(57)【要約】本発明は、低温廃熱を利用する方法および装置に関する。コージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の範囲内で低温熱源がほとんどなくて、直接熱消費機器(ＨＣ)に適用できない。そこで、コージェネレーション発電所の廃熱回収の方法および装置は、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)応用のための廃熱を収集する少なくとも１つの凝縮型熱交換器(ＨＥ２)を優先的に含む。ただし、熱湯が出力されて内燃機関(ＩＣＥ)冷却システム、即ち、冷却管式熱交換器に供給される。冷却剤に許される最高入口温度が、自動化制御システム(即ち、電動制御弁(Ｖ１-Ｖ３)を有する制御手段)により達成および維持される。重要なのは、ここで、低温源が排気システム範囲内の排気ガス、中間冷却器あるいはターボ過給機範囲内の注入空気、および内燃機関範囲内の潤滑油冷却システム(ＩＣＥ)あるいは熱ポンプ(ＨＰ)によって表わされる。
2017531764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電併給装置を利用する方法であって、廃熱源の水源高温熱ポンプ(ＨＰ)の原理を用いることにより熱配分ネットワークにおける少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)を加熱する方法において、
燃料燃焼処理過程と、廃熱回収処理過程と、液-気相変化熱動力循環操作処理過程とを含み、
燃料燃焼処理過程では、少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムを利用して第１放熱手段を提供することにより、前記熱配分ネットワークにおける少なくとも１つの伝熱媒体を加熱し、且つ、少なくとも１つの廃熱源が内燃機関(ＩＣＥ)の起動時および燃焼処理過程において燃料を燃焼させる操作の時に発生し、
廃熱回収処理過程では、少なくとも１つの廃熱回収手段が廃熱源グループのうちの少なくとも１つの廃熱源から少なくとも一部の熱源を収集し、廃熱源は、排気システムにおける排気ガス、空気冷却システムに注入された空気、または潤滑油冷却システムにおける潤滑油を含み、
液-気相変化熱動力循環操作処理過程では、少なくとも１つの水源高温熱ポンプ(ＨＰ)が第２放熱手段を提供し、熱ポンプ(ＨＰ)の起動時および運転時に熱配分ネットワークにおいて少なくとも１つの伝熱媒体を加熱し、
液-気相変化循環に必要な熱量は、完全にあるいは部分的に廃熱回収処理過程により取得され、廃熱回収処理過程で収集された熱量の少なくとも一部が液-気相変化熱動力循環操作処理過程に用いられ、第２放熱手段における少なくとも１つの熱ポンプ(ＨＰ)で発生された熱量の少なくとも一部が第１放熱手段の範囲内において少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムを加熱し、
熱配分ネットワークの少なくとも１つのクローズドループにおける熱量が優先的に少なくとも１つの伝熱媒体の循環を介して配分され、第１放熱手段範囲内の少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムにおける熱配分媒体の最低温度が実質的に熱配分ネットワーク範囲内の少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)における熱配分媒体の最低温度よりも高く、これにより、熱配分ネットワークの少なくとも１つのリターンラインにおける少なくとも１つの伝熱媒体が熱ポンプ(ＨＰ)原理による操作により再加熱され、少なくとも熱配分ネットワークの設計温度に達し且つ内燃機関(ＩＣＥ)および熱ポンプ(ＨＰ)の全負荷運転の時に、少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムにおける伝熱媒体の温度が基本的に６０℃より高いことを特徴とする熱電併給装置を用いる方法。
【請求項２】
燃料燃焼処理過程は、基本的に連続処理過程であり、前記内燃機関(ＩＣＥ)は、最小および最大定格動作パワーの間で運転し、連続運転中において正常定格パワーにあることを優先し、
液-気相変化熱動力循環操作処理過程は、基本的に連続処理過程であり、熱ポンプ(ＨＰ)は、最小および最大定格動作パワーの間で操作され、連続操作において正常定格パワーで運転することを優先し、
廃熱回収処理過程は、煙道ガス凝縮の処理過程を含み、収集された熱量が熱ポンプ(ＨＰ)原理による操作に用いられ、煙道ガスの温度が２５℃より低くなるように低減され、これにより、排気システムにおける煙道ガスは、扇風機(Ｆ１)を導入して排気システムの排気を行うことで去除され、
廃熱回収処理過程では、冷却原理による操作が用いられ、熱回収処理過程では、燃料燃焼操作処理過程で冷却注入された空気が用いられ、
伝熱ネットワークにおける伝熱媒体の温度は、弁とポンプとセンサとを含む１群の自動調節部材によって決定、制御且つ調節され、調節部材は、優先的に少なくとも１つの制御手段によって操縦されて調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料燃焼処理過程は、複数の内燃機関(ＩＣＥ)手段によって提供され、第１放熱手段範囲内の熱量は、直列および/または並列方式により伝送されることで、エンジン冷却システムの間で熱量を伝達して第１放熱手段を提供し、
液-気相変化熱動力循環操作処理過程は、複数の熱ポンプ(ＨＰ)手段によって提供され、第２放熱手段範囲内の熱量は、直列および/または並列方式により熱ポンプ(ＨＰ)手段の間で熱量を伝達して第２放熱手段を提供し、
熱配分ネットワークでの熱配分処理過程は、複数の熱配分媒体によって提供され、伝熱ネットワークにおける熱量は、少なくとも１つのクローズドループ内のプライマリ熱交換媒体において循環することで第１放熱手段から熱消費機器(ＨＣ)に伝達され、廃熱回収手段からの熱量は、少なくとも１つのクローズドループ内のセカンダリ熱交換媒体において循環することで熱消費機器(ＨＰ)に伝達され、少なくとも１つの熱ポンプ(ＨＰ)を介してアップされた熱量は、さらにプライマリ伝熱媒体を介して少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムに伝達されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムにおけるプライマリ伝熱媒体の温度は、所定の設定値に維持され、熱エネルギーバランス調整は、熱ポンプ(ＨＰ)のパワーおよび/または内燃機関(ＩＣＥ)のパワーを調整する、および/または、内燃機関エンジン冷却システムを経由するプライマリ伝熱媒体の質量流動を調整する、および/または、熱ポンプ(ＨＰ)を経由するプライマリ伝熱媒体の質量流動を調整する、および/または、廃熱源で用いられるクローズドループにおいてセカンダリ伝熱媒体の質量流動を調整することにより、実施されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体の質量流動調整は、熱配分ループにおける流動速度を変更することで実施され、および/または、クローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体の質量流動調整は、クローズドループにおける流動速度を変更することで実施され、熱配分ネットワークにおける伝熱媒体の速度調整は、少なくとも１つの循環ポンプのパワーを切り替えるおよび/または調節することで実施されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体の質量流動は、流量調節により調整され、熱配分ループのリターンラインにおけるプライマリ伝熱媒体流動の少なくとも一部が熱配分ループのリターンラインに再度案内されることで熱ポンプ(ＨＰ)のバイパス接続が提供され、および/または、熱ポンプ(ＨＰ)からの少なくとも一部のプライマリ伝熱媒体流動が熱配分ループの前方向ラインに再度案内されることでエンジン冷却システムのバイパス接続が提供され、
廃熱源操作クローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体の質量流動は、流量調節により調整され、少なくとも一部のセカンダリ伝熱媒体流動がクローズドループに再度案内されることで少なくとも１つの廃熱回収手段のバイパス接続が提供されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
熱エネルギーバランス調節のセカンダリ伝熱媒体の質量流動調節および/またはプライマリ伝熱媒体の質量流動調節は、制御手段によって決定、制御および実行され、自動調節部材の位置および/または状態は、熱配分ネットワークの熱需要に応じて調整されることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
内燃機関の制御および少なくとも１つの水源高温熱ポンプ(ＨＰ)の調整を実施する方法であって、液-気相変化熱動力循環操作により内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムの加熱パワーを増加し、当該方法は、決定処理過程と、比較処理過程と、実行処理過程とを含み、
決定処理過程では、内燃機関(ＩＣＥ)センサおよび/または熱配分ネットワークセンサからの少なくとも１つの入力が少なくとも１つの比較処理過程の制御手段によって決定され、
比較処理過程では、決定処理過程からの少なくとも１つの入力が検査および処理され、少なくとも１つの制御手段において少なくとも１つの入力パラメータの値が分析され且つ規定値に比較され、制御手段において規定されることを優先し、
実行処理過程では、優先的に、少なくとも１つの制御手段で記憶された指令が適切な出力信号を発生することにより、内燃機関(ＩＣＥ)および/または熱ポンプ(ＨＰ)が制御され、および/または、熱配分ネットワークの自動調節部材が調整され、
内燃機関(ＩＣＥ)のパワーおよび/または熱ポンプ(ＨＰ)のパワーの制御、および/または、熱配分ネットワークにおける自動調節部材の状態および/または位置の少なくとも１つのパラメータは、廃熱源の利用および熱エネルギーバランス実行として決定され、少なくとも一部の熱ポンプ(ＨＰ)原理の使用に必要な熱量は、完全にまたは部分的に廃熱回収処理過程により取得され、その中の少なくとも一部の熱ポンプ(ＨＰ)で発生された熱量は、内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムのリターンラインにおける冷却剤の再加熱に用いられ、冷却剤入口温度の設定値を確立し、当該設定値は、実質的に６０℃より高いことを特徴とする方法。
【請求項９】
熱量は、熱配分ネットワークにおいてプライマリ伝熱媒体機能冷却剤の循環により配分され、内燃機関(ＩＣＥ)で発生された熱量の少なくとも一部は、少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)に伝達されて並列および/または直列接続された複数のクローズドループを経由し、熱配分ネットワークのリターンラインにおけるプライマリ伝熱媒体は、熱ポンプ(ＨＰ)によって再加熱されて下限値に達成して維持し、下限値は、設定点対等値の最大値および最小値の間に規定され、熱エネルギーバランス調整の遅延作用を提供し、
熱ポンプ(ＨＰ)原理の操作に必要な熱量は、完全にまたは部分的に少なくとも１つの排気システムにおける排気ガスを含む廃熱源が注入空気冷却システムに空気を注入しまたは潤滑油冷却システムに潤滑油を注入することで取得され、廃熱源の利用は、少なくとも２つの廃熱回収手段を含み、受けられた熱量は、複数の並列および/または直列接続されるクローズドループにおける第２伝熱媒体循環を介して熱ポンプ(ＨＰ)に伝達され、受けられた熱量は、熱ポンプ(ＨＰ)原理による操作によりさらに増加され、且つ内燃機関(ＩＣＥ) の少なくとも１つの冷却システムを加熱するためのプライマリ伝熱媒体にさらに伝達され、
プライマリ伝熱媒体の質量流動および/またはセカンダリ伝熱媒体の質量流動および/または熱配分ネットワークにおける少なくとも１つの伝熱媒体の温度決定および調整は、自動調節部材に係合される少なくとも１つの制御手段によって実施され、当該調節部材は、優先的に電動弁およびポンプにより構成され、内燃機関(ＩＣＥ)および/または熱ポンプ(ＨＰ)で発生された熱量および自動調節部材の状態および/または位置は、熱配分ネットワークに対する制御手段の熱需要に応じて調整されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
コージェネレーション発電所の廃熱源の利用に用いられる装置ユニットであって、
少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)と、少なくとも１つの水源高温熱ポンプ(ＨＰ)と、少なくとも１つの廃熱回収手段とを備え、
少なくとも１つの内燃機関は、エンジン冷却システム、排気システム、潤滑油冷却システムおよび注入空気冷却システムをさらに備え、エンジン冷却システムは、少なくとも１つの流れ込みホールおよび少なくとも１つの流出ホールをさらに備え、
少なくとも１つの水源高温熱ポンプは、潤滑油冷却システム、蒸発器手段および凝縮器手段をさらに備え、凝縮器手段は、入口ホールおよび出口ホールをさらに備え、
少なくとも１つの廃熱回収手段は、優先的に熱交換器(ＨＥ２)の調整により、クローズドループにおいて蒸発器手段と結合し、
廃熱回収手段は、少なくとも１群の廃熱源と結合するように調整し、廃熱源は、排気システム、潤滑油冷却システムおよび廃熱源の熱量を収集するための注入空気冷却システムを含み、
蒸発器手段は、クローズドループにおいて廃熱回収手段と接合するように調整することで、クローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体を介して、収集された熱量を廃熱回収手段から蒸発器手段に伝達し、
凝縮器手段の出口がエンジン冷却システムの流れ込みと結合するように調整することで、熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体を介して、凝縮器手段の熱量をエンジン冷却システムに伝達し、
凝縮器手段の入口およびエンジン冷却システムの流出が熱配分ループと結合するように調整し、熱配分ループは、少なくとも１つの熱エネルギー受取手段をさらに備え、熱エネルギー受取手段は、優先的に熱消費機器(ＨＣ)であることを特徴とする装置ユニット。
【請求項１１】
熱配分ループは、少なくとも１つの前方向ラインおよび少なくとも１つのリターンラインを含み、前方向ラインおよびリターンラインは、少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)を介してエンジン冷却システムの出口および凝縮器手段の入口を連通し合い、プライマリ伝熱媒体は、熱配分ループに循環されて熱源の熱量を熱消費機器(ＨＣ)に伝達し、
エンジン冷却システムの流出は、操作可能に熱配分ループの前方向ラインに連通され、
凝縮器手段の入口は、操作可能に熱配分ループの少なくとも１つのリターンラインに連通され、
凝縮器手段の出口は、操作可能にエンジン冷却システムの入口に連通され、熱配分ループは、プライマリ伝熱媒体を含み、
熱交換器(ＨＥ２)は、排気システムに結合されて煙道ガス熱量の少なくとも一部を受け、熱交換器(ＨＥ２)は、クローズドループにおいて操作可能に蒸発器手段に連結され、クローズドループは、セカンダリ伝熱媒体を含み、熱交換器(ＨＥ２)で収集された熱量は、クローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体循環を介して蒸発器手段に伝達され、凝縮器手段の熱量は、配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体の循環を介してエンジン冷却システムに伝達され、内燃機関(ＩＣＥ)および熱ポンプ(ＨＰ)が運転条件において起動および給電されるとき、エンジン冷却システムの入口でのプライマリ伝熱媒体の温度は、基本的に６０℃より高いことを特徴とする請求項１０に記載の装置ユニット。
【請求項１２】
クローズドループは、追加の熱交換器(ＨＥ３)をさらに含み、追加の加熱交換器(ＨＥ３)は、外部冷却システム(ＣＴ１)と結合するように調整し、外部冷却システム(ＣＴ１)は、内燃機関(ＩＣＥ)の潤滑油冷却システム、熱ポンプ(ＨＰ)潤滑油冷却システムおよび/または内燃機関(ＩＣＥ)の注入空気冷却システムが結合されるように調整することを特徴とする請求項１０に記載の装置ユニット。
【請求項１３】
熱配分ループは、並列および/または直列接続される複数の熱消費機器(ＨＣ)を含み、
熱配分ループは、並列および/または直列接続される複数の熱ポンプ(ＨＰ)を含み、蒸発器手段のクローズドループは、並列接続および/または直列接続される複数の熱交換器(ＨＥ２、ＨＥ３)を含み、その中の凝縮器手段の少なくとも１つの出口ホールが操作可能に内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムの入口に連通されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置ユニット。
【請求項１４】
内燃機関(ＩＣＥ)は、気体燃料エンジンとして設計され、天然ガス、液化石油ガス、埋立ガス、木材ガスまたはメタンガスグループの気体燃料を選択し、エンジン冷却システムは、エンジンの前記内燃機関(ＩＣＥ)のブッシング冷却システムとして設計され、
プライマリ伝熱媒体は、優先的に水であり、セカンダリ伝熱媒体は、優先的に水とエチレングリコールとの混合物であり、少なくとも１つの熱交換器(ＨＥ２)は、凝縮熱交換器(ＨＥ２)として設計され、排気システムは、煙道ガスを抽出するための少なくとも１つの扇風機(Ｆ１)をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、熱電併給システムの廃熱回収(即ち、コージェネレーション（Ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）発電所)の方法および装置に関する。ただし、用いられる水源高温熱ポンプは、少なくとも１つのコージェネレーションユニットの廃熱源を利用する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、熱ポンプを用いて熱電併給システムの加熱パワーを廃熱回収により高めるものが知られている。当該熱ポンプは、大量の設計に応用されている。特許文献１では、廃熱により、熱ポンプ型エアコンの加熱性能を改善したり、熱ポンプ型エアコンの屋外熱交換器の損傷を防止したりする。特許文献２は、コージェネレーションユニットの廃熱源が利用されるように、空気源型熱ポンプを含むもう１つの解決案を開示する。それは、特許文献１に類似した部分を有するが、水源型熱ポンプに比較して、非常に低い熱性能係数が主な欠点となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０３７３４９号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２２９９０９８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、熱電併給システムに関し、少なくとも１つの水源高温熱ポンプを用いて低温熱量を少なくとも１つの廃熱源から高い温度の熱出力に向上させ、少なくとも１つの空間あるいは処理過程により消費機器を加熱してもよく、優先的に領域加熱の範囲内で使用される。重要なのは、本発明の熱ポンプにより加熱して熱配分ネットワークのリターンラインにおける伝熱媒体の温度を増加させる。正常操作条件で操作しているとき、熱配分ネットワークの前方向ラインにおける熱伝達媒体の設計(即ち、操作)温度は、基本的に６０℃より高い。理解できるように、熱配分ネットワークの運転条件は、デバッグおよび予熱処理過程の後で提供される。少なくとも短期間内で熱配分ネットワークの基本設計温度(即ち、確立)を達成および維持することに成功する。したがって、少なくとも１つの内燃機関が起動されて、連続運転において燃焼処理過程の燃焼燃料により操作され、少なくとも１つの熱ポンプが起動および操作されて液-気相変化熱循環処理過程(即ち、熱ポンプ原理)および廃熱源の利用に用いられる。そのため、少なくとも１つの内燃機関および少なくとも１つの熱ポンプは、配分ネットワークの範囲内で第１および第２熱源を個別に提供する。ただし、それぞれの手段は、基本的に最小および最大定格値(即ち、全負荷)の動作電源の範囲内に操作され、正常定格パワーでの連続運転時に最高パワーを発生することが好ましい。
【０００５】
現在、図面を参照して本発明の例示的な実施例を記述する。つまり、熱配分ネットワーク(即ち、優先的に少なくとも１つのクローズドループの加熱システム)は、水源高温熱ポンプを用いるコージェネレーション発電所を有する模式図を記述する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)を用いるコージェネレーション発電所の好適な実施例を示す模式図である。それは、熱ポンプ原理による操作のための凝縮器および蒸発器手段を備え、下記のアイテムが表示されてマークされる。原動機のコージェネレーションユニット(ＣＨＰ)を有する。優先的に発電機(Ｇ)に適用する内燃機関(ＩＣＥ)を有する。それは、ラインネットワーク(Ｐ１-Ｐ１９)、弁(Ｖ１-Ｖ３)およびポンプ(ＰＵ１-ＰＵ４))の熱配分ループを含み、熱交換器(ＨＥ１-ＨＥ３)、ハッチ(Ｈ１-Ｈ４)、扇風機(Ｆ１)、外部冷却システム(ＣＴ１)、大気環境温度(Ｏ)および制御温度センサ(Ｔ１-Ｔ１３)を含む熱消費機器とは、互いに連結される。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
水源高温熱ポンプ(ＨＰ)を用いるコージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の好適な実施例を参照する。当該システムは、気体燃料で運転する内燃機関(ＩＣＥ)を含み、優先的に水冷式気体エンジンを含む。気体は、例えば、天然ガス、液化石油ガス、埋立ガス、木材ガスまたはメタンガスである。内燃機関(ＩＣＥ)および発電機(Ｇ)が発電として熱量を発生するが、給電時における顕著な熱量は、燃焼処理過程および他のサブユニット(即ち、潤滑油、注入および排気、以下で煙道ガスと呼ばれる)内のシリンダーによって放出される。ただし、熱量は、熱消費機器(ＨＣ)によって使用され、あえて外部冷却システム(ＣＴ１)により大気環境(Ｏ)に拡散されることではない。重要なのは、熱消費機器(ＨＣ)の主な熱源が優先的に内燃機関(ＩＣＥ)冷却システム(即ち、入口および出口ホールを有するブッシング式熱交換器)によって表わされ、ここで流れ込みおよび流出ホールと呼称される)である。内燃機関(ＩＣＥ)および熱ポンプ(ＨＰ)は、起動および給電されたとき、優先的に最良効率あるいは全負荷状態になる。複数の廃熱源は、コージェネレーションユニット(ＣＨＰ)および加熱熱ポンプ(ＨＰ)の範囲内に表れる。
【０００８】
良好な燃料エネルギーの総利用率を与えるには、廃熱の効率的な回収が極めて重要である。そのため、まず、最も重要な廃熱源は、排気システムにおける煙道ガスにより表わされ、排気システムの内燃機関(ＩＣＥ)内の燃焼処理過程での産物である。次に、少なくとも２つの追加の廃熱源が潤滑油冷却システムに係る。第１個は、内燃機関(ＩＣＥ)潤滑油冷却システムにより表わされ、第２個は、熱ポンプ(ＨＰ)潤滑油冷却システム(即ち、増設の圧縮機潤滑油冷却システム)により表わされる。また、少量の廃熱源、例えば、内燃機関(ＩＣＥ)の注入空気冷却システムが存在することは、幾つかの場合に良好な総廃熱源の利用にとって重要である。
【０００９】
図１に示す好適な実施例によれば、内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムの流れ込みおよび流出ホールは、操作可能に熱配分ループに連通される。当該熱配分ループは、１つのラインネットワーク(Ｐ１-Ｐ１９)を含む。それは、操作可能にコージェネレーション発電所の範囲内で熱源を有する熱消費機器(ＨＣ)と水源高温熱ポンプ(ＨＰ)とを互いに連結させる。熱配分ループは、プライマリ伝熱媒体と、制御手段(即ち、制御電子装置)を有する自動調節部材とをさらに備える。それは、プライマリ伝熱媒体流量調節の弁(Ｖ１-Ｖ３)およびポンプ(ＰＵ１-ＰＵ４)に用いられる。ただし、熱源は、優先的に熱配分クローズドループにおけるプライマリ伝熱媒体循環の原理により熱消費機器(ＨＣ)に伝達される。
【００１０】
従来技術の周知と一部同様に、煙道ガスの廃熱は、熱交換器(ＨＥ１)によって利用され、排気システムにおける煙道ガスの高温廃熱を収集する。ただし、排気熱交換器(ＨＥ１)は、廃熱を収集でき、排気システムにおける煙道ガスと熱交換器(ＨＥ１)におけるプライマリ伝熱媒体との間の顕著な温度差に起因する。また、本発明の排気システムは、優先的に少なくとも１つの追加の凝縮熱交換器(ＨＥ２)を含む。それは、少なくとも余剰の排気ガス低温廃熱を収集してから、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)によってコージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の加熱パワーを増加させる。より正確に、説明される実施例は、内燃機関(ＩＣＥ)排気システムに含まれる２つの熱交換器(ＨＥ１、ＨＥ２)を含む。その目的は、燃焼処理過程の廃熱を収集することである。重要なのは、第１熱交換器(ＨＥ１)が操作可能に熱配分ループの前方向ラインに連結される。ただし、熱交換器(ＨＥ１)のプライマリ伝熱媒体の流動により、煙道ガスの温度を約１２０℃まで低減させる。また、第２(即ち、優先的に凝縮)熱交換器(ＨＥ２)が高温熱ポンプ(ＨＰ)蒸発器手段に操作可能に連結されるとき、優先的にセカンダリ伝熱媒体を有するクローズドラインシステムにする。そのため、排気システムにおける煙道ガスの温度は、余分に大気環境温度(Ｏ)に近い温度まで低減された。優先的に２５℃より低くなった。排気システムにおける煙道ガスの温度が迅速に低減されたが、必要な場合、排気システムは、排気システムが煙道ガスを除去するように、扇風機(Ｆ１)を含んでもよい。
【００１１】
適切な場合に、第１熱交換器(ＨＥ１)が煙道気流操縦(即ち、調節)装置によって部分的にまたは完全にバイパスされれば、示されたコージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の加熱パワーをさらに向上させてもよい。当該装置は、制御手段によって調節される電動弁を含み、優先的にハッチ(Ｈ１-Ｈ４)を含む。理解できるように、第１熱交換器(ＨＥ１)が完全にバイパスされれば、高温熱ポンプ(ＨＰ)が煙道ガス廃熱源を最大化に利用するため、高温煙道気流は、熱ポンプ(ＨＰ)原理による操作に必要な廃熱を収集する凝縮熱交換器(ＨＥ２)を経由する。より重要なのは、適切な場合に、熱交換器(ＨＥ２)および熱ポンプ(ＨＰ)が複数の熱ポンプ(ＨＰ)を含み、および/または、熱交換器(ＨＥ２)が多段方式あるいはカスケード原理により並列および/または直列接続されることで、排気システムの簡素化およびコストパフォーマンスの解決案を達成する。以下で説明するように、煙道ガス廃熱利用の説明に類似し、内燃機関注入または潤滑油冷却システムの廃熱も少なくとも１つの追加の熱交換器(ＨＥ３)により収集されてもよい。当該熱交換器は、操作可能に熱ポンプ(ＨＰ)蒸発器手段に連結され、排気システムで説明される熱交換器(ＨＥ２)と直列または並列接続される。熱ポンプ(ＨＰ)圧縮機の潤滑油冷却システムは、優先的に水源高温熱ポンプ(ＨＰ)の外殻に取り込まれる。
【００１２】
廃熱源の利用に対する選択が複数種あるが、注意すべきことは、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)が好適な実施形態の少なくとも１つの低温廃熱源を利用して熱ポンプ(ＨＰ)に取り込まれた動作媒体を蒸発する。凝縮器手段出口は、優先的に熱配分ループのリターンラインにフィードバックされ、より正確に言えば、内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムの入口に供給される。本発明の方法の目的は、エンジン冷却システムの入口でプライマリ伝熱媒体が最大の許容温度に達成し維持される。図１に示す実施例によれば、熱配分ループは、冷却システムバイパス接続を含む。そのため、内燃機関(ＩＣＥ)冷却システムの入口ホールでのプライマリ伝熱媒体の最大許容温度が成功して遅延作用を有する規定設定点に達成し維持されているとき、冷却システムは、少なくとも部分的にバイパスされる。ただし、弁(Ｖ１)は、自動調節部材を介してある位置に再配置される。当該位置は、少なくとも部分的にプライマリ伝熱媒体流動を凝縮器手段出口から熱配分の前方向ラインに再度案内（方向誘導）させる。また、熱配分ループは、熱ポンプ(ＨＰ)の凝縮器手段のバイパス接続をさらに含む。ただし、凝縮器手段は、熱配分ループにおける熱需要に応じて少なくとも部分的にバイパスされる。
【００１３】
また、本発明は、熱ポンプ(ＨＰ)統合処理過程の方法、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)を用いるコージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の低レベル温度廃熱利用方法、および本発明の装置を用いる方法に関する。
【００１４】
以下のステップは、熱ポンプ(ＨＰ)統合のキー特徴およびコージェネレーション発電所(ＣＨＰ)の廃熱源の利用の新たな方法を示す。
１.凝縮器および蒸発器手段を有する水源高温熱ポンプ(ＨＰ)と、液-気相変化熱動力循環操作のための動作媒体と、少なくとも１つの熱交換器(ＨＥ２、ＨＥ３)との統合。
Ａ)高温熱ポンプ(ＨＰ)凝縮器手段は、操作可能に熱配分ループラインシステムに連結される。
Ｂ)高温熱ポンプ(ＨＰ)蒸発器手段は、セカンダリ伝熱媒体を含むクローズドラインシステムにおける少なくとも１つの熱交換器(ＨＥ２、ＨＥ３)と操作可能に連結される。
２.少なくとも１つの廃熱源から熱交換器(ＨＥ２、ＨＥ３)により熱量を収集する。ただし、熱源は、
Ａ)排気システムにおける煙道ガス流、および/または
Ｂ)潤滑油冷却システム、および/または
Ｃ)中間冷却器注入空気、である。
３.熱量を少なくとも１つの熱源から高温熱ポンプ(ＨＰ)の蒸発器手段に伝達する。優先的に、クローズドラインシステムにおけるセカンダリ伝熱媒体の循環により実施される。
４.熱量をセカンダリ伝熱媒体から高温熱ポンプ(ＨＰ)の蒸発器手段における動作媒体に伝達する。ただし、少なくとも１つの廃熱源からの低温熱量が動作媒体の液-気相変化熱動力循環により増加されるため、凝縮器手段における動作媒体の温度が明らかに蒸発器手段における動作媒体の温度より高くなる。
５.高温熱ポンプ(ＨＰ)における動作媒体からの熱量を熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体に伝達する。ただし、凝縮器手段の出口でのプライマリ伝熱媒体の温度が凝縮器手段の入口でのプライマリ伝熱媒体の温度より明らかに高くなるため、凝縮器手段の高温は、下記のＡ）および/またはＢ）に出力される。
Ａ)内燃機関(ＩＣＥ)冷却システム流れ込み (即ち、リターンライン)。ただし、流れ込み温度は、自動調節部材(優先的に、弁(Ｖ１-Ｖ３)とポンプ(ＰＵ１-ＰＵ４)とにより構成される)により、６０℃および９０℃に維持される。優先的に、設定点が７０℃である。
Ｂ)少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)と結合される熱配分ループの前方向ライン。
６.高温プライマリ伝熱媒体は、下記のＡ）および/またはＢ）によって利用される。
Ａ)内燃機関(ＩＣＥ)冷却システム。その目標は、入口温度が予め規定された設定点で許容される最大値に維持されることにある。
Ｂ)熱消費機器(ＨＣ)。領域熱供給、産業または工程処理過程の範囲内である。
【００１５】
以下のステップは、本発明の装置を用いる方法のキー特徴を示す。
１.燃料燃焼処理過程。少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムを用いて前記熱配分ネットワークにおける少なくとも１つの伝熱媒体を加熱するための第１放熱手段を提供する。ただし、内燃機関(ＩＣＥ)の起動および燃焼処理過程における燃料を燃焼させる操作時に少なくとも１つの廃熱源を生成する。そのため、並列または直列接続されるエンジン冷却システムを有する複数の内燃機関(ＩＣＥ)手段を用いて、高度形態の第１放熱手段を提供する。
２.廃熱回収処理過程は、廃熱を収集する方法を含む。少なくとも１つの廃熱回収手段を用いて少なくとも１つの廃熱源の１グループの廃熱源から少なくとも一部の熱量を収集する。廃熱源は、排気システムにおける煙道ガス、注入空気冷却システムにおける空気、または潤滑油冷却システムにおける潤滑油を含む。そのため、並列または直列接続される複数の廃熱回収装置は、廃熱回収処理過程に利用される先進的な態様を提供する。
３.液-気相変化熱動力循環操作方法。ただし、少なくとも１つの水源高温熱ポンプ(ＨＰ)は、第２放熱手段を提供し、少なくとも１つの熱ポンプ(ＨＰ)の起動および運転時に、前記熱配分ネットワークにおける少なくとも１つの伝熱媒体を加熱する。そのため、並列または直列接続される複数の熱ポンプ(ＨＰ)手段は、第２放熱手段の先進的な態様を提供する。
４.液-気相変化を使用して収集された熱量を利用する。ただし、収集された熱量の少なくとも一部は、液-気相変化循環に利用され、その中の少なくとも１つの熱ポンプで発生された少なくとも一部の熱量(第２放熱手段範囲内のＨＰ)は、第１放熱手段の範囲内の少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムを加熱する。
５.少なくとも１つの伝熱媒体の循環により、熱配分ネットワークの少なくとも１つのクローズドループにおいて熱量を配分する。ただし、第１放熱手段の範囲内の少なくとも１つの内燃機関のエンジン(ＩＣＥ)冷却システムにおける熱配分媒体の最低温度が明らかに少なくとも１つの熱消費機器(ＨＣ)における熱配分媒体の最低温度よりも高い。そのため、熱配分ネットワークの少なくとも１つのリターンラインにおける少なくとも１つの伝熱媒体が熱ポンプ(ＨＰ)原理による操作により再加熱される。ただし、少なくとも熱配分ネットワークの設計温度に達したとき、および内燃機関(ＩＣＥ)と熱ポンプ(ＨＰ)が全負荷で運転しているとき、少なくとも１つの内燃エンジン(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムにおける伝熱媒体の温度は、基本的に６０℃より高い。
【００１６】
本発明の装置を用いる方法以外、少しの解釈および定義が必要である。ただし、燃焼処理過程は、基本的に連続処理過程である。内燃機関(ＩＣＥ)は、一般的にその最小および最大定格運転パワー間の範囲内で運転し、優先的に正常定格パワーで連続運転する。類似的に、液-気相変化熱動力循環操作処理過程は、基本的に連続処理過程である。熱ポンプ(ＨＰ)は、その最小および最大定格動作パワーの間の範囲内で操作され、優先的に連続操作の場合に正常定格パワーで操作される。適切な場合、複雑(即ち、先進的)な発電所の燃料燃焼処理過程は、複数の内燃機関(ＩＣＥ)手段によって提供されべきである。ただし、第１放熱手段範囲内の熱量が直列および/または並列接続され、その目的は、各エンジン冷却システムの間で熱量を伝達することにある。類似的に、液-気相変化熱動力循環操作処理過程は、複数の熱ポンプ(ＨＰ)手段によって使用されべきであり、先進的な熱供給および発発電所の第２放熱手段を提供する。
【００１７】
本発明の方法および装置のキー特徴の１つが内燃機関の冷却剤温度のプリーセットの設定値を確立するが、熱エネルギーバランス調節は、熱ポンプ(ＨＰ)を使用するパワー、および/または、内燃機関(ＩＣＥ)を調整するパワー、および/または、プライマリ伝熱媒体の質量流動を内燃機関のエンジン冷却システムに通過させるような調整、および/または、プライマリ伝熱媒体の質量流動を熱ポンプ(ＨＰ)に通過させるような調整、および/または、少なくとも１つの廃熱源に利用されるクローズドループにおける、セカンダリ伝熱媒体の質量流動に対する調整により、実施される。そのため、熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体の質量流動は、熱配分ネットワークにおける流動速度を変更することで調整され、および/または、クローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体の質量流動は、クローズドループにおける流動速度を変更することで調整される。ただし、熱配分ネットワークにおける伝熱媒体の速度は、質量流動の少なくとも１つの循環ポンプのパワーを切り替える（オン・オフ調節）および/または調節することで調整される。また、熱配分ループにおけるプライマリ伝熱媒体の質量流動は、交代して流量調節により調整される。ただし、熱配分ループのリターンラインにおける少なくとも一部のプライマリ伝熱媒体流動が熱配分ループのリターンラインに再度案内されて熱ポンプ(ＨＰ)バイパス接続を提供し、および/または、熱ポンプ(ＨＰ)からの少なくとも一部のプライマリ伝熱媒体流動は、熱配分ループの前方向ラインに再度案内されてエンジン冷却システムのバイパス接続を提供する。類似的に、廃熱源の利用に用いられるクローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体の質量流動は、流量調節により調整される。ただし、少なくとも一部のセカンダリ伝熱媒体流動がクローズドループで再度案内されて少なくとも１つの廃熱回収手段のバイパス接続を提供する。そのため、プライマリ伝熱媒体の質量流動調節および/または熱エネルギーバランス調節のセカンダリ伝熱媒体の質量流動調節は、少なくとも１つの制御手段(即ち、電子コントローラ)によって決定、制御および実行される。ただし、自動調節部材の位置および/または状態(即ち、オン/オフ、または、オン/オフ調節)は、熱配分ネットワークにおける熱需要に応じて調節される。
【００１８】
本発明の装置は、さらに、少なくとも１つの制御手段を備える。ただし、当該コントローラは、自動装置の熱管理調節、または決定処理過程、比較処理過程および実行処理過程の熱管理コントローラの基本機能に利用され、少なくとも内燃機関(ＩＣＥ)コントローラまたは熱ポンプ(ＨＰ)コントローラに取り込まれて実施される。決定処理過程では、熱配分ネットワークの環境および熱条件は、熱、圧力あるいは他のセンサグループによって決定される。少なくとも１つの熱配分ネットワークあるいは内燃機関(ＩＣＥ)センサからの少なくとも１つの入力は、比較処理過程に利用される。その中、少なくとも１つの入力パラメータ値(即ち、優先的にエンジン冷却システムにおけるプライマリ伝熱媒体の温度)は、分析されてリミット値と比較され、優先的に、制御手段に予め定義および記憶される。そのため、実行処理過程は、制御手段に記憶された指令を実行して適切な出力信号を生成する処理過程を含む。制御電子部品と自動調節部材とが係合して生成され、実施および実行される少なくとも１つの熱エネルギーバランス調整のパラメータは、下限設定値に達成し維持される。ただし、下限値は、設定点等の値の最大値および最小値の間に規定され、その目的は、熱エネルギーバランス調整の遅延作用を提供する。
【００１９】
理解できるように、制御手段(即ち、電子モジュール)は、各種の出力装置に連通されてもよい。ただし、伝熱ネットワークにおける伝熱媒体の温度は、１群の自動調節部材によって決定、制御および調節される。自動調節部材は、電動弁、ポンプおよびセンサを含む。ただし、調節部材は、優先的に少なくとも１つの制御手段に操縦されることで調整される。また、熱配分ネットワークの熱配分処理過程は、少なくとも１つの伝熱媒体によって提供され、優先的に複数の熱配分媒体によって提供される。そのため、伝熱ネットワークにおける熱量は、少なくとも１つのクローズドループにおけるプライマリ伝熱媒体の循環を介して第１放熱手段から熱消費機器(ＨＣ)に伝達し、同様に、廃熱回収手段からの熱量は、少なくとも１つのクローズドループにおけるセカンダリ伝熱媒体の循環を介して熱ポンプ(ＨＰ)に伝達される。少なくとも１つの熱ポンプ(ＨＰ)でアップされた熱量は、さらに熱ポンプ(ＨＰ)凝縮器手段からプライマリ伝熱媒体を介して少なくとも１つの内燃機関(ＩＣＥ)のエンジン冷却システムに伝達される。
【００２０】
このように、コージェネレーションユニット(ＣＨＰ)の冷却ループは、ここで低温廃熱源として示され、水源高温熱ポンプ(ＨＰ)の利用に用いられる。ただし、熱湯出力は、優先的に内燃機関(ＩＣＥ)冷却システム(即ち、冷却ブッシング入口)に流れ込んだプライマリ伝熱媒体の最大許容温度或いは最高許容温度を確立および維持するのに用いられる。理解できるように、熱配分ループのあらゆる重要なユニットは、優先的に操作可能に熱伝達媒体循環に連結される。熱ポンプ(ＨＰ)に含まれる圧縮機は、電動機器によって駆動され、電力グリッドあるいは発電機(Ｇ)によって給電される。または、適切な場合に、高温熱ポンプ(ＨＰ)圧縮機は、内燃機関(ＩＣＥ)に機械的に接続されて、内燃機関(ＩＣＥ)によって駆動される。なお、上述した説明から分かるように、好適な実施形態におけるプライマリ伝熱媒体が水であり、類似的に、好適な実施形態におけるセカンダリ伝熱媒体が水とエチレングリコールとの混合物である。
【００２１】
上述した説明をもとに、当業者であれば容易に分かるように、本開示の要旨から逸脱しない場合に、本発明を補正してもよい。明確な説明が別途にない限り、これらの補正も請求項の範囲に収まる。
【図１】
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【国際調査報告】
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