JP2016200035A - 自己再生熱方式バイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天候に左右されることなく、温水の供給において常に安定した温度と量を確保することができるようにする。
【解決手段】温水２を熱源としてその熱源よりも低沸点の作動媒体３を蒸発させる蒸発器４と、蒸発器４で蒸発した作動媒体３の蒸気によりタービン５Ａを回転させて発電するタービン発電機５と、タービン発電機５から放出される蒸気を冷却水６によって冷却して液体に凝縮する凝縮器７と、凝縮器７から蒸発器４に向けて作動媒体３を循環させる循環ポンプ８とからなるバイナリー発電部９を備える。更に前記貯湯タンク１５に近接させて設置した二本の筒状温水タンク１７、１８の間にヒートパイプ１４を取り付け、上側の筒状温水タンク１７及び下側の筒状温水タンク１８の夫々と貯湯タンク１５との間に温水循環路を形成すると共に、これら温水循環路に温水を循環させる循環ポンプ１９、２０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は自己再生熱方式バイナリー発電装置に関するものである。

従来、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源から、その熱源よりも低沸点の作動媒体に熱を移動し、作動媒体を加熱、蒸発させてその蒸気により発電機のタービンを回転させ、もって発電を行う装置としてバイナリー発電装置がある。

そして、斯かる従来のバイナリー発電装置における熱源としては温水が用いられ、作動媒体を加熱、蒸発させる蒸発器に該温水を供給することによって発電が行われるが、この供給される温水は、太陽熱温水器により生成された温水や、工場から排出される排温水や温泉水などが用いられ、これを所定の流量、圧力で供給することによって行われている。

しかし、太陽熱温水器による温水の場合には、温水の温度や量が天候に左右されることになる。

また、工場から排出される排温水や温泉水の場合には、温水の循環路を構成するパイプの内壁にこれらの排温水や温泉水に含まれる固形の不純物等が大量に付着して流路を狭め、もって温水の供給量が不安定になると共に、温水循環ポンプの作動に多大な電力を消費しなければならないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、バイナリー発電部における蒸発器に供給される熱源となる温水として、上下に平行して設置した二本の筒状温水タンクの間に取り付けた、内壁に液体還流用ウイックを取り付けた銅管内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体を少量封入し、蒸発部に作動媒体の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体が沸騰してその蒸気が前記銅管内を一気に上昇してこれが上端側の凝縮部に高い絶対圧力となって流れ、凝縮部で蒸気が凝縮することによって高温の凝縮熱が凝縮部で放出され、熱を奪われて液体となった作動媒体が毛細管現象により液体還流用ウイックを介して蒸発部に戻るように作用するヒートパイプによって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク内の温水を用いるようになし、もって従来の太陽熱温水器による場合の如く天候に左右されず、温水の供給において常に安定した温度と量を確保することができると共に、温水として水道水、工業用水、井水、その他の水を用いることにより、その循環路を構成するパイプの内壁に、従来の工場から排出される排温水や温泉水の場合の如き固形の不純物等の大量の付着がなく、温水の供給量が安定すると共に、循環ポンプの作動に要する電力消費も少なくて済むようになした自己再生熱方式バイナリー発電装置を提供しようとするものである。

而して、本発明の要旨とするところは、温水を熱源としてその熱源よりも低沸点の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気によりタービンを回転させて発電するタービン発電機と、前記タービン発電機から放出される蒸気を冷却水によって冷却して液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向けて作動媒体を循環させる循環ポンプとからなるバイナリー発電部を備え、前記熱源となる温水として、後記上下に平行して設置した二本の筒状温水タンク間に取り付けた、内壁に液体還流用ウイックを取り付けた銅管内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体を少量封入し、蒸発部に作動媒体の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体が沸騰してその蒸気が前記銅管内を一気に上昇して高温の凝縮熱が凝縮部で放出され、熱を奪われて液体となった作動媒体が毛細管現象により液体還流用ウイックを介して蒸発部に戻るように作用するヒートパイプによって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク内の温水を用い、前記貯湯タンクと前記蒸発器との間に温水循環路を形成すると共に、該温水循環路に温水を循環させる循環ポンプを備え、更に前記貯湯タンクに近接させて上下に平行して二本の筒状温水タンクを設置し、これら二本の筒状温水タンクの間に、所定の間隔で所定の本数の前記ヒートパイプを、その上端側凝縮部が前記上側の筒状温水タンク内に臨み、下端側蒸発部が前記下側の筒状温水タンク内に臨むように取り付け、前記上側の筒状温水タンク及び下側の筒状温水タンクの夫々と前記貯湯タンクとの間に温水循環路を形成すると共に、これら温水循環路に温水を循環させる循環ポンプを備えたことを特徴とする自己再生熱方式バイナリー発電装置にある。

また、上記構成において、温水と冷却水の循環路並びに上下の筒状温水タンクの夫々と貯湯タンクとの温水循環路に固液分離装置を備えるようにしてもよい。

また、前記固液分離装置としては、上部に水の流入口と流出口を設けると共に、小孔を多数穿設した邪魔板をもって内部を上下に仕切り、上部を濾過室としてその中に後記濾材を向きを不揃いにして所要数充填すると共に、下部を固形物沈降室としてその底部に固形物排出口を設けた密閉円筒形の分離装置本体と、環状をなす濾材本体に、その周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた濾材とからなる固液分離装置が望ましい。

本発明は上記の如き構成であり、バイナリー発電部における蒸発器に供給される熱源となる温水として、上下に平行して設置した二本の筒状温水タンクの間に取り付けた、内壁に液体還流用ウイックを取り付けた銅管内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体を少量封入し、蒸発部に作動媒体の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体が沸騰してその蒸気が前記銅管内を一気に上昇してこれが上端側の凝縮部に高い絶対圧力となって流れ、凝縮部で蒸気が凝縮することによって高温の凝縮熱が凝縮部で放出され、熱を奪われて液体となった作動媒体が毛細管現象により液体還流用ウイックを介して蒸発部に戻るように作用するヒートパイプによって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク内の温水を用いるようになしたものである。

したがって、従来の太陽熱温水器による場合の如く天候に左右されず、温水の供給において常に安定した温度と量を確保することができると共に、温水として水道水、工業用水、井水、その他の水を用いることによりその循環路を構成するパイプの内壁に、従来の工場から排出される排温水や温泉水の場合の如き固形の不純物等の大量の付着がなく、温水の供給量が安定すると共に循環ポンプの作動に要する電力消費も少なくて済むようになすことができるものである。

また、温水と冷却水の循環路並びに上下の筒状温水タンクの夫々と貯湯タンクとの温水循環路に固液分離装置を備えた場合には、より効果的に循環路を構成するパイプの内壁への固形の不純物等の付着を防止することができると共に、交換消耗品がないため、メンテナンスフリーとなり、パイプの清掃や交換頻度を引き延ばすこともできるものである。

本発明の実施形態に係る自己再生熱方式バイナリー発電装置の概略的説明図である。 同ヒートパイプによる加熱作用の説明図である。 同装置における固液分離装置の正面図である。 固液分離装置の中央縦断正面図である。 固液分離装置における濾材の斜視図である。 濾材の正面図である。 図６中Ａ−Ａ線断面図である。 濾材の作用説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図中、１は自己再生熱方式バイナリー発電装置である。

また、該自己再生熱方式バイナリー発電装置１は、温水２を熱源としてその熱源よりも低沸点の作動媒体３を蒸発させる蒸発器４と、前記蒸発器４で蒸発した作動媒体３の蒸気によりタービン５Ａを回転させて発電するタービン発電機５と、前記タービン発電機５から放出される蒸気を冷却水６によって冷却して液体に凝縮する凝縮器７と、前記凝縮器７から蒸発器４に向けて作動媒体３を循環させる循環ポンプ８とからなるバイナリー発電部９を備え、前記熱源となる温水２として、後記上下に平行して設置した二本の筒状温水タンクの間に取り付けた、周囲をガラス管１０で覆われ、内壁に液体還流用ウイック１１を取り付けた銅管１２内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体１３を少量封入し、蒸発部１２Ａに作動媒体１３の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体１３が沸騰してその蒸気が前記銅管１２内を一気に上昇してこれが上端側の凝縮部１１Ｂに高い絶対圧力となって流れ、凝縮部１１Ｂで蒸気が凝縮することによって高温の凝縮熱が凝縮部１２Ｂで放出され、熱を奪われて液体となった作動媒体１３が毛細管現象により液体還流用ウイック１１を介して蒸発部１２Ａに戻るように作用するヒートパイプ１４によって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク１５内の温水を用い、前記貯湯タンク１５と前記蒸発器４との間に温水循環路を形成すると共に、該温水循環路に温水を循環させる循環ポンプ１６を備え、更に前記貯湯タンク１５に近接させて上下に平行して二本の筒状温水タンク１７、１８を設置し、これら二本の筒状温水タンク１７、１８の間に、所定の間隔で所定の本数の前記ヒートパイプ１４を、その上端側凝縮部１２Ｂが前記上側の筒状温水タンク１７内に臨み、下端側蒸発部１２Ａが前記下側の筒状温水タンク１８内に臨むように取り付け、前記上側の筒状温水タンク１７及び下側の筒状温水タンク１８の夫々に前記貯湯タンク１５との間に温水循環路を形成すると共に、これら温水循環路に温水を循環させる循環ポンプ１９、２０を備えたことを特徴とするものである。尚、２１は前記上側の筒状温水タンク１７と貯湯タンク１５との間に形成した温水循環路における貯湯タンク１５内の部位に設けた熱交換器であり、本実施形態においてはループコイル式の熱交換器としている。また、１５Ａは貯湯タンク１５に備えた補助ヒータである。尚、蒸発部内の作動媒体１３としては水が望ましく、本実施形態においては、銅管内の減圧した圧力を１２．３ｋＰａとすれば、その沸点は５０．０℃であり、前記凝縮部１２Ａ内の高圧の絶対圧力は例えば２２５６ｋＰａとなり、凝縮部１２Ａ内の高温は例えば２１８．５℃となる。また、水に代えてフロン等を採用できること勿論である。

また、前記温水２としては水道水の他、工業用水、井水、その他の水を用いることができる。また、ヒートパイプ１４における銅管１２としては銅以外のその他の素材を用いてもよい。また、上下の筒状温水タンク１７、１８は、その設置場所については屋内外を問わず、また、夫々保温材（図示せず。）で被覆してもよい。また、前記ガラス管１０は必須なものではなく、上側の筒状温水タンク１７との間で銅管１２を適宜に固定するようにしてもよい。

また、前記作動媒体３を冷却する冷却水６の循環路には、冷却器２２と、冷却水６を凝縮器７の流出側から流入側に向けて循環させる循環ポンプ２３を備えている。尚、前記貯湯タンク１５と冷却器２２への水の補給は、分岐バルブ２４を介した給水路によって行われる。

また、前記温水２と冷却水６の循環路並びに前記上下の筒状温水タンク１７、１８の夫々と前記貯湯タンク１５との温水循環路には、水中に含まれる固形の不純物等を除去して循環路を構成するパイプの内面の汚れを防ぐための固液分離装置２５，２６，２７，２８を備えている。

また、前記固液分離装置２５，２６，２７，２８の具体的な構成は同一である。したがって、ここではそのうちの固液分離装置２８について図３乃至図８を参照して説明する。

２９は該固液分離装置２８における密閉円筒形の分離装置本体である。また、該分離装置本体２９は、本実施形態においてはステンレスによって製作している。

また、該分離装置本体２９は、上部に水の流入口３０Ａと水の流出口３０Ｂを設けると共に、小孔３１ａを多数穿設した邪魔板３１をもって内部を上下に仕切り、上部を濾過室３２としてその中に後記濾材を向きを不揃いにして所要数充填すると共に、下部を固形物沈降室３３としてその底部に固形物排出口３４を設けてなるものである。また、前記濾過室３２と固形物沈降室３３との比率は、本実施形態においては５５：４５になしているが、水の流量、水圧、水質等に応じて適宜に設定することができる。また、本実施形態においては、前記水の流入口３０Ａと水の流出口３０Ｂの夫々に、接続用フランジ３５ａ、３６ａ付きの通水筒３５、３６を接続し、且つ該通水筒３５、３６との接続部には夫々後記濾材の飛び出しを防ぐ所要径の孔３７ａ、３８ａを穿設した板３７、３８を取り付けている。尚、本実施形態においては、前記邪魔板３１と板３７、３８はパンチングプレートを用いている。また、分離装置本体２９の頂部には、吊り下げ孔３９ａを有する複数の吊り下げ板３９、３９を設け、また、下端部には床面上に支持する支持脚４０、４０を設けている。

４１は前記分離装置本体２９の濾過室３２内に充填する濾材である。また、該濾材４１は、本実施形態においてはステンレスによって製作している。

また、該濾材４１は、環状をなす濾材本体４２に、その周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口４３、４３、４３・・・を多数設けると共に、各水流入口４３、４３、４３・・・の夫々の一方側の短辺から内側（中心部に向かう径方向）に延びる半円状に彎曲した水流規制板４４、４４、４４・・・を設けてなるものである。尚、本実施形態においては、水流規制板４４は水流入口４３の部分から内向きに切り起こして形成している。また、該濾材４１は、前記分離装置本体２９の濾過室３２内に、固定することなく、向きを不揃いにして多数充填するものである。

次に、上記固液分離装置２８の作用について説明する。
図４に示す如く、通水筒３５を経て水の流入口３０Ａから分離装置本体２９内に流入した固形の不純物が混入した水はその濾過室３２内に充填した濾材４１、４１、４１・・・をもって濾過され、固形物は邪魔板３１の小孔３１ａを通過して固形物沈降室３３に沈降し、濾過された水は水の流出口３０Ｂから流出するものである。尚、固形物沈降室３３内に沈降した固形物はその底部に沈殿し、所定の時期に固形物排出口３４から排出されるものである。

また、濾材４１による分離作用は、図８に示す通りであり、濾材本体４２に設けた多数の水流入口４３、４３、４３・・・の夫々から濾材本体４２内に水が流入すると、この流入した水は、各水流入口４３、４３、４３・・・の夫々の半円状に彎曲した水流規制板４４、４４、４４・・・における同列の前後の水流規制板４４、４４間に流入し、これらによって回転流となる。そしてこのとき、遠心力によって比重差の大きい固形物は水の当たる一方側の水流規制板４４、４４、４４の前面に突き当たると共に、水流中に未だ残っている固形物はもう一方の水流規制板４４、４４の後面に突き当たることになり、もって水中の固形物が分離されるものである。そして、分離した固形物は濾材本体４２の側方から流入する水によって押し流され、沈降するものである。尚、Ｗは水流を、Ｃは固形物を示す。

このように、単一の濾材４１において複数箇所で濾過が行われ、そして分離装置本体２９の濾過室３２内には多数の濾材４１を充填するものであり、加えて濾材４１は向きを不揃いにして充填するものであるから、分離装置本体２９の濾過室３２内の水流は乱流となって次々に濾材４１に接触するから、きわめて高い濾過効率を得ることができるものである。また、上記作用によって固液分離を行うものであるから、７ミクロン程度迄の微細な粒径の固形物をも除去することができるものである。また、濾材４１は目詰まりを起こすことがないから、頻繁な清掃が不要であると共に、分離装置本体２９と濾材４１のいずれもステンレス製とした場合には、腐食することなく長期の使用が可能となるものである。

本実施形態は上記の通りであり、バイナリー発電部９における蒸発器４に供給される熱源となる温水２として、上下に平行して設置した二本の筒状温水タンク１７、１８の間に取り付けた、周囲をガラス管１０で覆われ、内壁に液体還流用ウイック１１を取り付けた銅管１２内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体１３を少量封入し、蒸発部１２Ａに作動媒体１３の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体１３が沸騰してその蒸気が前記銅管１２内を一気に上昇してこれが上端側の凝縮部１２Ｂに高い絶対圧力となって流れ、凝縮部１２Ｂで蒸気が凝縮することによって高温の凝縮熱が凝縮部１２Ｂで放出され、筒状温水タンク１７内の水により熱を奪われて液体となった作動媒体１３が毛細管現象により液体還流用ウイック１１を介して蒸発部１２Ａに戻るように作用するヒートパイプ１４によって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク１５内の温水を用いるようになしたものであるから、従来の太陽熱温水器による場合の如く天候に左右されず、温水２の供給において常に安定した温度と量を確保することができると共に、温水２として水道水、工業用水、井水、その他の水を用いることによりその循環路を構成するパイプ（図示せず。）の内壁に、従来の工場から排出される排温水や温泉水の場合の如き固形の不純物等の大量の付着がなく、温水の供給量が安定すると共に循環ポンプ１６の作動に要する電力消費も少なくて済むようになすことができるものである。

また、温水２と冷却水６の循環路並びに上下の筒状温水タンク１７、１８の夫々と貯湯タンク１５との温水循環路には、固液分離装置２５、２６、２７、２８を備えたから、より効果的にパイプの内壁への固形の不純物等の付着を防止することができると共に、パイプの清掃や交換頻度を引き延ばすことができるものである。

また、本実施形態においては、バイナリー発電部９は説明の便宜上１個のタービン発電機によって発電を行う場合を示しているが、温水と冷却水の循環路を延長すると共に蒸発器とタービン発電機、凝縮器、循環ポンプの個数を増やすことによって複数のタービン発電機による発電を行うようにすることも可能である。

１ 自己再生熱方式バイナリー発電装置
２ 温水
３ 作動媒体
４ 蒸発器
５ タービン発電機
６ 冷却水
７ 凝縮器
８ 循環ポンプ
９ バイナリー発電部
１０ ガラス管
１１ 液体還流用ウイック
１２ 銅管
１２Ａ ヒートパイプにおける蒸発部
１２Ｂ ヒートパイプにおける凝縮部
１３ 作動媒体
１４ ヒートパイプ
１５ 貯湯タンク
１６ 循環ポンプ
１７ 上側の筒状温水タンク
１８ 下側の筒状温水タンク
１９、２０ 循環ポンプ
２１ 熱交換器
２２ 冷却器
２３ 循環ポンプ
２５、２６、２７、２８ 固液分離装置
２９ 分離装置本体
３０Ａ 水の流入口
３０Ｂ 水の流出口
３２ 濾過室
３３ 固形物沈降室
４１ 濾材
４２ 濾材本体
４３ 水流入口
４４ 水流規制板

Claims (3)

1. 温水を熱源としてその熱源よりも低沸点の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気によりタービンを回転させて発電するタービン発電機と、前記タービン発電機から放出される蒸気を冷却水によって冷却して液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向けて作動媒体を循環させる循環ポンプとからなるバイナリー発電部を備え、前記熱源となる温水として、後記上下に平行して設置した二本の筒状温水タンク間に取り付けた、内壁に液体還流用ウイックを取り付けた銅管内に、減圧した状態において沸点の低い作動媒体を少量封入し、蒸発部に作動媒体の沸点以上の温度の熱を加えたときに作動媒体が沸騰してその蒸気が前記銅管内を一気に上昇してこれが上端側の凝縮部に高い絶対圧力となって流れ、凝縮部で蒸気が凝縮することによって高温の凝縮熱が凝縮部で放出され、熱を奪われて液体となった作動媒体が毛細管現象により液体還流用ウイックを介して蒸発部に戻るように作用するヒートパイプによって加熱した温水の熱を熱交換して得られた貯湯タンク内の温水を用い、前記貯湯タンクと前記蒸発器との間に温水循環路を形成すると共に、該温水循環路に温水を循環させる循環ポンプを備え、更に前記貯湯タンクに近接させて上下に平行して二本の筒状温水タンクを設置し、これら二本の筒状温水タンクの間に、所定の間隔で所定の本数の前記ヒートパイプを、その上端側凝縮部が前記上側の筒状温水タンク内に臨み、下端側蒸発部が前記下側の筒状温水タンク内に臨むように取り付け、前記上側の筒状温水タンク及び下側の筒状温水タンクの夫々と前記貯湯タンクとの間に温水循環路を形成すると共に、これら温水循環路に温水を循環させる循環ポンプを備えたことを特徴とする自己再生熱方式バイナリー発電装置。
2. 前記温水と冷却水の循環路並びに上下の筒状温水タンクの夫々と貯湯タンクの温水循環路に固液分離装置を備えてなる請求項１記載の自己再生熱方式バイナリー発電装置。
3. 前記固液分離装置が、上部に水の流入口と流出口を設けると共に、小孔を多数穿設した邪魔板をもって内部を上下に仕切り、上部を濾過室としてその中に後記濾材を向きを不揃いにして所要数充填すると共に、下部を固形物沈降室としてその底部に固形物排出口を設けた密閉円筒形の分離装置本体と、環状をなす濾材本体に、その周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた濾材とからなる固液分離装置である請求項２記載の自己再生熱方式バイナリー発電装置。
   

Images