JP2013119795A - External combustion engine generator - Google Patents

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Satoru Imura
覺 井村
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an external combustion engine generator which is driven by combustion gas of relatively low temperature by biomass fuel with a simple structure and has excellent heat efficiency.SOLUTION: The external combustion engine generator is provided with: an external engine driven by using volumetric expansion by heat-expanding compressed air by heating; an air compressor constituted of a casing and a turbine housed therein; an air heating unit heating and expanding air supplied from the air compressor; a rotary driving unit constituted of the casing and turbine housed therein and using the heated expanded air flowing from the air heating unit as an energy source; and a heat source used for heating air at the air heating unit. Rotary shafts of the air compressor and rotary driving unit are coaxially formed, and a generation electric motor is provided to the rotary shaft end of the compressor side to start an engine by the generation electric motor when starting the engine, to generate power by the generation electric motor after driving the external combustion engine.

Description

本願発明は、熱効率に優れた外燃機関とこの外燃機関を利用した発電装置に関するものである。 The present invention relates to an external combustion engine having excellent thermal efficiency and a power generation apparatus using the external combustion engine.

外燃機関は、バイオマスなどのあらゆる可燃物、地熱、太陽熱など、多様な熱源の利用が可能であり、この外燃機関としてはいわゆるスターリングエンジンが周知である。 スターリングエンジンは、気体の熱膨張・熱収縮を利用するから仕事量に比して必要なき大量は多くなり、出力の割には大型化を要する。 このため、今日では作動気体として大気圧の空気に替えてヘリウムガス等を高圧で充填するなどの措置がとられているが、これに伴い、次のような新たな課題も発生している。
1 機械回転機構が複雑となる。
2 高価な高圧のヘリウムガスを使用するために複雑なシール機構を要しているが、それでも短期間でガスが漏出してしまい、トータルコストの増大を回避できない。
As the external combustion engine, various combustibles such as biomass, geothermal heat, solar heat, and other various heat sources can be used. As this external combustion engine, a so-called Stirling engine is well known. A Stirling engine uses the thermal expansion and contraction of gas, so the amount required is larger than the amount of work, and the size of the Stirling engine needs to be increased for output. For this reason, measures such as filling helium gas at a high pressure instead of air at atmospheric pressure as the working gas have been taken today, but the following new problems have also occurred.
1 The mechanical rotation mechanism becomes complicated.
2 A complicated sealing mechanism is required to use expensive high-pressure helium gas, but the gas leaks in a short period of time, and an increase in total cost cannot be avoided.

本願に関連する技術文献として以下のものがある。
特開2009−156233号公報 特開2009−92007号公報 特開2009−127476号公報 特開2009−92079号公報 再表2004−101983号公報
The following is a technical document related to the present application.
JP 2009-156233 A JP 2009-92007 A JP 2009-127476 A JP 2009-92079 A No. 2004-101983

本願発明者は先に、上述の難点を克服するために新規な外燃機関を特願2010−94632号、特願2010−275476号、特願2011−86964号等において開示した。 これらにおいて提案された外燃機関は、軽量・コンパクトで、簡素な構成により信頼性が高く製造コストも低廉で、かつ熱効率に優れているが、構造上製作コストが高くなり、発電の効率が設計値より低くなる、運転の安定性に欠けるなどの問題があった。
本願発明は、前記出願に係る発明より更に熱効率に優れ、しかも製造コストが安価であり、安定的な運転も容易である外燃機関に係る技術を実現することを目的としている。
The present inventor previously disclosed novel external combustion engines in Japanese Patent Application Nos. 2010-94632, 2010-275476, 2011-86964, and the like in order to overcome the above-mentioned difficulties. The proposed external combustion engines are lightweight and compact, and have a simple structure that is reliable, low in manufacturing cost, and excellent in thermal efficiency. However, the structural manufacturing cost is high and the efficiency of power generation is designed. There were problems such as lower than the value and lack of driving stability.
The object of the present invention is to realize a technology related to an external combustion engine that is more excellent in thermal efficiency than the invention according to the above application, is low in manufacturing cost, and is easy to operate stably.

本願発明は、圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機
関を具えた外燃機関発電装置であって、ケーシングとこれに収納されるタービンからな
る空気圧縮機と、この空気圧縮機から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部と、ケーシングとこれに収納されるタービンからなり前記空気加熱部から流入する加熱膨張空気をエネルギー源とする回転駆動部と、空気加熱部における空気加熱に用いられる熱源と、を具え、前記空気圧縮機と前記回転駆動部の回転軸は同軸に形成されるとともに、圧縮機側の回転軸端部には発電電動機を設けてエンジンスタート時には発電電動機により回転軸を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は発電電動機により発電をするようにした外燃機関発電装置を提供して、上記従来の課題を解決しようとするものである。
The present invention relates to an external combustion engine power generation apparatus including an external combustion engine that heats and compresses heated compressed air and drives the volume using the volume expansion, and includes an air compressor including a casing and a turbine housed in the casing. An air heating unit that heats and expands the air supplied from the air compressor, and a rotary drive unit that includes a casing and a turbine housed in the casing and uses heated and expanded air flowing from the air heating unit as an energy source. A heat source used for air heating in the air heating unit, and the rotary shaft of the air compressor and the rotary drive unit is formed coaxially, and a generator motor is provided at the end of the rotary shaft on the compressor side The external combustion engine generator is configured to start the external combustion engine by rotating the rotating shaft with a generator motor when the engine is started, and to generate power with the generator motor after the external combustion engine is driven. , It is intended to solve the conventional problems described above.

また、上記段落0005記載の外燃機関発電装置において、空気圧縮機へ流入する空気に水を添加するための給水器を設け、前記空気加熱部における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるように構成することがある。 Further, in the external combustion engine power generation device described in paragraph 0005 above, a water supply device is provided for adding water to the air flowing into the air compressor, and steam is generated by heating in the air heating unit to thermally expand the compressed air. May be configured to increase rate.

さらに、段落0005又は0006記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部は、多段に積層される筐体で形成し、各筐体は互いに連結されていて最上段の筐体は前記空気圧縮機に連通し、最下段の筐体は前記回転駆動部に連結されて加熱されて体積膨張した空気により回転駆動部を動作させる構成となすことがある。 Further, in the external combustion engine power generator according to Paragraph 0005 or 0006, the air heating unit is formed by a multi-layered housing, each housing is connected to each other, and the uppermost housing is the air compression unit. In some cases, the lowermost casing is connected to the rotary drive unit, and the rotary drive unit is operated by the heated and volume-expanded air.

またさらに、段落0005ないし0007いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部を構成する多段積層の筐体を貫通するガス流路を複数設けて、熱源からの加熱ガスを流通させて各筐体を流通する空気圧縮機からの空気を加熱してこれを熱膨張させその体積膨張した空気を回転駆動部に送給する構成となすことがある。 Still further, in the external combustion engine power generator according to any one of paragraphs 0005 to 0007, a plurality of gas flow paths that penetrate through the multistage laminated casing that constitutes the air heating unit are provided, and the heated gas from the heat source is circulated. The air from the air compressor which distribute | circulates each housing | casing may be heated, this may be thermally expanded, and it may become the structure which sends the volume expanded air to a rotation drive part.

また、段落0005ないし0008いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記熱源はバイオマス燃料であり、前記空気加熱部はバイオマス燃料炉内部に設置した構成となすことがある。 Further, in the external combustion engine power generator according to any one of paragraphs 0005 to 0008, the heat source may be biomass fuel, and the air heating unit may be installed inside the biomass fuel furnace.

さらに、段落0009記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部から回転駆動部に送給されてタービン回転に使用された空気を再度バイオマス燃料炉内部に吹き込み燃焼用酸化剤として使用する構成となすことがある。 Furthermore, in the external combustion engine power generation device according to paragraph 0009, the air that is supplied from the air heating unit to the rotation drive unit and used for turbine rotation is blown again into the biomass fuel furnace and used as an oxidant for combustion. There are things to do.

石油を燃料とする従来一般の火力発電所では、燃焼エネルギーを発電に使用した後、摂氏600度程度の排ガスが煙突から大気中の排気されている。 すなわち、この排気ガスの有するエネルギーは有効利用されることなく排気されている。 本願発明は、バイオマス燃料特有の爆発的な燃焼力を有しない低温度燃焼ガス火力を使うことができることを特徴としており、したがって、上記のような摂氏600度程度の低温の排気ガスからでも、さらに機関を作動させて出力を発電等に利用できる新規な外燃機関であり、高圧蒸気を作れないバイオマス燃料のような燃料に適した装置である。   In a conventional thermal power plant that uses petroleum as fuel, after using combustion energy for power generation, exhaust gas of about 600 degrees Celsius is exhausted from the chimney to the atmosphere. That is, the energy of the exhaust gas is exhausted without being effectively used. The present invention is characterized in that a low-temperature combustion gas thermal power that does not have the explosive combustion power unique to biomass fuel can be used. Therefore, even from the low-temperature exhaust gas of about 600 degrees Celsius as described above, It is a new external combustion engine that can operate the engine and use its output for power generation, etc., and is a device suitable for fuel such as biomass fuel that cannot produce high-pressure steam.

本願発明は、低温度(摂氏1000度以下)の燃焼温度しか期待できないバイオマス燃焼ガスや上記のような低温度の排気ガスを使い高効率で機械的出力に変換できる。
すなわち、熱源として石油や石炭等を使う火力発電所やコークス炉や転炉等の物体加熱用や発電用に使った後の排気ガスの有する熱をも利用できる。 これらの排気ガス熱は、だいたい摂氏600度程度であり、従来は全て排気ガスとして捨て去られている。このような大量のエネルギーロスを、本願発明の導入より解消することができる。 回収可能な排気ガス熱量は、石油、石炭全消費量の10%を下らない膨大な量といわれているが、本願発明は、利用するには経済的に困難であった摂氏600度程度の排気ガスの有する熱量を高効率で機械的出力に変換して有効利用できる。
The present invention can be converted into a mechanical output with high efficiency by using biomass combustion gas that can only be expected to have a low temperature (1000 degrees Celsius or less) combustion temperature or the low temperature exhaust gas as described above.
In other words, it is possible to use the heat of exhaust gas after being used for heating a power plant, a coke oven, a converter, etc., which uses oil or coal as a heat source, or for power generation. The heat of the exhaust gas is about 600 degrees Celsius, and all of the heat is conventionally discarded as exhaust gas. Such a large amount of energy loss can be eliminated by introducing the present invention. The amount of exhaust gas heat that can be recovered is said to be an enormous amount that does not fall below 10% of the total consumption of oil and coal, but the present invention is an exhaust gas of about 600 degrees Celsius that was economically difficult to use. It can be used effectively by converting the amount of heat it has into mechanical output with high efficiency.

本願発明の趣旨は、元々気体である空気を加熟し膨張させ、その膨張利得で機械的出力を得て発電機機関等を駆動する点にある。空気を加熟しその体積を3倍量にまで持ってゆく温度は819度の昇温度で良く、それに要するカロリーは空気1立mあたり約200kclである。この温度帯の燃焼ガスならば少し乾かしたバイオマス燃料ならばどの様な草、や木、や皮、や葉、でも出しうる燃焼温度であり何ら問題が無いといえる。   The gist of the present invention is to ripen and expand air, which is originally a gas, and obtain a mechanical output with the expansion gain to drive a generator engine or the like. The temperature for ripening air and bringing its volume up to 3 times the volume may be 819 degrees Centigrade, and the calorie required is about 200 kcl per square meter of air. If it is a combustion gas in this temperature range, it can be said that there is no problem because it is a combustion temperature that can be produced by any kind of grass, tree, bark, or leaf if it is a slightly dry biomass fuel.

ちなみにバイオマス燃料を1200度以上の高温度で燃焼させられない理由をここで説明すると、バイオマス燃料にはリン酸成分を多く含む焼却灰が重量比で約1%弱程度存在する。 そして、摂氏1200度以上で燃焼させるとこの灰が溶けて流れ出る。そしてその温度以下の部分に付着し固まる性質がある。このため、ボイラー管体や炉体、煙道等が故障しその各機能が失われるので、高温度燃焼が出来ないのである。
このため、バイオマス燃料は利用価値が低く生産性としては最悪の燃料となり化石燃料に取って代わられた歴史がある。現今の地球温暖化対策として又持続可能なリサイクルエネルギーとして再びかえり見られてはいるが、この燃料に適した機関は今だ無く、この状態では再び葬られる勿体無いエネルギーとえるのである。
本願発明は、従来利用が難しかったバイオマスエネルギーの効率的利用を可能とする技術をここにあらためて提案するものである。
By the way, the reason why the biomass fuel cannot be burned at a high temperature of 1200 ° C. or higher will be explained here. In the biomass fuel, incinerated ash containing a large amount of phosphoric acid component is present at about 1% or less by weight. And if it burns above 1200 degrees Celsius, this ash will melt and flow out. And it has the property of adhering to the part below that temperature and solidifying. For this reason, the boiler tube body, the furnace body, the flue, etc. break down and their functions are lost, so that high temperature combustion cannot be performed.
For this reason, biomass fuel has a low utility value and has become the worst fuel for productivity and has a history of being replaced by fossil fuels. Although it is once again seen as a measure against global warming and as a sustainable recyclable energy, there is no suitable engine for this fuel, and in this state, it is an invaluable energy that can be buried again.
The present invention proposes again a technique that enables efficient use of biomass energy, which has been difficult to use in the past.

要すれば本願発明にあっては、低温度(摂氏1200度以下)で燃やし摂氏800度から1000度程度の燃焼ガスを得て、それを用いて空気を加熱し、これにより熱電変換効率の高い機関を作るが可能である。
このためには、何よりも動作域に至る必要カロリーが少なくてすむ事である。因みに3立方メートルの蒸気〈気体〉を得るには最低でも900kclが必要なのであるが空気を加熱し3立方メートルにするのに必要する力ロリーは200kclである。
In short, in the present invention, combustion is performed at a low temperature (less than 1200 degrees Celsius) and a combustion gas of about 800 degrees Celsius to 1000 degrees Celsius is obtained, and air is used to heat the gas, thereby high thermoelectric conversion efficiency. It is possible to create an institution.
For this purpose, the necessary calories that reach the operating range are less than anything else. Incidentally, at least 900 kcl is necessary to obtain 3 cubic meters of vapor <gas>, but the force trolley required to heat the air to 3 cubic meters is 200 kcl.

本願発明では、口述の実施例に示すように、少量の水ミストを加える装置を提案しているが現在開発済みの高温小型ガスタービンブレードを効率良く稼動させるには少なくとも4倍体積増以上の気体変化(体積増殖)が最も高い熱電変換効率を示しその熱電変換効率は既存最新式バイオマス発電装置の約4倍を優に超える性能なのである。
又、実施例にある様にこれを巨大化させる為の技術的障害や障壁は現時点では見つかっていないので直ぐにも巨大化装置の製作が可能である。
The present invention proposes a device for adding a small amount of water mist as shown in the above-mentioned embodiment, but in order to efficiently operate a high-temperature small gas turbine blade that has been developed at present, a gas of at least a four times volume increase or more is proposed. The change (volume multiplication) shows the highest thermoelectric conversion efficiency, and the thermoelectric conversion efficiency is well over about 4 times that of existing state-of-the-art biomass power generation equipment.
In addition, as in the embodiment, no technical obstacles or barriers for enlarging this have been found at the present time, so it is possible to produce a giant device immediately.

図面に従って実施例を説明する。 図1は本願発明の1実施例の全体構成図であり、 図において、1は圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機関を具えた外燃機関発電装置であって、2は空気圧縮機であり、この空気圧縮機2はケ−シング21とこれに収納されるタービン22からなっている。 また、3は前記空気圧縮機2から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部である。 Embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an external combustion engine power generator including an external combustion engine that is driven by thermal expansion by heating compressed air and using its volume expansion. 2 is an air compressor, and the air compressor 2 includes a casing 21 and a turbine 22 accommodated therein. An air heating unit 3 heats and expands the air supplied from the air compressor 2.

4は、前記前記空気加熱部3から流入する加熱されて膨張した空気をエネルギー源とする回転駆動部であり、タービン41とこれが収納されるケーシング42とからなっている。
この実施例では、熱源すなわち前記空気加熱部3の加熱源としてはバイオマス燃料が使用されている。 すなわち、図示のように空気加熱部3は、バイオマス燃焼炉5内部に設けられてバイオマスチップタンク6から供給される木材チップなどのバイオマス燃料の燃焼により前記空気圧縮機2から空気加熱部3に送られてその内部を流通する低温高圧空気を加熱する。
Reference numeral 4 denotes a rotary drive unit that uses heated and expanded air flowing from the air heating unit 3 as an energy source, and includes a turbine 41 and a casing 42 in which the turbine 41 is housed.
In this embodiment, biomass fuel is used as a heat source, that is, a heating source of the air heating unit 3. That is, as shown in the figure, the air heating unit 3 is sent from the air compressor 2 to the air heating unit 3 by combustion of biomass fuel such as wood chips provided in the biomass combustion furnace 5 and supplied from the biomass chip tank 6. The low-temperature and high-pressure air flowing through the inside is heated.

また、前記空気圧縮機2と前記回転駆動部4とは回転軸7により同軸に連結されている。
そして、空気圧縮機2側の回転軸端部には高速高周波(1000HZ)発電電動機8が設けられていて、エンジンスタート時には前記発電電動機8の電動機機能により回転軸7を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は前記発電電動機8の発電機能により発電をするようになっている。
The air compressor 2 and the rotation drive unit 4 are coaxially connected by a rotation shaft 7.
A high-speed and high-frequency (1000 HZ) generator motor 8 is provided at the end of the rotary shaft on the air compressor 2 side, and when the engine is started, the rotary shaft 7 is rotated by the motor function of the generator motor 8 so that the external combustion engine is After starting and driving the external combustion engine, power is generated by the power generation function of the generator motor 8.

また、9は空気圧縮機2の空気吸い込み口に設けられた空気フィルターであり、この空気フィルター9を介して新鮮な低温度の空気が吸い込まれるようになっていて、前記空気吸い込み口には給水器10が設けられていて、適度な量の水滴が空気と同時に吸い込まれる構造を有し、前記空気加熱部3における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるようになっている。 このような水の添加は、空気の体積膨張率が低い場合に、蒸気を発生させて空気の体積膨張増殖を助長させるためである。
なお、図1の実施例において、回転駆動部4のタービン41を駆動通過して膨張した使用済みリーンスチーム空気{混入していた少しの水ミストは気化し蒸気に変化}はまだ高温度{摂氏300度程度}で、しかも高濃度の酸素を含んだ空気であるからバイオマス燃焼炉5に再度直接吹き込み燃焼用酸化剤として使う。
Reference numeral 9 denotes an air filter provided at the air suction port of the air compressor 2, and fresh low-temperature air is sucked through the air filter 9, and water is supplied to the air suction port. The container 10 is provided and has a structure in which an appropriate amount of water droplets are sucked simultaneously with the air, and steam is generated by heating in the air heating unit 3 to increase the thermal expansion coefficient of the compressed air. . Such addition of water is to generate steam and promote the volume expansion of air when the volume expansion rate of air is low.
In the embodiment of FIG. 1, the used lean steam air that has been expanded by driving through the turbine 41 of the rotary drive unit 4 {a little water mist mixed therein is vaporized and changed into steam} is still at a high temperature {Celsius It is about 300 degrees} and air containing high concentration oxygen, so it is directly blown again into the biomass combustion furnace 5 and used as an oxidant for combustion.

図2は、バイオマス燃料炉5内における前記空気加熱部3とこれを加熱するための燃焼ガスの流路11の関連構成を示す一部断面図である。空気加熱部3は、多段に積層される筐体31で形成され、各筐体31は連結されていて最上段の筐体31はパイプ12により前記空気圧縮機2に連通し、最下段の筐体31はパイプ13により前記回転駆動部4に連結されている。 バイオマス燃料の燃焼により、燃焼ガスは炉内の下方から前記流路11を通過して空気加熱部3内を流通する圧縮空気を加熱し、空気に水が添加されている場合はこれを蒸気化して上方に至り大気中に放散される。   FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a related configuration of the air heating unit 3 in the biomass fuel furnace 5 and the combustion gas flow path 11 for heating the air heating unit 3. The air heating unit 3 is formed of casings 31 that are stacked in multiple stages. The casings 31 are connected to each other, and the uppermost casing 31 communicates with the air compressor 2 through the pipe 12. The body 31 is connected to the rotation drive unit 4 by a pipe 13. By combustion of the biomass fuel, the combustion gas heats the compressed air flowing through the flow path 11 from below in the furnace and flows through the air heating unit 3, and when water is added to the air, it is vaporized. It goes up and dissipates into the atmosphere.

最上段の筐体31を加熱する燃焼ガス)は下段から多段の筐体31を加熱しつつ流れて来るので各段でそれ相当の熱を奪われ最上段に至った時の温度は摂氏約250度程度である。この段の温度交換気体相互の温度差は摂氏200度程度に設定する事が望ましい。従って次段は150度と350度と言う様に最下段では摂氏850度程度であるのに対して、空気加熱部3内部の気体温度は出口付近では相互差温度は摂氏1
0 0度以下になる。
Combustion gas that heats the uppermost casing 31) flows from the lower stage while heating the multistage casing 31, so that the corresponding heat is deprived at each stage and the temperature when reaching the uppermost stage is about 250 degrees Celsius. Degree. The temperature difference between the temperature exchange gases in this stage is preferably set to about 200 degrees Celsius. Therefore, the next stage is about 850 degrees Celsius at 150 degrees and 350 degrees, whereas the gas temperature inside the air heating unit 3 is 1 degree Celsius near the outlet.
0 degrees or less.

この実施例で、炉5内の下方で最下段の前記筐体31内の空気は摂氏850度でまで加熱される。 すると、空気は約3.11倍の体積膨張になるが、この空気は元々空気圧縮機2で圧縮されていて約1.8気圧となっている。 したがって、850/1.8=摂氏472.2度しか上がったことにはならない。 すなわち、1.8気圧空気は加熱後の膨張増殖は1.7倍にしかならない。もちろん、加熱温度帯も摂氏850度なので、低温度といえるし、加熱膨張に要する熱量も水の気化熱量にくらべれば10%程度であるが、力を取り出す回転駆動部4のタービンブレードの効率が1.7倍程度では圧縮機の負の出力を賄えない。
そこで、少量の水ミストを混入し空気温度と同時に気化し、体積を補う。このミスト比が大きいと従来の蒸気機関と同様に熱効率が低下するが、再度回収してバイオマスチップの燃焼用空気として利用することもできない。 このため、せいぜい30%程度の蒸気と加熱膨張した空気が理想的な値となる。こうすると加熱膨張増殖率(実際の高温タービンブレート通過気体体積量)が2.7から3.1倍程度が確保できるためである。
つまり3の力で回転駆動部4のタービン41を回し、同軸の空気圧縮機2の不出力を差し引いて残り1の力で発電する。これが本件発明の趣旨でもある。
In this embodiment, the air in the lowermost casing 31 below the furnace 5 is heated to 850 degrees Celsius. Then, the volume of the air is about 3.11 times larger, but this air is originally compressed by the air compressor 2 and is about 1.8 atm. Therefore, 850 / 1.8 = only 472.2 degrees Celsius. That is, 1.8 atm air expands only 1.7 times after heating. Of course, since the heating temperature zone is 850 degrees Celsius, it can be said that the temperature is low, and the amount of heat required for the heating expansion is about 10% compared to the amount of heat of vaporization of water, but the efficiency of the turbine blade of the rotary drive unit 4 that extracts the force is At about 1.7 times, the negative output of the compressor cannot be covered.
Therefore, a small amount of water mist is mixed and vaporized at the same time as the air temperature to make up the volume. When this mist ratio is large, the thermal efficiency is lowered as in the conventional steam engine, but it cannot be recovered again and used as combustion air for biomass chips. For this reason, at most about 30% of steam and heated and expanded air are ideal values. This is because a heat expansion growth rate (actual high-temperature turbine blade passage gas volume) can be secured from 2.7 to 3.1 times.
That is, the turbine 41 of the rotary drive unit 4 is rotated with the force of 3, and the non-output of the coaxial air compressor 2 is subtracted to generate power with the remaining force of 1. This is also the gist of the present invention.

図3は、多段に積層されて空気加熱部3を構成する前記筐体31とこの筐体31を貫通してその内部を流通する空気圧縮機2からの空気を加熱する燃焼ガスの流路11の関連構成を示す一部切欠斜視図であり、図において、31は耐熱鋼板で形成された筐体で、側面に接続用のフランジFを具えている。 燃焼ガスの流路11は、図示のように上下方向に筐体31を貫通して多数設置されている。 この燃焼ガスは炉5内において、筐体31の外部を通過しつつ熱交換するとともに前記流路11を通過して筐体31内の空気と効率的に熱交換しつつ炉内を下方から上方へ移動して熱交換をした後、気中に放散される。   FIG. 3 shows a flow path 11 of combustion gas that heats air from the casing 31 that is stacked in multiple stages to form the air heating unit 3 and the air compressor 2 that passes through the casing 31 and flows through the casing 31. FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing the related configuration of FIG. 1. In the figure, reference numeral 31 denotes a housing formed of a heat-resistant steel plate, and has a flange F for connection on the side surface. As shown in the figure, a large number of combustion gas passages 11 are installed through the casing 31 in the vertical direction. The combustion gas exchanges heat in the furnace 5 while passing through the outside of the casing 31 and also passes through the flow path 11 to efficiently exchange heat with the air in the casing 31 from above to below the furnace. After moving to and exchanging heat, it is dissipated in the air.

図4は、図3に示す筐体31の一部切欠平面図である。 入り口としての一方のフランジFから矢符のように流入した空気は案内板Gに誘導されて筐体31内部を出口としての他方のフランジFに流通する。 この間、流通する空気は流路11を通過する燃焼ガスならびに筐体31の外部に沿ってながれる燃焼ガスにより加熱されることになる。   4 is a partially cutaway plan view of the casing 31 shown in FIG. The air flowing in from the one flange F as the entrance as indicated by an arrow is guided by the guide plate G and flows through the inside of the housing 31 to the other flange F as the exit. During this time, the circulating air is heated by the combustion gas passing through the flow path 11 and the combustion gas flowing along the outside of the casing 31.

図1に示す外燃機関発電装置1を動作させるには、先ずバイオマスチップを燃やし炉5の加熱を始めて、バイオマス燃焼炉5全体に燃焼ガスを充満させるとともに空気加熱部2を加熱し、空気加熱部2、バイオマス燃焼炉5などが暖まった時点で、電動発電機8をモーターとして電源バッテリー(図示セズ)と接続し起勣させ回転軸7を起動回転させる。 In order to operate the external combustion engine power generator 1 shown in FIG. 1, firstly, the biomass chip is burned and heating of the furnace 5 is started, and the entire biomass combustion furnace 5 is filled with the combustion gas and the air heating unit 2 is heated to heat the air. When the part 2, the biomass combustion furnace 5 and the like are warmed, the motor generator 8 is connected to a power source battery (sez shown in the figure) as a motor, and the rotary shaft 7 is started and rotated.

回転軸7などの回転数が上がり低温空気圧が圧縮機2で高められて空気加熱部3に送られる。この空気圧縮機2はパイプ12により空気加熱部3の最上段の筐体31に接続されているのでこの最上段の筐体31に入り加熱が始まる。この段の加熱バイオマス火炎ガスは炎が直接接触する最下段の筐体31と違い多層の筐体31により構成された空気加熱部3を通過貰通して熱エネルギーを各段の筐体31に与えるため、最も冷めたガス温度であり、この実施例では最上段の筐体31を通過後に約摂氏250度となり大気中に放出された。この上から一段目の気体相互の温度差は披加熱される低温ミスト混入空気とは、したがって摂氏約200度の温度差となる。 2段目もほぼ同等の温度差である。最下段の温度差もほぼ同等の温度差である。 もっとも、バイオマス燃焼炉5内の燃焼状態により最下層の筐体31における温度差は場合により短時間内には摂氏300度から400度になり得るので、筐体31は耐熟鋼板による構成が望ましい。 The rotational speed of the rotary shaft 7 and the like is increased, and the low temperature air pressure is increased by the compressor 2 and sent to the air heating unit 3. Since the air compressor 2 is connected to the uppermost casing 31 of the air heating unit 3 by the pipe 12, it enters the uppermost casing 31 and starts heating. The heated biomass flame gas at this stage passes through the air heating unit 3 constituted by the multilayer casing 31 unlike the lowermost casing 31 in direct contact with the flame, and gives thermal energy to the casing 31 at each stage. Therefore, the gas temperature was the coldest, and in this example, after passing through the uppermost casing 31, the temperature became about 250 degrees Celsius and was released into the atmosphere. The temperature difference between the gases in the first stage from the top is therefore a temperature difference of about 200 degrees Celsius with the low temperature mist mixed air heated. The second stage is almost the same temperature difference. The temperature difference in the lowermost stage is almost the same temperature difference. However, since the temperature difference in the lowermost casing 31 can be 300 to 400 degrees Celsius within a short time depending on the combustion state in the biomass combustion furnace 5, it is desirable that the casing 31 is composed of an aged steel plate. .

現時点において、この種の実用的な従来技術にはスチームタービン発電と最新のスチームスクリュウーローター発電装置がある。このうち、スチームタービン発電が最もポピラーな装置で最も優れた変換効率を有する。この最新の単独機の熱電変換効率は37%程度で使用圧力は22MPSと言う超高圧超高温度な蒸気を使う方式である。必要な炉内温度は摂氏1800度を下らない。この意味するところは、蒸気を発生させるまでは低温度(摂氏100度)で作れるが、高圧にするには、その後どうしても摂氏1700度以上の高温ガスが必要な事を意味する。低温度では作れる蒸気の圧力が極度に下がるからに他ならない。外燃機関は特に前記した様に使用する蒸気圧力に出力が正比例するからである。これまで説明したように、本願発明では、このような高温条件は必要ではない。バイオマス燃料の燃焼による比較的低温でも効率的に出力を得ることができる。 また、これまで廃棄するしかなかった比較的低温(ほぼ摂氏600度前後)の排気によっても本願発明に係る外燃機関を駆動させることができる。
また、摂氏600度に達しない排気熱も、バイオマス燃焼炉に導入して有効に活用することができる。
At present, this type of practical prior art includes steam turbine power generation and the latest steam screw rotor power generation equipment. Of these, steam turbine power generation is the most popular device and has the highest conversion efficiency. This latest single machine has a thermoelectric conversion efficiency of about 37% and a working pressure of 22 MPS. The required furnace temperature does not fall below 1800 degrees Celsius. This means that it can be made at a low temperature (100 degrees Celsius) until steam is generated, but then a high temperature gas of 1700 degrees Celsius or higher is inevitably required for high pressure. This is nothing but the pressure of the steam that can be produced at low temperatures. This is because the output of the external combustion engine is directly proportional to the steam pressure used as described above. As described above, in the present invention, such a high temperature condition is not necessary. An output can be obtained efficiently even at a relatively low temperature by burning biomass fuel. In addition, the external combustion engine according to the present invention can be driven also by the exhaust at a relatively low temperature (approximately 600 degrees Celsius) that has been discarded until now.
Also, exhaust heat that does not reach 600 degrees Celsius can be effectively utilized by being introduced into the biomass combustion furnace.

本願発明の1実施例の全体構成図である。It is a whole block diagram of one Example of this invention. バイオマス燃料炉5内における前記空気加熱部3とこれを加熱するための燃焼ガスの流路11の関連構成を示す一部断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a related configuration of the air heating unit 3 in the biomass fuel furnace 5 and a combustion gas flow path 11 for heating the air heating unit 3. 多段に積層されて空気加熱部3を構成する前記筐体31とこの筐体31を貫通してその内部を流通する空気圧縮機2からの空気を加熱する燃焼ガスの流路11の関連構成を示す一部切欠斜視図である。A related configuration of the casing 31 that is stacked in multiple stages to form the air heating unit 3 and the combustion gas flow path 11 that heats air from the air compressor 2 that passes through the casing 31 and circulates through the casing 31. It is a partially cutaway perspective view shown. 図3に示す筐体31の一部切欠平面図である。FIG. 4 is a partially cutaway plan view of a housing 31 shown in FIG. 3.

1........... 外燃機関発電装置
2........... 空気圧縮機
21...........タービン
22...........ケーシング
3........... 空気加熱部
31...........筐体
4........... 回転駆動部
41...........タービン
42...........ケーシング
5........... バイオマス燃焼炉
6........... バイオマスチップタンク
7........... 回転軸
8.......... 発電電動機
9........... フィルター
10...........給水器
11...........燃焼ガスの流路
G........... 案内板
CH...........木材チップ
1. . . . . . . . . . . External combustion engine power generator 2. . . . . . . . . . . Air compressor 21. . . . . . . . . . . Turbine 22. . . . . . . . . . . Casing 3. . . . . . . . . . . Air heating unit 31. . . . . . . . . . . Housing 4. . . . . . . . . . . Rotation drive unit 41. . . . . . . . . . . Turbine 42. . . . . . . . . . . Casing 5. . . . . . . . . . . 5. Biomass combustion furnace . . . . . . . . . . 6. Biomass chip tank . . . . . . . . . . Rotation axis 8. . . . . . . . . . Generator motor 9. . . . . . . . . . . Filter 10. . . . . . . . . . . Water supply 11. . . . . . . . . . . Combustion gas flow path . . . . . . . . . . Guide plate CH. . . . . . . . . . . Wood chips

Claims (6)

圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機関を具えた外燃機関発電装置であって、ケーシングとこれに収納されるタービンからなる空気圧縮機と、この空気圧縮機から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部と、ケーシングとこれに収納されるタービンからなり前記空気加熱部から流入する加熱膨張空気をエネルギー源とする回転駆動部と、空気加熱部における空気加熱に用いられる熱源と、を具え、前記空気圧縮機と前記回転駆動部の回転軸は同軸に形成されるとともに、圧縮機側の回転軸端部には発電電動機を設けてエンジンスタート時には発電電動機により回転軸を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は発電電動機により発電をするようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。 An external combustion engine power generator comprising an external combustion engine that heats and compresses and heats compressed air to drive using the volume expansion, and includes an air compressor including a casing and a turbine housed therein, and the air An air heating unit that heats and expands the air supplied from the compressor, a rotary drive unit that includes a casing and a turbine housed in the casing, and that uses heated and expanded air flowing from the air heating unit as an energy source, and an air heating unit A heat source used for air heating in the air compressor, and the rotary shaft of the air compressor and the rotary drive unit is formed coaxially, and a generator motor is provided at the end of the rotary shaft on the compressor side to start the engine An external combustion engine power generator characterized in that a rotating shaft is rotated by a generator motor to start an external combustion engine, and after the external combustion engine is driven, power is generated by the generator motor. 請求項1記載の外燃機関発電装置において、空気圧縮機へ流入する空気に水を添加するための給水器を設け、前記空気加熱部における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。 The external combustion engine power generator according to claim 1, further comprising a water feeder for adding water to the air flowing into the air compressor, and generating steam by heating in the air heating unit to increase a thermal expansion coefficient of the compressed air. An external combustion engine power generator characterized in that it is enhanced. 請求項1又は2記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部は、多段に積層される筐体で形成され、各筐体は連結されていて最上段の筐体は前記空気圧縮機に連通し、最下段の筐体は前記回転駆動部に連結されていることを特徴とする外燃機関発電装置。 3. The external combustion engine power generator according to claim 1, wherein the air heating unit is formed of a multi-layered housing, each housing is connected, and the uppermost housing is connected to the air compressor. An external combustion engine power generator characterized in that the lowermost casing is connected to the rotation drive unit. 請求項1ないし3いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部を構成する多段積層の筐体を貫通するガス流路を複数設けて、熱源からの加熱ガスを流通させて各筐体を流通する空気圧縮機からの空気を加熱してこれを熱膨張させその体積膨張した空気を回転駆動部に送給するようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。 The external combustion engine power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of gas flow paths are provided through the multi-layered housings constituting the air heating unit, and a heating gas from a heat source is circulated to each housing. An external combustion engine power generator characterized by heating air from an air compressor that circulates through the body, thermally expanding the air, and supplying the volume-expanded air to a rotary drive unit. 請求項1ないし4いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記熱源はバイオマス燃料であり、前記空気加熱部はバイオマス燃料炉内部に設置したことを特徴とする外燃機関発電装置。 5. The external combustion engine power generator according to claim 1, wherein the heat source is biomass fuel, and the air heating unit is installed inside a biomass fuel furnace. 6. 請求項5記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部から回転駆動部に送給されてタービン回転に使用された空気を再度バイオマス燃料炉内部に吹き込み燃焼用酸化剤として使用するよう構成としたことを特徴とする外燃機関発電装置。 6. The external combustion engine power generator according to claim 5, wherein the air fed from the air heating unit to the rotary drive unit and used for turbine rotation is blown again into the biomass fuel furnace and used as an oxidizing agent for combustion. An external combustion engine power generator characterized by that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108488837A (en) * 2018-06-07 2018-09-04 东莞理工学院 Cooker for the driving external-combustion engine acting of bio-fuel waste heat

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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