JP2002303105A - 二相分離ランキンサイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膨張タービンの吐出蒸気を乾き度に応じその
一部の高乾き度蒸気を分離し、乾き度の高いガス状の蒸
気は直接加熱器の吸入側に戻らせ、乾き度の低い湿り蒸
気は凝縮器を経由させ液状とした後、液ポンプを介して
昇圧圧縮させ、先に分離した乾き度の高いガス状の蒸気
とともに、加熱器へ導入させ、気液二相加熱を行なうよ
うにして、熱効率の向上を図った二相分離ランキンサイ
クルを提供する。 【構成】 本発明の二相分離ランキンサイクルは、過熱
蒸気を膨張させ外部への仕事をして吐出蒸気を排出する
膨張タービン１２と、吐出蒸気の湿り蒸気を凝縮する凝
縮器１３と、凝縮液冷媒を昇圧圧縮する液ポンプ１４
と、昇圧した液冷媒を駆動蒸気として吐出蒸気の一部を
分離吸引するエゼクタ１０と、前記駆動蒸気と吸引合流
した吐出蒸気の一部を二相状態で加熱して過熱蒸気を形
成させ前記膨張タービン１２へ送る加熱器１１と、より
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱機関の熱効率改
善に関するもので、詳しくは、液冷媒を断熱圧縮する液
ポンプと、昇圧圧縮された液冷媒を等圧加熱を行い過熱
蒸気とする加熱器と、過熱蒸気を断熱膨張させて外部へ
の仕事をする膨張タービンと、該タービンの吐出蒸気を
等圧冷却する凝縮器とよりなる、温度差動力回収ランキ
ンサイクルにおいて、熱回収効率の向上を図った二相分
離ランキンサイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】前記温度差による動力回収ランキンサイ
クルにおける熱効率は、膨張タービンへの入口の蒸気の
圧力と温度が高くなるほど、また、液ポンプ入り口の給
水液の圧力が低い程高い熱効率が得られる。しかし、膨
張タービン入り口の蒸気温度は、加熱器及び膨張タービ
ンの耐熱性から前記蒸気温度を高くすることは制約さ
れ、また、液ポンプ入り口の給水液の圧力は冷却水温度
から制約される。そして、凝縮器での放熱量は加熱器で
受ける受熱量の相当の割合を占めている状況である。こ
の放熱量を減らすため、前記蒸気の一部を膨張タービン
から抽出して前記給水の加熱をする再生サイクルがあ
る。また、ランキンサイクルの熱効率の向上には、ター
ビン入り口圧力や温度を高める必要があるが、入り口温
度を一定にしたまま入り口温度を高めるとタービン出口
蒸気の湿り度が増加する。この湿り度の増加を抑えるた
め、タービンの途中から蒸気を取出し加熱器で再熱する
再熱サイクルが使用されている。

【０００３】上記したように、熱落差エネルギを取り出
した低温低圧の水蒸気を凝縮器内に導入して凝固させた
後、凝縮された復水をポンプで昇圧してボイラ等の加熱
器に送り、発生した高温高圧の蒸気を蒸気タービン等の
動力発生装置に循環させ仕事をさせる蒸気ランキンサイ
クルでは、蒸気の潜熱を抽出する凝縮器を介して形成さ
れる低圧力レベルの復水がエネルギ取出しの限界にな
る。この問題の解決のための提案が特開平６−２２１１
５号公報に「熱回収動力発生装置」の発明の名称のもと
に開示されている。

【０００４】上記提案は、前記したようにサイクル低温
側の条件を改善することによりサイクルプラントの出力
の向上をはかるとともに低温排熱を駆動熱源とするプラ
ントを構成させている。その概略の構成は、図３に見る
ように、本提案の熱回収動力発生装置は、吸収冷凍サイ
クル６０と、低温排熱を活用した蒸気膨張サイクル６１
を組合せた蒸気ランキンサイクルより構成する。

【０００５】前記吸収冷凍サイクル６０は、高濃度の吸
収剤溶液に前段の膨張タービンより吐出さた水蒸気また
は水分を吸収させて低濃度の吸収剤水溶液を形成させ、
さらに冷却装置６３を介して低圧凝縮水とする蒸気吸収
器６４と、前記低圧の吸収水溶液を取り出してポンプア
ップするポンプ手段６５と、該手段により圧送された吸
収剤水溶液を加熱して水蒸気と高濃度の吸収剤溶液とに
分離させる低温排熱利用の加熱装置６６を備えた蒸気分
離器６７と、該分離器により分離させた水蒸気を冷却し
て凝縮するコンデンサ６８と、蒸気分離器６７で分離さ
れ高濃度化された吸収剤溶液を取り出し減圧する減圧弁
６９と、減圧された高濃度の吸収剤溶液を必要に応じて
冷却する冷却器７０とから構成する。一方コンデンサ６
８は蒸気分離器６７で分離された水蒸気を冷却する冷却
装置７４を備え、該冷却装置により凝縮した凝縮水は昇
圧ポンプ７５により取出し加圧して蒸気膨張サイクル６
１の蒸気発生器７６に導入する構成にしてある。

【０００６】前記蒸気膨張サイクル６１は、低温排熱を
利用して給水を加熱する加熱装置８２を備えた前記蒸気
発生器７６と、発生した蒸気を導入し、図示してない発
電機を介して動力を取出し仕事をする蒸気タービン８３
とより構成する。前記蒸気タービン８３で膨張して熱エ
ネルギが抽出された前記タービンの吐出蒸気は蒸気吸収
器６４の下部に接続され、水蒸気の吸収剤雰囲気まで低
下させ、充分な熱落差を確保できるようにし、この結果
蒸気タービン８３での蒸気が有する熱エネルギをかなり
低圧・低温レベルまで活用できる構成にしてある。そし
て吸収剤溶液による水蒸気の吸収作用を使用することに
より大気温度レベルでかなりの低圧まで無理なく低圧化
させることができる。

【０００７】前記熱回収動力発生装置に関わる提案は、
蒸気ランキンサイクルを改善して、特に低温低圧側の蒸
気条件の改善により動力を効率的に取り出すようにした
ものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ランキンサ
イクルは、その回路構成は図４の（Ａ）に示すように、
液冷媒を断熱圧縮する液ポンプ５４と、圧縮された液冷
媒を等圧加熱を行い過熱蒸気とする加熱器５１と、過熱
蒸気を断熱膨張させて発電機５２ａを介して外部へ仕事
をする膨張タービン５２と、該膨張タービンの吐出蒸気
を等圧冷却する凝縮器５３と、によりランキンサイクル
を形成し、その作動状況は図４の（Ｂ）のｐ−ｈ線図ａ
ｂｃｄにより表すことができる。前記線図に見るように
ランキンサイクルを基本サイクルとする定常流動形蒸気
原動機では、受熱過程の一部の過程（ｄ”→ａ”）と放
熱過程（ｂ→ｃ）においては相変化を利用しているの
で、等温変化をしている。

【０００９】一方、ランキンサイクルの熱効率の向上に
おいては、従来より下記事項に関して前記したように種
々の改善がなされてきた。則ち、 ａ、膨張タービンへ導入する蒸気の圧力と温度を高くす
る、 ｂ、液ポンプ入り口の給水液の圧力を低くする、等であ
る。 そこで、本発明は、前記熱効率向上の手段として、前記
ランキンサイクルにおける冷媒蒸気の受熱過程（ｄ”→
ａ”）及び放熱過程（ｂ→ｃ）での相変化を伴う等温変
化の過程において格段の効率向上を図ったものである。

【００１０】則ち、本発明は、膨張タービンの吐出蒸気
の相変化をする過程において、高乾き度蒸気を分離し、
乾き度の高いガス状の蒸気は直接加熱器の吸入側に還流
させ、乾き度の低い湿り蒸気は凝縮器を経由させ液状と
した後、液ポンプを介して昇圧させ、先に分離した乾き
度の高いガス状の蒸気とともに、加熱器へ導入させ、加
熱器では気液二相加熱を行なうようにして、熱効率の向
上を図った二相分離ランキンサイクルの提供を目的とす
るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の二相分
離ランキンサイクルは、液冷媒を断熱圧縮する液ポンプ
と、断熱圧縮した液冷媒に等圧加熱を行い過熱蒸気とす
る加熱器と、過熱蒸気を断熱膨張させる膨張タービン
と、吐出蒸気を等圧冷却する凝縮器とを含む温度差動力
回収ランキンサイクルにおいて、前記液ポンプ吐出側に
前記膨張タービンの吐出蒸気の一部を吸入合流させる手
段を設ける構成としたことを特徴とする。

【００１２】前記請求項１記載の発明は、本発明の基本
的構成を特定したもので、従来方式では、膨張タービン
の吐出蒸気の全てを先ず凝縮器に送り、該凝縮器ではそ
の乾き度の高いものから低いものまでの全ての蒸気を冷
却液状とし、液ポンプによりその全量を加熱器以降の循
環路へ導入している。そこで、請求項１の発明において
は、図４に示すランキンサイクルにおいて、液ポンプ５
４の吐出側に吸入合流手段を設けるとともに、凝縮器５
３の手前のタービン５２の吐出側と前記の吸入合流手段
との間を結ぶ分離配管路を設け、前記膨張タービン５２
の吐出蒸気の高乾き度蒸気を分離して乾き度の高いもの
は、凝縮器５３を経由することなく直接加熱器５１へ送
り込む構成として冷却負荷の軽減とポンプ動力の低減を
図ったものである。

【００１３】その結果、凝縮器５３においては、膨張タ
ービン５２の吐出蒸気の全量を冷却する必要がなくな
り、冷却負荷を軽減できる。また、液ポンプ５４を通過
する冷媒循環量を前記吸入合流手段に分離導入するよう
にした乾き吐出蒸気量だけの削減を行なうことができ
る。また、加熱器においても気液二相状態のものを加熱
することになり加熱器の過熱負荷を前記分離した乾き吐
出蒸気量に相当する液状冷媒の過熱量の差だけ低減でき
る。併せて熱回収率の向上を図ることができる。

【００１４】また、前記請求項１記載の膨張タービンの
吐出蒸気の一部を液ポンプ吐出側に吸入合流させる手段
として、前記液ポンプの吐出側にエゼクタを設けたこと
を特徴とする。

【００１５】前記請求項２記載の発明は、膨張タービン
の吐出蒸気の一部を液ポンプの吐出側へ吸入合流させる
手段としてエゼクタを使用し、エゼクタのノズルより液
ポンプにより昇圧された液相冷媒を駆動蒸気として噴出
させ、前記吐出蒸気の一部を負圧により吸入させたもの
で、吸入量はエゼクタの吸入効率により設定できる。

【００１６】また、前記請求項１記載の膨張タービンの
吐出蒸気の一部を液ポンプ吐出側に吸入合流させる手段
として、ベンチュリを設けたことを特徴とする。

【００１７】前記請求項３記載の発明は、前記請求項２
記載のエゼクタの代わりにベンチュリ管を使用しても良
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに
限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１は
本発明の二相分離ランキンサイクルの概略構成を示す回
路図で、図２はを図１のランキンサイクルのｐ−ｈ線図
である。

【００１９】図１に示すように、本発明の二相分離ラン
キンサイクルは、過熱蒸気を膨張させ外部への仕事をし
て吐出蒸気を排出する膨張タービン１２と、吐出蒸気の
湿り蒸気を凝縮する凝縮器１３と、凝縮液冷媒を昇圧す
る液ポンプ１４と、昇圧した液冷媒を駆動蒸気として吐
出蒸気の一部を分離吸引するエゼクタ１０と、前記駆動
蒸気と吸引合流した吐出蒸気の一部を二相状態で加熱し
て過熱蒸気を形成させ前記膨張タービン１２へ送る加熱
器１１と、より構成する。

【００２０】そして、前記凝縮器１３の手前の膨張ター
ビン１２の吐出側に、前記エゼクタ１０の吸入口１０ａ
に接続する分離配管路１０ｂを設け、前記膨張タービン
１２の相変化する吐出蒸気の高乾き度蒸気を前記エゼク
タ１０の負圧（エゼクタの吸引効率）に対応して乾き度
の高い順にエゼクタ１０の吸入口１０ａへ導入する構成
にしてある。そして、前記吐出蒸気の一部を分離した残
りの湿り蒸気を凝縮器１３で外部より導入した冷却水を
介して冷却させ、冷却負荷を形成させる。凝縮された吐
出蒸気の冷媒液は液ポンプ１４で断熱圧縮される構成に
してある。

【００２１】なお、前記エゼクタ１０の代わりにオリヒ
フィスの絞り部位に吸引口を設けたベンチュリ管を使用
しても良い。

【００２２】前記二相分離ランキンサイクルの作動の状
況を図２に示すｐ−ｈ線図により説明する。加熱器１１
の加熱により形成された過熱蒸気は、下流の膨張タービ
ン１２による膨張過程（ａｂ）で外部へ仕事をして吐出
蒸気として膨張タービンの吐出口より点ｂで排出され
る。前記吐出蒸気は乾き度を暫時低減する相変化を伴い
ながら下流の凝縮過程に移行するが、凝縮器１３への導
入前の乾き度の高い吐出蒸気は前記エゼクタの負圧に対
応する乾き度ｃ’までで分離吸引され前記分離配管路１
０ｂを介してエゼクタ１０の吸入口１０ａに吸引され
る。一方、吐出蒸気の残りの乾き度ｃ’以下の湿り蒸気
は、点ｃ’より凝縮器１３による凝縮過程（ｃ’→ｃ）
に移行し冷却水等により液化され、ついで、液ポンプ１
４による断熱圧縮過程（ｃ→ｄ）に移行する。圧縮され
た液冷媒は吸入効率ηEを持つエゼクタ１０の負圧を介
して前記分離した乾き度ｃ’までの乾き度蒸気を吸引
し、気液二相の混合体を形成して加熱器１１による加熱
過程（ｄ→ｄ”→ａ”→ａ）に移行する。該加熱過程で
二相加熱を受けた後過熱蒸気を形成して点ａで膨張ター
ビン１２による断熱膨張過程（ａ→ｂ）へ移行する。前
記二相加熱は既に気相を形成している前記エゼクタによ
り吸引された高乾き度蒸気量だけ加熱負荷を軽減すると
もに、液相を形成している液ポンプを経由する冷媒液量
も前記したように湿り蒸気に対象を絞ってあるため、そ
の循環量は既に相当量低減しており、加熱器１１におけ
る過熱負荷の低減を図ることができる。

【００２３】前記図２に示すｐ−ｈ線図により得られた
本発明の二相分離ランキンサイクルの熱効率の改善の状
況を下記数式により示す。但し、エゼクタ１０の吸引効
率をηEとする。前記エゼクタ１０に吸引される乾き蒸
気の量はｂｃ’＝１−ｃｃ’で示すことが出来、液ポン
プを経由して形成されるエゼクタ１０の駆動蒸気量はｃ
ｃ’で示すことが出来る。それ故、ηE＝（１−ｃ
ｃ’）／ｃｃ’で表すことが出来、上式より、乾き度
ｃ’＝１／（１＋ηE）なお、点ｂの位置は乾き度＝１
を示す。また、液ポンプ１４による循環流量＝ｃｃ’
で示される湿り蒸気量に相当する。 ａ、液ポンプの動力比＝ｃｃ’／ｂｃ ；従来の吐出蒸
気の全量を示すｂｃより低減された値を示している。 ｂ、冷却負荷比＝（ｈｃ’−ｈｃ）／（ｈｂ−ｈｃ） 従来の値ｈｂ−ｈｃより低減できる。 ｃ、気液二相状態で行なうことにより加熱器での過熱負
荷が低減できる。 ｄ、上記したように液ポンプ負荷、冷却負荷、過熱負荷
の低減により投入熱量の大幅低減により、熱回収率の大
幅向上を図ることができる。

【００２４】

【発明の効果】上記構成により下記効果を奏する。 ａ、膨張タービン吐出蒸気からその一部をエゼクタによ
り吸引することにより、循環冷媒量が相当分だけ減少で
きる。 ｂ、エゼクタへの吸引分だけ凝縮器への導入量が減少す
るため、冷却負荷が低減する。 ｃ、液ポンプで昇圧圧縮された冷媒液はエゼクタで吐出
蒸気の一部を吸引混合し二相状態で加熱器へ導入される
ため、加熱器での過熱負荷を低減できる。 ｄ、ランキンサイクルの熱効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の二相分離ランキンサイクルの概略構
成を示す図である。

【図２】 図１のランキンサイクルのｐ−ｈ線図であ
る。

【図３】 従来の蒸気ランキンサイクルを改善した熱回
収動力発生装置の概略の構成を示す図である。

【図４】 （Ａ）ランキンサイクルの基本的構成を示す
図で、（Ｂ）は（Ａ）のｐ−ｈ線図である。

【符号の説明】

１０ エゼクタ １０ａ 吸引口 １０ｂ 分離配管路 １１ 加熱器 １２ 膨張タービン １３ 凝縮器 １４ 液ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤間 克己 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内 (72)発明者 吉川 朝郁 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液冷媒を断熱圧縮する液ポンプと、断熱
   圧縮した液冷媒を等圧加熱を行い過熱蒸気とする加熱器
   と、過熱蒸気を断熱膨張させる膨張タービンと、該ター
   ビンの吐出蒸気を等圧冷却する凝縮器を含む温度差動力
   回収ランキンサイクルにおいて、 前記液ポンプ吐出側に前記膨張タービンの吐出蒸気の一
   部を吸入合流させる手段を設ける構成としたことを特徴
   とする二相分離ランキンサイクル。
2. 【請求項２】 前記膨張タービンの吐出蒸気の一部を液
   ポンプ吐出側に吸入合流させる手段として、前記液ポン
   プの吐出側にエゼクタを設けたことを特徴とする請求項
   １記載の二相分離ランキンサイクル。
3. 【請求項３】 前記膨張タービンの吐出蒸気の一部を液
   ポンプ吐出側に吸入合流させる手段として、ベンチュリ
   管を設けたことを特徴とする請求項１記載の二相分離ラ
   ンキンサイクル。