(57)【要約】【課題】実際に排熱回収機器に投入される排ガス温度や排ガス流量から得られる交換熱量を用いて排熱回収効率を求め、正確な排熱回収機器の評価を行う評価方法および評価装置を提供すること。【解決手段】発電機器３の排ガスＧ１から熱を回収する排熱回収機器２の評価方法であって、排熱回収機器２に投入される排ガスＧ１の温度条件、および流量条件を用いて排熱回収効率を求めることを特徴とする。また、発電機器２の排ガスＧ１から熱を回収する排熱回収機器２の評価装置９であって、排ガスＧ１の温度を測定する温度検知手段６と、排ガスＧ１の流量を測定する流量検知手段７と、温度検知手段６および流量検知手段７から得られた検出値を用いて排熱回収効率を求める計算手段８とを備えていることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004124852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機器の排ガスから熱を回収する排熱回収機器の評価方法であって、
前記排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件を用いて排熱回収効率を求めることを特徴とする排熱回収機器の評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の排熱回収機器の評価方法において、
前記排熱回収機器に投入される排ガスの流量条件を用いて排熱回収効率を求めることを特徴とする排熱回収機器の評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の排熱回収機器の評価方法において、
排熱回収効率を求める過程で得られる前記排熱回収機器から排出される排ガス温度に基づいて該排熱回収機器の下流側に設置される熱交換器の材質を選定することを特徴とする排熱回収機器の評価方法。
【請求項４】
発電機器の排ガスから熱を回収する排熱回収機器の評価装置であって、
前記排熱回収機器の排ガス流入部における排ガスの温度を測定する温度検知手段と、該排熱回収機器の内部を通過する排ガスの流量を測定する流量検知手段と、該温度検知手段および流量検知手段から得られた検出値を用いて排熱回収効率を求める計算手段とを備えていることを特徴とする排熱回収機器の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電機器、排熱回収機器、および冷暖房機器などから構成されるコージェネレーションシステムの排熱回収機器の評価方法、および評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、コージェネレーションシステムとは、エンジンやタービンなどによる従来の発電システムにおいて５０％以上捨てられていた一次エネルギを、排熱回収手段等により熱として回収し、冷暖房、給湯などの熱利用設備に再利用するシステムをいうものである。
たとえば、発電機器によって電力を得るだけでなく、発電機器から排出される排ガスの熱を排熱回収機器に投入される水によって回収し、排熱回収機器から排出される水蒸気を冷暖房機器の熱源とする熱回収システムなどが知られている。（例えば、特許文献１参照。）このような熱回収システムは、その設計段階において設定された排ガス温度および排ガス流量の定格値で、排熱回収機器の排熱回収効率が最適となるように排熱回収機器の伝熱性能が設計され、交換熱量の定格値が決定され、交換熱量から排熱回収効率が評価される。このように設計された排熱回収機器の排熱回収効率のカタログ値から、コージェネレーションシステムのエネルギの利用効率が評価されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８９３６６号公報（第４項、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記排熱回収機器の交換熱量は、実際に排熱回収機器に投入される排ガス温度や排ガス流量によって変化し、排ガス温度や排ガス流量が定格値と異なった場合、実際の伝熱性能が設計段階と異なってしまい、実際の交換熱量が交換熱量の定格値より低下してしまうという問題があった。これにより、回収された熱を熱源とする冷暖房機器の能力を正確に見積もることができないという問題があった。たとえば、設計段階で設定に用いられた性能の発電機器と実際に使用される発電機器とが異なる場合や、発電機器が使用されているうちにその性能が低下した場合などに、このような問題が生じる。このように、カタログ値の交換熱量と実際の交換熱量とが異なり、正確な排熱回収機器の排熱回収効率が評価できない、つまり排熱回収機器のカタログ値と同等の排熱回収効率が得られないという問題より、正確な排熱回収機器の評価方法および評価装置が求められていた。
【０００５】
本発明は、このような背景の下になされたものであって、実際に排熱回収機器に投入される排ガス温度や排ガス流量から得られる交換熱量を用いて排熱回収効率を求め、正確な排熱回収機器の評価を行う評価方法および評価装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、かかる課題を解決すべく研究を行い、排熱回収機器の伝熱性能は、投入される排ガスの熱伝達が支配的になることに着目し、管内乱流熱伝達の実験式の考え方を基に、排ガスの流量条件より排熱回収機器の伝熱性能を求め、この伝熱性能と排ガスの温度条件より交換熱量を求めることができるという知見を得た。このように求められた交換熱量を用いて実際の排熱回収効率を求めることができ、より正確な排熱回収機器の評価を得ることができる。これにより、回収された熱を熱源とする冷暖房機器の能力を正確に見積もることができる。
【０００７】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、本発明の排熱回収機器の評価方法は、発電機器の排ガスから熱を回収する排熱回収機器の評価方法であって、前記排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件を用いて排熱回収効率を求めることを特徴とする。
この発明の排熱回収機器の評価方法において、排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件を用いて排熱回収効率を求めるので、排熱回収効率の定格値より実用に即した排熱回収機器の評価が行われる。
【０００８】
また、本発明の排熱回収機器の評価方法は、上記排熱回収機器の評価方法において、前記排熱回収機器に投入される排ガスの流量条件を用いて排熱回収効率を求めることを特徴とする。
この発明の排熱回収機器の評価方法において、排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件および排ガスの流量条件を用いて排熱回収効率を求めるので、さらに実用に即した排熱回収機器の評価が行われる。
【０００９】
また、本発明の排熱回収機器の評価方法は、上記排熱回収機器の評価方法において、排熱回収効率を求める過程で得られる前記排熱回収機器から排出される排ガス温度に基づいて該排熱回収機器の下流側に設置される熱交換器の材質を選定することを特徴とする。
この発明の排熱回収機器の評価方法において、排熱回収機器から排出される排ガス温度を、排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件および排ガスの流量条件を用いて求め、求められた排ガス温度に基づいて排熱回収機器の下流側に設置される熱交換器の材質を選定するので、適正な材質が選定される。
【００１０】
また、本発明の排熱回収機器の評価装置は、発電機器の排ガスから熱を回収する排熱回収機器の評価装置であって、前記排熱回収機器の排ガス流入部における排ガスの温度を測定する温度検知手段と、該排熱回収機器の内部を通過する排ガスの流量を測定する流量検知手段と、該温度検知手段および流量検知手段から得られた検出値を用いて排熱回収効率を求める計算手段とを備えていることを特徴とする。
この発明の排熱回収機器の評価装置において、排ガス温度を測定する温度検知手段と、排ガス流量を測定する流量検知手段と、温度知手段および流量知手段から得られた検出値を用いて排熱回収効率を求める計算手段とを備えているので、より正確な排熱回収機器の評価が行われる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１に排熱回収機器を用いた熱回収システムのモデル図を示す。図において熱回収システム１は、排熱回収機器２（排熱回収ボイラ、排熱回収吸収冷凍機など）に排ガスＧ１を供給する発電機器３（ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ＳＯＦＣなど）と、排熱回収機器２から熱源としての蒸気Ｓが供給される冷暖房機器４（ターボ冷凍機、吸収冷凍機、ボイラなど）とを備えて構成されている。また、排熱回収機器２から排出される排ガスＧ２より熱を回収するため、排ガスＧ２が供給される熱交換器５が設けられている。
【００１２】
このような構成の熱回収システム１において、排熱回収機器２に供給される水Ｗ（温度Ｔｗｉ，体積流量Ｇｗ）は、排ガスＧ１（温度Ｔｇｉ，体積流量Ｇｇ）から熱を受け取って蒸気Ｓ（温度Ｔｗｓ，体積流量Ｇｓ）となり、排ガスＧ１は熱を放出してＧ２（温度Ｔｇｏ，体積流量Ｇｇ）となり排熱回収機器２から排出される。このような排熱回収機器２の内部での水Ｗおよび蒸気Ｓと排ガスＧ１，Ｇ２との温度変化を示した関係図を図２に示す。
【００１３】
図２において、縦軸は温度Ｔを示し、横軸は排熱回収機器２の内部での水Ｗおよび蒸気Ｓと排ガスＧ１，Ｇ２との移動距離Ｘを示している。横軸のＸ１は排ガスＧ１の入口および蒸気Ｓの出口の位置を示し、Ｘ２は排ガスＧ２の出口および水Ｗの入口の位置を示している。排ガス温度変化を示す曲線Ｌ１は、入口Ｘ１において温度Ｔｇｉであった排ガスＧ１が、排熱回収機器２の内部で熱交換をすることにより出口Ｘ２において温度Ｔｇｏの排ガスＧ２となることを示している。また、給水温度変化を示す線Ｌ２は、入口Ｘ２において温度Ｔｗｉであった水Ｗが排熱回収機器２の内部で熱交換をすることにより出口Ｘ１において温度Ｔｗｓの水蒸気Ｓとなることを示している。ここで、水Ｗの温度が上昇する範囲を昇温部ｌとし、水Ｗが水蒸気Ｓに相変化した範囲を相変化部ｓとし、相変化部ｓから昇温部ｌに入る境界における排ガスの温度を昇温部入口排ガス温度Ｔｇｕとする。
【００１４】
このような排熱回収機器２の伝熱性能を求め、投入される水Ｗと排ガスＧ１との交換熱量を求め、実際に投入される排ガス流量Ｇｇおよび入口排ガス温度Ｔｇｉを用いて実際の排熱回収効率を求め、排熱回収機器２を評価する評価方法について説明する。
まず、排熱回収機器２の定格値（カタログ値）より昇温部定格伝熱性能（ＵＡ）ｌ＊および相変化部定格伝熱性能（ＵＡ）ｓ＊を求める。ここで、排熱回収機器２の定格値として、定格交換熱量Ｑｔ＊，定格排ガス流量Ｇｇ＊，定格入口排ガス温度Ｔｇｉ＊，定格出口排ガス温度Ｔｇｏ＊，定格給水流量Ｇｗ＊，定格入口給水温度Ｔｗｉ＊，定格出口蒸気温度Ｔｗｓ＊，が用いられる。
【００１５】
つぎの式（１）〜式（３）より、昇温部定格伝熱性能（ＵＡ）ｌ＊を求める。以下の式で、ρｗが水の密度、ｃｐｗが水の比熱、ρｇが排ガスの密度、ｃｐｇが排ガスの比熱である。
Ｑ１＊＝ρｗ・ｃｐｗ・Ｇｗ＊・（Ｔｗｓ＊−Ｔｗｉ＊）　…　（１）
Ｔｇｕ＊＝Ｔｇｏ＊＋Ｑ１＊／（ρｇ・ｃｐｇ・Ｇｇ＊）　…　（２）
（ＵＡ）ｌ＊＝Ｑ１＊／ΔＴｍｌ＊　…　（３）
ΔＴｍｌ＊＝［（Ｔｇｕ＊−Ｔｗｓ＊）−（Ｔｇｏ＊−Ｔｗｉ＊）］／ｌｎ［（Ｔｇｕ＊−Ｔｗｓ＊）／（Ｔｇｏ＊−Ｔｗｉ＊）］
式（１）において、各定格値より昇温部の熱交換量である定格昇温部交換熱量Ｑ１＊が求められる。式（２）において、定格昇温部交換熱量Ｑ１＊より定格昇温部入口排ガス温度Ｔｇｕ＊が求められ、昇温部ｌの対数平均温度差ΔＴｍｌを決定することができる。式（３）において、と定格昇温部交換熱量Ｑ１＊および昇温部ｓの対数平均温度差ΔＴｍｌより昇温部定格伝熱性能（ＵＡ）ｌ＊が求められる。
【００１６】
また、つぎの式（４）、および式（５）より、相変化部定格伝熱性能（ＵＡ）ｓ＊を求める。
Ｑ２＊＝Ｑｔ＊−Ｑ１＊　…　（４）
（ＵＡ）ｓ＊＝Ｑ２＊／ΔＴｍｓ＊　…　（５）
ΔＴｍｓ＊＝［（Ｔｇｉ＊−Ｔｗｓ＊）−（Ｔｇｕ＊−Ｔｗｓ＊）］］／ｌｎ［（Ｔｇｉ＊−Ｔｗｓ＊）／（Ｔｇｕ＊−Ｔｗｓ＊）］　式（４）において、定格交換熱量Ｑｔ＊と式（１）で求められた定格昇温部交換熱量Ｑ１＊とより定格相変化部交換熱量Ｑ２＊を求め、式（５）において、相変化部定格伝熱性能（ＵＡ）ｓ＊が求められる。
【００１７】
つぎに、式（１）〜式（５）により求められた昇温部定格伝熱性能（ＵＡ）ｌ＊および相変化部定格伝熱性能（ＵＡ）ｓ＊から、実際の排ガス流量Ｇｇと定格ガス流量Ｇｇ＊とを用いて昇温部伝熱性能（ＵＡ）ｌおよび相変化部伝熱性能（ＵＡ）ｓを求める。
（ＵＡ）ｓ＝（ＵＡ）ｓ＊×（Ｇｇ／Ｇｇ＊）ｎ　…　（６）
（ＵＡ）ｌ＝（ＵＡ）ｌ＊×（Ｇｇ／Ｇｇ＊）ｎ　…　（７）
【００１８】
ここで、本発明者らは、排熱回収機器２の伝熱性能は、投入される排ガスの熱伝達が支配的になることに着目し、管内乱流熱伝達の実験式（Ｃｏｌｂｕｒｎの式）の熱伝達率ｈとレイノルズ数Ｒｅとの関係を基に、昇温部伝熱性能（ＵＡ）ｓおよび相変化部伝熱性能（ＵＡ）ｓとＧｇ／Ｇｇ＊との関係を導き出すこととした。以下の式で、Ｐｒはプラントル数、λは熱伝導率、ｄは管径である。
ｈ＝０．０２３Ｒｅ０．８・Ｐｒ１／３・λ／ｄ　…　（８）
式（８）は管内乱流熱伝達の実験式より得られる熱伝達率ｈの関係式で、熱伝達率ｈはレイノルズ数Ｒｅの０．８乗に比例することを示しており、レイノルズ数Ｒｅは流速を含む無次元数である。また、式（６）および式（７）のＧｇ／Ｇｇ＊も流速を含む無次元数である。
これらの関係より、本発明者らは、式（６）および式（７）の乗数ｎ＝０．８として昇温部伝熱性能（ＵＡ）ｌおよび相変化部伝熱性能（ＵＡ）ｓを求めることとした。
【００１９】
このように実際の排ガス流量Ｇｇより求められた昇温部伝熱性能（ＵＡ）ｌおよび相変化部伝熱性能（ＵＡ）ｓと、実際の入口排ガス温度Ｔｇｉとを用いて、実際の昇温部熱交換量Ｑ１、相変化部交換熱量Ｑ２、昇温部入口排ガス温度Ｔｇｕ、出口排ガス温度Ｔｇｏ、および給水流量Ｇｗを求める。以下の式で、入口給水温度Ｔｗｉは常温における水の温度、出口蒸気温度Ｔｗｓは排熱回収機器２の圧力差によって決定される。
Ｑ１＝（ＵＡ）ｌ・ΔＴｍｌ　…　（９）
ΔＴｍｌ＝［（Ｔｇｕ−Ｔｗｓ）−（Ｔｇｏ−Ｔｗｉ）］／ｌｎ［（Ｔｇｕ−Ｔｗｓ）／（Ｔｇｏ−Ｔｗｉ）］
Ｑ１＝ρｗ・ｃｐｗ・Ｇｗ・（Ｔｗｓ−Ｔｗｉ）　…　（１０）
Ｑ１＝ρｇ・ｃｐｇ・Ｇｇ・（Ｔｇｕ−Ｔｇｏ）　…　（１１）
Ｑ２＝（ＵＡ）ｓ・ΔＴｍｓ　…　（１２）
ΔＴｍｓ＝［（Ｔｇｉ−Ｔｗｓ）−（Ｔｇｕ−Ｔｗｓ）］／ｌｎ［（Ｔｇｉ−Ｔｗｓ）／（Ｔｇｕ−Ｔｗｓ）］
Ｑ２＝ρｇ・ｃｐｇ・Ｇｇ・（Ｔｇｉ−Ｔｇｕ）　…　（１３）
式（９）〜（１３）を連立して昇温部熱交換量Ｑ１、相変化部交換熱量Ｑ２、昇温部入口排ガス温度Ｔｇｕ、出口排ガス温度Ｔｇｏ、および給水流量Ｇｗが求められる。
以上のように求められた昇温部熱交換量Ｑ１、相変化部交換熱量Ｑ２の和が交換熱量Ｑｔとなる。
Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２　…　（１４）
【００２０】
上述したように交換熱量Ｑｔが求められ、排熱回収機器２に供給された全熱量に対する交換熱量Ｑｔの比率より、排熱回収効率が求められる。このように求められた実際の排熱回収効率より、正確な排熱回収機器２の評価を得ることができ、排熱回収機器２によって回収された熱を熱源とする冷暖房機器４の能力を正確に見積もることができる。
【００２１】
また、排熱回収機器２の評価方法において、排熱回収機器２から排出される排ガス温度（出口排ガス温度Ｔｇｏ）が求められ、出口排ガス温度Ｔｇｏに基づいて排熱回収機器２の下流側に設置される熱交換器５の材質を選定することができる。これにより、適正な材質を選定することができるとともに、熱交換器５および排熱回収機器２と熱交換器５との間の配管（図示せず）の重量を評価することができる。また、適正な材質を選定することで、製作コストを削減することができる。
【００２２】
また、図１に示すように、排熱回収機器２の排ガス流入部に設けられた温度センサ（温度検知手段）６および流量センサ（流量検知手段）７と、それぞれのデータ（検出値）が入力される計算装置（計算手段）８とを備えて、排熱回収機器２の評価装置９が構成されている。温度センサ６および流量センサ７より得られた温度データおよび流量データに基づいて、計算装置８によって上述したように排熱回収効率を計算し、逐次的に正確な排熱回収効率を得ることができる。このような評価装置９を用いることで、逐次的に冷暖房機器４の正確な能力を見積もることができる。
【００２３】
なお、本実施の形態においては、排ガス流量Ｇｇおよび入口排ガス温度Ｔｇｉの両方を用いて排熱回収効率を求めたが、排ガスの流量条件に定格排ガス流量Ｇｇ＊を用いて入口排ガス温度Ｔｇｉだけを用いて排熱回収効率を求める評価方法としてもよい。また、排熱回収機器２、発電機器３、冷暖房機器４、および熱交換器５の機器間を接続する配管（図示せず）の内部流体種類、外気温度、断熱条件など、および評価された排熱回収効率を用いて配管からの放熱量を評価することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排熱回収機器の評価方法によれば、管内乱流熱伝達の実験式の考え方を基に、排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件を用いて排熱回収効率を求め、実用に即した排熱回収機器の評価を行うことができる。たとえば、排熱回収機器に投入される排ガスの温度条件が定格値と異なった場合においても、これを反映させ、排熱回収効率の定格値よりも正確な排熱回収効率を用いて、冷暖房機器の能力を正確に見積もることができる。また、排熱回収効率を求める際に、排熱回収機器に投入される排ガスの流量条件を用いることで、さらに実用に即した排熱回収機器の評価を行うことができる。
【００２５】
また、排熱回収機器の評価を行う際に得られる排熱回収機器から排出される排ガス温度に基づいて、排熱回収機器の下流側に設置される熱交換器の材質を選定するので、適正な材質を選定することができる。これにより、熱交換器を最適な製作コストで製作することができる。
【００２６】
また、本発明の排熱回収機器の評価装置によれば、温度検知手段、流量検知手段、および計算手段とを備えているので、各検知手段によって得られた検出値より逐次的に排熱回収効率の計算を行うことができ、より正確な排熱回収機器の評価を行うことができる。これにより、回収された熱を熱源とする冷暖房機器の正確な能力を逐次的に正確に見積もることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における排熱回収機器を用いた熱回収システムのモデル図である。
【図２】排熱回収機器の内部での水および蒸気と排ガスとの温度変化を示した関係図である。
【符号の説明】
３　発電機器
Ｇ１、Ｇ２　排ガス
２　排熱回収機器
５　熱交換器
９　評価装置
６　温度検知手段（温度センサ）
７　流量検知手段（流量センサ）
８　計算手段（計算装置）
【図１】
2004124852.tif 000003
【図２】
2004124852.tif 000004