JP2014227881A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイホン発電を利用した発電装置の熱効率を向上させること。【解決手段】発電装置において、気液分離器（１０）と、気液分離器（１０）で分離されたガス状の作動媒体を凝縮させる凝縮器（１６）と、凝縮器（１６）よりも下方に設けられており凝縮器（１６）から流出した液状の作動媒体により駆動される主駆動機（１８）と、主発電機（２０）と、循環ポンプ（２２）と、循環ポンプで加圧された液状の作動媒体が飽和液又は飽和液に達していない液状となるように当該液状の作動媒体を加熱する加熱器（２４）と、循環流路（２６）と、気液分離器（１０）から流出した液状の作動媒体を加熱器（２４）を介して気液分離器（１０）に戻す熱回収流路（２８）と、熱回収流路（２８）に設けられており気液分離器（１０）から流出した熱回収流路中の作動媒体を加圧して前記加熱器側に送出する戻しポンプ（３０）と、を備えること。【選択図】図１

Description

本発明は、熱サイホン発電を利用した発電装置に関するものである。

従来、熱サイホン発電を利用した発電装置が知られている。例えば、特許文献１には、上下方向に長い形状の第一のパイプと、第一のパイプの上部から流出したガス状の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器の下方に設けられており当該凝縮器で凝縮された液状の作動媒体により駆動される膨張機関（水車）と、膨張機関に接続された発電機と、膨張機関から流出した液状の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、を備える発電装置が開示されている。

この熱サイホン発電を利用した発電装置の動作の概略は、次のとおりである。蒸発器において、外部から当該蒸発器に供給された温水等の加熱媒体と作動媒体とが熱交換することによって当該作動媒体が蒸発する。そして、第一のパイプ内に導入されたガス状の作動媒体が当該パイプ内を上昇する。これにより作動媒体の位置エネルギーが増加する。その後、第一のパイプの上部から流出したガス状の作動媒体は、凝縮器によって凝縮される。この凝縮器よりも下方に設けられた膨張機関は、凝縮器から流出する液状の作動媒体の位置エネルギーを運動エネルギーに変換する。この膨張機関から取り出された運動エネルギーによって発電機が駆動される。

特開平０６−０８１６１１号公報

上記特許文献１に記載された発電装置では、蒸発器において、作動媒体が加熱媒体から受ける熱量が多く、当該装置の熱効率には改善の余地がある。具体的には、蒸発器に流入した液状の作動媒体は、蒸発してガス状となるまで加熱媒体により加熱される。つまり、作動媒体は、蒸発器内において液状からガス状への相変化を伴いながら加熱媒体から熱を回収する。このときの両媒体の熱交換は、加熱媒体の顕熱と作動媒体の潜熱との熱交換を含むことから、熱交換するときの両媒体間の温度差が大きくなる。よって、両媒体の熱交換に非常に多くの熱量が必要となる。このことが、装置全体の熱効率の向上を妨げる要因の一つとなっている。

本発明の目的は、熱サイホン発電を利用した発電装置の熱効率を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、気液分離器と、前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器よりも下方に設けられており前記凝縮器から流出した液状の作動媒体により駆動される主駆動機と、前記主駆動機に接続された主発電機と、前記主駆動機から流出した作動媒体を加圧する循環ポンプと、前記循環ポンプで加圧された液状の作動媒体が飽和液又は飽和液に達していない液状となるように当該液状の作動媒体を加熱する加熱器と、前記気液分離器、前記凝縮器、前記主駆動機、前記循環ポンプ及び前記加熱器をこの順に直列に接続する循環流路と、前記気液分離器から流出した液状の作動媒体を前記加熱器を介して前記気液分離器に戻す熱回収流路と、前記熱回収流路に設けられており前記気液分離器から流出した前記熱回収流路中の作動媒体を加圧する戻しポンプと、を備える発電装置を提供する。

本発明では、加熱器に流入する前の液状の作動媒体が、加熱器において飽和液又は飽和液に達していない液状となるように加熱される。すなわち、液状の作動媒体と加熱媒体との熱交換が顕熱同士の熱交換となる。これにより、従来のような加熱媒体の顕熱と作動媒体の潜熱との熱交換に比べて、熱交換するときの両媒体間の温度差、すなわち、加熱器において作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量が小さくなるので、装置全体の熱効率が向上する。

さらに、本発明では、加熱器で加熱された液状の作動媒体をフラッシュさせることによりガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する気液分離器が導入されている。これにより、加熱器において作動媒体を蒸発させないようにすることによって当該作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量を低減させつつ、ガス状の作動媒体の確保、すなわち、熱エネルギーからの位置エネルギーへの変換が可能となっている。

また、気液分離器から流出した液状の作動媒体は、戻しポンプで加圧されるとともに加熱器で加熱されて再び気液分離器に戻される。具体的には、気液分離器から流出した液状の作動媒体は、循環流路を流れる作動媒体と合流して気液分離器に戻されたときにフラッシュしてガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する温度及び圧力となるように戻しポンプで加圧され、かつ加熱器で加熱されるので、気液分離器において一定量の蒸気の発生が維持される。

この場合において、前記循環流路における前記気液分離器と前記凝縮器との間に設けられており前記気液分離器から流出したガス状の作動媒体により駆動される副駆動機と、前記副駆動機に接続された副発電機とをさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、気液分離器から流出したガス状の作動媒体の持つエネルギーが有効に回収されるので、当該装置の熱効率がさらに向上する。

また、本発明において、前記気液分離器から流出するガス状の作動媒体の量が予め設定された所定値を下回ったときに前記気液分離器に流入する前記作動媒体を過熱状態とする補助過熱手段をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、気液分離器内の上部におけるガス状の作動媒体の凝縮等によって気液分離器から流出するガス状の作動媒体の量が低減することが抑制され、これにより、気液分離器からの一定量の蒸気の確保が可能となる。

以上のように、本発明によれば、熱サイホン発電を利用した発電装置の熱効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態の排熱回収装置の構成の概略を示す図である。 （ａ）加熱媒体の顕熱と作動媒体の顕熱との熱交換時に作動媒体が加熱媒体から熱を受け取るために必要な熱交換温度差分の熱量を示すグラフである。（ｂ）作動媒体が液状からガス状への相変化を伴いながら加熱媒体から受け取るために必要な熱交換温度差分の熱量を示すグラフである。

本発明の一実施形態の発電装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。本発電装置は、熱サイホン発電にフラッシュ操作を導入した装置である。

図１に示されるように、この排熱回収装置は、気液分離器（フラッシュドラム）１０と、気液分離器１０で分離されたガス状の作動媒体が流入する副駆動機１２と、副駆動機１２に接続された副発電機１４と、副駆動機１２から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器１６と、凝縮器１６から流出した液状の作動媒体により駆動される主駆動機１８と、主駆動機１８に接続された主発電機２０と、主駆動機１８から流出した液状の作動媒体を加圧する循環ポンプ２２と、循環ポンプ２２で加圧された作動媒体を加熱する加熱器２４と、気液分離器１０、副駆動機１２、凝縮器１６、主駆動機１８、循環ポンプ２２及び加熱器２４をこの順に直列に接続する循環流路２６と、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体を循環流路２６に合流させる熱回収流路２８と、熱回収流路２８に設けられた戻しポンプ３０とを備えている。

作動媒体としては、水（水蒸気）や、炭化水素系の媒体（メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン等）や、地球温暖化への影響が小さいフロン系の媒体（ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１５２ａ、ＨＦＣ２４５ｆａ等）が好ましく用いられる。本実施形態では、上記作動媒体の中から単一の媒体が選択されて用いられている。

気液分離器１０は、循環流路２６に設けられており、上下に長い形状を有する。気液分離器１０へは、作動媒体が飽和液、あるいは、飽和に達していない液状で流入する。気液分離器１０は、当該気液分離器１０に流入した液状の作動媒体をガス状の作動媒体（飽和ガス）と液状の作動媒体（飽和液）とに分離する。具体的には、気液分離器１０へ流入した作動媒体は、気液分離器１０内で減圧されることによりガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離される。

副駆動機１２は、循環流路２６における気液分離器１０の下流側に設けられている。この副駆動機１２には、ガス状の作動媒体が流入する。副駆動機１２は、作動媒体を膨張させることによって当該作動媒体から動力（運動エネルギー）を取り出す膨張機である。本実施形態では、副駆動機１２としてスクリュ膨張機が用いられている。スクリュ膨張機では、副駆動機１２のケーシング内に形成されたロータ室（図示せず）に雌雄一対のスクリュロータが収容されている。このスクリュ膨張機では、ケーシングに形成された吸気口から前記ロータ室に供給された作動媒体の膨張力によってスクリュロータが回転する。そして、前記ロータ室内で膨張することにより圧力が低下した作動媒体は、ケーシングに形成された排出口から循環流路２６に排出される。なお、副駆動機１２としては、容積式のスクリュ膨張機に限られるものではなく、遠心式等の他の膨張機が用いられてもよい。

副発電機１４は、副駆動機１２に接続されている。副発電機１４は、副駆動機１２内でガス状の作動媒体が膨張して前記スクリュロータが回転駆動されることによって駆動される。具体的には、この副発電機１４は、副駆動機１２の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有しており、この回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。

凝縮器１６は、循環流路２６における副駆動機１２の下流側に設けられている。凝縮器１６は、副駆動機１２から排出されたガス状の作動媒体を凝縮させて液状の作動媒体とする。具体的には、凝縮器１６に流入したガス状の作動媒体は、当該凝縮器１６に外部から供給された冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。凝縮器１６に供給される冷却媒体としては、例えば、冷却水や空気が挙げられる。なお、この凝縮器１６は、副駆動機１２に近接した位置に設けられることが好ましい。このようにすれば、副駆動機１２から流出した作動媒体の凝縮器１６への流入が容易となる。

主駆動機１８は、循環流路２６における凝縮器１６の下流側で、かつ、位置的に凝縮器１６よりも下方に設けられている。主駆動機１８は、液状の作動媒体の位置エネルギーを運動エネルギーに変換する膨張機である。本実施形態では、主駆動機１８として液体タービンが用いられている。液体タービンは、液状の作動媒体が衝突することによって回転する羽根車と、この羽根車に接続されており当該羽根車の回転に伴って回転する軸部とを有する。羽根車を回転させることによって圧力が低下した液状の作動媒体は、循環流路２６における主駆動機１８の下流側に流出する。

主発電機２０は、主駆動機１８に接続されている。主発電機２０は、主駆動機１８内で液状の作動媒体が前記羽根車を回転駆動することによって駆動される。具体的には、この主発電機２０は、主駆動機１８の軸部に接続された回転軸を有しており、この回転軸が前記軸部の回転に伴って回転することにより電力を発生させる。

循環ポンプ２２は、循環流路２６における主駆動機１８の下流側に設けられている。循環ポンプ２２は、主駆動機１８から流出した液状の作動媒体を所定の圧力まで加圧して循環流路２６における循環ポンプ２２の下流側に送り出す。循環ポンプ２２としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。

加熱器２４は、循環流路２６における循環ポンプ２２の下流側（循環ポンプ２２と気液分離器１０との間）に設けられており、液状の作動媒体を加熱する。具体的には、この加熱器２４は、循環ポンプ２２から送出された作動媒体（循環流路２６を流れる作動媒体）が流れる第一作動媒体流路２４ａと、熱回収流路２８を流れる作動媒体が流れる第二作動媒体流路２４ｂと、外部から供給される温水や高温ガス等の加熱媒体が流れる加熱媒体流路２４ｃとを有している。第一作動媒体流路２４ａの両端は、それぞれ循環流路２６に接続されており、第二作動媒体流路２４ｂの両端は、それぞれ熱回収流路２８に接続されている。第一作動媒体流路２４ａ及び第二作動媒体流路２４ｂを流れる液状の作動媒体は、加熱媒体流路２４ｃを流れる加熱媒体と熱交換することにより加熱される。このとき、第一作動媒体流路２４ａ及び第二作動媒体流路２４ｂを流れる液状の作動媒体は、加熱器２４から飽和液又は飽和に達していない液状で流出するように加熱媒体により加熱される。換言すれば、加熱器２４に流入した液状の作動媒体がガス状となって当該加熱器２４から流出しないように各作動媒体流路２４ａ，２４ｂ及び加熱媒体流路２４ｃを流れるそれぞれの媒体の量が設定されている。つまり、この加熱器２４では、加熱媒体の顕熱と液状の作動媒体の顕熱との熱交換が行われる。この熱交換により液状の作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量について、図２を参照しながら説明する。図２では、横軸がエントロピーＳで、縦軸が温度Ｔとなっている。

図２（ａ）は、加熱器１２において液状の作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量を示している。この熱量は、図２（ａ）の領域Ａで示される面積に相当する。ここで、領域Ａを規定する上側の線は加熱媒体の温度であり、同下側の線は作動媒体の温度である。本実施形態では、顕熱同士の熱交換であることから、両媒体の温度差は一定となっている。

一方、図２（ｂ）は、本実施形態の比較例として、作動媒体が液状からガス状への相変化を伴いながら加熱媒体から受け取る熱量を示している。この熱量は、図２（ｂ）の領域Ｂで示される面積に相当する。この比較例では、加熱媒体の顕熱と作動媒体の潜熱との熱交換を含むことから、両媒体の温度差、すなわち、作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量が本実施形態のそれに比べて大きくなる。したがって、この比較例では、本実施形態よりも熱効率が低くなる。

熱回収流路２８は、気液分離器１０の底部から流出された液状の作動媒体を加熱器２４を介して循環流路２６における加熱器２４と気液分離器１０との間に合流させる流路である。合流した各作動媒体は、再び気液分離器１０に導入される。具体的には、合流した作動媒体は、気液分離器１０のうちの液面（気液分離器１０内に溜まっている液状の作動媒体の表面）よりも上方に導入される。

戻しポンプ３０は、熱回収流路２８における気液分離器１０の下流側に設けられている。戻しポンプ３０は、気液分離器１０で分離された液状の作動媒体を所定の圧力まで加圧して熱回収流路２８における戻しポンプ３０の下流側に送り出す。なお、戻しポンプ３０の構成は、循環ポンプ２２のそれと基本的に同じである。

ここで、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体は、循環流路２６を流れる作動媒体と合流して気液分離器１０に戻されたときにフラッシュしてガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する温度及び圧力となるように戻しポンプ３０で加圧され、かつ加熱器２４で加熱される。

次に、本実施形態の排熱回収装置の駆動動作について説明する。

気液分離器１０に流入した作動媒体は、当該気液分離器１０でガス状の作動媒体（飽和ガス）と液状の作動媒体（飽和液）とに分離される。

ガス状となった作動媒体は、気液分離器１０内を上昇する。これにより、作動媒体の位置エネルギーが増加する。その後、気液分離器１０の上部から流出したガス状の作動媒体は、副駆動機１２へ流入し、当該副駆動機１２で膨張する。つまり、副駆動機１２において動力（運動エネルギー）が取り出される。本実施形態では、この動力により副発電機１４が駆動される。副駆動機１２から排出された作動媒体は、凝縮器１６で凝縮される。

凝縮器１６で凝縮した作動媒体は、凝縮器１６よりも下方に設けられた主駆動機１８に流入し、当該主駆動機１８で膨張する。つまり、主駆動機１８において、凝縮器１６から流出した液状の作動媒体の位置エネルギーが運動エネルギーに変換される。そして、この運動エネルギーによって主発電機２０が駆動される。

主駆動機１８から流出した液状の作動媒体は、循環ポンプ２２で加圧されて加熱器２４に送られる。

加熱器２４の第一作動媒体流路２４ａに流入した液状の作動媒体は、飽和液又は飽和液に達していない液状となって加熱器２４から流出する程度に、換言すれば、蒸発することなく加熱器２４から流出する程度に当該加熱器２４において加熱される。すなわち、加熱器２４において、加熱媒体の顕熱と液状の作動媒体の顕熱との熱交換が行われる。なお、第一作動媒体流路２４ａに流入した液状の作動媒体は、飽和液となって加熱器２４から流出する程度に加熱されることが好ましい。

一方、気液分離器１０で分離された液状の作動媒体は、戻しポンプ３０で所定の圧力まで加圧された後、加熱器２４で所定の温度まで加熱される。ここでも、加熱媒体と液状の作動媒体との間で顕熱同士の熱交換が行われる。そして、第二作動媒体流路２４ｂから流出した液状の作動媒体は循環流路２６に合流し、第一作動媒体流路２４ａから流出した作動媒体とともに再び気液分離器１０に導入される。ここで、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体は、循環流路２６を流れる作動媒体と合流して気液分離器１０に戻されたときにフラッシュしてガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する温度及び圧力となるように戻しポンプ３０で加圧され、かつ加熱器２４で加熱される。

以上説明したように、本実施形態の発電装置では、加熱器２４に流入する前の液状の作動媒体が、加熱器２４において飽和液又は飽和液に達していない液状となるように加熱される。すなわち、液状の作動媒体と加熱媒体との熱交換が顕熱同士の熱交換となる。これにより、従来のような加熱媒体の顕熱と作動媒体の潜熱との熱交換に比べて、熱交換するときの両媒体間の温度差、すなわち、加熱器２４において作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量が小さくなるので、装置全体の熱効率が向上する。

さらに、本発電装置では、加熱器２４で加熱された液状の作動媒体をフラッシュさせることによりガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する気液分離器１０が導入されている。これにより、加熱器２４において作動媒体を蒸発させないようにすることによって当該作動媒体が加熱媒体から受け取る熱量を低減させつつ、ガス状の作動媒体の確保、すなわち、熱エネルギーからの位置エネルギーへの変換が可能となっている。

また、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体は、戻しポンプ３０で加圧されるとともに加熱器２４で加熱されて再び気液分離器１０に戻される。具体的には、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体は、循環流路２６を流れる作動媒体と合流して気液分離器１０に戻されたときにフラッシュしてガス状の作動媒体と液状の作動媒体とに分離する温度及び圧力となるように戻しポンプ３０で加圧され、かつ加熱器２４で加熱されるので、気液分離器１０において一定量の蒸気の発生が維持される。

また、本発電装置は、副駆動機１２と副発電機１４とを備えることから、気液分離器１０から流出したガス状の作動媒体の持つエネルギーが有効に回収されるので、当該装置の熱効率がさらに向上する。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、循環流路２６における気液分離器１０と凝縮器１６との間に副駆動機１２及びこれに接続された副発電機１４が設けられた例が示されたが、これら副駆動機１２及び副発電機１４は省略されてもよい。ただし、この場合、本装置で回収される動力が減少するため、当該装置の熱効率が低下する。よって、より高い熱効率とするため、本実施形態のように、副駆動機１２及び副発電機１４が設けられることが好ましい。

また、気液分離器１０に流入する作動媒体を一時的に過熱状態とする補助過熱手段３２が設けられてもよい。補助過熱手段３２は、循環流路２６と熱回収流路２８との合流点と気液分離器１０との間に設けられており気液分離器１０に流入する作動媒体を過熱状態とする過熱器３４と、過熱器３４に加熱媒体を供給する流路に設けられた弁３６と、気液分離器１０から流出したガス状の作動媒体の流量を検出する流量計３８と、流量計３８の検出値に基づいて弁３６の開閉を制御する制御部４０とを含む。制御部４０は、流量計３８の値、すなわち、気液分離器１０から流出するガス状の作動媒体の量が予め設定された所定値を下回ったときに、気液分離器１０に流入する作動媒体が過熱状態となるように弁３６を開いて過熱器３４に加熱媒体を供給する。このようにすれば、気液分離器１０内の上部におけるガス状の作動媒体の凝縮等によって気液分離器１０から流出するガス状の作動媒体の量が低減することが抑制され、これにより、気液分離器１０からの一定量の蒸気の確保が可能となる。

また、上記実施形態では、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体は、加熱器２４の第二作動媒体流路２４ｂを経由して再び気液分離器１０に導入される例が示されたが、熱回収流路２８が気液分離器１０と加熱器２４の上流側（加熱器２４と循環ポンプ２２との間）とを接続しており、気液分離器１０から流出した液状の作動媒体が、加熱器２４の第一作動媒体流路２４ａを経由して再び気液分離器１０に導入されるようにしてもよい。

１０ 気液分離器
１２ 副駆動機
１４ 副発電機
１６ 凝縮器
１８ 主駆動機
２０ 主発電機
２２ 循環ポンプ
２４ 加熱器
２４ａ 第一作動媒体流路
２４ｂ 第二作動媒体流路
２４ｃ 加熱媒体流路
２６ 循環流路
２８ 熱回収流路
３０ 戻しポンプ
３２ 補助過熱手段
３４ 過熱器
３６ 弁
３８ 流量計
４０ 制御部

Claims (3)

1. 気液分離器と、
   前記気液分離器で分離されたガス状の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器よりも下方に設けられており前記凝縮器から流出した液状の作動媒体により駆動される主駆動機と、
   前記主駆動機に接続された主発電機と、
   前記主駆動機から流出した作動媒体を加圧して前記主駆動機と反対側に送出する循環ポンプと、
   前記循環ポンプで加圧された液状の作動媒体が飽和液又は飽和液に達していない液状となるように当該液状の作動媒体を加熱する加熱器と、
   前記気液分離器、前記凝縮器、前記主駆動機、前記循環ポンプ及び前記加熱器をこの順に直列に接続する循環流路と、
   前記気液分離器から流出した液状の作動媒体を前記加熱器を介して前記気液分離器に戻すための熱回収流路と、
   前記熱回収流路に設けられており前記気液分離器から流出した前記熱回収流路中の作動媒体を加圧して前記加熱器側に送出する戻しポンプと、を備える発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記循環流路における前記気液分離器と前記凝縮器との間に設けられており前記気液分離器から流出したガス状の作動媒体により駆動される副駆動機と、前記副駆動機に接続された副発電機とをさらに備える発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
   前記気液分離器から流出するガス状の作動媒体の量が予め設定された所定値を下回ったときに前記気液分離器に流入する前記作動媒体を一時的に過熱状態とする補助過熱手段をさらに備える発電装置。

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