JP6132214B2 - ランキンサイクル装置、熱電併給システム及びランキンサイクル装置の運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ランキンサイクル装置、熱電併給システム及びランキンサイクル装置の運転方法に関する。
ランキンサイクル装置の発電効率を向上させるための技術として、いくつかの方法が知られている。１つの方法は、膨張機の膨張比を大きくし、膨張機によって回収可能なエンタルピを増加させることによって、発電量を増加させる方法である。他の１つの方法は、膨張機から吐出された作動流体とポンプから吐出された作動流体との間で熱交換させる内部熱交換器（再生熱交換器）を設けることによって、蒸発器への熱入力を減らす方法である。
上記の２つの方法は、いずれもランキンサイクル装置の大型化を伴う。本発明の目的は、ランキンサイクル装置の大型化を抑制しつつ、その発電効率を向上させる技術を提供することにある。
すなわち、本発明は、
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度が設定された、ランキンサイクル装置を提供する。
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度が設定された、ランキンサイクル装置を提供する。
上記の開示によれば、ランキンサイクル装置の大型化を抑制しながら、その発電効率を向上させることができる。
内部熱交換器を使用する場合において、発電効率の向上のためには、内部熱交換器での熱交換量を増やすことが必要となる。内部熱交換器での熱交換量を増やすためには、内部熱交換器の大型化は避けられない。つまり、発電効率の向上と内部熱交換器の寸法との間には、本質的にトレードオフの関係がある。
上記の問題があるため、ランキンサイクル装置は、発電所などの大規模な設備に適用されるにとどまっている。しかし、昨今、病院、学校、図書館などの比較的小規模な施設に併設できる熱電併給システム（ＣＨＰシステム：Combined Heat and Power System）、さらには、一般家庭用のＣＨＰシステム（いわゆるマイクロＣＨＰ）が注目を浴びている（特許文献１及び２）。ＣＨＰシステムとは、単一又は複数の資源から、熱及び電力のような複数の形態のエネルギーが同時に得られるように構成されたシステムのことである。このようなＣＨＰシステムにランキンサイクル装置を適用するためには、ランキンサイクル装置の小型化が不可欠である。
本開示の第１態様は、
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度が設定された、ランキンサイクル装置を提供する。
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度が設定された、ランキンサイクル装置を提供する。
第１態様によれば、膨張機の出口における作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高い。つまり、膨張機から吐出された作動流体の温度は十分に高く、膨張機から吐出された作動流体とポンプから吐出された作動流体との間の温度差も大きい。従って、内部熱交換器において、これらの作動流体の間で効率的な熱交換が行われる。故に、第１態様の条件でランキンサイクル装置を運転すれば、内部熱交換器での熱交換効率が高まる。つまり、単位寸法（又は単位重量）あたりの内部熱交換器の熱交換量を増やすことができる。従って、第１態様によれば、内部熱交換器の大型化、すなわちランキンサイクル装置の大型化を極力回避しつつ、その発電効率を向上させることができる。
また、膨張機の出口における作動流体の温度が十分に高い場合において、膨張機から吐出された高温の作動流体とポンプから吐出された低温の作動流体とを熱交換させると、低温の作動流体は、熱交換の過程で液相から気液二相へと変化しうる。気液二相の作動流体は、液相の作動流体よりも内部熱交換器において高い熱伝達率を示す。このことも内部熱交換器での熱交換効率の向上に貢献する。
また、従来のランキンサイクル装置において、ポンプ効率ηが低い場合、内部熱交換器での作動流体の温度差が非常に小さくなる可能性がある。なぜなら、ポンプ効率ηが低いことは、ポンプでの損失が大きいことを意味し、ポンプでの損失は基本的に熱エネルギーに変換され、その一部が作動流体に与えられるからである。すると、ポンプから吐出された作動流体の温度が上昇する。さらに、ポンプから内部熱交換器までの配管で作動流体が熱を受け取り、作動流体の温度が上昇する可能性もある。最悪の場合、ポンプから吐出された作動流体の温度と膨張機から吐出された作動流体の温度との間の大小関係が逆転する可能性がある。この場合、発電効率の悪化を招くだけでなく、サイクルの制御性も低下する。
これに対し、第１態様によれば、膨張機の出口において作動流体の温度が十分に高い。そのため、ポンプ効率ηが低い場合でも上記した問題が発生することを防止できる。従って、発電効率の悪化を抑制でき、サイクルの制御性も良好である。さらに、膨張機と内部熱交換器の位置関係、配管の長さなどの設計の自由度も向上する。
本開示の第２態様は、第１態様に加え、サイクルの高圧側における前記作動流体の圧力を検出する圧力センサ及びサイクルの高圧側における飽和温度を検出する温度センサからなる群より選ばれる少なくとも１つと、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を検出する温度センサ及び前記膨張機の出口における前記作動流体の温度を検出する温度センサからなる群より選ばれる少なくとも１つと、をさらに備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
第２態様によれば、サイクルの変動に追従して膨張機の出口における作動流体の温度を正確に調節することが可能となる。その結果、年間を通じて発電効率の向上を図ることができる。特に、サイクルの高圧側における飽和温度及び膨張機の出口における作動流体の温度を直接検出すれば、サイクルの変動に対する制御の追従性が良くなり、年間を通じてより高い発電効率を達成できる。
本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加え、前記作動流体が有機作動流体である、ランキンサイクル装置を提供する。通常、有機作動流体の沸点は低い。そのため、有機作動流体を使用すれば、熱源の温度が約３００℃未満の場合においても高効率で発電することができる。
本開示の第４態様は、第１〜第３態様のいずれか１つに加え、前記膨張機が容積型の膨張機である、ランキンサイクル装置を提供する。容積型の膨張機は膨張比を大きくすることが困難なため、発電効率の向上のために内部熱交換器を使用する場合が多い。つまり、容積型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の発電効率を向上させるためには内部熱交換器での熱交換量を増やす必要がある。従って、容積型の膨張機を用いたランキンサイクル装置にとって、内部熱交換器の大型化を抑制するための技術は、非常に意義のある技術となる。
本開示の第５態様は、第１〜第４態様のいずれか１つに加え、前記内部熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が流れる低温側流路を有し、前記低温側流路において、出口に近い部分の流路断面積が入口に近い部分の流路断面積よりも大きい、ランキンサイクル装置を提供する。このような構成によれば、気液二相状態の作動流体に起因する圧力損失が低減するので、ポンプの動力を減らすことができる。このことも、発電効率の向上に寄与する。
本開示の第６態様は、第１〜第５態様のいずれか１つに加え、前記内部熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が流れる低温側流路と、前記膨張機から吐出された前記作動流体が流れる高温側流路とを有し、前記低温側流路の流路断面積が前記高温側流路の流路断面積よりも小さい、ランキンサイクル装置を提供する。ポンプから吐出された作動流体は、内部熱交換器の低温側流路において、液相状態又は気液二相状態である。作動流体が液相状態又は気液二相状態のとき、その体積循環量は小さい。従って、第６態様によれば、内部熱交換器の大型化を抑制する効果が高まる。
本開示の第７態様は、
第１〜第６態様のいずれか１つのランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の凝縮器において前記作動流体を冷却する低温熱源としての熱媒体が流れる熱媒体回路と、
を備えた、熱電併給システムを提供する。
第１〜第６態様のいずれか１つのランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の凝縮器において前記作動流体を冷却する低温熱源としての熱媒体が流れる熱媒体回路と、
を備えた、熱電併給システムを提供する。
第１〜第６態様のいずれか１つのランキンサイクル装置を使用すれば、発電効率を向上させつつ、小型のＣＨＰシステムを提供できる。
本開示の第８態様は、第７態様に加え、前記熱媒体が水であり、前記凝縮器で作られた温水が給湯及び暖房から選ばれる少なくとも１つに使用される、熱電併給システムを提供する。作動流体の低温排熱を有効利用することによって、ランキンサイクル装置の総合熱効率を向上させることができる。
本開示の第９態様は、第７態様に加え、前記熱媒体が空気であり、前記凝縮器で作られた温風が室内の暖房に使用される、熱電併給システムを提供する。作動流体の低温排熱を有効利用することによって、ランキンサイクル装置の総合熱効率を向上させることができる。
本開示の第１０態様は、
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備えたランキンサイクル装置を運転する方法であって、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を設定する、方法を提供する。
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体と前記ポンプから吐出された前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備えたランキンサイクル装置を運転する方法であって、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を設定する、方法を提供する。
第１０態様の方法によれば、第１態様のランキンサイクル装置と同じ効果が得られる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。
図１に示すように、本実施形態の熱電併給システム１００Ａ（以下、ＣＨＰシステムと称する）は、熱源１０、ランキンサイクル装置２０Ａ、熱媒体回路３０及び制御装置５０を備えている。ＣＨＰシステム１００Ａは、熱源１０の熱エネルギーを使用して、温水及び電力を同時に得ることができるように構成されている。「同時に」とは、温水を供給しながら電力も供給できるという意味である。
本実施形態において、熱媒体回路３０を流れる熱媒体は水である。ただし、熱媒体回路３０で加熱されるべき熱媒体は水に限定されない。熱媒体回路３０は、ブライン、空気などの他の熱媒体を加熱するように構成されていてもよい。
熱源１０は、ランキンサイクル装置２０Ａの作動流体を加熱するために使用される。熱源１０の種類は特に限定されない。例えば、排熱、地熱などの熱を水、オイルなどの流体で回収し、高温蒸気又は高温オイルを得る。得られた高温蒸気又は高温オイルの供給源を熱源１０として使用できる。熱源１０として、ボイラーを使用してもよい。
ランキンサイクル装置２０Ａは、膨張機２１、凝縮器２２、ポンプ２３及び蒸発器２４を備えている。これらのコンポーネントは、閉回路を形成するように複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。ランキンサイクル装置２０Ａには、さらに、内部熱交換器２５が設けられている。
膨張機２１は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機２１の回転軸には、発電機２６が接続されている。膨張機２１によって発電機２６が駆動される。膨張機２１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。
膨張機２１として、容積型の膨張機が推奨される。一般に、容積型の膨張機は、ターボ型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機はこのような特性を持っているので、容積型の膨張機を使用すれば熱需要の変化に伴う発電量の変化に柔軟に対応することができる。また、電力の需要の変化に対しても高効率を維持したまま発電量を増減できる。
容積型の膨張機は膨張比を大きくすることが困難なため、発電効率の向上のために内部熱交換器を使用する場合が多い。つまり、容積型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の発電効率を向上させるためには内部熱交換器の熱交換量を増やす必要がある。従って、容積型の膨張機を用いたランキンサイクル装置にとって、内部熱交換器の大型化を抑制するための技術は、非常に意義のある技術となる。
また、膨張機２１として、開放型の膨張機を使用できる。この場合、発電機２６の冷却が容易である。膨張機２１が密閉型又は半密閉型の膨張機である場合、すなわち、発電機２６が膨張機２１の容器内に収容されている場合、発電機２６の温度上昇を抑制するための手段が膨張機２１の容器の中に設けられていることが望ましい。そのような手段は、例えば、特開２０１２−１２７２０１号公報及び特開２００９−１７４４９４号公報に開示されている。
凝縮器２２は、熱媒体回路３０の中の水と膨張機２１から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却し、水を加熱する。凝縮器２２として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。凝縮器２２の種類は、熱媒体回路３０の中の熱媒体の種類に応じて適切に選択される。熱媒体回路３０の中の熱媒体が水などの液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。熱媒体回路３０の中の熱媒体が空気などの気体のとき、フィンチューブ熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。
ポンプ２３は、凝縮器２２から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を蒸発器２４に供給する。ポンプ２３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。
蒸発器２４は、熱源１０で生成された熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器２４として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。熱源１０から供給された高温流体（例えば高温蒸気）とランキンサイクル装置２０Ａの作動流体とが蒸発器２４において熱交換する。これにより、ランキンサイクル装置２０Ａの作動流体が加熱され、蒸発する。
内部熱交換器２５は、いわゆる再生熱交換器であり、膨張機２１から吐出された作動流体とポンプ２３から吐出された作動流体とを熱交換させる。具体的に、内部熱交換器２５は、低温側流路２５ａと高温側流路２５ｂとを有する。低温側流路２５ａには、ポンプ２３から吐出された作動流体が流れる。高温側流路２５ｂには、膨張機２１から吐出された作動流体が流れる。内部熱交換器２５として、例えば、プレート式熱交換器を使用できる。
ランキンサイクル装置２０Ａは、さらに、圧力センサ４１、吸入温度センサ４２、吐出温度センサ４３及び飽和温度センサ４４を備えている。圧力センサ４１は、サイクルの高圧側における作動流体の圧力を検出する。吸入温度センサ４２は、膨張機２１の入口における作動流体の温度を検出する。吐出温度センサ４３は、膨張機２１の出口における作動流体の温度を検出する。飽和温度センサ４４は、サイクルの高圧側における飽和温度を検出する。
ランキンサイクル装置２０Ａの作動流体として、有機作動流体を好適に使用できる。通常、有機作動流体の沸点は低い。そのため、有機作動流体を使用すれば、熱源１０から供給された高温流体の温度が約３００℃未満の場合においても高効率で発電することができる。
有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素などの有機化合物を使用できる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。その他、作動流体として、水、二酸化炭素、アンモニアなどの無機作動流体を使用できる可能性もある。
熱媒体回路３０は、凝縮器２２においてランキンサイクル装置２０Ａの作動流体を冷却する低温熱源としての水（熱媒体）が流れる回路である。熱媒体回路３０の中の水は、内部熱交換器２５から流出した作動流体によって加熱される。熱媒体回路３０には、ポンプ３１及び放熱器３２が設けられている。放熱器３２は、例えば、室内の床暖房設備の一部である。凝縮器２２で作られた温水がポンプ３１によって放熱器３２に供給され、室内の暖房に使用される。つまり、本実施形態では、熱媒体回路３０は温水暖房回路である。市水を凝縮器２２で加熱する場合には、凝縮器２２で作られた温水を給湯に使用することもできる。作動流体の低温排熱を有効利用することによって、ランキンサイクル装置２０Ａの総合熱効率を向上させることができる。
本実施形態のように、熱媒体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が水などの液体のとき、熱媒体回路３０は複数の配管にて形成されうる。これに対し、熱媒体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が空気などの気体のとき、熱媒体回路３０は気体を流すための風路又はダクトにて形成されうる。凝縮器２２で作られた温風が室内に供給され、室内の暖房に使用される。
制御装置５０は、熱源１０、ポンプ２３、発電機２６、ポンプ３１などの制御対象を制御する。制御装置５０には、センサ４１〜４４から検出信号が入力される。制御装置５０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御装置５０には、ＣＨＰシステム１００Ａを適切に運転するためのプログラムが格納されている。本実施形態において、制御装置５０はＣＨＰシステム１００Ａの全体を制御するために使用される。しかし、ランキンサイクル装置２０Ａを制御するための制御装置と、それ以外の制御対象を制御するための制御装置とが分かれていてもよい。
熱媒体回路３０で生成された温水は、シャワー、蛇口、貯湯タンクなどの他の設備にも供給されうる。すなわち、熱媒体回路３０は、低温の温水を再加熱する目的で使用されてもよいし、市水を加熱する目的で使用されてもよい。
ＣＨＰシステム１００Ａは、例えば、以下の手順で運転される。
まず、ポンプ２３を動かしてランキンサイクル装置２０Ａの運転を開始させる。適切なタイミングで熱媒体回路３０のポンプ３１を動かして熱媒体回路３０で水を循環させる。作動流体の循環量が所定の循環量に達したら熱源１０から蒸発器２４に高温流体を供給する。ランキンサイクル装置２０Ａの作動流体は、蒸発器２４において高温流体から熱を受け取り、過熱状態の気相の作動流体へと変化する。高温かつ気相の作動流体は膨張機２１へと送られる。膨張機２１において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機２６が駆動される。これにより、発電機２６において電力が生成される。膨張機２１から吐出された作動流体は、内部熱交換器２５の高温側流路２５ｂを経由して凝縮器２２に流入する。作動流体は、凝縮器２２において、熱媒体回路３０を循環する水によって冷却され、凝縮する。熱媒体回路３０の中の水は作動流体によって加熱される。熱媒体回路３０で温水が生成され、生成された温水は放熱器３２へと供給される。凝縮した作動流体はポンプ２３によって加圧され、内部熱交換器２５の低温側流路２５ａを経由して再び蒸発器２４に送られる。
次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して本実施形態のランキンサイクル装置２０Ａの運転と従来のランキンサイクル装置の運転との相違を説明する。なお、図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、作動流体としてイソペンタンを使用した場合のｐ−ｈ線図である。
図２Ｂに示すように、従来のランキンサイクル装置（例えば、特許文献２）において、膨張機の入口で作動流体は過熱された気相状態にある（点ａ）。膨張機に液相の作動流体が吸い込まれないように、適度な過熱度が確保される。膨張機の出口においても、作動流体は過熱状態にある（点ｂ）。ただし、過熱度はあまり大きくない。一方、ポンプから吐出された作動流体の過冷却度は比較的大きい。
図２Ｂの従来のサイクルによると、点ｂ（１１４℃）からサイクルの低圧側における飽和温度（９０℃）までの温度差が非常に小さいので、内部熱交換器での熱交換効率は良くない。つまり、僅かな熱を再生するのにも大きな熱交換器が必要になる。もとより、図２Ｂのサイクルでは、内部熱交換器での熱交換量を増やすことも不可能である。なぜなら、点ｂ（１１４℃）から飽和蒸気線（９０℃）までの比エンタルピ差が小さいからである。しかも、点ｂの温度は１１４℃なので、高圧側の作動流体を１１４℃より高くすることは不可能である。つまり、高圧側の作動流体が内部熱交換器の中で液相状態のままである。
図２Ａに示すように、本実施形態のランキンサイクル装置２０Ａにおいても、膨張機２１の入口で作動流体は過熱された気相状態にある（点Ａ１又はＡ２）。膨張機２１の出口においても、作動流体は過熱状態にあり、その過熱度は十分に大きい（点Ｂ１又はＢ２）。つまり、本実施形態では、膨張機２１の出口における作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度（図２Ａでは１５４℃）よりも高くなるように、膨張機２１の入口における作動流体の温度が設定されている。
図２Ａに示すサイクルにおいて、膨張機２１から吐出された作動流体は十分に大きいエンタルピを持っている。膨張機２１から吐出された高温の作動流体とポンプ２３から吐出された低温の作動流体との温度差は十分に大きい。従って、内部熱交換器２５において、これらの作動流体の間で効率的な熱交換が行われる。故に、図２Ａに示すサイクルでランキンサイクル装置２０Ａを運転すれば、内部熱交換器２５での熱交換効率が高まる。つまり、単位寸法（又は単位重量）あたりの内部熱交換器２５の熱交換量を増やすことができる。従って、本実施形態によれば、内部熱交換器２５の大型化、すなわちランキンサイクル装置２０Ａの大型化を極力回避しつつ、その発電効率を向上させることができる。
また、膨張機２１の出口における作動流体の温度が十分に高い場合において、膨張機２１から吐出された高温の作動流体とポンプ２３から吐出された低温の作動流体とを熱交換させると、低温の作動流体は、熱交換の過程で液相から気液二相へと変化しうる。気液二相の作動流体は、液相の作動流体よりも内部熱交換器２５において高い熱伝達率を示す。このことも内部熱交換器での熱交換効率の向上に貢献する。
また、従来のランキンサイクル装置において、ポンプ効率ηが低い場合、内部熱交換器での作動流体の温度差が非常に小さくなる可能性がある。なぜなら、ポンプ効率ηが低いことは、ポンプでの損失が大きいことを意味し、ポンプでの損失は基本的に熱エネルギーに変換され、その一部が作動流体に与えられるからである。すると、ポンプから吐出された作動流体の温度が上昇する。さらに、ポンプから内部熱交換器までの配管で作動流体が熱を受け取り、作動流体の温度が上昇する可能性もある。最悪の場合、ポンプから吐出された作動流体の温度と膨張機から吐出された作動流体の温度との間の大小関係が逆転する可能性がある。この場合、発電効率の悪化を招くだけでなく、サイクルの制御性も低下する。
これに対し、図２Ａに示すサイクルによれば、膨張機２１の出口において作動流体の温度が十分に高い。そのため、ポンプ効率ηが低い場合でも上記した問題が発生することを防止できる。従って、発電効率の悪化を抑制でき、サイクルの制御性も良好である。さらに、膨張機２１と内部熱交換器２５の位置関係、配管の長さなどの設計の自由度も向上する。
さらに、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、サイクルの圧力条件（高圧及び低圧）が同じであれば、下記式（１）の関係が成り立つ。従って、内部熱交換器２５に加えて、膨張機２１の入口における作動流体の温度を上げると、発電効率の向上させることができる。
ｈ2−ｈ1＜ｈ4−ｈ3＜ｈ6−ｈ5・・・（１）
ｈ2−ｈ1＜ｈ4−ｈ3＜ｈ6−ｈ5・・・（１）
以上の通り、本実施形態の技術によれば、ランキンサイクル装置２０Ａの大型化を抑制しつつ、その発電効率を向上させることができる。
図２Ａに示すようなサイクルでランキンサイクル装置２０Ａを運転するためには、サイクルの高圧側における飽和温度と、膨張機２１の出口における作動流体の温度とが必要である。高圧側における飽和温度は、飽和温度センサ４４で直接検出することもできるし、圧力センサ４１の検出結果から知ることもできる。膨張機２１の出口における作動流体の温度は、吐出温度センサ４３で直接検出することもできるし、吸入温度センサ４２の検出結果から推定することもできる。従って、圧力センサ４１及び飽和温度センサ４４からなる群より選ばれる少なくとも１つと、吸入温度センサ４２及び吐出温度センサ４３からなる群より選ばれる少なくとも１つとが設けられている限り、図２Ａに示すサイクルでランキンサイクル装置２０Ａを運転するために必要な制御を実行できる。
具体的には、センサ４１〜４４を使用すれば、サイクルの変動に追従して膨張機２１の出口における作動流体の温度を正確に調節することが可能となる。その結果、年間を通じて発電効率の向上を図ることができる。特に、サイクルの高圧側における飽和温度及び膨張機２１の出口における作動流体の温度を直接検出すれば、サイクルの変動に対する制御の追従性が良くなり、年間を通じてより高い発電効率を達成できる。
本実施形態では、膨張機２１の入口における作動流体の温度が所望の温度に調節されるように、熱源１０を制御する。例えば、熱源１０から蒸発器２４に蒸気の形で熱が供給される場合には、蒸気の供給量を調節することによって膨張機２１の入口における作動流体の温度を所望の温度に調節することができる。
また、内部熱交換器２５の低温側流路２５ａにおいて、出口に近い部分の流路断面積を入口に近い部分の流路断面積よりも大きくすることができる。このような構成によれば、気液二相状態の作動流体に起因する圧力損失が低減するので、ポンプ２３の動力を減らすことができる。このことも、発電効率の向上に寄与する。例えば、入口から低温側流路２５ａの全長の半分の位置までの部分の流路断面積を相対的に小さくし、低温側流路２５ａの全長の半分の位置から出口までの部分の流路断面積を相対的に大きくすることができる。
さらに、内部熱交換器２５において、低温側流路２５ａの流路断面積を高温側流路２５ｂの流路断面積よりも小さくすることができる。ポンプ２３から吐出された作動流体は、低温側流路２５ａにおいて、液相状態又は気液二相状態である。作動流体が液相状態又は気液二相状態のとき、その体積循環量は小さい。従って、流路断面積が上記の関係を満たすとき、内部熱交換器２５の大型化を抑制する効果が高まる。
なお、前述したように、低温側流路２５ａが一定の流路断面積を有していることは必須ではない。従って、低温側流路の流路断面積は、流路の体積を流路の全長で割ることによって算出されうる。このことは、高温側流路２５ｂにも当てはまる。
（変形例）
図３に示すように、変形例に係るＣＨＰシステム１００Ｂは、ランキンサイクル装置２０Ｂを備えている。ランキンサイクル装置２０Ｂは、膨張機２１（第１膨張機２１と称する）に直列に接続された第２膨張機２７を備えている点で図１に示すランキンサイクル装置２０Ａと相違している。ランキンサイクル装置２０Ｂのその他の構成は、図１に示すランキンサイクル装置２０Ａと共通である。
図３に示すように、変形例に係るＣＨＰシステム１００Ｂは、ランキンサイクル装置２０Ｂを備えている。ランキンサイクル装置２０Ｂは、膨張機２１（第１膨張機２１と称する）に直列に接続された第２膨張機２７を備えている点で図１に示すランキンサイクル装置２０Ａと相違している。ランキンサイクル装置２０Ｂのその他の構成は、図１に示すランキンサイクル装置２０Ａと共通である。
第１膨張機２１から吐出された作動流体が第２膨張機２７に吸入される。作動流体は、第１膨張機２１及び第２膨張機２７においてこの順番で膨張する。第１膨張機２１は、蒸発器２４の出口から最も近い位置に配置された膨張機である。第２膨張機２７は、内部熱交換器２５の入口から最も近い位置に配置された膨張機である。第２膨張機２７の回転軸には、第２発電機２９が接続されている。第２膨張機２７によって第２発電機２９が駆動される。第１膨張機２１と同じように、第２膨張機２７も容積型又はターボ型の膨張機でありうる。第２膨張機２７の型式は、第１膨張機２１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
本変形例では、第２膨張機２７の出口における作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、第１膨張機２１の入口における作動流体の温度が設定される。つまり、複数の膨張機２１及び２７が設けられている場合には、内部熱交換器２５の入口から最も近い位置に配置された膨張機（第２膨張機２７）の出口における作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、蒸発器２４の出口から最も近い位置に配置された膨張機（第１膨張機２１）の入口における作動流体の温度が設定される。これにより、図１に示すランキンサイクル装置２０Ａで得られる効果と同じ効果が得られる。
なお、作動流体が第１膨張機２１のみ又は第２膨張機２７のみで膨張するように、第１膨張機２１及び第２膨張機２７は、並列に配置されていてもよい。
本明細書に開示された技術は、電力のみを生成するシステムだけでなく、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムに好適に採用できる。本明細書に開示された技術は、特に、小型化が要求されるシステムに好適に採用できる。
Claims (11)
- 作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出されて前記凝縮器で冷却される前の前記作動流体と前記ポンプから吐出されて前記蒸発器で加熱される前の前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口と前記凝縮器の入口との間には、サイクルの高圧側の前記作動流体とサイクルの低圧側の前記作動流体とを熱交換させる手段としては、前記内部熱交換器のみが設けられており、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度が設定された、ランキンサイクル装置。 - サイクルの高圧側における前記作動流体の圧力を検出する圧力センサ及びサイクルの高圧側における飽和温度を検出する温度センサからなる群より選ばれる少なくとも１つと、
前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を検出する温度センサ及び前記膨張機の出口における前記作動流体の温度を検出する温度センサからなる群より選ばれる少なくとも１つと、
をさらに備えた、請求項１に記載のランキンサイクル装置。 - 前記作動流体が有機作動流体である、請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置。
- 前記膨張機が容積型の膨張機である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 前記内部熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が流れる低温側流路を有し、
前記低温側流路において、出口に近い部分の流路断面積が入口に近い部分の流路断面積よりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。 - 前記内部熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が流れる低温側流路と、前記膨張機から吐出された前記作動流体が流れる高温側流路とを有し、
前記低温側流路の流路断面積が前記高温側流路の流路断面積よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。 - 前記ポンプから吐出されて前記蒸発器で加熱される前の前記作動流体が前記内部熱交換器の内部で液相から気液二相へと変化する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の凝縮器において前記作動流体を冷却する低温熱源としての熱媒体が流れる熱媒体回路と、
を備えた、熱電併給システム。 - 前記熱媒体が水であり、
前記凝縮器で作られた温水が給湯及び暖房から選ばれる少なくとも１つに使用される、請求項８に記載の熱電併給システム。 - 前記熱媒体が空気であり、
前記凝縮器で作られた温風が室内の暖房に使用される、請求項８に記載の熱電併給システム。 - 作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された前記作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機と、
前記膨張機から吐出された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機から吐出されて前記凝縮器で冷却される前の前記作動流体と前記ポンプから吐出されて前記蒸発器で加熱される前の前記作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
を備え、
前記膨張機の出口と前記凝縮器の入口との間には、サイクルの高圧側の前記作動流体とサイクルの低圧側の前記作動流体とを熱交換させる手段としては、前記内部熱交換器のみが設けられているランキンサイクル装置を運転する方法であって、
前記膨張機の出口における前記作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を設定する、方法。
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