JP5200165B2

JP5200165B2 - 蒸気動力サイクル装置

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Publication number: JP5200165B2
Application number: JP2011515918A
Authority: JP
Inventors: 春男上原
Original assignee: 春男上原
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: WO2010137360A1; JPWO2010137360A1; US8479517B2; CN102449271B; US20110167826A1; EP2436887A1; CN102449271A; KR101602754B1; KR20120029400A

Description

本発明は、沸点の異なる複数物質の混合媒体である作動流体を加熱、冷却させつつ循環させ、相変化を繰返す作動流体に仕事を行わせて動力を得る蒸気動力サイクル装置に関する。

蒸気動力サイクルを用いるにあたり、高温熱源と低温熱源の温度差が小さい場合には、熱効率を高めて有効に熱を動力に変換できるようにするため、水と水より沸点の低い流体との混合媒体、又は水より沸点の低い複数物質の流体が混合されたものを作動流体として用いる蒸気動力サイクルが従来から提案されており、このような従来の蒸気動力サイクルシステムの一例として、特開平７−９１３６１号公報に記載されるものがある。

前記従来の蒸気動力サイクルシステムは、蒸気動力サイクルとして一般的なランキンサイクル同様に蒸発器、膨張機（タービン）、凝縮器及び圧縮機（ポンプ）を有する他に、蒸発器で加熱された作動流体を気相作動流体と液相作動流体とに分離する気液分離器と、凝縮器の前段側で膨張後の気相作動流体を液相作動流体に一部吸収させる吸収器と、蒸発器で加熱された作動流体のうち、液相の作動流体を蒸発器で熱交換する前の低温液相の作動流体と熱交換させる再生器と、複数段配設された膨張機の中間から抽気された高温気相の作動流体を低温液相の作動流体と熱交換させる加熱器とを備える構成である。

この従来の蒸気動力サイクルシステムは、単一の作動流体を用いる一般的なランキンサイクルに比べて熱効率を高めることができ、特に、膨張機から抽気を行うと共に吸収器で気相の作動流体を液相の作動流体に一部吸収させ、凝縮器で低温熱源と熱交換する気相作動流体の量を抑えることで、凝縮器の負荷を低減して全体の効率上昇と共に凝縮器の過度の大型化とこれに伴うコスト上昇を抑制できるという利点を有していた。

特開平７−９１３６１号公報

従来の蒸気動力サイクルシステムは、前記特許文献に示される構成となっており、膨張機から抽気を行う分、凝縮器の負荷を低減しつつ、抽気分の気相作業流体の保有する熱は、加熱器における液相の作動流体との熱交換で回収することにより、サイクル全体の効率を高めることができたが、気液分離器で分離された液相の作動流体は、その全量が凝縮器に到達して低温熱源と熱交換することで、凝縮器におけるある程度の熱交換能力の確保は依然必要であり、凝縮器のさらなる小型化を目指す上で制約になるという課題を有していた。

また、気液分離器で分離された液相の作動流体の保有する熱エネルギーは、再生器で低温の作動流体に一部が移った以降は、そのまま吸収器や凝縮器で低温熱源と熱交換されて外部に排出されることとなり、熱の有効利用の面で未だ課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、動力サイクル中の気液分離器で気相分と分離された高温液相の作動流体の一部を抽出し、これを膨張機の段間から抽気した高温気相の作動流体と混合し、凝縮器を出た低温液相の作動流体の加熱に用いて、高温液相の作動流体の保有する熱を効率よく回収でき、サイクル全体の熱効率を向上させられる蒸気動力サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る蒸気動力サイクル装置は、沸点の異なる複数の物質が混合された作動流体を所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で得られた高温の作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器と、前記高温の作動流体のうち気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する膨張機と、当該膨張機を出た高温気相の作動流体を前記気液分離器を出た液相分と共に所定の低温熱源と熱交換させ、気相分を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た作動流体を圧縮して前記蒸発器へ向わせる圧縮機とを少なくとも備える蒸気動力サイクル装置において、前記膨張機が、膨張段を複数段有すると共に、一又は複数の段間から高温気相の作動流体の一部を抽気され、前記気液分離器で分離された高温液相の作動流体と圧縮機を出て蒸発器に向う作動流体とを熱交換させる再生器と、前記膨張機最終段を出た高温気相の作動流体を、前記気液分離器を出て前記再生器を経た高温液相の作動流体の一部と合流させると共に、高温液相の作動流体に高温気相の作動流体の一部を吸収させて、作動流体を前記凝縮器に向わせる第一の吸収器と、前記再生器を経た高温液相の作動流体の他部を、前記膨張機から抽気された高温気相の作動流体の少なくとも一部と合流させると共に、高温液相の作動流体に高温気相の作動流体の一部を吸収させる第二の吸収器と、前記第二の吸収器を経た高温の気相及び液相作動流体と、前記凝縮器を出た作動流体とを熱交換させる加熱器とを備えるものである。

このように本発明によれば、気液分離器で気相分と分離した高温液相の作動流体の一部を抽出し、これを第二の吸収器で膨張機の段間から抽気した高温気相の作動流体と混合し、液相の作動流体に気相の作動流体の一部を吸収させつつ、これら液相と気相の作動流体を、加熱器での凝縮器を出た低温液相の作動流体の加熱に用い、高温気相の作動流体の抽気分に加えて高温液相の作動流体の一部抽出分も凝縮器に通さないことにより、凝縮器での作動流体と低温熱源との熱交換量を減らして凝縮器の負荷をさらに低減する一方で、高温液相の作動流体の保有する熱を蒸発器に向う作動流体との熱交換で適切に回収でき、サイクル全体での熱効率の向上が図れる。

また、本発明に係る蒸気動力サイクル装置は必要に応じて、前記膨張機における一又は複数の段間から抽気された高温気相の作動流体の一部を、前記第二の吸収器に向う分とは別途に導入され、当該導入された気相作動流体と前記凝縮器を出た作動流体とを熱交換させる一又は複数の熱交換器を備えるものである。

このように本発明によれば、膨張機の段間から抽気した高温気相の作動流体の一部を、第二の吸収器を経て加熱器に至る分とは別に、凝縮器を出た低温液相の作動流体と所定の熱交換器で熱交換させ、作動流体の凝縮器を通らない割合をさらに増やすことにより、凝縮器での作動流体と低温熱源との熱交換量を減らして凝縮器の負荷をさらに低減する一方で、高温気相の作動流体の保有する熱を蒸発器に向う作動流体との熱交換で適切に回収でき、サイクル全体でより一層の熱効率の向上が図れる。

本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクル装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る蒸気動力サイクル装置の概略構成図である。本発明に係る蒸気動力サイクル装置の実施例の概略構成図である。従来の蒸気動力サイクル装置の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を前記図１に基づいて説明する。本実施形態では、作動流体を低沸点媒体としてのアンモニアと高沸点媒体としての水との混合媒体とする蒸気動力サイクル装置の例について説明する。

前記図１において本実施形態に係る蒸気動力サイクル装置１は、アンモニアと水の混合媒体からなる作動流体と高温熱源とを熱交換させ、作動流体を一部蒸発させる蒸発器１０と、蒸発器１０を出た高温の作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器１１と、高温気相の作動流体により動作する前記膨張機としてのタービン１２と、このタービン１２を出た高温気相の作動流体を凝縮させる凝縮器１３と、凝縮器１３を出た作動流体を蒸発器１０に向わせる前記圧縮機としてのポンプ１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、凝縮器１３の前段側でタービン１２を出た高温気相の作動流体と気液分離器１１を出た高温液相の作動流体とを合流させる第一吸収器１５と、気液分離器１１で分離された高温液相の作動流体を凝縮器１３から出た作動流体と熱交換させる再生器１６と、再生器１６を出た高温液相の作動流体の一部とタービン１２から抽気された一部の高温気相の作動流体とを合流させる第二吸収器１７と、第二吸収器１７から出た高温の気相及び液相作動流体を前記凝縮器１３から出た作動流体と熱交換させる第一加熱器１８と、タービン１２から抽気された一部の高温気相の作動流体と凝縮器１３から出た作動流体とを熱交換させる第二加熱器１９とを備える構成を有するものである。このうち、ポンプ１４ａ、１４ｂ、１４ｃについては、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、詳細な説明を省略する。

前記蒸発器１０は、内部に液相の作動流体と高温熱源としての所定の高温流体とを流通させ、これら作動流体と高温流体との間で熱交換を行わせる熱交換器として公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この蒸発器１０の作動流体入口側には再生器１６や第一加熱器１８、ポンプ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを経て凝縮器１３と繋がる主流路５０の配管が接続され、また、作動流体出口側には気液分離器１１と連通する配管が接続されており、熱交換により加熱された作動流体は気液分離器１１へ導入される。

前記気液分離器１１は、蒸発器１０での熱交換を経て高温且つ気液混相状態となった作動流体を、気相分と液相分とに分ける公知の装置であり、詳細な説明を省略する。作動流体は、この気液分離器１１内で気相分と液相分に分れ、タービン１２入口側と連通する配管を通じて高温気相の作動流体がタービン１２へ向う一方、再生器１６と連通する配管を通じて高温液相の作動流体が再生器１６へ向うこととなる。

前記タービン１２は、高温気相の作動流体の膨張に伴い回転する複数段のタービンを一まとめにして配置され、膨張により発電等に用いられる動力を生じさせた後、温度及び圧力を低下させた気相作動流体の大部分をタービン最終段から出口へ向わせる一方、タービンの段間から気相の作動流体を一部取出せる、すなわち抽気可能とされる従来公知の構成であり、詳細な説明を省略する。なお、このタービン１２は、複数段をそれぞれ別装置として分けて配設し、出力軸も複数としてそれぞれで発電機等を駆動する一方、各装置間から抽気を行うようにする構成としてもかまわない。

前記第一吸収器１５は、タービン１２及び再生器１６と連通し、それぞれから気相と液相の各作動流体を導入される一方、低温熱源としての所定の低温流体も流通しており、これら作動流体と低温流体とが熱交換を行う公知の熱交換器であり、詳細な説明を省略する。この第一吸収器１５では、タービン１２を出た気相の作動流体と、再生器１６を出た液相の作動流体とが同時に導入されることで、熱交換による冷却を経て、気相の作動流体が一部凝縮されると共に、気相の作動流体の一部が液相の作動流体に吸収される仕組みとなっている。

前記凝縮器１３は、第一吸収器１５と連通し、気相と液相の混相状態となっている作動流体を流入させる一方、低温熱源としての所定の低温流体も流通しており、これら作動流体と低温流体が熱交換を行う公知の熱交換器であり、詳細な説明を省略する。この凝縮器１３は、第一吸収器１５を出た気相及び液相の作動流体を同時に前記低温流体と熱交換させることで、液相の作動流体を冷却すると共に、第一吸収器１５で吸収されずに残った気相の作動流体を凝縮させる仕組みとなっている。凝縮器１３の後段側には、気相の作動流体の凝縮された分も加わった液相の作動流体を、凝縮器１３からさらに後段側へ送出すポンプ１４ａが配設される。

前記再生器１６は、凝縮器１３から各ポンプを経て蒸発器１０に向う作動流体の主流路５０中に介設され、この主流路５０を進んで蒸発器１０に達する前の液相の作動流体と、気液分離器１１で気相の作動流体と分離された直後の高温液相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、熱交換器の構造としては前記蒸発器１０や凝縮器１３同様の従来公知のものであり、詳細な説明は省略する。

この再生器１６及び気液分離器１１に通じる高温液相作動流体側の第一支流路５１は、減圧弁１６ａを介して第一吸収器１５と接続されており、再生器１６を出た液相の作動流体が、減圧弁１６ａを経由して圧力を調整された後、第一吸収器１５内へ導入される仕組みである。

前記第二吸収器１７は、気液分離器１１から再生器１６を経由して第一吸収器１５に至る第一支流路５１を進む高温液相の作動流体のうち、再生器１６を出た後の第一支流路５１所定箇所で一部抽出されたものを、タービン１２の段間から一部抽気されて第二支流路５２を進む高温気相の作動流体と混合して、この気相の作動流体を液相の作動流体に一部吸収させつつ、後段側の第一加熱器１８へ送出すものである。なお、第一支流路５１から分岐して第二吸収器１７に至る流路には、減圧弁１６ｂが配設されており、再生器１６を出た液相の作動流体が、減圧弁１６ｂを経由して圧力を調整された後、第二吸収器１７内へ導入される仕組みである。

前記第一加熱器１８は、凝縮器１３から蒸発器１０に向う作動流体の主流路５０中に介設され、再生器１６より前段側の位置でこの再生器１６に達する前の低温液相の作動流体と、前記第二吸収器１７で混合された気相と液相との混相状態にある高温作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、一般的な給水加熱器と同様の熱交換器とされてなり、詳細な説明は省略する。

この第一加熱器１８の高温作動流体側に通じる第二支流路５２は、前記主流路５０における第一加熱器１８より後段側で且つ再生器１６より前段側の位置に合流する形で接続されており、第二吸収器１７を出て第一加熱器１８における熱交換で冷却された第二支流路５２側の作動流体が、第一加熱器１８を出た後、再生器１６に達する直前の液相作動流体に加わる仕組みである。

なお、第一加熱器１８は、第二支流路５２側の高温の作動流体と主流路５０側のより低温の作動流体とが伝熱面を介して熱交換する一般的な表面接触型の加熱器とする他、主流路５０側の液相の作動流体に第二支流路５２側の高温作動流体を合流させつつ熱交換を行わせる直接接触型の加熱器とすることもできる。

前記第二加熱器１９は、凝縮器１３から蒸発器１０に向う作動流体の主流路５０中における第一加熱器１８より凝縮器１３に近い箇所に介設され、凝縮器１３を出た液相の作動流体と、タービン１２の段間から一部抽気されて第三支流路５３を進む高温気相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、一般的な給水加熱器と同様の熱交換器とされてなり
、詳細な説明は省略する。この第二加熱器１９に導入される高温気相の作動流体は、タービン１２の所定段間から抽気されて第二吸収器１７に向うものとは別の段間から抽気されたものであり、その抽気量は第二吸収器１７に向うものより少ない。

次に、本実施形態に係る蒸気動力サイクル装置のサイクル実行状態について説明する。前提として、低温熱源となる低温流体、及び、高温熱源となる高温流体を、凝縮器１３又は蒸発器１０にそれぞれ熱交換を行うのに十分な流量で導入しているものとする。

蒸発器１０では、高温熱源と、作動流体とを熱交換させる。この熱交換で加熱された作動流体は、昇温に伴いその一部、すなわち主に低沸点のアンモニアが蒸発することで気液混相状態となる。この混相状態の高温作動流体が蒸発器１０から気液分離器１１に達する。

気液分離器１１内で高温の作動流体は気相分と液相分に分れ、気液分離器１１を出た高温気相の作動流体は主流路５０を進んでタービン１２へ向い、また、高温液相の作動流体は気液分離器１１から第一支流路５１に入り、再生器１６を経た後、第一吸収器１５に向う一方、一部が分岐されて第二吸収器１７に導入されることとなる。

気液分離器１１を出た高温気相の作動流体は、低沸点のアンモニアを主成分（約９９％）とするものとなっており、この気相の作動流体がタービン１２に達するとこれを作動させることとなり、タービン１２により熱エネルギが動力に変換され、この動力で発電機等の機器が駆動されることとなる。こうしてタービン１２で膨張して仕事を行った気相作動流体は、圧力及び温度を低下させた状態となり、一部を除いてタービン１２の最終段を出て、第一吸収器１５に導入される。なお、タービン１２に導入された高温気相の作動流体の一部は、タービン段間から抽気されて第二支流路５２や第三支流路５３に入り、それぞれ第二吸収器１７や第二加熱器１９へ向うこととなる。

一方、気液分離器１１を出た高温液相の作動流体は、第一支流路５１に進み、再生器１６に導入される。再生器１６では、他方の主流路５０を通る液相の作動流体と前記高温液相の作動流体とを熱交換させ、主流路５０側の作動流体を昇温させて蒸発器１０側へ向わせる。そして、この再生器１６での熱交換で冷却された第一支流路５１側の液相作動流体は、再生器１６を出た後、減圧弁１６ａを経て第一吸収器１５に導入される。

なお、再生器１６より後段側の第一支流路５１では、液相作動流体の一部が抽出されて第二吸収器１７に達し、第二吸収器１７では、導入された一部の液相作動流体がタービン１２から抽気された一部の気相作動流体と合流する。この第二吸収器１７で、気相作動流体の一部が液相作動流体に吸収されることで、後段側の第一加熱器１８に達する気相の作動流体の量を減らして第一加熱器１８の伝熱面積を抑えられる。第二吸収器１７を出た作動流体は第二支流路５２を進んで第一加熱器１８へ向うこととなる。

第一吸収器１５では、タービン１２最終段から出て内部に導入された気相の作動流体が、同じく導入された液相の作動流体と共に、低温熱源と熱交換し、作動流体全体が冷却される中、気相の作動流体が液相の作動流体と接触し、これに一部吸収されて液相に変化する。そして、残りの未吸収分の気相作動流体は、液相の作動流体と共に凝縮器１３へ向い、作動流体は気相と液相の混相状態で凝縮器１３に導入されることとなる。

凝縮器１３では、内部に導入された気相の作動流体と液相の作動流体が、別途導入された低温熱源と熱交換し、作動流体全体が冷却される中、気相の作動流体が熱交換による冷却に伴い凝縮して液相となる。こうして全て液相となった作動流体は、凝縮器１３から外部に排出され、ポンプ１４を経由して、主流路５０を蒸発器１０へ向け進む中、第二加熱
器１９に達する。

第二加熱器１９には、タービン１２から抽気された一部の気相作動流体が第三支流路５３を経て導入されており、この高温気相の作動流体と、主流路５０を進んできた液相の作動流体とが、第二加熱器１９において熱交換することとなる。第二加熱器１８では、主流路５０側の液相の作動流体を昇温させて、第三支流路５３側の高温の作動流体の保有する熱を回収する。第三支流路５３側の高温気相の作動流体はこの第二加熱器１９での熱交換を経て冷却され、凝縮して液相となるなど、圧力と温度を低下させる。熱交換を経た第三支流路５３側の作動流体は、第二加熱器１９を出た後、第三支流路５３と主流路５０の合流点で主流路５０を流れる低温側の作動流体に加わる。そしてこの合流後の作動流体は、ポンプ４ｂを経て、第一加熱器１８に達する。

第一加熱器１８には、第二吸収器１７から第二支流路５２を経て導入された高温気相の作動流体及び高温液相の作動流体の混相流体も流通しており、この高温の気相及び液相の作動流体と、主流路５０を進んできた液相の作動流体とが、第一加熱器１８において熱交換することとなる。第一加熱器１８では、主流路５０側の液相の作動流体を昇温させて、第二支流路５２側の高温の作動流体の保有する熱を回収する。第二支流路５２側の高温の作動流体のうち、気相の作動流体はこの第一加熱器１８での熱交換を経て冷却され、凝縮して液相となるなど、圧力と温度を低下させる。熱交換を経た第二支流路５２側の作動流体は、第一加熱器１８を出た後、第二支流路５２と主流路５０の合流点で主流路５０を流れる低温側の作動流体に加わる。この合流後の作動流体は、ポンプ４ｃを経て、再生器１６に向うこととなる。

こうして凝縮器１３を出た液相の作動流体は、第二加熱器１９や第一加熱器１８、再生器１６での熱交換を経て、あらかじめ所定温度まで昇温した状態で蒸発器１０内に戻り、前記同様に蒸発器１０での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。

このように、本実施形態に係る蒸気動力サイクル装置においては、気液分離器１１で気相分と分離した高温液相の作動流体の一部を抽出し、これを第二吸収器１７でタービン１２の段間から抽気した高温気相の作動流体と混合し、液相の作動流体に気相の作動流体の一部を吸収させつつ、これら高温の液相及び気相の作動流体を、第一加熱器１８での低温液相の作動流体の加熱に用い、高温気相の作動流体の抽気分に加えて高温液相の作動流体の一部抽出分も凝縮器１３に通さないことにより、凝縮器１３での作動流体と低温熱源との熱交換量を減らして凝縮器１３の負荷をさらに低減する一方で、高温液相の作動流体の保有する熱を蒸発器１０に向う作動流体との熱交換で適切に回収でき、サイクル全体での熱効率の向上が図れる。

なお、前記実施形態に係る蒸気動力サイクル装置においては、タービン１２からの抽気を二段階で行い、抽気した高温気相の作動流体を第二吸収器１７と第二加熱器１９にそれぞれ導入する構成としているが、これに限らず、タービンからの抽気をさらに多段階で行い、前記第二加熱器同様の熱交換器を複数設けて高温気相の作動流体と凝縮器を出た液相の作動流体との熱交換を複数段階で行わせる構成としたり、逆に、図２に示すように、タービン１２からの抽気を一段のみとし、抽気した気相作動流体を前記第二吸収器１７のみに導入して前記第二加熱器を省略する構成とすることもでき、用途に合わせてタービン等膨張機で仕事を行わせる作動流体の割合を適切に調整した動力サイクルを構築できる。

本発明に係る蒸気動力サイクル装置について、熱の出入りする量や圧力等の条件を用いて熱効率を求め、得られた結果について、比較例としての従来の蒸気動力サイクルの結果と比較評価した。

まず、実施例としての本発明に係る蒸気動力サイクル装置は、前記実施形態同様、作動流体を低沸点媒体としてのアンモニアと高沸点媒体としての水との混合媒体とし、図３に示す二段抽気構成として、タービン抽気の一部を第二加熱器１９に導入して液相作動流体と熱交換するものである。図３中に示したサイクルの各点（Ａ〜Ｘ）における作動流体の圧力や温度の状態を求めて、さらにサイクルの理論熱効率を得ることとなる。

この実施例のサイクルに係る主要な条件として、まず、蒸発器１０における高温熱源側の入口温度は８０℃、出口温度は７０℃とし、これと熱交換する作動流体の蒸発器出口（Ｋ点）温度は７６℃に設定した。一方、凝縮器１３における低温熱源側の入口温度は２０℃、出口温度は２４℃とし、これと熱交換する作動流体の凝縮器出口温度（Ｂ点）温度は２１℃に設定した。

ここで、作動流体の最高圧力、すなわちタービン１２入口（Ｌ点）での圧力は、２．００×１０⁶Ｐａとしている。そして、この作動流体におけるアンモニアの濃度は６３％と
する。

気液分離器１１で気相分と分離されて第一支流路５１（Ｐ点）へ進む作動流体の液相分（ζ）は作動流体全体の９７．１％である。さらに、この第一支流路５１を進む液相作動流体のうちの８２％（作動流体全体の７９．７％）が、第一吸収器１５へ向うもの（ζ₁）であり、残り分（ζ₂）の液相作動流体が第二吸収器１７へ向うこととなる。

タービン１２へ導入された気相作動流体の一部は抽気されるが、抽気されて第二支流路５２に導入され、第二吸収器１７へ向う分（ω₁）は、作動流体全体の０．４３６％であり、また、抽気されて第三支流路５３に導入され、第二加熱器１９へ向う分（ω₂）は、作動流体全体の０．１００％である。

こうした条件に基づき、サイクルの各点（Ａ〜Ｘ）における作動流体の圧力Ｐ、温度Ｔ、アンモニア質量モル濃度Ｗ、作動流体密度ＲＨＯ、エンタルピーｈの各値を算出した結果を表１に示す。

また、比較例として、本発明に係る前記構成のうちの、第一支流路５１を進む液相作動流体の全量を第一吸収器１５に向わせ、また第二支流路５２に第二吸収器を介在させず、抽気した気相作動流体をそのまま第一加熱器１８に導入するものに相当する、従来の二段抽気構成の混合媒体サイクル装置（図４参照）についても、前期実施例と同様に、図４中に示したサイクルの各点（ａ〜ｔ）における作動流体の圧力や温度等の状態を求めて、さらにサイクルの理論熱効率を得る。

なお、作動流体の最高圧力、高温熱源や低温熱源の温度条件、作動流体の蒸発器１１０出口温度については、前記本発明に係る装置の設定値と同じである。
異なる条件として、作動流体におけるアンモニアの濃度は７０％とする。

さらに、気液分離器１１１で気相分と分離されて第一支流路６１（ｐ点）へ進む作動流体の液相分（ζ）は作動流体全体の７８．５％である。そして、タービン１１２へ導入された気相作動流体のうち、抽気されて第二支流路６２に導入され、第一加熱器１１８へ向う分（ω₁）は、作動流体全体の０．１１％であり、また、抽気されて第三支流路６３に導入され、第二加熱器１１９へ向う分（ω₂）は、作動流体全体の０．０９９％である。

こうした条件に基づき、従来サイクルの各点（ａ〜ｔ）における作動流体の圧力Ｐ、温度Ｔ、アンモニア質量モル濃度Ｗ、作動流体密度ＲＨＯ、エンタルピーｈの各値を算出した結果を表２に示す。

前記表１で示されたサイクルの各点での作動流体の状態から、実施例の理論熱効率η_thは、
η_th＝１−Ｑ_L／Ｑ_H＝１−（１−ω₁−ω₂−ζ₂）（ｈ_A−ｈ_B）／（ｈ_K−ｈ_J）
＝０．１７２
となる。

一方、前記表２で示されたサイクルの各点での作動流体の状態から、比較例としての従来サイクル装置の理論熱効率η_thは、
η_th＝１−Ｑ_L／Ｑ_H＝１−（１−ω₁−ω₂）（ｈ_a−ｈ_b）／（ｈ_k−ｈ_j）
＝０．１１７
となる。

以上から、本発明の蒸気動力サイクルは、従来の混合媒体蒸気動力サイクルより優れた効率を得られており、抽気した高温気相の作動流体を液相の作動流体に吸収させる第二吸収器を有することで、高温熱源と低温熱源の温度差をより有効に利用できることがわかる。

１蒸気動力サイクル装置
１０、１１０蒸発器
１１、１１１気液分離器
１２、１１２タービン
１３凝縮器
１４ａ、１４ｂ、１４ｃポンプ
１５第一吸収器
１６再生器
１６ａ、１６ｂ減圧弁
１７第二吸収器
１８、１１８第一加熱器
１９、１１９第二加熱器
５０主流路
５１、６１第一支流路
５２、６２第二支流路
５３、６３第三支流路

Claims

沸点の異なる複数の物質が混合された作動流体を所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で得られた高温の作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器と、前記高温の作動流体のうち気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する膨張機と、当該膨張機を出た高温気相の作動流体を前記気液分離器を出た液相分と共に所定の低温熱源と熱交換させ、気相分を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た作動流体を圧縮して前記蒸発器へ向わせる圧縮機とを少なくとも備える蒸気動力サイクル装置において、
前記膨張機が、膨張段を複数段有すると共に、一又は複数の段間から高温気相の作動流体の一部を抽気され、
前記気液分離器で分離された高温液相の作動流体と圧縮機を出て蒸発器に向う作動流体とを熱交換させる再生器と、
前記膨張機最終段を出た高温気相の作動流体を、前記気液分離器を出て前記再生器を経た高温液相の作動流体の一部と合流させると共に、高温液相の作動流体に高温気相の作動流体の一部を吸収させて、作動流体を前記凝縮器に向わせる第一の吸収器と、
前記再生器を経た高温液相の作動流体の他部を、前記膨張機から抽気された高温気相の作動流体の少なくとも一部と合流させると共に、高温液相の作動流体に高温気相の作動流体の一部を吸収させる第二の吸収器と、
前記第二の吸収器を経た高温の気相及び液相作動流体と、前記凝縮器を出た作動流体とを熱交換させる加熱器とを備えることを
特徴とする蒸気動力サイクル装置。
前記請求項１に記載の蒸気動力サイクル装置において、
前記膨張機における一又は複数の段間から抽気された高温気相の作動流体の一部を、前記第二の吸収器に向う分とは別途に導入され、当該導入された気相作動流体と前記凝縮器を出た作動流体とを熱交換させる一又は複数の熱交換器を備えることを
特徴とする蒸気動力サイクル装置。