JP2012127231A - Rankine cycle system and power generation system - Google Patents
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本発明は、ランキンサイクルシステムおよびランキンサイクルシステムを用いた発電システムに関する。 The present invention relates to a Rankine cycle system and a power generation system using the Rankine cycle system.
例えば、特許文献1に記載されているように、加圧された液相の熱媒を蒸発器(加熱器)において熱源との熱交換によって加熱し、加熱した熱媒の膨張力によって膨張機を駆動して発電機を回し、膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化し、ポンプによって液化した熱媒を再加圧して蒸発器に再供給するランキンサイクルを利用したバイナリ発電システムが公知である。 For example, as described in Patent Document 1, a pressurized liquid-phase heat medium is heated by heat exchange with a heat source in an evaporator (heater), and the expander is heated by the expansion force of the heated heat medium. A binary power generation system using a Rankine cycle that drives and rotates the generator, cools and liquefies the heat medium discharged from the expander, re-pressurizes the heat medium liquefied by the pump, and re-supplies it to the evaporator is known It is.
膨張機として、潤滑およびシールのために潤滑油を用いるスクリュ膨張機を使用することも一般的であるが、従来は、特許文献1にも記載されているように、スクリュ膨張機から排気された熱媒から気液分離器を用いて潤滑油を分離し、分離した潤滑油を油ポンプによってスクリュ膨張機に再供給していた。 Although it is also common to use a screw expander that uses lubricating oil for lubrication and sealing as an expander, conventionally, as described in Patent Document 1, the screw expander is exhausted. Lubricating oil was separated from the heat medium using a gas-liquid separator, and the separated lubricating oil was resupplied to the screw expander by an oil pump.
スクリュ膨張機と機械的によく似た構成の圧縮機の場合には、吐出したガスから分離した潤滑油を吐出したガスの圧力によって再供給できるが、スクリュ膨張機の場合は、給気圧力の方が排気圧力よりも高いため、専用の油ポンプで再加圧することが必要とされるからである。 In the case of a compressor that is mechanically similar to a screw expander, it can be re-supplied by the pressure of the gas discharged from the lubricant separated from the discharged gas, but in the case of a screw expander, the supply air pressure This is because it is higher than the exhaust pressure, and it is necessary to repressurize with a dedicated oil pump.
また、特許文献1では、スクリュ膨張機のロータ室に、潤滑油を排出するための廃油口を設けて潤滑油を回収している。この場合、潤滑油だけでなく熱媒までもが回収流路に流出しないように、ある程度の背圧を加える必要がある。しかしながら、回収流路の背圧が高すぎると、潤滑油が逆流して廃油口が開口する空間の圧力を上昇させ、膨張工程における圧力こう配に部分的な逆転が生じて、スクリュロータの回転を妨げる逆方向の駆動力を発生させてしまう。このため、潤滑油の回収流路の圧力を厳密に制御できなければ、発電システムの効率が低下するという問題が生じる。 Moreover, in patent document 1, the waste oil port for discharging | emitting lubricating oil is provided in the rotor chamber of the screw expander, and lubricating oil is collect | recovered. In this case, it is necessary to apply a certain amount of back pressure so that not only the lubricating oil but also the heat medium does not flow out into the recovery flow path. However, if the back pressure in the recovery flow path is too high, the lubricating oil will flow backward, increasing the pressure in the space where the waste oil port opens, causing a partial reversal of the pressure gradient in the expansion process, and rotating the screw rotor. The driving force in the opposite direction is prevented. For this reason, if the pressure of the lubricating oil recovery passageway cannot be strictly controlled, there arises a problem that the efficiency of the power generation system is lowered.
また、ランキンサイクルにおいて、蒸発器とスクリュ膨張機との間に気液分離器を設置すれば、スクリュ膨張機に供給される熱媒と等しい圧力を有する潤滑油が得られるので、専用の油ポンプを設けなくてもよい。しかしながら、その場合、潤滑油も蒸発器を通過することになり、蒸発器における熱交換の効率が低下するという問題が生じるため、上述の油ポンプを用いたシステムとすることが一般的である。 In the Rankine cycle, if a gas-liquid separator is installed between the evaporator and the screw expander, lubricating oil having a pressure equal to the heat medium supplied to the screw expander can be obtained. May not be provided. However, in that case, since the lubricating oil also passes through the evaporator, there arises a problem that the efficiency of heat exchange in the evaporator is lowered, so that a system using the above-described oil pump is generally used.
前記問題点に鑑みて、本発明の課題は、油ポンプの不要なランキンサイクルシステムおよびランキンサイクル発電システムを提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a Rankine cycle system and a Rankine cycle power generation system that do not require an oil pump.
前記課題を解決するために、本発明によるランキンサイクルシステムは、熱媒および潤滑油が供給され、前記熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機と、前記スクリュ膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化する凝縮器と、前記凝縮器において液化した熱媒を加圧する循環ポンプと、前記循環ポンプが吐出した熱媒を加圧状態のまま貯留して、前記熱媒に含まれる前記潤滑油を比重差によって分離する分離タンクと、前記分離タンクによって前記潤滑油を分離した前記熱媒を加熱し、蒸発させてから前記スクリュ膨張機に再供給する蒸発器とが介設された循環流路、および、前記分離タンクによって前記熱媒から分離された前記潤滑油を前記スクリュ膨張機に再供給する給油流路を有するものとする。 In order to solve the above problems, a Rankine cycle system according to the present invention is supplied with a heat medium and a lubricating oil, and is discharged from the screw expander that converts the expansion force of the heat medium into a rotational force, and the screw expander. A condenser that cools and liquefies the heat medium, a circulation pump that pressurizes the heat medium liquefied in the condenser, and stores the heat medium discharged from the circulation pump in a pressurized state, and is included in the heat medium. A separation tank that separates the lubricating oil by specific gravity difference, and an evaporator that heats and evaporates the heat medium from which the lubricating oil has been separated by the separation tank and then re-feeds the screw expander. And an oil supply passage for re-supplying the lubricating oil separated from the heat medium by the separation tank to the screw expander.
この構成によれば、分離タンクは、熱媒と潤滑油とを比重によって分離するので、その構成が簡単である。また、分離タンクで分離した潤滑油もスクリュ膨張機に供給される熱媒と同じ圧力を有するので、専用のポンプを必要とせずにスクリュ膨張機にそのまま供給できる。 According to this configuration, since the separation tank separates the heat medium and the lubricating oil by specific gravity, the configuration is simple. Further, since the lubricating oil separated in the separation tank also has the same pressure as the heat medium supplied to the screw expander, it can be supplied to the screw expander without requiring a dedicated pump.
また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記給油流路は、前記潤滑油を加熱する熱交換器を備えてもよい。 In the Rankine cycle system of the present invention, the oil supply passage may include a heat exchanger that heats the lubricating oil.
この構成によれば、スクリュ膨張機において、潤滑油が熱媒の熱を奪って、熱媒の膨張力、ひいては、スクリュ膨張機の回転エネルギーを減少させることがない。 According to this configuration, in the screw expander, the lubricating oil does not take the heat of the heat medium and does not reduce the expansion force of the heat medium, and hence the rotational energy of the screw expander.
また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記給油流路は、前記潤滑油の全量を前記スクリュ膨張機の給気側の軸受に供給してもよい。 In the Rankine cycle system of the present invention, the oil supply passage may supply the entire amount of the lubricating oil to a supply-side bearing of the screw expander.
この構成によれば、給気される熱媒と同じ圧力の潤滑油を、給気側の軸受に供給するので、圧力差による損失が生じず、軸受を潤滑した潤滑油は、熱媒と共にロータ室を介して排気側の軸受にも供給されるので、スクリュ膨張機の各部に個別に潤滑油を供給する必要がない。 According to this configuration, since the lubricating oil having the same pressure as the supplied heat medium is supplied to the bearing on the air supply side, loss due to the pressure difference does not occur, and the lubricating oil that lubricated the bearing can be used together with the heat medium in the rotor. Since it is also supplied to the bearing on the exhaust side through the chamber, it is not necessary to supply lubricating oil to each part of the screw expander individually.
また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記スクリュ膨張機は、前記軸受に供給した前記潤滑油の全量を、前記熱媒と共に排出してもよい。 In the Rankine cycle system of the present invention, the screw expander may discharge the entire amount of the lubricating oil supplied to the bearing together with the heating medium.
この構成によれば、潤滑油を途中で排出しないので、膨張行程における圧力こう配に逆転が生じず、効率が高い。 According to this configuration, since the lubricating oil is not discharged halfway, the pressure gradient in the expansion stroke is not reversed, and the efficiency is high.
また、本発明による発電システムは、上記ランキンサイクルシステムのいずれかを有し、前記スクリュ膨張機によって発電機を駆動するものとする。 A power generation system according to the present invention includes any one of the Rankine cycle systems described above, and the generator is driven by the screw expander.
この構成によれば、工場排熱等の比較的低温の熱源によって、一般的な油潤滑式スクリュ膨張機を用いる簡素なシステムによって効率的に発電できる。 According to this configuration, power can be efficiently generated by a simple system using a general oil-lubricated screw expander with a relatively low-temperature heat source such as factory exhaust heat.
また、本発明の発電システムにおいて、前記スクリュ膨張機のケーシングと前記発電機のケーシングとが一体化され、前記スクリュ膨張機から排気された前記熱媒が、前記発電機の内部空間を通して前記循環流路に流出してもよい。 In the power generation system of the present invention, the casing of the screw expander and the casing of the generator are integrated, and the heat medium exhausted from the screw expander passes through the internal space of the generator. May flow into the road.
この構成によれば、膨張することによりスクリュ膨張機を駆動して温度低下した熱媒によって発電機の巻線を冷却して、発電機の効率低下を防止できる。 According to this configuration, the coil winding of the generator is cooled by the heat medium whose temperature has decreased by driving the screw expander by expanding, and the efficiency of the generator can be prevented from decreasing.
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態であるランキンサイクル発電システム1の構成を示す。ランキンサイクル発電システム1は、例えば従来廃棄されていた低圧蒸気のような工場排熱等を熱源とし、その熱を回収して発電し、電気エネルギーとして回収するためのシステムである。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a Rankine cycle power generation system 1 according to the first embodiment of the present invention. The Rankine cycle power generation system 1 is a system for recovering electric power by using, for example, factory exhaust heat such as low-pressure steam that has been conventionally discarded as a heat source, recovering the heat, and generating electric energy.
ランキンサイクル発電システム1は、スクリュ膨張機2、凝縮器3、循環ポンプ4、分離タンク5および蒸発器6を介設してなり、熱媒(例えばR245fa)を封入した循環流路7と、分離タンク5の上部をスクリュ膨張機2の給油を要する部位に接続する給油流路8とを有する。スクリュ膨張機2の出力軸9には、発電機10が接続されている。
The Rankine cycle power generation system 1 includes a
スクリュ膨張機2は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した膨張空間内において熱媒を膨張させることにより、スクリュロータを回転させる。また、スクリュ膨張機2は、供給された潤滑油によって、スクリュロータ間およびスクリュロータとケーシングとの間の潤滑およびシールを行うように構成されている。また、スクリュロータの軸受も、潤滑油が供給されることによって摩耗を防止するようになっている。したがって、スクリュ膨張機から排気される熱媒は、潤滑油を含んだものとなる。
The screw expander 2 accommodates a pair of male and female screw rotors in a rotor chamber formed in a casing, and expands a heat medium in an expansion space formed by dividing the rotor chamber by a screw rotor, whereby the screw rotor. Rotate. Further, the
凝縮器3は、クーリングタワーで製造される冷却水のような極めて安価な冷熱源によって、熱媒を冷却して液化させる熱交換器である。循環ポンプ4は、凝縮器3において液化した熱媒を、スクリュ膨張機2への供給圧力まで再加圧する。
The
加圧された熱媒は、分離タンク5に導入され、分離タンク内に一定時間滞留する。分離タンク5において、液相の熱媒は、非常に流速が低い状態で貯留されるので、含まれている潤滑油の液滴が比重差によって浮き上がる。例えば、熱媒(R245fa)の比重は、1300kg/m3であるのに対し、潤滑油の比重は、900kg/m3である。 The pressurized heat medium is introduced into the separation tank 5 and stays in the separation tank for a certain time. In the separation tank 5, the liquid-phase heat medium is stored at a very low flow rate, so that the contained lubricating oil droplets rise due to the specific gravity difference. For example, the specific gravity of the heat medium (R245fa) is 1300 kg / m 3 , whereas the specific gravity of the lubricating oil is 900 kg / m 3 .
このようにして、分離タンク5において潤滑油が分離された液相の熱媒は、蒸発器6において熱源との熱交換によって加熱され、飽和蒸気となってスクリュ膨張機2に供給される。
In this way, the liquid-phase heat medium from which the lubricating oil is separated in the separation tank 5 is heated by heat exchange with the heat source in the
また、分離タンク5において分離された潤滑油は、給油流路8を介してスクリュ膨張機2に再供給される。給油流路8に、オリフィスや絞り弁等を設けて、スクリュ膨張機2への供給潤滑油の流量を調整してもよい。また、スクリュ膨張機2の複数の部位に給油する場合、部位毎に必要な流量の潤滑油を供給できるように、給油流路8の分岐流路にオリフィスや絞り弁等を設けてもよい。
Further, the lubricating oil separated in the separation tank 5 is supplied again to the screw expander 2 via the
本実施形態において、蒸発器6は、潤滑油を分離した後の純粋な熱媒のみを加熱するので、蒸発器6を熱媒の加熱に最適化して設計することにより、最大限の熱回収を可能にできる。
In the present embodiment, the
また、分離タンク5は、気液分離器のように複雑な構造を必要とせず、単純な容器でよいので、安価であり、メンテナンスも不要である。 Further, the separation tank 5 does not require a complicated structure like a gas-liquid separator and may be a simple container, so it is inexpensive and does not require maintenance.
さらに、分離タンク5は、熱媒および分離された潤滑油を循環ポンプ4によって加圧された後の圧力に保つので、給油流路8からスクリュ膨張機2に供給される潤滑油の圧力は、蒸発器6を介してスクリュ膨張機2に供給される熱媒の圧力と等しい。このため、分離タンク5で分離した潤滑油は、それ以上加圧しなくてもスクリュ膨張機2に導入できる。
Further, since the separation tank 5 maintains the pressure after the heat medium and the separated lubricating oil are pressurized by the circulation pump 4, the pressure of the lubricating oil supplied from the
続いて、図2に、本発明の第2実施形態であるランキンサイクル発電システム1aの構成を示す。尚、本実施形態について、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態のランキンサイクル発電システム1aは、給油流路8に、蒸発器6において熱媒を加熱するのと同じ熱源によって潤滑油を加熱するための熱交換器11が設けられている。
Then, in FIG. 2, the structure of the Rankine cycle
これにより、潤滑油の温度を高くするので、スクリュ膨張機2の内部において、潤滑油が熱媒を冷却して、膨張力を減少させることがなく、エネルギー変換効率(発電効率)を高くできる。
As a result, the temperature of the lubricating oil is increased, so that the lubricating oil cools the heat medium inside the
さらに、図3に、発明の第3実施形態であるランキンサイクル発電システム21の構成を示す。本実施形態のランキンサイクル発電システム21は、スクリュ膨張機22と、発電機23と、凝縮器24と、循環ポンプ25と、分離タンク26と、蒸発器27とが介設され、熱媒を封入した循環流路28と、分離タンク26で分離された潤滑油をスクリュ膨張機22に再供給する給油流路29とを有する。
Further, FIG. 3 shows a configuration of a Rankine cycle
スクリュ膨張機22は、膨張機ケーシング30に形成したロータ室31に、スクリュロータ32を収容し、スクリュロータ32の回転軸33を、膨張機ケーシング30に形成した軸受室34,35に収容した軸受36,37によって支持している。熱媒は、循環流路28から、給気流路38を通してロータ室31に供給され、ロータ室31で膨張することによりスクリュロータ32を回転駆動した熱媒は、排気流路39から排気される。
The
発電機23は、膨張機ケーシング30に一体に接続された発電機ケーシング40の内部空間41に、回転子42および固定子43を収容してなる。回転子42は、内部空間41まで延伸するスクリュロータ32の回転軸33に設けられており、スクリュロータ32とともに回転することによって、固定子43に電力を生じさせる。発電機23の内部空間41は、スクリュ膨張機22の排気側の軸受室35および排気流路39に連通している。これによりスクリュ膨張機22から発電機23の内部空間41に排気された熱媒は、発電機ケーシング40に設けた排気口44から循環流路28に流出する。
The
給油流路29は、スクリュ膨張機22の給気側の軸受室34のみに接続されており、分離タンク26で分離された潤滑油の全量を給気側の軸受36に供給するようになっている。給気側の軸受室34に供給された潤滑油は、回転軸33と膨張機ケーシング30との隙間、および、スクリュロータ32の給気側の端面と膨張機ケーシング30との隙間を通して、スクリュロータ32の歯溝(膨張機ケーシング30の内壁とスクリュロータ32の歯とによって画定される空間)に流入する。
The
この歯溝がスクリュロータ32の回転によって排気側に到達すると、潤滑油の大半は、熱媒とともに、排気流路39を通して発電機23の内部空間41に排気され、循環流路28に流出する。しかしながら、スクリュロータ32の歯溝の潤滑油の一部は、熱媒の一部とともに、スクリュロータ32の排気側の端面と膨張機ケーシング30との隙間、および、回転軸33と膨張機ケーシング30との隙間を通して、排気側の軸受室35に流入する。軸受室35に流入した潤滑油は、排気側の軸受37を潤滑し、熱媒とともに、発電機23の内部空間41を通して循環流路28に流出する。
When this tooth groove reaches the exhaust side by the rotation of the
本実施形態では、スクリュ膨張機22のロータ室31において膨張することによって圧力および温度が低下した熱媒によって、発電機23の回転子42および固定子43を冷却するので、発電機23の発電効率の低下を防止できる。
In the present embodiment, since the
また、本実施形態のように、潤滑油の全量を給気側の軸受室34に供給し、供給した潤滑油の全量を熱媒とともに循環流路28に流出させ、スクリュ膨張機の膨張行程の途中において、潤滑油を供給および排出しないようにすることで、スクリュ膨張機の内部において熱媒の圧力こう配に逆転を生じさせないようにでき、熱エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換でき、ひいては、発電効率を向上させられる。
Further, as in the present embodiment, the entire amount of the lubricating oil is supplied to the bearing
本発明は、発電システムだけでなく、ランキンサイクルによって熱エネルギーを回転エネルギーに変換するシステムに広く適用でき、例えば、スクリュ膨張機によってコンプレッサを駆動するランキンサイクルシステム等にも利用できる。 The present invention can be widely applied not only to a power generation system but also to a system that converts thermal energy into rotational energy by a Rankine cycle, and can be used, for example, in a Rankine cycle system that drives a compressor by a screw expander.
1,1a,21…ランキンサイクル発電システム
2,22…スクリュ膨張機
3,24…凝縮器
4,25…循環ポンプ
5,26…分離タンク
6,27…蒸発器
7,28…循環流路
8,29…給油流路
10,23…発電機
11…熱交換器
30…膨張機ケーシング
31…ロータ室
32…スクリュロータ
33…回転軸
34,35…軸受室
36,37…軸受
38…給気流路
39…排気流路
40…発電機ケーシング
41…内部空間
42…回転子
43…固定子
44…排気口
1, 1a, 21 ... Rankine cycle
Claims (6)
前記スクリュ膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化する凝縮器と、
前記凝縮器において液化した熱媒を加圧する循環ポンプと、
前記循環ポンプが吐出した熱媒を加圧状態のまま貯留して、前記熱媒に含まれる前記潤滑油を比重差によって分離する分離タンクと、
前記分離タンクによって前記潤滑油を分離した前記熱媒を加熱し、蒸発させてから前記スクリュ膨張機に再供給する蒸発器とが介設された循環流路、および、
前記分離タンクによって前記熱媒から分離された前記潤滑油を前記スクリュ膨張機に再供給する給油流路を有することを特徴とするランキンサイクルシステム。 A screw expander that is supplied with a heat medium and lubricating oil and converts the expansion force of the heat medium into a rotational force;
A condenser that cools and liquefies the heat medium discharged from the screw expander;
A circulation pump for pressurizing the heat medium liquefied in the condenser;
A separation tank that stores the heat medium discharged by the circulation pump in a pressurized state and separates the lubricating oil contained in the heat medium by a specific gravity difference;
A circulation flow path provided with an evaporator that heats and evaporates the heat medium from which the lubricating oil has been separated by the separation tank and then re-feeds the screw expander;
A Rankine cycle system comprising an oil supply passage for re-supplying the lubricating oil separated from the heat medium by the separation tank to the screw expander.
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