JP2019183820A - 浸透圧熱サイクルを利用する動力発生方法 - Google Patents
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- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
地中から抜き出した熱水や蒸気の利用、処理にこれまで様々な努力が積み上げられてきたが、熱水や蒸気を取出すことにより地中の状態が変わることは否定できず、熱水貯留層の水位への影響、地震、地滑り等についての説明を完璧にすることは容易ではない。 河川に熱水を冷却したのちに流す場合には、熱水に含まれた成分が長期的に自然環境、生態系に影響を与えないという説明も求められる。 さらに二本の井戸の掘削に要するコストは全体のコストの24%を占めるとの報告もある。
地熱発電を例にとれば、地下の熱水貯留層から熱水や蒸気を抜き出す従来の方法では、熱とともに生態系に好ましくない多種多様な物質が地上に出てくること、既存の温泉、地盤への影響等多岐にわたる問題も生じてくる。ここで、熱のみを移動させることができれば、そのような懸念は殆どなくなり、停滞している地熱利用が一気に進み始めると考えられる。
50は密閉経路内を連続して流れる作動媒体で、浸透圧熱サイクルの密閉経路内の区間に応じて、気相(気化した作動媒体50S)、液相(50L)と状態変化し、気相状態にある気化した作動媒体50Sは膨張器であるタービン3を介して外部に機械的仕事をし(図3の▲1▼→▲2▼の状態変化)、凝縮器232で大気に放熱し、凝縮して凝縮液、すなわち凝縮作動媒体50Lpとなる(図3の▲2▼→▲3▼の状態変化)。
乾き度を決定するのは高熱源からの入熱量で、図1の受熱ゾーン231の深さで決定される。 プラント計画時予め熱源を調査し、熱水貯留層内の温度および対流の状況を把握して伝熱計算に必要なデータを採取した後に前記231の深さを決定する。 この場合、熱輸送管を上下に動かして受熱ゾーンの深さをジャッキ等で調整できるように構成することが好ましい。より好ましくは熱輸送管と地面との隙間には耐熱シール材が充填されている。
1)作動媒体の駆動(場所:半透膜1、半透膜室233)
半透膜、濃度0%の凝縮作動媒体、濃度8.3%の濃液の組合せによって、浸透圧が発生し、凝縮作動媒体が濃液側に引込まれる流束が生じる。ここで駆動とは作動媒体を加圧し流動させることを言う。
2)駆動力の源である濃度差の維持(図1、図2参照)
▲1▼半透膜の濃液側表面へ高濃液を補給する:濃液である作動媒体50Lmが、加熱器(受熱ゾーンともいう)231で受熱して、気液分離器5で蒸気50Sと、濃縮された濃液、すなわち高濃液50Lcに分離され、高濃液50Lcは戻り管6を経て半透膜1の濃液側表面に還流する。凝縮作動媒体50Lpの該半透膜からの浸みだし(浸透流)と濃液側表面上で混合し、濃液側の表面の希釈、すなわち濃度分極を防ぐ。
▲2▼ 第2の循環ラインによる循環流量の増大により濃度0%の溶媒の浸透流を半透膜の濃液側表面から流し去る:循環ライン7のポンプ7aにより、半透膜の濃液側表面に沿う濃液の流量、流速を増大して、半透膜表面に停滞しがちな溶媒を濃液で流し去り、混合する。
以下図1、図2および図3を用いて、半透膜1を出発点として、作動媒体50の流れに沿って、順を追って説明する。
第2実施例では、
1)溶媒は無水アンモニア、溶質は塩化アンモニウムで、塩化アンモニウムのアンモニア溶液の濃度は12.8%である。ここで本発明は溶媒がアンモニアの場合、この濃度に限定されるものではない。 この溶液が第1実施例の濃液50Lmに対応し、以下第1実施例と同様に濃液50Lmという。 海洋温度差発電では、高熱源の温度が高々34℃、平均的には28℃〜30℃である。 溶媒には低沸点媒体で、水に近い性質を有するアンモニアが選定されている。 水の分子量18に対してアンモニアの分子量は17であるので、海水淡水化用RO膜を使用すれば透過係数が水より大きくなるので好ましい。 溶質にアンモニウム塩を用いているのは、アンモニアへの溶解度が大きいこと、アンモニア溶液中のアンモニウム塩はアンモニアの溶液のPHを酸性側に移動させるためである。 ちなみに無水アンモニアのPHは11で、この数値では市場性があり、性能が検証されている架橋全芳香族ポリアミド系複合膜の使用限度をやっと満足している状態である。同様の理由で酢酸アンモニウム、硝酸アンモニウムもアンモニア用の溶質として好ましく使用できる。
2)高熱源、すなわち表層水の温度は30℃として、加熱器での熱交換の余裕を見てタービン入口条件を温度22℃の飽和蒸気(圧力9.3kg/cm2)と設定している。塩化アンモニウムと液体アンモニアの組合せの場合、塩化アンモニウムの溶解度は非常に高く、この温度域では析出しないと考えられるので、飽和蒸気になるまで加熱するという前提とした。
3)作動媒体50の温度が低いので、内部循環戻り管6の冷却されていない。
4)低温源、すなわち深層水の温度は6℃とし、タービン出口条件を8.66℃(圧力6kg/cm2の飽和蒸気)としている。
5)低熱源が深海にあるので、熱輸送管2が深海まで延ばされて、凝縮器(凝縮ゾーン)232が低熱源である海洋深層水1100に暴露された配置になっている。 図4参照。
6)熱輸送管は三重管構造になっており、外管23と内管22の間に高濃液の還流のため、仕切り管26が設けられている。
7)半透膜1は図4、図5に示すように、仕切り管26の最下部に取付けられている。
以下半透膜1を出発点として、作動媒体50の流れに沿って、概要を説明する。
模式的に説明するためノズル7bを用いているが、好ましくは内管22の内側にスクープを設けて、内管通路22aの圧力損失を最小にしながら濃液を吸い込むようにすればポンプ7aの動力を少なくすることができる。
1)地熱発電に使用すれば、熱輸送管によって高温の熱のみを地上に運ぶことができるので、
▲1▼地下の熱水貯留層の水位に影響を与えることはない。 したがって既存の温泉へ影響を及ぼすことはなく、地盤への影響もない。
▲2▼熱水、蒸気とともに地上に漏れ出していた化学物質は出なくなり、自然環境にもほとんど影響を与えない。
2)海洋温度差発電に使用すれば、
▲1▼深層水および表層水の汲み上げ用、および主系統の作動媒体駆動用のポンプ動力を、濃溶液の濃度維持のための熱量で置換えることができる。 これらのポンプは全て不要となり、タービン軸出力に発電機の効率を乗じた数値が正味出力となる。
▲2▼深層水、表層水の汲み上げがなくなるので、貴重な海洋生物の生態に悪影響を与える懸念がなくなる。
2:熱輸送管
22:熱輸送管内管
22a:熱輸送管内管通路
221:熱輸送管内管先細ノズル
23:熱輸送管外管
23a:熱輸送管通路
231:加熱器(受熱ゾーンともいう)
231a:熱輸送管下端部内側空間
232:凝縮器
232a:放熱フィン
233:半透膜室
233a:半透膜室入口溜り
233b:半透膜室出口溜り
25:連結管
26:仕切り管
26a:仕切り管通路
3:膨張器
4:発電機
5:気液分離器
5a:気液分離槽
5b:サイクロン
5c:サイクロン戻り管
50:作動媒体
50L:液相状態の作動媒体、下記50Lc,50Lm,50Lpの総称図面の中には煩雑になるため50Lの記載はない。
50Lc:高濃液(凝縮作動媒体に高濃度の溶質が溶解している溶液)
50Lm:濃液(凝縮作動媒体に溶質が溶解している溶液)
50Lp:凝縮作動媒体(凝縮液、濃度0%の溶液、溶媒)
50S:気化した作動媒体
6:内部循環戻り管
6a:空冷フィン
7:第2内部循環ライン
7a:ポンプ
8:清水ライン
8a:止め弁
9:蒸気逃がし弁
10:乾き度計
1000:表層水
1100:深層水
FF:台船
GL:地面
Gc:内部循環戻り重量流量
Gf:第2内部循環ライン重量流量
Gt:作動媒体(50S)の重量流量
HW:熱水貯留層
Hb:半透膜と気液分離槽液面までの距離
Hp:半透膜と凝縮器液面までの距離
Hsw:気液分離槽液面から熱輸送管下端部までの距離
Pp:半透膜の凝縮液側の圧力
Psw:半透膜の濃液側の圧力
SB:海底
SL:海面
1) 地熱発電に使用すれば、熱輸送管によって高温の熱のみを地上に運ぶことができるので、
(1) 地下の熱水貯留層の水位に影響を与えることはない。 したがって既存の温泉へ影響を及ぼすことはなく、地盤への影響もない。
(2) 熱水、蒸気とともに地上に漏れ出していた化学物質は出なくなり、自然環境にもほとんど影響を与えない。
2)海洋温度差発電に使用すれば、
(1)深層水および表層水の汲み上げ用、および主系統の作動媒体駆動用のポンプ動力を、濃溶液の濃度維持のための熱量で置換えることができる。 これらのポンプは全て不要となり、タービン軸出力に発電機の効率を乗じた数値が正味出力となる。
(2)深層水、表層水の汲み上げがなくなるので、貴重な海洋生物の生態に悪影響を与える懸念がなくなる。
50は密閉経路内を連続して流れる作動媒体で、浸透圧熱サイクルの密閉経路内の区間に応じて、気相(気化した作動媒体50S)、液相(50L)と状態変化し、気相状態にある気化した作動媒体50Sは膨張器であるタービン3を介して外部に機械的仕事をし(図3の(1)→(2)の状態変化)、凝縮器232で大気に放熱し、凝縮して凝縮液、すなわち凝縮作動媒体50Lpとなる(図3の(2)→(3)の状態変化)。
ここで濃度を21%としたのは、塩化ナトリウム溶液は溶質濃度が28%になると析出を始めるので、余裕を見て21%に抑えたものである。8.3%塩化ナトリウム溶液は、乾き度0.6の蒸気が気液分離されると、溶液の溶質の濃度は8.3/(1−0.6)=20.75%となるからである。
乾き度を決定するのは高熱源からの入熱量で、図1の受熱ゾーン231の深さで決定される。 プラント計画時予め熱源を調査し、熱水貯留層内の温度および対流の状況を把握して伝熱計算に必要なデータを採取した後に前記231の深さを決定する。 この場合、熱輸送管を上下に動かして受熱ゾーンの深さをジャッキ等で調整できるように構成することが好ましい。より好ましくは熱輸送管と地面との隙間には耐熱シール材が充填されている。
1)作動媒体の駆動(場所:半透膜1、半透膜室233)
半透膜、濃度0% の凝縮作動媒体、濃度8.3%の濃液の組合せによって、浸透圧が発生し、凝縮作動媒体が濃液側に引込まれる流束が生じる。ここで駆動とは作動媒体を加圧し流動させることを言う。
2)駆動力の源である濃度差の維持(図1、図2参照)
(1) 半透膜の濃液側表面へ高濃液を補給する:濃液である作動媒体50Lmが、加熱器(受熱ゾーンともいう)231で受熱して、気液分離器5で蒸気50Sと、濃縮された濃液、すなわち高濃液50Lcに分離され、高濃液50Lcは戻り管6を経て半透膜1の濃液側表面に還流する。凝縮作動媒体50Lpの該半透膜からの浸みだし(浸透流)と濃液側表面上で混合し、濃液側の表面の希釈、すなわち濃度分極を防ぐ。
(2) 第2の循環ラインによる循環流量の増大により濃度0%の溶媒の浸透流を半透膜の濃液側表面から流し去る:循環ライン7のポンプ7aにより、半透膜の濃液側表面に沿う濃液の流量、流速を増大して、半透膜表面に停滞しがちな溶媒を濃液で流し去り、混合する。
以下図1、図2および図3を用いて、半透膜1を出発点として、作動媒体50の流れに沿って、順を追って説明する。
第2実施例では、
1) 溶媒は無水アンモニア、溶質は塩化アンモニウムで、塩化アンモニウムのアンモニア溶液の濃度は12.8%である。ここで本発明は溶媒がアンモニアの場合、この濃度に限定されるものではない。 この溶液が第1実施例の濃液50Lmに対応し、以下第1実施例と同様に濃液50Lmという。 海洋温度差発電では、高熱源の温度が高々34℃、平均的には28℃〜30℃である。 溶媒には低沸点媒体で、水に近い性質を有するアンモニアが選定されている。 水の分子量18に対してアンモニアの分子量は17であるので、海水淡水化用RO膜を使用すれば透過係数が水より大きくなるので好ましい。 溶質にアンモニウム塩を用いているのは、アンモニアへの溶解度が大きいこと、アンモニア溶液中のアンモニウム塩はアンモニアの溶液のPHを酸性側に移動させるためである。 ちなみに無水アンモニアのPHは11で、この数値では市場性があり、性能が検証されている架橋全芳香族ポリアミド系複合膜の使用限度をやっと満足している状態である。同様の理由で酢酸アンモニウム、硝酸アンモニウムもアンモニア用の溶質として好ましく使用できる。
2) 高熱源、すなわち表層水の温度は30℃として、加熱器での熱交換の余裕を見てタービン入口条件を温度22℃の飽和蒸気(圧力9.3kg/cm2)と設定している。塩化アンモニウムと液体アンモニアの組合せの場合、塩化アンモニウムの溶解度は非常に高く、この温度域では析出しないと考えられるので、飽和蒸気になるまで加熱するという前提とした。
3) 作動媒体50の温度が低いので、内部循環戻り管6は冷却されていない。
4) 低温源、すなわち深層水の温度は6℃とし、タービン出口条件を8.66℃(圧力6kg/cm2の飽和蒸気)としている。
5) 低熱源が深海にあるので、熱輸送管2が深海まで延ばされて、凝縮器(凝縮ゾーン)232が低熱源である海洋深層水1100に暴露された配置になっている。 図4参照。
6) 熱輸送管は三重管構造になっており、外管23と内管22の間に高濃液の還流のため、仕切り管26が設けられている。
7) 半透膜1は図4、図5に示すように、仕切り管26の最下部に取付けられている。
以下半透膜1を出発点として、作動媒体50の流れに沿って、概要を説明する。
模式的に説明するためノズル7bを用いているが、好ましくは内管22の内側にスクープを設けて、内管通路22aの圧力損失を最小にしながら濃液を吸い込むようにすればポンプ7aの動力を少なくすることができる。
2:熱輸送管
22:熱輸送管内管
22a:熱輸送管内管通路
221:熱輸送管内管先細ノズル
23:熱輸送管外管
23a:熱輸送管通路
231:加熱器(受熱ゾーンともいう)
231a:熱輸送管下端部内側空間
232:凝縮器
232a:放熱フィン
233:半透膜室
233a:半透膜室入口溜り
233b:半透膜室出口溜り
25:連結管
26:仕切り管
26a:仕切り管通路
3:膨張器
4:発電機
5:気液分離器
5a:気液分離槽
5b:サイクロン
5c:サイクロン戻り管
50:作動媒体
50L:液相状態の作動媒体、下記50Lc,50Lm,50Lpの総称
図面の中には煩雑になるため50Lの記載はない。
50Lc:高濃液(凝縮作動媒体に高濃度の溶質が溶解している溶液)
50Lm:濃液(凝縮作動媒体に溶質が溶解している溶液)
50Lp:凝縮作動媒体(凝縮液、濃度0%の溶液、溶媒)
50S:気化した作動媒体
6:内部循環戻り管
6a:空冷フィン
7: 第2内部循環ライン
7a:ポンプ
8:清水ライン
8a:止め弁
9:蒸気逃がし弁
10:乾き度計
1000:表層水
1100:深層水
FF:台船
GL:地面
Gc:内部循環戻り重量流量
Gf:第2内部循環ライン重量流量
Gt:作動媒体(50S)の重量流量
HW:熱水貯留層
Hb:半透膜と気液分離槽液面までの距離
Hp:半透膜と凝縮器液面までの距離
Hsw:気液分離槽液面から熱輸送管下端部までの距離
Pp:半透膜の凝縮液側の圧力
Psw:半透膜の濃液側の圧力
SB:海底
SL:海面
Claims (5)
- 半透膜と、
該半透膜の一方の側にある溶媒(以下凝縮作動媒体という)と、
該半透膜の他の側にあって、前記凝縮作動媒体と同じ物質からなる溶媒と、溶質とからなる溶液(以下濃液という)とを配置し、
前記凝縮作動媒体が前記半透膜の他の側の濃液に浸透圧によって引込まれる工程と、
前記濃液が受熱して熱的に気化した作動媒体と濃縮濃液(以下高濃液という)とに分離される工程と、
該高濃液が前記半透膜の他の側の表面近傍に還流する工程と、
前記気化した作動媒体が膨張器に流入して動力を発生する工程と、
該膨張器を出た前記作動媒体が、放熱して凝縮作動媒体となり、前記半透膜の一方の側 の凝縮作動媒体に合流する工程と、
を含む浸透圧熱サイクルを利用する動力発生方法。 - 前記各工程が連通した密閉経路内で行われることを特徴とする請求項1の動力発生方法。
- 前記密閉経路が、受熱すべき高温熱源(以下高熱源という)にまで延びていることを特徴とする請求項2の動力発生方法。
- 前記密閉経路が、放熱すべき低温熱源(以下低熱源という)にまで延びていることを特徴とする請求項2の動力発生方法。
- 前記半透膜の他の側において、該半透膜の表面に沿う流れを生起し、浸透圧によって引込まれる工程を促進する、濃液の循環系統を設けたことを特徴とする請求項1の動力発生方法。
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