JPH0742844B2 - 温水利用タ−ビンプラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は高温熱源として地熱水あるいは工場温廃水等を
利用する一方、炭化水素、フロンなどの低沸点媒体をサ
イクルの作動媒体しとて働かせるように構成される温水
利用タービンプラントに関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 地中から蒸発と共に噴出する地熱水あるいは各種の工場
で生ずる温廃水の利用は省エネルギーの観点から、また
エネルギー源の多様化を推し進める立場から注目され、
実用化への障害を克服するべく関係者の地道な努力が払
われている。これらの温水の利用の仕方はランキンサイ
クルの高温熱源として用いるもので、サイクルの作動媒
体には低沸点の炭化水素、フロンなどが使用される。こ
の場合高温熱源となる温水の温度はプラント効率一つを
みても高い方が望ましく、常に高い温度の温水を得るこ
とができれば、事足りるとする見方が一般的である。し
かしながら、別の観点からこの問題に立ち入るとなる
と、温水の温度が高ければ高い程次のような不都合が生
じるのもまた事実である。すなわち、第４図は蒸発器に
おける熱伝達の一般的傾向を示すもので、蒸発器の伝熱
面温度と蒸発温度との差△Tsat（壁面過熱度）が大きく
なると、ある段階までは熱流束が指数関数的に増大する
が、ある熱流束の値（限界熱流束Ｌ）に到達すると、そ
れ以上壁面過熱度が増加しても逆に熱流束が低下する現
象がみられる。これは、蒸発器における熱伝達機構が最
も望ましいとされる核沸騰から膜沸騰に遷移するために
生じたもので、この遷移沸騰が生じると、壁面温度は異
常に高くなり、蒸発器に流入する作動媒体が高温の壁面
に触れることによって熱分解が促進され、時にプラント
の運転に支障をきたすことがある。また、このような現
象が安定に持続することは極めて稀であって、絶えず発
生場所が変わることが予想され、こうした場合伝熱面温
度が不規則に上昇、下降を繰り返し、伝熱管が熱疲労の
ために破損する危険性がある。

第５図は作動媒体の温度−エントロピ線面上にランキン
サイクルの各過程と温水温度とを重ねて示すもので、温
水は作動媒体の蒸発温度T₀よりも一定以上高い温度T₁に
て蒸発器内に入り、さらに予熱器を通って各々の器内で
作動媒体に熱を奪われて温度T₂の低い温度となって器外
に流出する。このとき、温水の温度T₁と作動媒体の蒸発
温度T₀との間に大きな差があれば、壁面過熱度が遷移沸
騰域に入り、上述した現象が発生する。そして、この傾
向は蒸発温度T₀が臨界点Ｃに近い程一層強まる。

かくして、温水の温度が高い水準にある場合にも作動媒
体の蒸発が核沸騰域から外れないことを求められている
が、現状の技術ではかかる要求に殆んど応えることがで
きない。

［発明の目的］ 本発明の目的は蒸発器に導かれる温水の温度がプラント
効率を高い水準に維持するためにその限界値近くに設定
されるような場合にも、常に核沸騰域から外れない点に
て作動媒体の蒸発が行なわれるようにし、もって作動媒
体の熱分解等の発生する懸念のない改良された温水作用
タービンプラントを提供することにある。

［発明の概要］ 本発明は高温熱源としての温水を蒸発器ついで予熱器に
導いてこの予熱器を通って蒸発器内を流れる作動媒体を
沸騰蒸発せしめるようにした温水利用タービンプラント
において、作動媒体の蒸発が核沸騰域から外れて遷移沸
騰域に移行しないように、蒸発器の温水出口に至る手前
よりあるいは蒸発器の温水出口の予熱器が直列に連結さ
れる連結管より温水の一部を抽出して蒸発器の入口側温
水管に戻す温水再循環装置を設けたことを特徴とするも
のである。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

第１図において、符号１は蒸発器を示しており、この蒸
発器１から作動媒体を圧力調節弁２を介してタービン３
に導き、ここから送り出される排気を凝縮器４に回収す
るように構成する。凝縮器４にて作動媒体を液相に戻
し、これを媒体昇圧ポンプ５で昇圧して予熱器６を介し
て蒸発器１に送るようにする。

一方、予熱器６、蒸発器１の順に流れる作動媒体に対し
て、これと反対の方向つまり蒸発器１、予熱器６の順に
流れるように温水管７を蒸発器１の高温側に、排水管８
を予熱器６の低温側に、そして蒸発器１の低温側と予熱
器６の高温側とを連絡する連絡管９をそれぞれ設ける。

これらに加えて本発明では、たとえば連絡管９から分岐
されて温水管７に他端を結ばれた温水抽出移送管10を温
水再循環ポンプ11および調節弁12と共に温水再循環装置
13として設ける。なお、図中符号14は発電機を示してい
る。

次に上述した構成によるところの本発明の作用を説明す
る。

蒸発器１に向かう温水は蒸発器１の高温側より器内に入
り、そこを通る作動媒体に熱を奪われて温度が低下し、
そのうちの一定量が連絡管９を通って予熱器６の高温側
に導かれ、再び作動媒体との熱交換によりさらに低温と
なって排水管８へと導かれる。一方、温水再循環ポンプ
11により連絡管９から抽出された温水は温水抽出移送管
10を通して温水管７に戻され、温水管７内にて生の温水
と混ぜられる。このとき、両者の間には大きな温度差が
生じており、生の温水の温度が下がる。第２図はこの生
の温水の温度が下がる様子を示すもので、ここでは温水
と作動媒体との蒸発器１および予熱器６における交換熱
量を横軸に、またそれぞれの流体の温度を縦軸にとって
いる。温水が生の状態にて導かれる場合は作動媒体の蒸
発温度T₀よりも高い温度T₁にて蒸発器１に入り、作動媒
体に熱を奪われてその温度が次第に低下し、予熱器６の
出口では温度T₂まで下がることになるが、これに対して
本発明のように生の温水に対して蒸発器１を通って温度
の低下した温水を混ぜるようにすると、温度T₁よりも低
い温度T₁′に生の温水の温度が下げられる。しかも、注
目すべきことは温水と作動媒体との間で温度差が最も小
さくなる点、すなわちピンチポイントＰの温度差が何ら
変わらないということ、そして蒸発温度T₀についても生
の温水をそのまま蒸発器１に導く場合と差が生じないと
いうことである。これは蒸発器１における温水の流量が
最終的に再循環量分だけ増加することから、温水の温度
低下がそこだけ緩やかになるためである。

かくして、本発明は温水と作動媒体との間の温度差が拡
大する傾向にある領域での温度差を少なく保つことがで
き、第４図に示される壁面過熱度は常に核沸騰域内に留
まるために遷移沸騰は起こらない。したがって、壁面の
温度が異常に高くなることもないので、作動媒体の熱分
解が促進されることはなく、一方、核沸騰においては壁
面の温度が一定しているので、伝熱管の熱疲労が発生せ
ず、破損事故等も起こらない。

なお、温水抽出点は上記実施例のように蒸発器１の出口
と決まったものではない。たとえば、通常蒸発器１内に
て複数に分割されている管群ゾーンに合わせて任意の場
所から温水を抽出することが可能である。この場合、生
の温水の温度は第３図に示されるように上記実施例の場
合と比べ、下がり具合いがやや少ないが、それでもなお
温水と作動媒体との温度差を少なくするうえで有効なも
のである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は蒸発器の温水出口あるいは
出口に至る手前から温水の一部抽出して蒸発器の温水入
口に戻す温水再循環装置を設けているので、作動媒体の
蒸発が核沸騰域内にて行なわれ、作動媒体の熱分解等が
生じないという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による温水利用発電プラントの一実施例
を示す構成図、第２図および第３図は温水および作動媒
体の温度変化の様子を示す線図、第４図は一般的な蒸発
過程での沸騰曲線を示す特性図、第５図はランキンサイ
クルの各過程に重ねて示される作動媒体の温度−エント
ロピ線図である。 １……蒸発器 ３……タービン ４……凝縮器 ５……媒体昇圧ポンプ ６……予熱器 ７……温水管 ８……排水管 ９……連絡管 10……温水抽出移送管 11……温水再循環ポンプ 12……調節弁 13……温水再循環装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温熱源としての温水を蒸発器ついで予熱
   器に導いて該予熱器を通って前記蒸発器内を流れる作動
   媒体を沸騰蒸発せしめるようにした温水利用タービンプ
   ラントにおいて、前記作動媒体の蒸発が核沸騰域から外
   れて遷移沸騰域に移行しないように、前記蒸発器の温水
   出口に至る手前よりあるいは該蒸発器の温水出口の前記
   予熱器が直列に連結される連結管より温水の一部を抽出
   して該蒸発器の入口側温水管に戻す温水再循環装置を設
   けたことを特徴とする温水利用タービンプラント。