JPH0340208B2 - - Google Patents

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。

従来の技術 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、タービンを装置
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
ンにより動力として取出され、発電システムでは
この動力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が、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42％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
んがみ、エネルギー効率が高く、かつ、従来利用
されていなかつた海水の顕熱や、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、単一のラン
キクサイクルと、単一の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、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。

その構成と作用を図面により説明する。

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図の横軸はエンタルピで縦軸は圧力であ
る。図中に→→→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。第４図の系統図で左
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，，…，，，…は
第３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
ので、破線で示す気液平衡曲線は逆ランキンサイ
ク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_H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_Lは逆ランキンサ
イクルの昇温工程での流体の温度T₁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_M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→には圧縮
機３が設けられており、エネルギーE₁をモータ
にインプツト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を維持したまゝで液化を始め、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３図に示す
如く飽和液線を越えて全量液化する場合は温度は
T₃になる。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、液はガス化を伴い
ながらエンタルピを高めつゝのガス状態に至
る。

一方、ランキンサイクルでは、の状態にある
流体の低温ガスは冷却工程で低温側交換器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、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、昇圧ポンプ６により
昇圧されたの高圧状態になり、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
け取り、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。昇温工程では、流体は当初
は液状であり、温度はT_MからT_Hに上昇し、気液
混合域では等温T_H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→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。

このシステムでは逆ランキンサイクルの圧縮工
程でインプツトされるエネルギーE₁は、ランキ
ンサイクルの膨張工程での出力エネルギーE₂の
一部を消費するので、差引出力エネルギーはE₂
−E₁となりエネルギー効率ηは、次の如くなる。

η＝E₂−E₁／外部熱源からの入熱量 ……(1)発明が解決しようとする問題点 しかし、装置の機械効率、摩擦損失を考える
と、システム全体の効率はこれより低下するもの
で、従来のシステムより多少は改善されるもの
の、実用には今一つである。本発明の目的 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動力システムを提供すること
を目的とする。目的達成のための手段 本発明は、上記の目的を達成させるため、ラン
キンサイクルに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、作動
エンタルピ領域の異る複数のランキンサイクルを
単一の逆ランキンサイクルと組合せ、夫々のラン
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、
夫々の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、作動エンタルピ領域が最も低
いランキンサイクルの昇温工程の始点温度を逆ラ
ンキンサイクルの冷却工程の終点の温度よりも低
く保つことを特徴とする。作 用 以下に本発明の使用を実施例を示す図面を用い
て詳細に説明する。

第１図ａ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、′→′→′→′→′
及び″→″→″→″→″は夫々互いに作動
エンタルピ領域の異なる２つのランキンサイクル
である。

これらの逆ランキンサイクルと２つのランキン
サイクルに用いられる流体Ａ，Ｂ，Ｃの気液平衡
曲線及びモリエル線図は夫々第１図ｂ，ｃ，ｄに
示されており、第１図ａはこれらの、逆ランキン
サイクルと２つのランキンサイクルのモリエル線
図を同一の座標上に重ねて画いたものである。

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。２つのランキンサイクルの昇温工程の流体温
度T_H′及ひT_H″及びは逆ランキンサイクルの冷却
工程の流体温度（気液混合状態ではT₂′、ガス状
態ではそれよりも小さい）よりも小さく、２つの
ランキンサイクルの冷却工程の流体の温度T_L′及
びT_L″は逆ランキンサイクルの昇温工程の流体の
温度（気液混合状態はT₁′、ガス状態ではそれよ
り小さい）よりも高く保持され、作動エンタルピ
領域が低い方のランキンサイクルの昇温工程′
→′の始点′の温度は逆ランキンサイクルの冷
却工程′→′の始点′の温度よりも低く保た
れている。

第２図はこの動力システムの系統図であつて、
図の左側の１本の実線で示すループは流体Ａが流
れる逆ランキンサイクルであり、右側の内側に実
線と破線の二重線で示すループは流体Ｂが流れる
ランキンサイクルであり、外側に２重の実線で示
すループは流体Ｃ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
の例と同じであるが、高温側熱交換器１ではラン
キンサイクル２の流体Ｃ及びランキンサイクル１
の液体Ｂと順次熱交換を行ない、低温側熱交換器
２ではランキンサイクル１の流体Ｂ及びランキン
サイクル２の流体Ｃと順次熱交換を行なうように
構成されている。なお、低温側熱交換器２と圧縮
機３との間には、工場廃熱等を入熱するスーパー
ヒーター９が設けられている。一方、２つのラン
キンサイクル１，２の夫々の機器の構成、配置は
第４図のもののランキンサイクルと同じであるか
ら説明を省略する。流体Ｂのランキンサイクル１
の膨張工程に設けられた膨張タービン８により
E₂のエネルギーが出力され、流体Ｃの流れるラ
ンキンサイクル２の膨張工程に設けられたタービ
ン８によりE₃のエネルギーが出力される。

したがつて、このシステムのエネルギー効率η
は次の如くなる。

η＝E₂＋E₃−E₁／外部熱源からの入熱量 ……(2) (1)式と(2)式とを比較することにより、本発明の
システムの方が先に提案したシステムよりエネル
ギー効率が向上したことが判る。

上記実施例では１つの逆ランキンサイクルに対
して、２つのランキンサイクルを設けた例を示し
たが、１つの逆ランキンサイクルに対して３つ以
上のランキンサイクルを設けた場合は、さらにエ
ネルギー効率は向上する。

なお、第５図ａ，ｂに示す如く逆ランキンサイ
クルの冷却工程の圧力を中間で変化させ、あるい
は第５図ｃに示す如く、逆ランキンサイクルの昇
温工程の圧力を中間で変化させ、圧縮工程又は膨
張工程を２段に分け、ランキンサイクルの昇温工
程又は冷却工程をこれに追随させるようにして
も、冷却工程の放熱を昇温工程で利用する目的は
達成される。

第５図ｄ，ｅ，ｆは、逆ランキンサイクルの冷
却工程又は昇温サイクルの圧力を中間で変化させ
た場合に本発明により、作動エンタルピ領域の異
る複数（図の例では２箇）のランキンサイクルを
設けた例のモリエル線図である。

上記の各実施例は基本概念を示すものであり、
各システムに必要なバツフアー設備、弁、計器等
の付属設備は記述を省略した。

又、上述のシステムを複数組合せたシステムや
他のエネルギーシステムと組合せたシステム、あ
るいは各サイクルに使用する流体を混合液とする
ことも本発明の範畴に属するものである。効 果 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、自然環境の熱バ
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ａ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、ｂ，ｃ，ｄは夫々その各ランキンサイ
クルの個々のモリエル線図及び使用流体の気液平
衡曲線を示す図、第２図はその実施例の系統図、
第３図は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、第４図はその系統図、第５図
ａ，ｂ，ｃは逆ランキンサイクルの冷却工程又は
昇温工程の圧力を中間で変える考え方を示すモリ
エル線図、第５図ｄ，ｅ，ｆはその考え方に本発
明を適用した実施例のモリエル線図である。 ′→′→′→′→′……逆ランキンサイ
クル、′→′→′→′→′，″→″→
″→″→″……ランキンサイクル、′→′，
′→′，″→″……冷却工程、′→′，
′→′，″→″……昇温工程、１，２，７…
…熱交換器、３……圧力機、４……膨張弁、６…
…昇圧ポンプ、８……膨張タービン。

Claims (1)

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、 作動エンタルピ領域の異る複数のランキンサイ
   クルを単一の逆ランキンサイクルと組合せ、夫々
   の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、夫々の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、作動エンタルピ領域が
   最も低いランキンサイクルの昇温工程の始点温度
   を逆ランキンサイクルの冷却工程の終点の温度よ
   りも低く保つことを特徴とする動力システム。