JP4866151B2 - 動力システム - Google Patents

Description

本発明は、高沸点媒体と低沸点媒体とを混合してなる作動流体の溶液を高温排熱により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
前記復水器との間で循環する前記溶液を低温排熱により加熱して前記溶液から前記低沸点媒体の蒸気を分離する再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記溶液が流通する濃溶液流路において前記溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記溶液が流通する希溶液流路において前記溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備え、
前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気を、前記蒸気タービンに供給される作動流体に合流させるように構成された動力システムに関する。

発電用のエンジンなどから排出される排熱を回収して、発電機等を駆動するための軸動力を得るための動力システムが知られている。
この種の動力システムは、上記蒸気発生器において、エンジン排ガス等の排熱により供給ポンプにより供給された作動流体の溶液を蒸発させて当該作動流体の蒸気を発生し、上記蒸気タービンにおいて、その蒸気により得た軸動力により発電機等を駆動し、上記復水器において、蒸気タービンを駆動した後に流出した蒸気を溶液に復水させるという動力回路を備える。

更に、エンジン排ガスとして排出される高温排熱や、エンジン冷却水として排出される低温排熱等の、２種類の排熱から効果的に軸動力を得ることができる動力システムとして、上記作動流体として、アンモニア等の低沸点媒体と水等の高沸点媒体とを混合してなる水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を用い、吸収式冷凍機の原理を利用したものが知られている（例えば、特許文献１〜４、非特許文献１を参照。）。
この種の動力システムは、復水器で復水した溶液を、再生器との間で循環させ、当該再生器において、その循環する溶液を低温排熱により加熱して当該溶液から低沸点媒体の蒸気を分離するという再生回路を備え、更に、その再生器で分離した低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに供給される作動流体に合流させるように構成されている。
そして、このような動力システムにおいて、再生器で分離した低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに供給される作動流体に合流させることで、蒸気タービンの軸出力を増加させることができ、これは、再生器に供給した低温排熱の熱エネルギを、蒸気タービンの軸動力に変換して回収し得ることを意味する。

また、このように再生回路を備えた動力システムでは、高圧の再生器と低圧の復水器との間で、圧力差を維持しながら溶液を循環させるために、復水器から再生器へ向けて溶液が流通する濃溶液流路には、溶液を昇圧して再生器に送出する循環ポンプが設けられ、再生器から復水器へ向けて溶液が流通する希溶液流路には、溶液を減圧して復水器に送出する減圧部としての減圧弁が設けられている。

特開２００３−１６１１１５号公報 特開２００１−２４８４０９号公報 特開２００５−１７１８９１号公報 「アンモニアを使用したガスエンジン排熱利用技術の開発」藤本洋、薬師寺新吾、２００５年６月２８日、機械学会 第１０回動力エネルギ技術シンポジウム 講演論文集 ＯＳ４−０５

上述したような動力回路を備えた動力システムでは、蒸気タービンの蒸気流入部での圧力に対して、蒸気タービンの蒸気流出部の圧力はできるだけ低いほうが、サイクル効率が高くなることが知られている。
しかしながら、蒸気タービンの蒸気流出部の圧力をできるだけ低くするために、その蒸気流出部側に直接接続された復水器の圧力を過剰に低下させすぎると、復水器における管継手やシール部等を介した外気の侵入により、サイクル効率が低下することが懸念される。
また、復水器の圧力は、作動流体の復水器での温度における飽和圧力に相当するものとなることから、復水器での温度を低下させることで、復水器の圧力を低下させることができる。しかしながら、一般的に復水器の冷熱源としては大気などが利用されているため、復水器の温度を低下させるには限度があった。

また、上記動力回路に加えて、吸収式冷凍機の原理を利用して高温排熱及び低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収し得る再生回路を備えた動力システムでは、濃溶液流路に設けられた循環ポンプの動力の一部は、再生器で分離した低沸点媒体の蒸気が蒸気タービンに供給される作動流体に合流され蒸気タービンの軸出力が増加することから、蒸気タービンの軸動力として回収されている。しかしながら、循環ポンプの圧縮動力の残部は、再生器から復水器へ向けて溶液が流通する希溶液流路に設けられ高圧の再生器と低圧の復水器との圧力差を確保するための減圧弁における圧力損失として廃棄されることになり、サイクル効率の低下の原因となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸収式冷凍機の原理を利用して高温排熱及び低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収し得る動力システムにおいて、サイクル効率の更なる向上を図ることができる技術を実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る動力システムは、高沸点媒体と低沸点媒体とを混合してなる作動流体の溶液を高温排熱により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
前記復水器との間で循環する前記溶液を低温排熱により加熱して前記溶液から前記低沸点媒体の蒸気を分離する再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記溶液が流通する濃溶液流路において前記溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記溶液が流通する希溶液流路において前記溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備え、
前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気を、前記蒸気タービンに供給される作動流体に合流させるように構成された動力システムであって、その第１特徴構成は、前記希溶液流路に、前記減圧部として、前記溶液の速度エネルギにより吸引部に吸引力を発生するエゼクタを備え、
前記蒸気タービンの蒸気流出部が、当該エゼクタの吸引部に接続され、
前記減圧部は、当該エゼクタの吸引部に発生する吸引力により、前記蒸気タービンの蒸気流出部の圧力を前記復水器の圧力よりも低下させる点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記再生回路の上記希溶液流路において、再生器から復水器へ向けて溶液が流通することで、当該希溶液流路に上記減圧部として設けられたエゼクタの吸引部に吸引力を発生させることができるので、その吸引部に接続された蒸気タービンの蒸気流出部の圧力が、例えば復水器の圧力と比較して、充分に低下することになる。よって、蒸気タービンの蒸気流入部での圧力に対して、蒸気タービンの蒸気流出部の圧力を充分に低下させることができるので、サイクル効率を向上することができる。即ち、濃溶液流路に設けられた循環ポンプの圧縮動力のうちのエゼクタでの溶液の圧力損失として消費される分のエネルギを、蒸気タービンの軸動力として回収することができる。
したがって、本発明により、吸収式冷凍機の原理を利用して高温排熱及び低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収し得る動力システムにおいて、サイクル効率の更なる向上を図ることができる技術を実現することができる。

本発明に係る動力システムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を、前記供給ポンプから前記蒸気発生器に供給される前記溶液に吸収させるように構成された点にある。

上記第２特徴構成によれば、再生器で分離した低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに供給される作動流体に合流させて、再生器に供給した低温排熱の熱エネルギを蒸気タービンの軸動力に変換して回収するにあたり、当該低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を、供給ポンプから蒸気発生器に供給される溶液に吸収させることで、再生器で分離された低沸点媒体の蒸気が比較的低圧であっても、その低圧の蒸気を良好に溶液に吸収させることができる。
更に、蒸気発生器では、低沸点媒体が高濃度で吸収されている溶液が高温排熱により加熱され蒸発するので、当該蒸気発生器における高温排熱の熱回収量を増加させることができ、結果、蒸気タービンに供給される蒸気の流量を増加させて、蒸気タービンの軸出力を増加させることができる。

本発明に係る動力システムの第３特徴構成は、上記第１又は上記第２特徴構成に加えて、前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を、前記蒸気タービンの低圧段に供給するように構成された点にある。

上記第３特徴構成によれば、再生器で分離した低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに供給される作動流体に合流させて、再生器に供給した低温排熱の熱エネルギを蒸気タービンの軸動力に変換して回収するにあたり、当該低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を蒸気タービンの低圧段に供給することで、再生器で分離された低沸点媒体の蒸気が比較的低圧であっても、その低圧の蒸気を良好に比較的低圧な蒸気タービンの低圧段に供給して、蒸気タービンの軸出力を増加させることができる。

本発明に係る動力システムの第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記高温排熱がエンジンから排出されたエンジン排ガスの排熱であり、前記低温排熱が前記エンジンを冷却するエンジン冷却水の排熱である点にある。

上記第４特徴構成によれば、高温排熱としてエンジン排ガスの排熱を用い、低温排熱としてエンジン冷却水の排熱を用いて、当該エンジンの２種類の排熱を効果的に回収しながら、再生回路の希溶液流路に設けられる減圧部を、吸引部に蒸気タービンの蒸気流出部が接続されたエゼクタとすることで、サイクル効率の一層の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す動力システムは、高温排熱としてのエンジン２０から排出されるエンジン排ガスＥの排熱を高温排熱とし、エンジン２０を冷却するエンジン冷却水ＪＷの排熱を低温排熱として、これらエンジン排ガスＥとエンジン冷却水ＪＷとから効率良く排熱回収して、蒸気タービン２により発電機３５を駆動するための軸動力を出力するサイクルを利用するように構成されている。

そして、この動力システムは、排ガス路２１を通じてエンジン２０から供給されたエンジン排ガスＥとの熱交換により作動流体の溶液Ｌを加熱して作動流体の蒸気Ｓを発生する蒸気発生器１、蒸気発生器１から蒸気流入路１１を通じて供給された蒸気Ｓにより駆動する蒸気タービン２、蒸気タービン２から流出し蒸気流出路１２を通じて供給された蒸気Ｓを冷却水との熱交換により冷却して溶液Ｌに復水させる復水器３と、復水器３から供給された溶液Ｌを、流路１５を通じて蒸気発生器１に供給する供給ポンプ１４及び１６との順に、この作動流体を循環させる動力回路４０を備えて構成されている。
そして、この蒸気タービン２が出力する軸動力は、発電機３５を駆動するための駆動源として利用される。

上記復水器３には、冷却水Ｃ１が通流する冷却管３ａが配設され、その冷却管３ａ内に冷却水Ｃ１が通流することにより、蒸気Ｓ及び溶液Ｌと冷却水Ｃ１との間の熱交換が行われ、蒸気Ｓが凝縮して溶液Ｌに混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水Ｃ１により回収することができる。

更に、動力システムは、低沸点媒体としてのアンモニアと、当該アンモニアを吸収可能な高沸点媒体としての水との水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を作動流体として用い、吸収式冷凍機の原理を利用して、上記エンジン排ガスＥの排熱である高温排熱及び上記エンジン冷却水ＪＷの排熱である低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収し得る再生回路５０を備えて構成されている。
即ち、かかる再生回路５０は、復水器３との間で循環する溶液Ｌを低温排熱により加熱して溶液Ｌからアンモニア蒸気Ｓａを分離する再生器４と、復水器３から再生器４へ向けて溶液Ｌが流通する濃溶液流路１８において当該溶液Ｌを昇圧して再生器４に送出する循環ポンプ１７と、再生器４から復水器３へ向けて溶液Ｌが流通する希溶液流路１９において当該溶液Ｌを減圧して復水器３に送出する減圧部Ｘとを配置して構成されている。

また、再生器４には、エンジン冷却水ＪＷが通流する加熱管４ａが配設され、その加熱管４ａ内に、エンジン２０との間でポンプ２３により循環されるエンジン冷却水ＪＷを通流させることにより、作動流体の溶液Ｌとエンジン冷却水ＪＷとの熱交換が行われる。
そして、復水器３で蒸気タービン２から供給された蒸気Ｓが混合された後の比較的アンモニア濃度が高い濃溶液Ｌ１は、復水器３から濃溶液流路１８を通じて循環ポンプ１７により昇圧された後に再生器４に供給され、一方、再生器４でアンモニア蒸気Ｓａが分離された後の比較的アンモニア濃度が低い希溶液Ｌ２は、再生器４から希溶液流路１９を通じて減圧部Ｘにより減圧された後に復水器３に供給されることで、高圧の再生器４と低圧の復水器３との間で、圧力差を維持しながら溶液Ｌが循環されることになる。

更に、動力システムは、この再生回路５０において再生器４で分離したアンモニア蒸気Ｓａを、動力回路４０において蒸気タービン２に供給される作動流体に合流させることで、蒸気タービン２の軸出力を増加させて、再生器４にエンジン冷却水ＪＷの排熱として供給した低温排熱の熱エネルギを、蒸気タービン２の軸動力に変換して回収するように構成されており、その詳細について以下に説明を加える。

動力システムは、再生器４で分離されアンモニア蒸気流路１０に流出したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、供給ポンプ１４から蒸気発生器１に供給される溶液Ｌに吸収させる吸収器５を備えて構成されている。
即ち、吸収器５において、復水器３から供給ポンプ１４により流路１３を通じて供給された作動流体の溶液Ｌに、蒸気アンモニア蒸気流路１０から分岐する分岐路１０ａを通じて供給されたアンモニア蒸気Ｓａが吸収されて、アンモニア濃度が非常に高い作動流体の溶液Ｌが生成され、その溶液Ｌが供給ポンプ１６により一層加圧され流路１５を通じて蒸気発生器１に供給される。
よって、再生器４で分離されたアンモニア蒸気Ｓａが比較的低圧であっても、この吸収器５でその低圧のアンモニア蒸気Ｓａを良好に溶液に吸収させることができ、更には、当該蒸気発生器１で高濃度の溶液Ｌにより多くのエンジン排ガスＥの熱を回収することができるので、蒸気タービン２に多くの蒸気Ｓを供給して蒸気タービン２の軸出力を増加させることができる。

更に、蒸気発生器１において、排ガス路２１を流通するエンジン排ガスＥは溶液Ｌに熱を与えることで温度が低下する。即ち、排ガス路２１における蒸気発生器１の入口側と出口側との温度差は、蒸気発生器１におけるエンジン排ガスＥに対する熱回収量に略比例する。
そして、蒸気発生器１は、吸収器５においてアンモニア濃度が高くなった溶液Ｌを、排ガス路２１の下流側から上流側に向けて流通させて、排ガス路２１を流通するエンジン排ガスＥの熱を当該溶液Ｌに与えるように構成されている。
よって、蒸気発生器１において、排ガス路２１における下流側（蒸気発生器１に対するエンジン排ガスＥの出口側）付近では、溶液Ｌに高濃度に含まれる低沸点媒体であるアンモニアが比較的低温のエンジン排ガスＥとの熱交換により良好に蒸発するので、蒸気タービン２に対して多くの蒸気Ｓを供給することができ、更に、排ガス路２１における上流側のエンジン排ガスＥの温度が一定である場合でも下流側のエンジン排ガスＥの温度を充分に低下させることができることから、蒸気発生器１におけるエンジン排ガスＥに対する熱回収量を増加させることができる。

更に、吸収器５には、冷却水Ｃ２が通流する冷却管５ａが配設され、その冷却管５ａ内に冷却水Ｃ２が通流することにより、アンモニア蒸気Ｓａ及び溶液Ｌと冷却水Ｃ２との間の熱交換が行われ、アンモニア蒸気Ｓａが溶液Ｌに吸収されるときに生じる吸収熱が冷却水Ｃ２により回収することができる。
また、一般的に吸収器５が復水器３よりも高温であることから、当該吸収器５に供給する冷却水Ｃ２は、上述した復水器３で熱回収した後の冷却水Ｃ１とすることができる。尚、復水器Ｃ１と吸収器５とに冷却水Ｃ１，Ｃ２を個別に供給しても構わない。

更に、動力システムは、再生器４で分離されアンモニア蒸気流路１０に流出したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給するように構成されている。
即ち、上記吸収器５で溶液Ｌに吸収し得なかったアンモニア蒸気Ｓａの残部が、蒸気アンモニア蒸気流路１０から分岐する分岐路１０ｂを通じて、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給される。
よって、再生器４で分離されたアンモニア蒸気Ｓａが比較的低圧であっても、その低圧のアンモニア蒸気Ｓａを良好に比較的低圧な蒸気タービン２の低圧段２ａに供給して、蒸気タービン２の軸出力を増加させることができる。

更に、この動力システムは、サイクル効率の更なる向上を図るように構成されており、その特徴構成について、以下に説明する。

先ず、再生回路５０の希溶液流路１９には、減圧部Ｘとして、希溶液Ｌ２の速度エネルギにより吸引部３０ａに吸引力を発生するエゼクタ３０が設けられている。
即ち、このエゼクタ３０は、液体駆動で気体を吸引する公知の液体エゼクタ（水エゼクタと呼ばれる場合がある。）と同様のものであり、希溶液流路１９において、再生器４から復水器３へ向けて希溶液Ｌ２が流通することで、希溶液Ｌ２を減圧するという減圧部Ｘの機能を果たしながら、吸引部３０ａに吸引力を発生させるように配置されている。

更に、蒸気タービン２から蒸気Ｓが流出する蒸気流出路１２（蒸気流出部）が、上記エゼクタ３０の吸引部３０ａに接続されており、当該蒸気流出部１２の圧力が、エゼクタ３０の吸引力により、少なくとも復水器３の圧力よりも低下されている。
よって、蒸気タービン２において蒸気流入路１１と蒸気流出路１２との圧力差を充分に大きいものとして、蒸気タービン２の軸出力を増加させることができ、結果、動力システムのサイクル効率を向上することができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、蒸気タービン２の軸動力により発電機３５を駆動するように構成したが、本発明において、蒸気タービン２の軸動力は、例えば圧縮式ヒートポンプの圧縮動力等のように、別の用途に利用しても構わない。

（２）上記実施の形態では、再生器４で分離したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、吸収器５により供給ポンプ１４から蒸気発生器５に供給される溶液Ｌに吸収させるように構成したり、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給するように構成したが、別に、当該アンモニア蒸気Ｓａを蒸気タービン２に供給される作動流体に合流させるものであれば、これらの構成を適宜改変しても構わない。

（３）上記実施の形態において、希溶液流路１９を流通する比較的高温の希溶液Ｌ２と濃溶液流路１８を流通する比較的低温の濃溶液Ｌ１との熱交換を行う熱交換器を設けて、再生器４における加熱効率、及び、復水器３における冷却効率を向上させるように構成しても構わない。
更に、希溶液流路１７を流通する希溶液Ｌ２から熱を回収する冷却器や、蒸気流出路１２を流通する蒸気Ｓから熱を回収する冷却器を設けて、復水器３における冷却効率を向上させるように構成しても構わない。

（４）上記実施の形態では、蒸気発生器１及び再生器４の高温排熱及び低温排熱の温熱源を、エンジン２０の排熱としたが、燃料電池の排熱等の別の排熱を温熱源として利用しても構わない。

本発明に係る動力システムは、動力回路に加えて、吸収式冷凍機の原理を利用して、エンジン排ガスの排熱等である高温排熱及びエンジン冷却水の排熱等である低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収し得る再生回路を備えた動力システムであって、サイクル効率の更なる向上を図ることができるものとして有効に利用可能である。

動力システムの概略構成図

符号の説明

１：蒸気発生器
２：蒸気タービン
２ａ：低圧段
３：復水器
４：再生器
５：吸収器
１２：蒸気流出路（蒸気流出部）
１４，１６：供給ポンプ
１７：循環ポンプ
１８：濃溶液流路
１９：希溶液流路
３０：エゼクタ
３０ａ：吸引部
４０：動力回路
５０：再生回路
Ｌ：溶液
Ｌ１：濃溶液
Ｌ２：希溶液
Ｓ：蒸気
Ｓａ：アンモニア蒸気（低沸点媒体の蒸気）
Ｘ：減圧部

Claims (4)

1. 高沸点媒体と低沸点媒体とを混合してなる作動流体の溶液を高温排熱により加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
   前記復水器との間で循環する前記溶液を低温排熱により加熱して前記溶液から前記低沸点媒体の蒸気を分離する再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記溶液が流通する濃溶液流路において前記溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記溶液が流通する希溶液流路において前記溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備え、
   前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気を、前記蒸気タービンに供給される作動流体に合流させるように構成された動力システムであって、
   前記希溶液流路に、前記減圧部として、前記溶液の速度エネルギにより吸引部に吸引力を発生するエゼクタを備え、
   前記蒸気タービンの蒸気流出部が、当該エゼクタの吸引部に接続され、
   前記減圧部は、当該エゼクタの吸引部に発生する吸引力により、前記蒸気タービンの蒸気流出部の圧力を前記復水器の圧力よりも低下させる動力システム。
2. 前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を、前記供給ポンプから前記蒸気発生器に供給される前記溶液に吸収させるように構成された請求項１に記載の動力システム。
3. 前記再生器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の少なくとも一部を、前記蒸気タービンの低圧段に供給するように構成された請求項１又は２に記載の動力システム。
4. 前記高温排熱がエンジンから排出されたエンジン排ガスの排熱であり、前記低温排熱が前記エンジンを冷却するエンジン冷却水の排熱である請求項１〜３の何れか一項に記載の動力システム。

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