JPH02241911A - 動力システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産　　　の 本発明は、外部より熱エネルギーを供給して、動力の形
でエネルギーを回収する動力システム、特に省エネルギ
ーと環境保全に役立つ動力システムに関する。

願胆交え 石油、石炭、核等の燃料を燃焼させて得られる熱エネル
ギーから動力を取出す発電システム等の動力システムに
おいては、従来、タービンを装備するランキンサイクル
のボイラで燃焼され、あるいはガスタービンとランキン
サイクルの複合サイクル中のガスタービンで燃焼され、
発生した熱エネルギーは、蒸気等により回転される膨張
タービンにより機械仕事として収出され、発電システム
ではこの機械仕事は最終的には発電機により電気エネル
ギーに転換される。

断熱膨張により温度、圧力の低下した蒸気は復水器で冷
却凝縮されて水にされ循環使用されるが、冷却凝縮工程
で蒸気から放出された熱は海水、大気中に放出され利用
されることなく海や空中に捨てられ、また、ボイラから
の排ガスは煙突から放出され、Ｎ　ＯｘやＣ０２を大気
に放出する。ＮＯＸは高度に効率化された脱硝装置やボ
イラの２段燃焼で低減されるが、Ｃ０２については、近
年、地球レベルの温窒化現象の元凶とされていることは
周知のとおりである。その結果、動力システムのエネル
ギー効率は低下し、装置の機械効率や配管の摩擦損失等
を含めて、４０乃至４２％程度にしかならない。一方、
海中、大気中に放棄された熱や排気ガスは自然環境のエ
ネルギーを増加させるばかりでなく、周辺環境の汚染、
地球環境の変化をもたらす結果となる。

本発明者は、従来のランキンサイクルによる発電システ
ム等の動力システムの上述の問題点にかんがみ、エネル
ギー効率が高く、かつ、従来利用されていなかった海水
の顕熱や、発電所、工場等の廃熱を利用し、有価燃料の
消費を減少させるとともに、自然環境の保全に役立つ動
力システムを提供することを目的として、さきに特願昭
６０５３３７８、特願昭６２−１００８７．特願昭６０
−７９２６１、特願昭６３−１８８２５９などで単一ま
たは複数のランキンサイクルと、逆ランキンサイクルと
を組合せ、ランキンサイクルの冷却凝縮工程で放出した
熱を、逆ランキンサイクルの加熱工程の流体に供給し、
ランキンサイクルの加熱工程で外部熱源からの入熱に加
えるとともに、逆ランキンサイクルの流体から、先に与
えられた熱を戻して貰うようにし、結果として、ランキ
ンサイクルの断熱膨張仕事と逆ランキンサイクルの断熱
圧縮仕事との差を機械仕事としてシステム外に取出すよ
うにした動力システムを提案した。

その構成と作用を図面により説明する。

第８図は、単一のランキンサイクルと単一の逆ランキン
サイクルとを組合せて構成した動力システム例のモリエ
ル線図である。

図中横軸はエンタルピで縦軸は圧力である。図中■→■
−◎→［Ｆ］で示すサイクルはランキンサイクルで■−
■→■→■で示すサイクルは逆ランキンサイクルである
。また、図中の実線及び破線で表わした曲線は、それぞ
れ逆ランキンサイクル流体とランキンサイクル流体の気
液平衡線（凝縮開始及び蒸発開始を示す線）である。

第９図は第８図例のシステムの系統図である。

図には主要機器及び配管系のみを示し補機及び計装等は
省略されている０図中左側のループは逆ランキンサイク
ルの経路を示し、右側のループはランキンサイクルの経
路を示す。経路の傍に示した符号の、■、・・・・・・
、■、■、・・・・・・は第９図のモリエル線図の各状
態に対応した位置を示す。ランキンサイクルと逆ランキ
ンサイクルとに夫々使用される流体は同一のものでも異
るものでもよい。

第８図、第９図を参照して各サイクルを説明する。ラン
キンサイクルの■−■は冷却凝縮工程、■→◎は昇圧工
程、◎−◎は加熱工程、◎−のは断熱膨張工程であり、
逆ランキンサイクルの■−■は圧縮工程、■→■は冷却
凝縮工程、■→■は等エンタルピ膨張工程、■−■は加
熱工程である。

第８図に示す如く、逆ランキンサイクルの冷却凝縮工程
の流体の温度Ｔ２はランキンサイクルの加熱工程の流体
の温度ＴＨより高く、ランキンサイクルの冷却凝縮工程
での流体の温度ＴＬは逆ランキンサイクルの加熱工程で
の流体の温度Ｔ工より高く、かつ、ランキンサイクルの
加熱工程◎→◎の始点温度ＴＭは逆ランキンサイクルの
冷却凝縮工程■−■の終点温度Ｔ、より低くされている
。又、第９図に示す如く、逆ランキンサイクルの冷却凝
縮工程■→■の流路と、ランキンサイクルの加熱工程◎
→◎の流路との間には高温側熱交換器１が、ランキンサ
イクルの冷却凝縮工程■→■の流路と逆ランキンサイク
ルの加熱工程■→■の流路との間には低温側熱交換器２
が設けられている。

逆ランキンサイクルの圧縮工程■→■にはガス圧縮機３
が設けられており、エネルギーＥ１をモータＭにインプ
ットして圧縮機３を駆動すると、このサイクルを流れる
流体のガスの状態は■（エンタルピ、圧力、温度が夫々
ｉ■、Ｐ■。

Ｔ■；以下の各状態も同様）から■に変化する。

■の状態のガスは高温側熱交換器１によりランキンサイ
クル側に熱を奪われて冷却し、温度Ｔ２に至り、更に冷
却すると温度Ｔ２を維持したま−で液化を始め、エンタ
ルピはｉ■　からｉ■　に変化する。この場合、必ずし
も全量液化する必要はないが、第８図に示す如く気液平
衡線の左側部分く蒸発開始線）を越えて全量液化する場
合は温度はＴ３になる０等エンタルピ膨張工程■→■の
経路には膨張弁４が設けられており、■の状態の液体は
等エンタルピ膨張（いわゆるジュールトムソン膨張）を
して低圧低温の状態■になる。この場合、本発明者が特
願昭６３−１８８２５９で提案した如く、膨張部分に水
車を設けて外部に仕事を取出すこともできる。この状態
の液体に低温側熱交換器２を介してランキンサイクル側
より熱を与えて加熱すると、状態■の流体はガス化を伴
いながらエンタルとを高めつ−■のガス状態に至る。

一方、ランキンサイクルでは、■の状態にある流体の低
圧低温ガスは冷却凝縮工程で低温側熱交換器２を介して
逆ランキンサイクル側に放熱することにより液化し、蒸
発開始線を越えた■において完全液化し、レシーバ５に
貯溜され、外部より機械エネルギーを投入して回される
昇圧ポンプ６により昇圧され◎の高圧状態になり、次い
で高温側熱交換器１を介して逆ランキンサイクルより熱
を受は収り、さらに熱交換器７により外部熱源より熱を
供給され昇温する。ちなみに、本発明者の発明に係る特
願昭６１−２４１９３３号の如く、外部熱は逆ランキン
サイクルの加熱工程に入れることもでき、同等の効果が
出る。加熱工程では、流体は当初は液状であり、温度は
ＴＭからＴＨに上昇し、気液平衡線（左側の蒸発開始線
右側の凝縮開始線）に囲まれた気液混合域では等温ＴＨ
でガス化し、全量ガス化した後再度昇温してＴ■の温度
に達する。高温、高圧ガスは断熱膨張工程で膨張タービ
ン８によりエネルギーＥ２を外部に出し、■の状態の低
温、低圧ガスとなり、このサイクルを繰返す。

以上の如く、この動力システムでは、ランキンサイクル
の冷却凝縮工程■−■で、このサイクルの流体から放出
されたエネルギーは海水中や大気中に捨てられることな
く、逆ランキンサイクルの流体に与えられてこれを加熱
して昇温させ、ランキンサイクルの加熱工程◎→◎で逆
ランキンサイクルの流体から戻されるので、従来の冷却
凝縮工程で海水中又は大気中に放熱していた動力システ
ムに比較してエネルギー効率は向上し、自然環境の温度
上昇防止効果も向上する。

このシステムではランキンサイクルの断熱膨張工程でＥ
ｌの出力エネルギーが得られるが、逆ランキンサイクル
の圧縮工程でＥｌのエネルギーが消費されるので、差引
出力エネルギーはＥｌ−Ｅｌとなりエネルギー効率ηは
、次の如くなる。

Ｅ２−Ｅ工 要約すれば、この動力システムは、個々の熱サイクルと
しては必らずしも効率が高いとは云えない２つの熱サイ
クルを組合せ、一方の熱サイクルで放出する熱を他方の
熱サイクルが受取り、両サイクル間の熱のアンバランス
分を外部熱源がちの入熱で補い、その外部入熱に相当す
る機械仕事を外部に取出そうとするものである。

したがって、システム成立の条件は、当然のことながら
、Ｅ２−Ｅ里の値が極力大きくなるような流体の組合せ
の選定及び適切な圧力、温度の設定に掛ってくる。

また、システム内部で不可避的に生ずる機械損失や発熱
を適切に除去してやらなければ、システム内に熱エネル
ギーが蓄積し、システムの効率ηが低下し、極端な場合
にはシステムの成立が困難になる。

上記構成の動力システムの成立性の評価に当っては、上
述のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）によるだけ
でなく、さらに、温度−エネルギ線図による評価も必要
であることが、本発明者による種々の動力システムにつ
いての評価作業の結果判明した。すなわち、第１０図に
示す如く、たて軸にこのシステムを構成するランキンサ
イクルと逆ランキンサイクルの流体の温度を取り、横軸
に第８図のエンタルピに夫々のサイクルの流体の流量を
乗じて得られるエネルギを取って、各サイクルの線図を
画いた場合、両サイクルの流体の物性差に起因して、シ
ステム上の矛盾が出てくることがあることが判った。な
お、上記のランキンサイクルと逆ランキンサイクルの夫
々の流体の流量は、低温側熱交換器（第９図の符号２）
でランキンサイクルと逆ランキンサイクルとの間に同一
の熱エネルギが授受されるように設定し、外部熱源のエ
ネルギは高温側熱交換部で補充インプットし、説明の便
宜上、ポンプ仕事による熱の発生や流体の圧力損失は考
慮していない、その場合、図において、高温側熱交換部
で逆ランキンサイクル側からランキンサイクル側へ伝熱
がなされるべきところ、一部に温度逆転が生ずる例が見
られ、その場合には、このシステムは成立たない、した
がってこの構成の動力システムでは、この面からの評価
も欠くことができない。

が　゛しよ゛　　る 本発明は、上記の実情にかんがみ、さらにエネルギー効
率の優れた実用に耐える動力システムを提供することを
課題とする。

−゛のｔ・めの 本発明は、上記の課題を解決させるため、ランキンサイ
クルと逆ランキンサイクルとを組合せ、逆ランキンサイ
クルの冷却凝縮工程の流体の熱を熱交換器を介してラン
キンサイクルの加熱工程の流体に与え、ランキンサイク
ルの冷却凝縮工程の流体の熱を熱交換器を介して逆ラン
キンサイクルの加熱工程の流体に与えるとともに、ラン
キンサイクルまたは逆ランキンサイクルの加熱工程の流
体に外部より熱を与え、ランキンサイクルの断熱膨張工
程で外部に機械エネルギーを取出す動力システムにおい
て、ランキンサイクルの加熱工程の流体温度を逆ランキ
ンサイクルの冷却凝縮工程の流体温度よりも低く保ち、
ランキンサイクルの冷却凝縮工程の流体温度を逆ランキ
ンサイクルの加熱工程の流体温度よりも高く保つととも
に、ランキンサイクルの加熱工程の始点温度が逆ランキ
ンサイクルの冷却凝縮工程の終点温度より低くなるよう
に設定し、さらに、ランキンサイクルの加熱工程をラン
キンサイクル流体の該当圧力における凝縮開始平衡点の
近傍において終了せしめるようにしたことを特徴とする
。

上記発明の勤カシステムにおいて、逆うンキン゛サイク
ルの断熱膨張工程に水車を介装しランキンサイクルの昇
圧工程に昇圧ポンプを介装し、上記の水車の出力を上記
の昇圧ポンプの駆動々力の一部として投入するようにし
てもよい。

これらの動力システムでは、ランキンサイクルの昇圧工
程を位置のエネルギーを利用して行なうことも可能であ
る。

本発明の動力システムにおいては、逆ランキンサイクル
の流体流量を、ランキンサイクルの冷却凝縮工程での放
出熱エネルギーと、該サイクルの内部発熱との和に見合
う熱量を吸収し得る流量に設定するのがよい。

艷−吐 以下に本発明の作用を実施例を示す図面を用いて詳細に
説明する。

第１図は本発明の動力システムの実施例のモリエル線図
である。

第１図中の■′−■′−■′→■′→■′は逆ランキン
サイクルであり、■′→■′→◎′→◎′→■′はラン
キンサイクルである。

これらの逆ランキンサイクルとランキンサイクルは説明
の便宜上同一の座標上に重ねて描いであるが、夫々のサ
イクルに用いられる流体Ａ、Ｈの気液平衡曲線及びモリ
エル線図は夫々実線と破線で表わされている。

第１図の例では、逆ランキンサイクルは、第８図の従来
例と同様であるが、ランキンサイクルについては、加熱
工程の終了点を、このサイクルに用いられる流体Ｂの気
液平衡線（破線で示す）の凝縮開始線の近傍で止め、現
実には僅かに図において凝縮開始線の右側に設定する。

従って、それに引続く断熱膨張工程は、流体Ｂの気液平
衡線の左側の気液混合域で行なわれ、膨張タービンの吐
出ガスは湿ったガスとなる０本発明では、ランキンサイ
クルを上記の如く設計したので、ランキンサイクルの加
熱工程で流体Ｂの温度はＴＭ→Ｔｎ’と変化するのみで
、第２図の温度−エネルギー線図に示す如く、ランキン
サイクルの加熱工程で、ランキンサイクルと逆ランキン
サイクルとの間に第１０図にみられたような温度逆転部
が生ずることはない、したがって、逆ランキンサイクル
からランキンサイクル側への伝熱は円滑に行なわれる。

この実施例では、第８．９図で説明した従来例と同様、
低温側熱交換器（第９図の符号２）にてランキンサイク
ルと逆ランキンサイクルとの間に同一の熱受授が行なわ
れており、システムの概略構成は、第９図と同様である
。

なお、設計によっては、第３図の如く、逆ランキンサイ
クルの膨張工程の膨張弁４の代りに、水車４′を設け、
回転機械力を外部に取出すようにすることも可能である
。又、その回転機械力でランキンサイクルのポンプの駆
動力を補なうこともできる。

本発明の動力システムは、ランキンサイクルと逆ランキ
ンサイクルとを組合せ、相互に熱を受授して運転を続け
る点に特徴があるのであるが、現実には、システム内部
の機械損失や発熱でや−もすれば両サイクル間の熱のバ
ランスが崩れ、システム内に予期せぬ熱の蓄積が生ずる
可能性がある。このことを、第４図により説明する。第
４図はランキンサイクルのモリエル線図のＩＩＮを示す
ものであり、理論的には、■′−■′−◎′−◎′−■
′を辿るランキンサイクルは、ポンプ。

膨張タービンの機械ロスのみを考慮に入れた場合でも、
［Ｆ］−■′−［Ｆ］−〇′−［Ｆ］の工程を辿ること
になる。こへで、状態［Ｆ］と状態■′とのエンタルピ
差をΔｉα供すると、 Δｉ弱＝　ｉｌ−ｉ■ であり、６１弱は理論上はΔｉｉの膨張仕事が膨張ター
ビンの効率により劣化し、実用上はΔＬｍの仕事しか出
さないために生ずる損失であり、同様にして、ΔＬｍは
ポンプ仕事によるエネルギー損失である。

結果として、低温側熱交換器でランキンサイクルが逆ラ
ンキンサイクルに伝熱すべき熱量は、Δｉ幽からΔＬｍ
に増大する。これに対して、逆ランキンサイクルの加熱
工程でのエンタルピ上昇量は、第１図からΔＬｍである
から、逆ランキンサイクル流体Ａの流量ＷＡとランキン
サイクル流体Ｂの流量ＷＢの関係は、理論上は であるところ、実用上は とすればよい、これにより、自然に膨張タービンやボン
１仕事の損失を拾い上げて吸収できる。

また、回転機の軸受などで発生する発熱や、システム系
外からの入熱については、たとえばランキンサイクルの
加熱工程の加熱前の液を一部導いて冷却するなどの方策
を施すことが可能であり、その分だけ流体Ｂのエンタル
ピが上るため、外部よりの必要入熱量を減することがで
きる一方で、システム内の熱の蓄積を回避することがで
きる。

なお、第１図、第２図、第３図、第９図に示した例では
、低温側熱交換器２でランキンサイクルと逆ランキンサ
イクルとの間で同一熱量の受授を行ない、高温側熱交換
部で逆ランキンサイクルと外部熱源からランキンサイク
ルに熱を与えるようにしているが、本発明では、外部熱
源からの熱を低温側熱交換部で与えるようにすることも
可能である。すなわち、第３図及び第４図に示す如く、
高温側熱交換部においては逆ランキンサイクルからラン
キンサイクルへの熱の移動のみを行なうようにし、結果
として低温側熱交換部に両サイクル間の熱の不均衡が生
ずるようにし、外部よりの熱を上記不均衡部、すなわち
逆ランキンサイクルの加熱工程に投入するようにするこ
ともできる。

この場合のシステムの概略構成を第７図に示す、すなわ
ち、逆ランキンサイクルの低温側熱交換器２″の下流側
に外部熱源から熱を投入することができる熱交換器７″
が設けられている。

又、以上説明した各実施例のランキンサイクルの昇圧ポ
ンプを位置のエネルギーを利用した昇圧手段に置換する
ことも可能である。

又、ランキンサイクル及び逆ランキンサイクルの流体を
夫々多成分系媒体とすることも可能である。

その他、圧縮機、タービンを多段にしたり、圧縮機をイ
ンタークーラを介装した型式にしたり、あるいはレシプ
ロ型式にしたりすることも可能であり、又、圧縮機とタ
ービンとをタンデムに直結したり、相互間にクラッチや
トルクコンバータを介装することも可能である。又、圧
縮機のモータとタービンのモータは別個にすることも、
併用型にすることも可能である。

本発明のシステムの運用に必要な補助システム、例えば
Ｎ２ガスによるパージ系の付加、起動用モータ等スター
トアップ用設備の付加等は上記の実施例には述べられて
いないが当然配慮さるべきものである。

本システムは、例えば零度Ｃ以下の低温域でも構成可能
なため、そのような場合には、スタートアップに先立ち
、システムのクールダウンが必要となる。クールダウン
設備は、所定温度の冷熱を供給する冷凍設備を別設する
か、あるいは本システムの構成要素の一部又は全部をス
タードア・ツブ用のマニュアルに従って運用してもよい
０例えば、逆ランキンサイクル系にクールダウン用の圧
縮機と熱交換器を設け、逆ランキンサイクル流体そのも
のを圧縮、凝縮、膨張して冷熱を作り出すことなども可
能である。

以上の如く、本発明によれば、エネルギー効率の優れた
動力システムが得られ、自然環境の熱ノくランスの破壊
防止にも効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のシステムを構成する逆ランキ
ンサイクルとランキンサイクルのモリエル線図、第２図
はその実施例の温度−エネルギ線図、第３図はその実施
例の系統図、第４図はその実施例のランキンサイクルの
理論的及び現実のモリエル線図を比較して示す説明図、
第５図、第６図及び第７図は夫々本発明の別の実施例の
モリエル線図、温度−エネルギ線図及び系統図、第８図
、第９図及び第１０図は夫々本発明者がさきに提案した
動力システムのモリエル線図、系統図及び温度−エネル
ギ線図である。 ■′→■′→■′→■′→■′ ・・・逆ランキンサイクル、 ■′−〇′−◎′−〇′−■′ ・・・ランキンサイクル、 ■′→■′、■′−■′・・・冷却工程、■′→■′、
◎′→■′・・・昇温工程、■′→◎′・・・昇圧工程
、 ■′→■′・・・膨張工程、 １’、２’、７′、７″・・・熱交換器、３’、３”・
・・圧縮機、 ４′・・・水車、 ６′、６″・・・昇圧ポンプ、 ８／、８１１・・・膨張タービン 第 図 逆う〉ヤンブイク】し 第 図 工ンタノしご 第 図 〇− 兎ｐ 第 図 エネＩＬギー （エータ１しヒ゛Ｘｔ−）） 第 図 ニジ９ルヒｅ 第 図 コニ和しＸ− （二〉り）Ｌヒ゛×ｊ（寺）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体を圧縮、冷却凝縮、膨張、加熱する一連の工
   程を有する逆ランキンサイクルと、流体を昇圧、加熱、
   断熱膨張、冷却凝縮する一連の工程を有するランキンサ
   イクルとを組合せ、逆ランキンサイクルの冷却凝縮工程
   の流体の熱を熱交換器を介してランキンサイクルの加熱
   工程の流体に与え、ランキンサイクルの冷却凝縮工程の
   熱を熱交換器を介して逆ランキンサイクルの加熱工程に
   与えるとともに、ランキンサイクル又は逆ランキンサイ
   クルの加熱工程の流体に外部より熱を与え、ランキンサ
   イクルの断熱膨張工程で外部に機械エネルギーを取出す
   動力システムにおいて、ランキンサイクルの加熱工程の
   流体温度を逆ランキンサイクルの冷却凝縮工程の流体温
   度よりも低く保ち、ランキンサイクルの冷却凝縮工程の
   流体温度を逆ランキンサイクルの加熱工程の流体温度よ
   りも高く保つとともに、ランキンサイクルの加熱工程の
   始点温度が逆ランキンサイクルの冷却凝縮工程の終点温
   度より低くなるように設定し、さらに、ランキンサイク
   ルの加熱工程をランキンサイクル流体の該当圧力におけ
   る凝縮開始平衡点の近傍において終了せしめるようにし
   たことを特徴とする動力システム。
2. （２）請求項１に記載の動力システムにおいて、さらに
   、逆ランキンサイクルの断熱膨張工程に水車を介装しラ
   ンキンサイクルの昇圧工程に昇圧ポンプを介装し、上記
   の水車の出力を上記の昇圧ポンプの駆動々力の一部とし
   て投入することを特徴とする動力システム。
3. （３）請求項１又は２に記載の動力システムにおいて、
   ランキンサイクルの昇圧工程を位置のエネルギーを利用
   して行なうことを特徴とする動力システム。
4. （４）請求項１乃至３のいずれか１項に記載の動力シス
   テムにおいて逆ランキンサイクルの流体流量を、ランキ
   ンサイクルの冷却凝縮工程での放出熱エネルギーと、該
   サイクルの内部発熱との和に見合う熱量を吸収し得る流
   量に設定したことを特徴とする動力システム。