(57)【要約】【課題】排気レシーバにおける、より効率の良い、安価で、取り扱い容易な、排気レシーバ用廃熱回収装置を提供する。【解決手段】ディーゼル主機関の廃熱回収装置であって、ディーゼル主機関の排気レシーバ本体内に円筒状に水管を配列した構造または水冷壁による構造を有する排気ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された飽和蒸気を過熱蒸気とするため、または船舶内のボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用する排気レシーバ用廃熱回収装置。【選択図】図１
2012211751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル主機関の廃熱回収装置であって、ディーゼル主機関の排気レシーバ本体内に円筒状に水管を配列した構造または水冷壁による構造を有する排気ガス熱交換器を備えた排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項２】
前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された飽和蒸気を過熱蒸気とするための熱交換器として使用することを特徴とする請求項１に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項３】
前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用することを特徴とする請求項１に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項４】
前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された飽和蒸気を過熱蒸気とするための熱交換器として使用し、且つ、該ボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用する排気ガスエコノマイザとの協働にて使用することを特徴とする請求項１または２に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項５】
前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用し、且つ、該ボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用する排気ガスエコノマイザとの協働にて使用することを特徴とする請求項１または３に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項６】
前記円筒状に水管の配列構造は、円周上に均等に等間隔をもって並列して配置された長尺の耐熱鋼管を各連結部材により排気ガス通路に対し円周方向及び長手方向に対し密閉して接合されており、該配列構造の最外周面の直径が排気レシーバの内径より小さく内挿されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項７】
前記連結部材は、円周上に 並列して配置された水管の最外周面において連結接合されていることを特徴とする請求項６に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【請求項８】
前記連結部材は、前記水管との接合部において、水管の接線と連結部材との成す角度が少なくとも鋭角にならない角度で水管外周に接合されていることを特徴とする請求項６または７に記載の排気レシーバの廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として船舶に使用されるディーゼル主機関の排気レシーバ用の廃熱回装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼル主機関用の排気ガス廃熱回収装置には色々の形式のものが行われている。特に排気ガスエコノマイザは多く使用されており、その効率向上のためスートブローによる色々の効率改善等が図られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、近年ディーゼル主機関の性能が向上し、過給機出口の排気ガス温度が低下傾向にあり、廃熱回収を十分に行うため排気ガスエコノマイザは大型化の傾向にあり、また、回収熱量は減少の傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９３１８７号公報
【０００４】
例えば、排気ガスエコノマイザ−ターボ発電機プラントシステムの場合、蒸気タービンへの蒸気は過熱蒸気とされているが、排気ガスエコノマイザ（以下、排エコという）の入り口温度が低いため、十分な過熱度を得ることが出来ず、このため過熱度を上げることにより得られるべきタービン効率の向上も期待し得ない。
また、小型船舶などでは、配置スペースとの兼ね合いから、廃熱回収装置としての排エコを装備することが困難なケースも多く、止むを得ず廃熱回収をすること自体を諦めてしまうケースもある。
また一方、最近のディーゼル主機関に装備されている過給機の性能が向上し、それに伴いシリンダ出口の排気ガスは余剰になる傾向があり、このため過給機でバイパスさせたり、或いはバイパスさせた排気ガスでガスタービンを駆動して動力回収を図る例も見受けられる。
しかし、これらは極めて高価なものとなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のごとく、ディーゼル主機関に装備されている過給機の性能向上、主機関自体の効率運転化、スート対策等により排エコの運転効率化による廃熱回収には自ずから限界が生じつつある。また、小型船舶におけるスペースの問題は、排エコによる廃熱回収そのものを断念させてしまっている。
本願発明は、上記に鑑み、廃熱回収の手段として従来全く注目されていなかった主機関に直結している排気ガス用のレシーバ（以下、排気レシーバという）において廃熱回収手段を、単独または排エコとの協働の形で配設することにより、より効率の良い、安価で、取り扱い容易な、排気レシーバ用の廃熱回収装置を提供することを、その目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における排気レシーバの廃熱回収装置は、
１）ディーゼル主機関の廃熱回収装置であって、ディーゼル主機関の排気レシーバ本体内に円筒状に水管を配列した構造または水冷壁による構造を有する排ガス熱交換器を備えたものであり、
２）上述の１）において、前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された飽和蒸気を過熱蒸気とするための熱交換器として使用するものである。
３）また、上述の１）において、前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用するものであり、
４）さらに、上述の１）または２）において、前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された飽和蒸気を過熱蒸気とするための熱交換器として使用し、且つ、該ボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／またはより高温の加熱水とするための熱交換器として使用する排気ガスエコノマイザとの協働にて使用するものであり、
５）さらにまた、上述の１）または３）において、前記排ガス熱交換器を、船舶内のボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／または加熱水とするための熱交換器として使用し、且つ該ボイラーにより汽水分離された缶水を、該ボイラーに戻す蒸気および／またはより高温の加熱水とするための熱交換器として使用する排気ガスエコノマイザとの協働にて使用するものである。
【０００７】
また、本発明における排気レシーバの廃熱回収装置は、
６）上述の１）〜５）における、前記円筒状に配列した水管配列構造を、円周上に均等に等間隔をもって並列して配置された長尺の耐熱鋼管と、該長尺の耐熱鋼管間を各排気ガス通路に対し円周方向及び長手方向に対し密閉して接合された連結部材とにより構成したものとし、且つ、該配列構造の最外周面の直径を排気レシーバの内径より小さくし、内挿できるようにしたものであり、
７）上述の６）における、前記連結部材が、円周上に並列して配置された前記水管の最外周面において連結接合されているものであり、
８）上述の６）または７）における、前記連結部材を、前記水管との接合部において、水管の接線と連結部材との成す角度が、少なくとも鋭角にならない角度で水管外周に接合されているものとしたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の排気レシーバの廃熱回収装置は、主機関に直結された排気レシーバの内周面に沿って、気密的に配列された、メンブレンウオールとしてボイラにおいて実績のある水冷壁、配管列により、排気レシーバ内において、排気ガスの有する熱量を効率良く利用しようとするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の排気レシーバの廃熱回収装置は、排気ガス系の上流側である排気レシーバで熱回収をすることにより、高温部での無駄な放熱を減じ、廃熱として有効に回収することができる。また、蒸気過熱器として用いた場合、高過熱度の蒸気を得ることができ、タービン効率の向上が図れる。さらに、排気ガス系の過給機の後流側に配設した排エコと協働させることにより排エコをコンパクトサイズにすることができる。また、独立した排エコの配置スペースの無い船舶においても廃熱回収を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態の廃熱回収装置を備えた排気レシーバを模式的に示した説明図。
【図２】本実施の形態による廃熱回収装置を蒸気過熱器として用いる場合のシステムを示す図。
【図３】本実施の形態による廃熱回収装置を汽水分離器よりの加熱水を蒸気に代える熱交換器として用いる場合のシステムを示す図。
【図４】排エコと協働して使用する場合の排気レシーバの作用説明図。
【図５】本実施の形態における廃熱回収装置の水管とその管を連結する連結部材の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態における廃熱回収装置を備えた排気レシーバを模式的に示した説明図である。
図において、１は排気レシーバ、２は排気レシーバのカバー、２１は排気レシーバの排気出口、３は排気ガス熱交換器である廃熱回収装置、４は管寄せ部、２２は廃熱回収装置３におけるボイラからの加熱水または飽和蒸気の入り口、２３は廃熱回収装置における蒸気または過熱蒸気の出口、５は水管、６は連結部材、Ｄ１は排気レシーバ内径、Ｄ２は円筒状廃熱回収装置の最外径である。
なお、図面における各部寸法は誇張されて表示されている。
【００１２】
本発明の廃熱回収装置３は、ディーゼル主機関に直結された排気レシーバ１の本体内（内周側）に挿入される円筒状に水管５を配列した構造、または水冷壁（図示されていない）による構造を有し、前記円筒状に配列された水管５の間は連結部材６により溶接接合されている。
該接合は、廃熱回収装置３が排気レシーバ１のカバー２との間に適当なる間隙をもって配置され、且つ、廃熱回収装置３の内周側を通過する排気ガスが前記カバー２の壁面に直接接触しないように、気密的に行われる。
また、前記水管５は、管寄せ部４により流体の入口、出口毎に分離してまとめられ、外部（ボイラ）よりの缶水または飽和蒸気は入り口２２から流入し、廃熱回収装置３で加熱された蒸気または過熱蒸気は出口２３より流出する。
【００１３】
前記、廃熱回収装置３とカバー２の内壁との適当なる間隙Δ、および水管５の直径ｄ、水管５間のピッチｐ等は、その間隙Δによる断熱壁としての効果と、廃熱回収装置３の廃熱回収効率、および廃熱回収装置３の使用対象を奈辺とするか、すなわち飽和蒸気／過熱蒸気変換を目的とするのか、加熱水／蒸気変換を目的にするのか等により特定される。
【００１４】
主機関排気レシーバ１内の排気ガス温度Ｔｅは、４００℃程度あり、排気レシーバ１のカバー２の表面は保温が施工されているが、面積が大きく放熱量としては大きい。従って、排気レシーバ１の内周側に本実施の形態による廃熱回収装置３を配設することにより、外部への放熱量を減じると共にその廃熱を熱交換器として利用するものであり、この両者をより効率の良い状態で得るものである。
【００１５】
図２は、本実施の形態による廃熱回収装置３を蒸気過熱器ＨＥ１として用いる場合のシステムを示す図である。
図３は、本実施の形態による廃熱回収装置３を汽水分離器Ｂよりの缶水を蒸気に代える熱交換器ＨＥ２として用いる場合のシステムを示す図である。
なお図２および図３においては、排エコＥＧＥと各協働して使用する場合を示しているが、排エコＥＧＥを省略して廃熱回収装置３を単独にて使用することができる。
図において、ＨＥ１は蒸気過熱器として用いる場合の廃熱回収装置、ＨＥ２は加熱水／蒸気変換の熱交換器として使用する場合の廃熱回収装置、Ｂは汽水分離器、Ｐはボイラ水循環ポンプ、ＳＣはターボ過給機、ＥＧＥは排エコ、Ｓは蒸気、ＳＳは飽和蒸気、ＳＨＳは過熱蒸気、ＥＧ１は排気レシーバ１の排気出口２１より排出される排気ガス、ＥＧ２はターボ過給機出口より排出される排気ガス、ＥＧ３は排エコ出口より排出される排気ガス、ＨＷは加熱水である。
【００１６】
図２において、汽水分離器（ボイラ）Ｂより放出される飽和蒸気ＳＳは、排気レシーバ１の内周側に配設された廃熱回収装置３の入口２２より管寄せ部４を介して各水管５に分岐配送される。廃熱回収装置３はディーゼル主機関（図示せず）からの４００℃程度の排気ガスにより効率良く加熱され、過熱蒸気ＳＨＳとなって管寄せ部４の出口部に集約された出口２３より外部に導かれる。導かれた過熱蒸気ＳＨＳは主として発電機用の蒸気タービン等へと供給される。
排エコＥＧＥと協働して使用する場合は、排気ガスは、図４に示すように、ディーゼル機関（図示せず）の各シリンダ２４から排気レシーバ１内に導かれ、廃熱回収装置３を加熱後、排気レシーバ１の排気ガス出口２１より排出された排気ガスＥＧ１はターボ過給機ＳＣのブロワーを駆動した後、排気ガスＥＧ２として排エコＥＧＥに供給され、排エコＥＧＥにおいて廃熱回収された後、外部へ排気ガスＥＧ３として放出される。排気ガスＥＧ１の温度は４００℃程度（出力により異なる）、ターボ過給機ＳＣからの排気ガスＥＧ２の温度は２５０℃程度、排エコＥＧＥの入り口ではさらに２４０℃程度となる。従って、排エコＥＧＥにおける過熱温度が低いため、排エコＥＧＥのみでは十分な過熱度を持たせることができず、タービン効率も上がっていない。本実施の形態による廃熱回収装置３を協働させることにより、従来の排エコＥＧＥの単体使用の場合よりはもとより、本実施の形態による廃熱回収装置３を単体で使用する場合に比較してもその廃熱利用の熱効率は向上する。
【００１７】
図３においては、汽水分離器（ボイラ）Ｂよりの缶水ＨＷは、ボイラ水循環ポンプＰ1により廃熱回収装置３に導かれ、加熱水／蒸気変換の熱交換器として使用される廃熱回収装置ＨＥ２により蒸気Ｓとなり汽水分離器（ボイラ）Ｂへリターンされる。排気ガスＥＧの流れシステム、排エコＥＧＥによる協働については図２の場合に準じるため、説明を省略する。
【００１８】
図５は、本実施の形態における廃熱回収装置の水管５とそれを連結する連結部材６の構成を示す図であり、（ａ）は水管５の各中央部が連結部材６により連結接合される例、（ｂ）は円筒状に配列された水管５列の最外周部を連結部材６１により連結接合される例、（ｃ）は連結接合部における水管５と連結部材６１との接線のなす角度θ（ｂ参照）が少なくとも鋭角でないように溶接部６２（溶接半径ｒ）により接合された連結接合部の例、（ｄ）は連結部材６３が曲線をなす場合の連結接合部の例である。
【００１９】
使用される水管５、連結部材６の材料は、高温強度に勝れ、且つ溶接性、耐腐食性に勝れた材料を選択する。水管５はボイラ、熱交換器用鋼管、特にＣｒ−Ｍｏ鋼管（例えば、ＪＩＳ規格  ＳＴＢＡ２０〜２４）の使用が望ましく、また連結部材６の材料もこれに準ずるものが使用される。
これら材料を使用することにより、使用温度範囲は４５０〜６００℃程度、耐酸化限度の使用温度範囲としては、６００〜６５０℃程度が許容される。
【００２０】
図５において、（ａ）は溶接作業が比較的容易で、特に比較的排気温度の高いケースでは、前記カバー２の内壁との間隙Δと排気ガスからの水管５における伝熱のバランスが良く好ましい。
（ｂ）は排気ガス温度による伝熱効果をより大きく採りたい場合等のケースに適し、比較的排気ガス温度の低い場合や比較的中小型機関の場合、または、排エコが配設出来ない場合等に適する。また、これにより前記間隙Δを比較的小さくすることができる。
（ｃ）はケース（ｂ）における溶接性や耐振動性を改善するため、水管５と連接部材の接線の成す角度θを少なくとも鋭角にならないように溶接接合する場合であり、振動の比較的大きい機関に適する。
（ｄ）は（ａ）と（ｃ）の両者の特徴を生かしたものであり、排気ガスの熱回収効率も高く、また前記間隙Δを比較的小さくすることができる。
【００２１】
前記のごとく本実施の形態における廃熱回収装置３は、カバー２の内壁との適当なる間隙Δ、および水管５の直径ｄ、水管５間のピッチｐ等は、その間隙Δによる断熱壁としての効果と、廃熱回収装置３の廃熱回収効率、および廃熱回収装置３の使用対象を奈辺とするか、すなわち飽和蒸気／過熱蒸気変換を目的とするのか、加熱水／蒸気変換を目的にするのか等により特定されるものであり、前記配列構造の最外周面における直径が排気レシーバ１の内径より小さくし、断熱壁としての効果が落ちない間隙Δとする。
【００２２】
大型タンカー（ＶＬＣＣ）に搭載されるディーゼル主機関、約３５，０００ＰＳ出力、での回収熱量の試算例を以下に示す。なお、本試算は排気レシーバのサイズをベースにして内挿可能な廃熱回収装置での廃熱回収量を試算したものである。過給機効率の面からは約５０℃程度の温度低下は機関性能上は許容される。
（１）排気レシーバが通常サイズ（外径１８００Φ）の場合
回収装置伝熱面積：約８５ｍ2
回収廃熱量：５３０，０００ｋｃａｌ／ｈ（蒸気量換算：約９００ｋｇ／ｈ、６ｋ
飽和）
ガス温度低下：１２℃
（２）排気レシーバを＋５００ｍｍ（２，３００Φ）にサイズアップする場合
回収装置伝熱面積：約１７０ｍ2
回収廃熱量：１，１７０，０００ｋｃａｌ／ｈ（蒸気量換算：約２，０００ｋｇ／
ｈ、６ｋ飽和）
ガス温度低下：２４℃
蒸気発生機として利用すれば、例えば（２）のケースであれば独立の排エコが省略できるレベルと言える。
【符号の説明】
【００２３】
１      排気レシーバ
２      カバー
３      廃熱回収装置
４      管寄せ部
５      水管
６      連結部材
２１    排気レシーバの排気出口
２２    加熱水または飽和蒸気の入り口
２３    蒸気または過熱蒸気の出口
２４    ディーゼル機関のシリンダ
ＨＥ１  蒸気過熱器として用いる場合の廃熱回収装置
ＨＥ２  加熱水／蒸気変換の熱交換器として使用する場合の廃熱回収装置
Ｂ      汽水分離器
Ｐ      ボイラ水循環ポンプ
ＳＣ    ターボ過給機
ＥＧＥ  排エコ
Ｓ      蒸気
ＳＳ    飽和蒸気
ＳＨＳ  過熱蒸気
ＥＧ１  排気レシーバ出口より排出される排気ガス
ＥＧ２  ターボ過給機出口より排出される排気ガス
ＥＧ３  排エコ出口より排出される排気ガス
ＨＷ    缶水
【図１】
2012211751.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2012211751.tif 000006
【図５】
2012211751.tif 000007