JPH0240007A - 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】 産業上の利用分野 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。

Ａ＆炎１ 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カスタービンて燃焼され、
発生した熱エネルギーは、蒸気等により回転される膨張
ターしンにより動力として取出され、発電システムでは
この動力は発電機により電気エネルギーに転換される。

膨張により温度、圧力の低下した蒸気は復水器で冷却さ
れて水にされ循環使用されるか、冷却工程で蒸気から放
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４
２％程度にしかならない。一方、海中、大気中に放棄さ
れた熱は自然環境のエネルギーを増加させ、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かみ、エネル
ギー効率か高く、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６２−３−００８７　、特願昭
６０−７９２６１なとで牟−または複数のランキンサイ
クルと、逆うンキンザイクルとを組合せ、ランキンサイ
クルの冷却工程で放出した熱を、逆ランキンサイクルの
昇温工程の流体に供給し、ランキンサイクルの昇温工程
で外部熱源からの入熱に加えて、逆うンキンザイクルの
流体から、先に与えられた熱を戻して貰うようにし、エ
ネルギー効率を向上するようにした動力システムを提案
した。

その構成とｆ’ｌＥ用を図面にＪ：り説明する。

第３図及び第４図は夫々、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
テムの一例のモリエル線図及び系統図である。

第３図は横軸はエンタルピで縦軸は圧力である。図中■
→■−■−＠て示すサイクルはランキンサイクルて■−
■−■−■て示ずサイクルは逆うンキンサ・イクルであ
る。第・１図の系統図で左側のループは逆うンキンザイ
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■、■、・・・、■
、■、・・は第３図のモリエル線図の各状態に対応した
位置を示ず。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てもよ
い。

第３図、第４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■−■は冷却工程、■−■は昇圧工程、
■−＠は昇温工程、■−■は膨張工程であり、逆ランキ
ンサイクルの■→■は圧縮工程、■−・■は冷却工程、
■→■は膨張工程、■→■は昇温工程である。第３図中
に実線で示す気液平衡曲線はランキンサイクルを流れる
流体のものて、破線で示す気液平衡曲線は逆ランキンサ
イタルを流れる流体のものである。

第３図に示す如く、逆ランキンサイクルの冷却工程の流
体の温度Ｔ２はランキンサイクルの昇温工程の流体の温
度Ｔ　Ｉ＋より高く、ランキンサイクルの冷却工程での
流体の温度Ｔ　＋、は逆ランキンサイクルの昇温工程で
の流木の温度Ｔ０より高く、かつ、ランキンサイクルの
昇温工程◎−■の始点温度Ｔ　ＩＪは逆ランキンサイク
ルの冷却工程■−■の終点温度Ｔ３より低くされている
。又、第４図に示す如く、逆ランキンサイクルの冷却工
程■−■の流路と、ランキンサイクルの昇温工程◎−＠
の流路との間には高温側熱交換器１が、ランキンサイク
ルの冷却工程■→■の流路と逆ランキンサイクルの昇温
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■→■にはカス圧縮機３
が設けられており、エネルギーＥ、をモータにインプラ
）〜して圧縮機を駆動すると、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ｊ
■、Ｐ■、Ｔ■：以下の各状態も同様）がら■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ｌ■　がらｌ■　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３図に示１−如く
飽和液線を越えて全量液化する場合は温度は′１゛３に
なる。膨張工程■→■の経路には、膨張弁４か設けられ
ており、■の状態の液体は外部に仕事を与えることなく
等エンタルピ膨張をして低圧の状態■になる。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
より熱を与えて昇温すると、液はカス化を伴いなからエ
ンタルピを高めつ）■のカス状態に至る。

一方、ランキンサイクルでは、■の−ＩＪｅ態にある流
体の低温カスは冷却工程で低温側熱交換器２を介して逆
うンキンザイクル側に放熱することにより液ｆヒし、飽
和液線を越えた■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、次いて
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
受は取り、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、外部熱は逆ランキンサイク
ルの昇温工程に入れることもてき、同等の効果か出る。

昇温工程では、液体は当初は液状てあり、温度はＴ、１
．からＴ＋□に」−昇し、気液混合域では等温ＴＩ（て
ガス化し、全量ガス化した後再度昇温しでＴ＠の温度に
達する。高温、高圧カスは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４ｆｉ　９の低
温、低圧ガスとなり、−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昇温させ
、ランキンサイクルの昇温工程◎−■て逆ランキンサイ
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膨張工程てＥ２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
縮工程てＥ、のエネルギーが消費されるので、差引出力
エネルギーはＥ２−Ｅ、となりエネルギー効率ηは、次
の如くなる。

しかも、このシステムてはランキンサイクルでの昇圧工
程■→◎て流体を昇圧させるために昇圧ポンプ６を運転
するための機械仕事が必要であるため、システム全体の
効率は前述のηよりさらに低下するので、従来のシステ
ムより多少は改善されるものの、実用には今一っである
。

が解゛　しようと・る課 本発明は、上記の実情にかんかみ、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。

課題解決のため０＋段□ 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（、；逆ランキンサイクルとを組合せ、逆うンキン
ザイクルの冷却工程の流体の熱を熱交換器を介してラン
キンサイクルの昇温工程の流体に与え、ランキンサイク
ルの冷却工程の流体の熱を熱交換器を介して逆ランキン
サイクルの昇温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ナサイクルの昇温工程の流体に
外部より熱を与え、ランキンサイクルのポリ１−ロープ
膨張工程で外部にエネルギーを収出ず動カンステムにお
いて、ランキンサイクルの昇温工程の流ｆ本温度を逆ラ
ンキンサイクルの冷却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工程の流体温度を逆ランキンサ
イクルの昇温工程の流体温度よりも高く保つとともに、
逆ランキンサイクルの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
の出力により」−記昇圧ボンブを駆動することを特徴と
する。

作用 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
、第２図はその系統図である。

第１図中の■′−■′−■′−■′−■′は逆ランキン
サイクルであり、■′−■′−０′−０′−■′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に用い
られる流体Ａ、Ｂの気液平衡曲線及びモリエル線図は夫
々第１図に示されている。第１図ではこれらの、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は同一
の座標上に重ねて画かれている。又、流体Ａの気液平衡
曲線は実線で、流体Ｂのそれは破線で示されている。

逆ランキンサイクルの昇温サイクルは補足的に廃熱など
の温媒によりスーパーヒートしてもよい。ランキンサイ
クルの昇温工程の流体温度Ｔｌｌ′は逆ランキンサイク
ルの冷却工程の流体温度Ｔ２′よりも低く、ランキンサ
イクルの冷却工程の流体の温度ＴＬ′は逆ランキンサイ
クルの昇温工程の流体の温度Ｔ１′よりも高く保持され
ている。

第２図はこの動力システムの系統図であって、図の左側
のループは流体Ａが流れる逆ランキンサイクルであり、
右側のループは流体Ｂが流れるランキンサイクルである
。これらの経路の傍に示す符号は第１図の各サイクルの
状態を示す符号と対応している。

逆ランキンサイクルに配置された機器は第４図の例に対
して逆ランキンサイクルの膨張工程■′→■′の膨張弁
４の代りに昇圧ポンプ６′に連結した水車４′が介装さ
れ、これにより第４図例の■→■間の等エンタルピ膨張
工程が、等エントロピ膨張工程となっている。従って、
水車４′は外部に機械エネルギーを与えることか可能と
なり、現実にはランキンサイクルの昇圧工程■→◎に設
けられた昇圧ポンプ６′の昇圧仕事を補うことになる。

なお、水車９と昇圧ポンプは必ずしも機械的に連結して
エネルギーを伝達する必要はなく、水車９の出力を一度
電力に変えてもよい。また水車４′の形式はペルトン型
、フランシス型、プロペラ型などとする。流体Ｂのラン
キンサイクルの膨張工程に設けられた膨張タービン８′
によりＥ２の出力エネルギーが得られるが、この例ては
外部よりインプットされる機械エネルギーは逆ランキン
サイクルの圧縮工程でのガス圧縮機３にインプットされ
るエネルギーＥ１のみであり、エネルギー効率は第４図
に例示する従来のものに比して一段と向上する。

なお、上記実施例と発明者による先行出願との組合わせ
、たとえは、逆ランキンサイクルの昇温工程に外部熱エ
ネルギーを導入したり、Ａ、Ｂの媒体をそれぞれに多成
分系媒体にしたり、逆ランキンサイクルとランキンサイ
クルを相互に複数化したりあるいは圧縮機と膨張タービ
ンをタンデム又はクロスコンパウンドに連結したり、ス
タートアップ用の冷却系を設けることは可能である。

珈−１ 以上の如く、本発明によれは、エネルギー効率の優れた
動力システムか得られ、自然環境の熱バランスの破壊防
止にも効果か得られる。

【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
図はその実施例の系統図、第３図は本発明者かさきに提
案した動力システムのモリエル線図、第４図はその系統
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′・・・熱交換器、 ３′・・・圧縮機、 ４′・・・水車、 ６′　・・昇圧ポンプ、 ８′・・・膨張タービン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 流体を圧縮、冷却、膨張、昇温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、昇温、ポリトロー
   プ膨張、冷却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昇温工程の流体
   に与え、ランキンサイクルの冷却工程の熱を熱交換器を
   介して逆ランキンサイクルの昇温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昇温工程
   の流体に外部より熱を与え、ランキンサイクルのポリト
   ロープ膨張工程で外部に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昇温工程の流体温度を
   逆ランキンサイクルの冷却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工程の流体温度を逆ランキ
   ンサイクルの昇温工程の流体温度よりも高く保つととも
   に、逆ランキンサイクルの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。