기(5)의 냉각수 유로(51)의 상류에 설치된 개폐 밸브(51a)의 개폐 제어를 행한다.
제어부(9)에서는 펌프 제어부(91), 밸브 제어부(92) 및 판정부(93)의 기능이 예를 들어 메모리에 기억된 프로그램을 CPU에 의해 실행함으로써 실현되어 있다.
그런데, 열에너지 회수 장치(X1)의 정지 시, 즉, 펌프(7)의 정지 시에는, 가열기(2)가 저류부(6)보다도 중력 방향에 있어서 하방에 위치하기 때문에, 제4 유로(84), 즉, 펌프(7)와 가열기(2) 사이의 순환 유로(8)의 부위에 액상의 작동 매체가 저류되어 버린다. 또한, 제4 유로(84)에 저류되는 액상의 작동 매체에는, 저류부(6)로부터 펌프(7) 내의 부재의 간극을 두고 제4 유로(84)로 누출된 것도 있다. 그 결과, 저류부(6) 내의 액상의 작동 매체가 부족하게 되어, 가령 부족 상태로 펌프(7)를 기동하게 되면, 펌프(7) 내에 기상의 작동 매체가 침입하여, 캐비테이션이 발생할 우려가 있다.
따라서, 열에너지 회수 장치(X1)의 기동 시에는 이하의 제어가 행해진다. 도 2는 열에너지 회수 장치에 있어서의 기동 제어의 수순을 나타내는 흐름도이다.
우선, 제어부(9)에서 가열기(2)의 열매체 유로(21)에 열매체가 공급되었는지 여부가 반복 확인된다(스텝 Op1). 이 열매체의 공급의 유무에 대해서는, 엔진(130)의 회전수, 소기 라인(140)의 온도, 혹은 소기 라인(140)의 압력 등에 기초하여 판정된다. 또한, 가열기(2)의 하류측에 있어서의 작동 매체의 압력이나 온도에 기초하여 열매체의 공급의 유무가 판정되어도 좋다.
열매체가 가열기(2)에 공급되면(스텝 Op1에서 "예"), 밸브 제어부(92)는 바이패스 밸브(11a)를 개방함과 함께(스텝 Op2), 차단 밸브(81a)를 폐쇄하는 제어를 행한다(스텝 Op3). 또한, 차단 밸브(81a)는 미리 폐쇄되어 있어도 좋다. 또한, 밸브 제어부(92)는 개폐 밸브(51a)를 개방하고, 냉각수 유로(51)에 냉각수가 공급된다(스텝 Op4). 제4 유로(84)에 저류된 액상의 작동 매체는 가열기(2)에 의해 가열되고, 증발한 작동 매체는 제1 유로(81), 바이패스 유로(11) 및 제2 유로(82)를 통하여 응축기(5)의 작동 매체 유로(52)에 유입된다. 작동 매체 유로(52)에 유입된 작동 매체는 냉각수 유로(51)를 흐르는 냉각수에 의해 냉각되어 응축한다. 이와 같은 수순(스텝 Op1 내지 스텝 Op4)에 의해, 펌프(7)가 구동되기 전에 응축기(5)로부터 당해 응축기(5)의 하류에 위치하는 저류부(6)로 액상의 작동 매체가 보내진다.
그리고, 액면 센서(61)가 저류부(6) 내의 액상의 작동 매체의 액면 높이를 검출하고(스텝 Op5), 판정부(93)가 액면 센서(61)의 검출값에 기초하여 저류부(6) 내에 충분한 양의 액상의 작동 매체가 저류되어 있는지 여부를 판정한다(스텝 Op6). 저류부(6) 내의 액상의 작동 매체가 소정량 미만인 경우에는, 소정량 이상이 될 때까지 연속적 혹은 단속적으로 작동 매체의 액면의 높이가 검출된다. 그리고, 판정부(93)가 저류부(6) 내에 소정량 이상의 액상의 작동 매체가 저류되어 있다고 판정하면(스텝 Op6에서 "예"), 당해 저류가 완료된 것을 나타내는 판정 신호가 펌프 제어부(91) 및 밸브 제어부(92)에 송신된다.
판정부(93)로부터 상기 판정 신호를 받은 밸브 제어부(92)는 차단 밸브(81a)를 개방함과 함께(스텝 Op7), 바이패스 밸브(11a)를 폐쇄하는 제어를 행하고(스텝 Op8), 가열기(2)로부터 팽창기(3)를 통하여 응축기(5)에 이르는 유로를 개방한다. 또한, 판정부(93)로부터 상기 판정 신호를 받은 펌프 제어부(91)는 펌프(7)의 구동을 개시시키는 제어를 행한다(스텝 Op9).
이상에서 설명한 기동 제어가 행해지면, 펌프(7)는 저류부(6)로부터 액상의 작동 매체를 흡입하고, 가열기(2)에 보낸다. 가열기(2)에 의해 증발한 작동 매체는 팽창기(3)에 유입되고, 작동 매체에 의해 팽창기(3)가 구동된다. 발전기(4)는 팽창기(3)의 구동력에 의해 구동된다. 팽창기(3)를 통과한 작동 매체는 응축기(5)에 의해 응축되고, 저류부(6)로 복귀된다.
이상, 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치(X1)의 구조 및 기동 시의 동작에 대해 설명했지만, 열에너지 회수 장치(X1)의 기동 시에는, 가열기(2)의 열매체 유로(21)에 열매체가 공급됨과 함께 응축기(5)의 냉각수 유로(51)에 냉각수가 공급된 후에 펌프(7)가 구동된다. 이로 인해, 펌프(7)의 구동 전에, 제4 유로(84)에 저류된 액상의 작동 매체를 저류부(6)로 복귀시킬 수 있어, 액상의 작동 매체가 저류부(6) 내에 확보된다. 그 결과, 기상의 작동 매체가 펌프(7)에 침입하게 되는 것이 방지되어, 캐비테이션의 발생이 방지된다.
열에너지 회수 장치(X1)가 선박 등의 이동체에 탑재되는 경우에는, 이동체의 흔들림에 의해 저류부(6) 내의 액면이 물결쳐 버리는 경우가 있지만, 저류부(6)에 충분한 양의 액상의 작동 매체가 확보되기 때문에, 펌프(7)에 기상의 작동 매체가 침입하게 되는 것이 방지된다.
본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치(X1)에서는, 저류부(6)에 설치된 액면 센서(61)가 액상의 작동 매체의 액면의 높이를 검지하고 있고, 액상의 작동 매체를 저류부(6) 내에 확실하게 확보할 수 있다.
또한, 펌프(7)의 구동 전에, 응축기(5)에 냉각수가 공급되는 데 수반하여 차단 밸브(81a)가 폐쇄됨과 함께 바이패스 밸브(11a)가 개방된다. 가열기(2)에 있어서 증발한 작동 매체가 바이패스 밸브(11a)를 통하여 응축기(5)에 유입됨으로써, 작동 매체를 효율적으로 응축시킬 수 있다.
응축기(5)와 저류부(6)가 별도의 부재인 것에 의해, 액화된 작동 매체를 신속하게 응축기(5) 외부로 배출하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 응축기(5)의 작동 매체 유로(52)의 유입측의 압력을 저감하는 것이 가능하게 되어, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
열에너지 회수 장치(X1)의 기동 제어에서는, 펌프(7)의 구동을 개시시키는 펌프 구동 제어(스텝 Op9)와, 펌프 구동 제어 전에 작동 매체를 저류부(6)에 저류시키기 위한 저류 제어(스텝 Op1 내지 Op8)가 반드시 연속적으로 행해질 필요는 없다. 예를 들어, 열에너지 회수 장치(X1)의 정지 후라도 열매체의 공급이 일정 시간 유지되는 경우는, 정지 후에 저류 제어를 행하여 사전에 작동 매체를 저류함으로써, 원하는 타이밍에서 펌프 구동 제어를 행할 수 있다. 이하의 다른 제어 동작에 있어서도 마찬가지이다.
이하, 본 실시 형태에 관한 열에너지 회수 장치(X1)의 변형예에 대해, 도 3 내지 도 7을 참조하면서 설명한다.
도 3에 도시하는 변형예에서는, 펌프(7)의 하류측에 위치하는 제4 유로(84)가, 상방을 향해 볼록 형상으로 되도록 구부러지는 부분을 갖는 굴곡부(84a)를 구비한다. 굴곡부(84)의 도 3에 있어서의 우측의 단부가 펌프(7)에 접속된다. 이에 의해, 열에너지 회수 장치(X1)의 정지 시에는, 굴곡부(84a) 중 상류측의 부분에 액상의 작동 매체가 저류되게 되어, 펌프(7)로부터의 누출이 억제된다. 그 결과, 저류부(6)에 충분한 양의 작동 매체를 보다 신속하게 저류할 수 있다.
도 4에 도시하는 변형예에서는, 제4 유로(84)에 개폐 밸브(84b)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(84b)는 열에너지 회수 장치(X1)의 운전 정지에 수반하여 폐쇄된다. 도 5는 열에너지 회수 장치(X1)의 기동 시에서의 동작예를 도시하는 도면이다. 열에너지 회수 장치(X1)의 동작은 스텝 Op10을 제외하고 도 2와 마찬가지이다. 우선, 열매체가 가열기(2)에 공급되면, 바이패스 밸브(11a)가 개방됨과 함께 차단 밸브(81a)가 폐쇄되고, 응축기(5)의 냉각수 유로(51)에 냉각수가 공급된다(스텝 Op1 내지 OP4). 액면 센서(61)가 저류부(6) 내의 액상의 작동 매체의 액면 높이를 검출하고(스텝 Op5), 판정부(93)가 저류부(6)에 충분한 양의 액상의 작동 매체가 저류되어 있다고 판정하면(스텝 Op6에서 "예"), 차단 밸브(81a)가 개방됨과 함께 바이패스 밸브(11a)가 폐쇄된다(스텝 Op7, Op8). 그리고, 밸브 제어부(92)에 의해 개폐 밸브(84b)가 개방되고(스텝 Op10), 펌프 제어부(91)가 펌프(7)를 구동시킨다(스텝 Op9).
도 4에 도시하는 변형예에서는, 개폐 밸브(84b)가 설치됨으로써, 열에너지 회수 장치(X1)의 정지 중에 펌프(7)보다도 하류측의 제4 유로(84)에 액상의 작동 매체가 누출되어 버리는 것을 방지할 수 있다. 제4 유로(84)에 누출되는 작동 매체의 양이 억제됨으로써, 열에너지 회수 장치(X1)의 기동을 신속하게 행할 수 있음과 함께, 열에너지 회수 장치(X1)에서 사용되는 작동 매체의 양을 억제하는 것도 가능하게 된다.
도 6에 도시하는 변형예에서는, 저류부(6)에 설치되어 있었던 액면 센서(61)가 생략되고, 도 2에 도시하는 스텝 Op5 및 스텝 Op6 대신에, 스텝 Op11이 삽입되어 있다. 밸브 제어부(92)는 응축기(5)의 냉각수 유로(51)에의 냉각수의 공급이 개시되고 나서 미리 설정된 소정 시간이 경과된 경우에(스텝 Op11에서 "예"), 차단 밸브(81a)를 개방함과 함께(스텝 Op7), 바이패스 밸브(11a)를 폐쇄한다(스텝 Op8). 이때, 밸브 제어부(92)는 펌프 제어부(91)에 대해 상기 소정 시간의 경과 신호를 송신한다. 그리고, 밸브 제어부(92)로부터 상기 경과 신호를 받은 펌프 제어부(91)는, 펌프(7)의 구동을 개시시키는 제어를 행한다(스텝 Op9). 이와 같은 수순에 의하면, 액면 센서(61)를 생략할 수 있어, 열에너지 회수 장치(X1)의 비용을 저감할 수 있다.
이상 설명한 본 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야만 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니라 특허 청구의 범위에서 나타내어지고, 또한 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 도 2에 도시하는 기동 시의 동작에 있어서, 스텝 Op2 내지 스텝 Op4가 동시에 행해져도 좋다. 스텝 Op7 내지 스텝 Op9도 마찬가지이다. 또한, 응축기(5)에의 냉각수의 공급과, 가열기(2)에의 열매체의 공급이 동시에 행해져도 좋고, 냉각수의 공급이 선행하여 행해져도 좋다. 열매체 및 냉각수를 가열기(2) 및 응축기(5)에 유입시키기 전에, 미리 차단 밸브(81a)를 폐쇄하고, 또한, 바이패스 밸브(11a)를 개방하고 있어도 좋다. 이와 같이, 열에너지 회수 장치(X1)에서는, 도 2와는 다른 시계열로 각 공정을 행할 수도 있다. 도 5 및 도 6의 동작에 있어서도 마찬가지이다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 반드시 냉각수의 공급 제어가 행해질 필요는 없고, 냉각수가 냉각수 유로(51)에 항상 공급되는 경우에는, 스텝 Op4는 불필요하게 된다.
열에너지 회수 장치(X1)에서는, 차단 밸브(81a)가 생략되고, 가열기(2)에서 증발한 작동 매체의 일부가 팽창기(3)를 통하여 응축기(5)에 유입되어도 좋다. 이에 의해, 보다 많은 전력을 생성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 작동 매체의 저류 제어의 시간이 충분히 확보되는 경우에는, 바이패스 밸브(11a)를 폐쇄한 상태에서 작동 매체의 전체량이 팽창기(3)를 통하여 응축기(5)에 유입되어도 좋다.
상기 실시 형태에서는 응축기(5) 및 저류부(6)가 연결된 부재로 되어도 좋다. 이 경우, 저류부(6)에 설치되어 있었던 액면 센서(61)는 저류부로서 기능하는 응축기(5)의 하류부에 설치되게 된다. 또한, 액면 센서(61)는 반드시 응축기(5)에 설치될 필요는 없고, 제3 유로(83)의 펌프(7)보다도 상류측의 부위에 설치되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제어부(9)가 판정부(93)를 기능적으로 갖고 있지만, 이에 한정되지 않고, 액면 센서(61)의 검출값에 기초하여, 조작자가 펌프 제어부(91) 및 밸브 제어부(92)를 지시하여 스텝 Op7 내지 스텝 Op9, 스텝 Op10의 제어를 행해도 좋다.
열에너지 회수 장치(X1)에서는, 복수의 열교환기에 의해 가열기가 구성되어도 좋다. 도 7에 도시하는 변형예에서는, 과급기가 부착된 엔진(100)의 압축기(110)에 의해 압축된 과급 공기로부터의 열을 회수하는 열교환기(2a)와, 열교환기(2a)의 하류측에 에코노마이저(200)로부터의 증기의 열을 회수하는 열교환기(2b)가 설치되어 있다. 열교환기(2a, 2b)에 의해 가열기(2)가 구성된다. 에코노마이저(200)는 과급기가 부착된 엔진(100)으로부터의 배기 가스의 열을 회수하는 역할을 갖고, 당해 회수에 수반하여 발생하는 증기가 열교환기(2b)의 열매체 유로(21b)에 유입된다. 그리고, 열매체 유로(21b)를 통과하는 증기와 작동 매체 유로(22b)를 통과하는 작동 매체 사이에서 열교환이 행해지게 된다. 도 7의 구조에서는, 열교환기(2b)에 의해 작동 매체가 모두 증기가 되는 것이면, 열교환기(2a)에 의해 액상의 작동 매체의 전체량이 반드시 증발할 필요는 없다.
열에너지 회수 장치(X1)에서는 열매체로서 엔진(130)으로부터 배출되는 배기 가스의 열을 직접 회수하는 열교환기가 설치되어도 좋다. 이와 같이, 열에너지 회수 장치(X1)는 열매체로서, 엔진(130)에 공급되는 과급 공기, 엔진(130)으로부터 배출되는 배기 가스 또는 배기 가스로부터 열을 회수하는 에코노마이저(200)에 의해 생성되는 증기 중 적어도 1개를 포함하는 구성으로 된다.

Claims (9)

  1. 열에너지 회수 장치이며,
    열매체의 열에 의해 작동 매체를 가열하는 가열기와,
    상기 가열기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와,
    상기 팽창기에 접속되는 동력 회수기와,
    상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 냉각 매체에 의해 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와,
    상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 상기 응축기에 있어서 응축된 작동 매체를 저류하는 저류부와,
    상기 가열기보다도 상방에 위치하고, 상기 저류부로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 펌프와,
    상기 가열기, 상기 팽창기, 상기 응축기, 상기 저류부 및 상기 펌프를 이 순서대로 접속하는 작동 매체의 순환 유로와,
    상기 펌프의 구동을 제어하는 펌프 제어부
    를 구비하고,
    상기 펌프 제어부는, 상기 가열기에 열매체가 공급되고, 또한 상기 응축기에 냉각 매체가 공급되어 상기 저류부에 작동 매체가 저류된 후에, 상기 펌프를 구동하는, 열에너지 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저류부는, 당해 저류부에 저류된 작동 매체의 액면 높이를 검출하는 액면 센서를 갖고,
    상기 펌프 제어부는, 상기 액면 센서의 검출값에 기초하여 상기 저류부에 저류된 작동 매체의 양이 소정량 이상으로 된 경우에, 상기 펌프를 구동하는, 열에너지 회수 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 제어부는, 상기 응축기에 냉각 매체의 공급이 개시되고 나서 소정의 시간이 경과된 후에, 상기 펌프를 구동하는, 열에너지 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열기와 상기 팽창기를 연결하는 상기 순환 유로의 제1 유로에 설치되는 차단 밸브와,
    상기 팽창기 및 상기 응축기를 연결하는 상기 순환 유로의 제2 유로와, 상기 제1 유로 중 상기 차단 밸브보다도 상류측의 부위를 연결하는 바이패스 유로와,
    상기 바이패스 유로에 설치되는 바이패스 밸브와,
    상기 차단 밸브 및 상기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부를 더 구비하고,
    상기 밸브 제어부는, 상기 펌프의 구동 전에, 상기 차단 밸브를 폐쇄한 상태로 하고, 또한 상기 바이패스 밸브를 개방한 상태로 하는, 열에너지 회수 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유로 중 상기 펌프와 상기 가열기를 연결하는 유로가, 상기 펌프에 접속됨과 함께 상방을 향해 볼록해지는 굴곡부를 구비하는, 열에너지 회수 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 저류부는, 별도의 부재인, 열에너지 회수 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유로 중 상기 펌프와 상기 가열기를 연결하는 유로에는, 개폐 밸브가 설치되고,
    상기 가열기에 열매체가 공급되고, 또한 상기 응축기에 냉각 매체가 공급되어 상기 저류부에 작동 매체가 저류된 후에, 상기 개폐 밸브를 개방하고, 상기 펌프를 구동하는, 열에너지 회수 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열매체는, 엔진에 공급되는 과급 공기, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기 가스 또는 상기 배기 가스로부터 열을 회수하는 이코노마이저에 의해 발생한 증기 중 적어도 1개를 포함하는, 열에너지 회수 장치.
  9. 열매체에 의해 작동 매체를 가열하는 가열기와, 상기 가열기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속되는 동력 회수기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 냉각 매체에 의해 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 상기 응축기에 있어서 응축된 작동 매체를 저류하는 저류부와, 상기 가열기보다도 상방에 위치하고 상기 저류부로부터 유출된 작동 매체를 상기 가열기에 보내는 펌프를 구비하고, 상기 가열기, 상기 팽창기, 상기 응축기, 상기 저류부 및 상기 펌프가 이 순서대로 접속된 열에너지 회수 장치의 기동 방법이며,
    상기 가열기에 열매체를 공급하는 제1 스텝과,
    상기 응축기에 냉각 매체를 공급해서 상기 저류부에 작동 매체를 저류하는 제2 스텝과,
    상기 제1 스텝 및 상기 제2 스텝 이후에 상기 펌프를 구동하는 제3 스텝을 구비하는, 열에너지 회수 장치의 기동 방법.
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