JPH07506163A - 発電施設における作動流体発生のための装置及び方法 - 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】 発電施設における作動流体発生のための装置及び方法本発明は、動力発生施設の 発動機に供給する作動媒体発生のための装置と方法に関する。その中でも特に、 低ポテンシヤル熱エネルギーや高ポテンシャル熱エネルギーを、機械エネルギー や電気エネルギーに変換する発電施設のパワープラントエンジニアリングの分野 に関するものであり、そしてまた、そのような施設の作動媒体の準備手段の分野 に関する。

技術的背景 現存する発電施設は高ポテンシャル熱源を利用している。施設は、中間熱伝達を 有する閉回路と動力タービン、そして作動媒体を加熱、冷却するための熱交換器 を持つ。（ソ連特許第７０１４７号明細書参照）。

また、発電施設としては、駆動タービン、冷却器、循環ポンプ、そして作動媒体 を準備するための二つあるいはそれ以上のチャンバと、それら全てを結ぶ配管と からなるものがある。これらのチャンバはタービンとつながっており、ヒーター 、分離器、そして外部に対するシール機構を具備する。循環ポンプは冷却器と各 チャンバに接続され、液体循環用の回路を構成する。（ソ連特許第１１７０１８ ０号明細書参照）。

発電施設の作動媒体を準備するための手段として、中間熱伝達媒体回路を揮発性 の液体で満たし、圧縮機で圧縮された空気によって熱交換器内で蒸発させ、その 蒸気をタービンに供給するものがある。（ソ連特許第７０１４７号明細書参照） 。

更にまた、発電施設の作動媒体を準備するための手段として、一つまたはそれ以 上のチャンバに液体を満たし、チャンバの一つに付加的な要素を導入して、その 圧力を上げ、その中で形成された作動媒体を加熱し、そして作動媒体をタービン に供給し、これらの作業が他のチャンバで引き続き起こることからなるものがあ る。（ソ連特許第１１７０１８０号明細書参照）。

発明の開示 本発明の主要な目的は、熱エネルギーや機械エネルギーの無駄な損失を取り除く ことにより発電施設の効率を引き上げ、低ポテンシヤル熱や高ポテンシャル熱を 作動サイクルに利用し、熱から仕事への変換に生態学的に健全なシステムを創造 することである。

この目的を達成するため、本発明は、請求項１に記載したガス膨張エンジンに作 動媒体を供給するための装置を得るにある。

貯蔵手段は複数の個別の容器により構成し、送給手段には各容器からエンジンへ 作動媒体を供給する配管を設け、そして制御手段は前記配管を通して各容器から エンジンへ作動媒体を順次供給するように作動するバルブからなる。

装置は、ガス再循環のための一つあるいはそれ以上の回路を形成するために容器 に接続される一つのガス過給機を具備しても良い。更に容器は、一つあるいは複 数の外部分離器、モして／または、ガス水和物乳濁液の出口を経由して容器へ接 続される一つの外部反応器を具備してもよく、一方、分離器はチャンバの出口に 設けられ液の出口を経由してチャンバの内部につながり、チャンバは更に液の循 環回路につながる。本装置はまた、−個の熱交換器からなる加熱器と冷却器を備 えてもよく、異なる温度の二つの熱伝達媒体が外部熱源から間欠的に供給される 。本装置はまた、負荷が発電機の形式のとき、電気分解装置を具備してもよい。

電気分解装置は発電機に接続され、更に電気分解装置の反応チャンバは付加した 熱交換器に接続されて、電気分解によって発生した熱をエンジン（タービン）に 入る前のシステム作動媒体に与えるための、付加的な熱回収回路を形成する。

施設には他のタービンが装備されてもよく、電気分解装置は酸素と水素を受け取 り可能なように設計されているので、付加されたタービンに接続される酸素出口 を備える。

本発明はまた、請求項１９に記載の方法を提供する。このように本発明は、液体 で満たされた一つあるいはそれ以上のチャンバに低圧のガス状の成分を導入し、 それが液体によって吸収され固相（ｓｏｌｉｄ−ｐｈａｓｅ）の化合物を形成し 、更に加熱によって同じチャンバあるいは他のチャンバの中で分解して高圧ガス 状の作動媒体を生じせしめ、発電施設でタービンを駆動することからなる。液体 そしてガス相の成分として用いられる物質はそれぞれ、水と、メタン−プロパン 混合気のような水と反応してガス水和物を形成するガスであり、一方チャンバ内 での熱−質量伝達過程の最適条件は、外部の熱伝達媒体によって冷却される水の 再循環と、反応しなかったガスの再循環によって達成される。更に、作動媒体は タービンに供給される前に、高温の熱伝達媒体によ−）で付加的に加熱されても よい。

図面の簡単な説明 本発明の具体化例は以下の添付図を例として説明される。

図１は本発明の第１の実施例の発電施設の線図的説明図である。

図２は本発明の第２実施例の発電施設の線図的説明図である。

図３は図１および図２の装置に利用可能な電気分解装置の線図的説明図である。

図４はガス水和物の熱力学的平衡状態を示すグラフで、特に、メタン−プロパン 混合物（Ｃｔ１４→−Ｃ，ｌＩ＊　）　ｘ６１１．０で比重０．６のものである 。

図５Ａ、５Ｂ、及び図６は変更例を示す。

図１に於て、発電施設は、発電機４の形の負荷を駆動するタービン３と、タービ ン３に供給するガス状の作動媒体を得るためのガス水和物を形成する反応器を備 えた二つあるいはそれ以上のチャンバ５．６、そしてタービン３に作動媒体を供 給し、また排出するのに使われる配管ｌと２から成り、それらの配管１，２はタ ービン３とチャンバ５．６と共に閉回路を形成する。チャンバ５．６は乳化器（ ｅｍｕｌｓａＬｏｒ）　７．８と、チャンバ５．６の上部にある分離器５Ｓ、６ Ｓを含む。チャンバ５．６は循環ポンプ９、ＩＯを介して液体１１１２の循環の ための回路に含まれ、該回路は熱交換器１３．１４を含も。これらの熱交換器は 外部から選択可能な加熱器と冷却器で、配管１５．１６と調整可能な三相バルブ １７．１８を通して外部熱源から異なる温度の二つの熱伝達媒体か間欠的に供給 される。熱伝達媒体を加熱するために用いられる物質は、産業施設からの排熱や 、太陽熱変換器、熱吸収式ヒートポンプ装置、あるいはまた産業や自然界からの 蒸気の凝縮熱等によって加熱された、例えば水のような低ポテンシヤル熱伝達液 体である。熱伝達媒体を冷却するために用いられる物質は、熱伝達媒体を加熱す る物質１（より温度か低い液体であれば何でもよい。この熱伝達媒体は適当な水 源から得られる水でよく、例えば、適当な温度レベルの水は、貯水池の色々な深 さから得ることかできる。加熱用の熱伝達媒体の温度は例えば２８℃（図４のＢ ′点）で、冷却用の熱伝達媒体の温度は４℃（図４のＡ゛点）でよい。装置には タービン３に送られる作動媒体を加熱するため、高温の熱交換媒体との軌交換１ ｉ１９かタービン３の前に付加されてもよい。

高温の熱交換媒体として利用できるガスには、例えば、内燃機関の排気ガスや産 業施設からのｖト煙等が考えられる。装置にはガススーパーチャージャー２０も しく（まコンプレッサーが、チャンバ５、Ｇ内での未反応ガスを再循環させるた め、三方調節弁２１と調節弁２２．２３を介してチャンバ５．６につながるよう に設けられる。

該ガススーパーチャージャー２０は、共通の出口バイブ２６をもった再循環回路 ２４．２５内に設けられる。チャンバ５．６は、ガス循環回路２９．３０内にあ り、同回路内には閉止弁２７．２８が設けられる。本装置で作動媒体として使わ れる物質は、同装置内でガス水和物を形成したり分解したりするもので、例えば ８５％のメタンに１５２６のプロパンを加えた、比重０．６の（ＣＩＬ　＋Ｃ， ＩＩＩ）　Ｘ６１１□０という混合物である。

また、水にグリコールを加えるような、作動媒体（ガス水和物）の形成過程の効 率を上げる特別な添加物を用いることも可能である。作動媒体の準備のために、 チャンバの一つ、例えばチャンバ５（図１）には、弁２３と２７および回路２４ を閉める弁２１か閉の状態で、開いている弁２２を介して水が満たされる。ガス 、例えばメタン−プロパン混合気は、乳化ａ　（ｅｍｕｌｓａＬｏｒ）　７を経 由して、チャンバ５の圧力がガス水和物の形成に必要なレベル、例えば１５気圧 （図４の点Ａ）に到達するまで、この水の中を通過する。ガス水和物の形成によ って、反応チャンバ内に熱が発生ずる。チャンバ５内でのガス水和物の形成反応 を安定化させるために、ポンプ９はチャンバ５から、冷却用熱伝達媒体が供給さ れている熱交換器１３を通して水を汲み上げる。それと同時に、スーパーチャジ ャ−２０が、未反応ガスを再循環させるために用いられる。ガス水和物の形成過 程は、そのチャンバがガス水和物で十分に満たされたときに止められる。これに 続いて、熱交換器１３に熱い（温かい）熱伝達媒体が導入されるようバルブ１７ が操作され、チャンバ５に熱が移送され、高圧下でガス水和物の分解が引き起こ される。開放され高圧になったガスはチャンバ５の上部に設けられたセパレータ ー５３によって水滴から分離される。これによってチャンバ５内にはガス水和物 の分解温度で決まる作動圧力（図４、点Ｂ）、例えば３００気圧が発生する。こ れに続いてバルブ２７が開けられ、高圧ガスかタービン３に供給されて仕事を発 生し、発電機、例えば発電機４を駆動する。

ガスがタービン３に供給されている間、チャンバ５内の水の加熱は続けられる。

チャンバ５からタービンへガスが供給されている間に、上述のガス水和物の製造 反応は、チャンバ６内でバルブ２３．２８と熱交換器１４を用いて続けられる。

ガス水和物の全てが分解し、チャンバ５内の圧力が降下しはじめたら、バルブ２ ７は閉じられ、チャンバ６内の水の加熱が始まる。チャンバ６で作動圧が十分高 まったのち、バルブ２８は開けられ、高圧になったガスがチャンバ６からタービ ン３に供給される。高温の熱伝達媒体源があるところでは、熱交換器１９がター ビンへ入る前のガス温を更に高めるために使われ、それによってタービンの出力 が増大する。

タービン３へのガスの連続供給や、回路中での圧力の変動を最小にするためには 、上述の反応チャンバを必要な数だけ設置し、それを順次連続して運転すればよ い。

装置は外部反応器５４（図２）が組み付けられてもよく、その出口３２を経由し て、循環ポンプ３３と調節弁３４と３５を通ってチャンバ５＾、６＾に接続され る。一方チャンバ５＾、６Ａはそれぞれ調節弁３６．３７と配管５５を経由して 冷却器（クーラー）３８につながれ、それによって液体の循環のための回路３９ と、反応器５４の下部５６につながっているポンプ３９Ａにつながる。スーパー チャージャー２０は、反応器５４の上部３１、排気管２、そして乳化ａ　（ｅ＋ ｕｕｌｓａＬｏｒ）７Ａに接続され、ガス循環回路４０を形成する。装置は、チ ャンバ５．６の上部につながった外部分離１Ｇ４１を含んでもよく、その出口管 ４２を介して液体循環回路４３につながる。この液体循環回路４３は、低ポテン シヤル外部熱伝達媒体を用いるヒーター４４、ポンプ４５、そしてチャンバ５． ６につながった調節弁４６−４９を含む。更に、多数のチャンバが用いられる時 は、セパレータ４１はレシーバ−の機能を果たし、タービン３へのガスの一定供 給を可能にする。

装置は、タービン３の負荷が発電機４の形式である場合、電気分解装５１５０を 備えてもよい。この場合、電気分解装置５０の反応チャンバは、高温熱伝達媒体 を用いる他の熱交換器１９に接続し、電気分解の熱を装置の作動サイクルに戻す ための付加的な循環回路５１を形成する。例えば水素と酸素を製造するための電 気分解装置５０には、増設タービン５３に接続される酸素の出口５２が設けられ る。外部反応装器５４と分離器４１を持った装置では、ガス水和物の形成は貯蔵 チャンバ５．６の外で行なわれる。これは外部の貯蔵タンクからの蒸留水（添加 物を含んでもよい）で、反応器５４と液体循環回路３９を満たすことによってな される。システムが水で満たされている時は、上述の作動ガスはバルブ３４．３ ５が閉している乳化Ｗ（ｅ墓ｕｌｓａｖｏｒ）７Ａを通してくみあげられる。同 時に、水はクーラー３８を通って連続的に循環しており、未反応ガスはインペラ ーファン２０によって循環させられている。反応器５４で形成されたガス水和物 の乳化物は、ポンプ３３によってチャンバの一つ、例えば、バルブ３４が開いて おりバルブ２７が閉まっているチャンバー５＾に送り込まれる。ガス水和物がチ ャンバを満たずにしたがって、残留水は配管５５を通って回路３９へ押し出され る。これにつづいて、バルブ４６．４８が開かれ、バルブ３４．３６は閉しられ 、そして水はポンプ４５によって、ヒーター４４を通ってくみあげられる。

同時にチャンバ５Ａの中でガス水和物は高圧下で分解し、ガスはチャンバ５の貯 蔵部に貯まる。ヒーター４４を通ってくみあげられている水の温度が安定したら 、バルブ２７か開かれ、ガスは作動圧で分離器４１に入り、そこで水滴と分離さ れた後、バイブｌを経由してタービンに導かれる。同時にヒーター４４を通して の水のくみあげは続く。ガスが全てチャンバ５Ａから一定圧力下で出路わると、 バルブ４６と４８は閉じられる。引き続いて上述の過程はチャンバ６Ａで繰り返 され、チャンバ６Ａはガス水和物で満たされる。タービンから送られたガスは配 管２を通って乳化器７＾に導かれ、反応器５４の水の層の中で泡立ち、その結果 として、装置の運転過程で連続的にガス水和物が製造される。

多数のチャツバか存在し、外部セパレータ４１か設けられているなら、その外部 セパレータはシステムのガス圧力の変動を押さえるレシーバ−の機能を果たす。

本装置に電気分解装置５０か用いられ、その反応チャンバが高温熱伝達媒体を用 いる増設熱交換器１９につながれるなら、電気分解で発生ずる熱を有効に利用す ることができる。本発明に従えば、本装置は高い熱負荷や機械負荷から開放され るので、高度な運転信頼性を持ち、従って安価な材料か使用でき、作動サイクル も高度に自動制御される。本発明は発電コスｉ・の大幅な削減を可能にするもの である。

図５Ａはガス水和物のより効率的な形成を提供する他の実施例であり、またより 大出力の発電能力を与えるものである。この変更例は、水流の中にガスを引いた り、吸い込んだりする誘導原理で作動し、この構成はリキッドジェット（あるい はストリーム）コンプレッサとして記述されている。例えば一端に大きな断面積 を持つ入口マニホルド６１と他端にチャンバ５．６あるいは５４につながる吐出 口６２Ｂをもったスロート内にミキシングチャンバ６０か設けられる。高圧再循 環水用の導入管６３はマニホルド６１内に伸び、スロートの集合入口６２Ａのと ころには吐出ノズル６３Ａかあり、一方別の導入管６４はマニホルド６１にガス を供給する。運転中、再循環している高圧の冷却された水Ｗは、ノズル６３＾か ら放出され、マニホルド６１内のガスは、ジ五ソト導入口６２Ａを介して流水中 に吸い込まれ、ガスと水のミキシングはミキシングチャンバ６０の中でおこり、 ガス水和物が効率的、効果的に形成される。

図５Ａは単一の流体ジエソトコンブレノサを示すか、多量のガス水和物を生成し たり、連続的により大きな出力をｉ！４るためには、そのような装置の一連に並 んだバンク（あるいはハソテリー）を使うことも可能であり、図５Ｂにそのよう なノくノテリーを示す。この場合コンプレッサーバンクはチャンバ５４の５４＾ ゾーンに位置し、複数のミキシングチャンバ６０を決めるスロートの一連の配置 からなる。高圧の冷却された水は、（図５八に示されている）ミキシングチャン バ６０のそれぞれに対応した複数のディスヂャージノズル６３Ａを持つチャンバ ５４中のマニホルド６３Ｍに導かれ、一方ガスはチャンバー５４上に適当に設け られた入口６４Ａに導かれる。

図５Ｂに示されたコンプレッサーバンクの働きは、図５Ａに示されたコンプレッ サーのそれと全く同等である。図６は、本発明のシステムに応用できる動力発生 装置の代替案を示す。この中で、タービン３．３′、・・・からなる、２つある いはそれ以上の膨張エンジンは直列に配置され、ガス水和物から発生する作動媒 体も順次己れらタービンを通過する。増設熱交換器１９は連続したタービン３． ３゛の間の流路に設けられ、動力発生装置の運転において効率を上げるためにタ ービンの間を通過する作動媒体を中間加熱するために用いられる。

産業への適用 本発明は、永続的な、生態学的に健全な発電装置の創造を意図したもので、再生 可能な自然の低ボテンシャル熱エネルギー源の活用を狙ったものである。本発明 はまた種々の動力発生のための技術プロセスに組み合わせることも可能で、それ らのυＦ熱を有用な仕事に変換し、効率を高めるので、例えば水素の経済的な製 造か可能である。

本発明はもちろん発電装置以外の、例えば揚水設備にも利用可能であり、また、 一般に種々のガス膨張エンジンへ作動媒体を供給するために用いることかできる 。

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Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．ガス膨張エンジン、特にターピンのような回転動力モータに作動媒体を供給 するため、作動媒体を製造する発生手段（５、６）と、エンジン（３）に該作動 媒体を供給する送給手段（１）とを具える作動媒体供給装置において、該発生手 段（５、６）には、エンジン（３）に供給する作動媒体を得るためのガス水和物 を生成するための反応手段を設け、該反応手段によって生成されるガス水和物を 蓄える貯蔵手段（５、６）を設け、該送給手段（３０、１）には、貯蔵手段（５ 、６）からエンジン（３）への作動媒体の送給を制御する制御手段を設けたこと を特徴とする作動媒体供給装置。
2. ２．貯蔵手段には、複数の個別の容器（５／６、５Ａ／６Ａ）を設け、該容器（ ５／６、５Ａ／６Ａ）からエンジン（３）へ作動媒体を供給する導管手段を前記 供給手段（３０、１）に設け、また制御手段には、該導管を経由してエンジン（ ３）へ容器（５／６、５Ａ／６Ａ）からの作動媒体を順次供給を操作するよう動 作する弁（２７、２８）を設けた請求項１記載の作動媒体供給装置。
3. ３．エンジン（３）から反応手段（５、６）に膨張した作動媒体を帰還させる環 流導管（２）を設け、装置を閉サイクルで動作させる請求項１又は２記載の作動 媒体供給装置。
4. ４．前記反応手段に液体循環回路（１１、１２、３９）を設け、該循環回路（１ １、１２、３９）には、循環ポンプ（９、１０、４０）と、熱交換器（１３、１ ４、３８）と設けた請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の作動媒体供給 装置。
5. ５．熱交換器に冷却器を設けた請求項４記載の作動媒体供給装置。
6. ６．該熱交換器に加熱器を設けた請求項４記載の作動媒体供給装置。
7. ７．該反応手段に分離器（５Ｓ、６Ｓ）を設けた請求項１乃至６のうちのいずれ か一項に記載の作動媒体供給装置。
8. ８．該反応手段に乳化器（７、８）を設けた請求項１乃至７のうちのいずれか一 項に記載の作動媒体供給装置。
9. ９．各貯蔵容器（５、６）を容器のガス出口からエンジンの入口に接続し、エン ジンの出口を反応手段のガス入口に接続した請求項２記載の作動媒体供給装置。
10. １０．未反応ガスを反応手段（５、６、５４）に再循環させるため１つあるいは それ以上の回路（２４／２５、２５／２６）にガスインペラ（２０）を配置した 請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の作動媒体供給装置。
11. １１．１つあるいはそれ以上の外部分離器及び／又は１つあるいはそれ以上の外 部反応器とともに前記容器を構成し、それらはガス水和物の出口を経由して、容 器の出口に位置する１個の分離器をもった複数の容器に接続され、またその液体 出口を経由してコンテナの液体入口に接続され、それらは更に液体循環回路に接 続した請求項２記載の作動媒体供給装置。
12. １２．加熱器と冷却器が熱交換装置に一体の構成とし、少なくとも２つの異なっ た温度の熱伝達媒体を外部熱源から間欠的に供給する請求項５又は６記載の作動 媒体供給装置。
13. １３．高温の熱伝達媒体を使用し、エンジンへ供給される作動媒体を加熱するた めの、エンジン（３）の直前に設置される他の熱交換器（１９）を設けた請求項 １乃至１２のうちの何れか一項に記載の作動媒体供給装置。
14. １４．該熱交換器（１９）へ熱媒体を供給する電気分解装置（５０）を設け、そ れによって他の循環回路を形成し、電気分解装置（５０）用の電源を設けた請求 項１３記載の作動媒体供給装置。
15. １５．該電源は、該貯蔵手段から作動媒体を供給されるエンジン（３）によって 駆動ずる発電機（４）を設けた請求項１４記載の作動媒体供給装置。
16. １６．他のタービン（５３）を設けるとともに、前記電気分解装置は該他のター ビン（５３）に接続した酸素及び／又は水素の出口を設けた請求項１５記載の作 動媒体供給装置。
17. １７．ガス水和物を生成するために水とガスをミキシングする１つあるいはそれ 以上のリキッドジェットコンプレッサーあるいは誘導装置（６０、６１）を設け た請求項１乃至１６のうちの何れか一項に記載の作動媒体供給装置。
18. １８．一連の該コンプレッサーあるいは誘導装置を設け、該一連並びは、複数の ガスと水のミキシングチャンバ（６０）を画定する直線上に並んだスロート手段 と、ミキシングチャンバ（６０）にそれぞれ対応する複数の排出ノズル（６３Ａ ）を設けたマニホルド（６３Ｍ）と、前記マニホルド（６３Ｍ）からの水のジェ ットあるいは流れの放出により該ミキシングチャンバ（６０）内の水と混合させ るガスを引き込むようガスを供給するガス供給手段（６４Ａ）とを設けた請求項 １７記載の作動媒体供給装置。
19. １９．エンジンと該エンジンに作動媒体を供給する請求項１乃至１８のうちの何 れか一項に記載の装置を有する含む動力装置。
20. ２０．ガス膨張エンジン、特にタービンのような回転運動型の機械に供給するた めの作動媒体を発生する方法において、作動媒体を得るためのガス水和物を反応 によって生成するための反応容器に液体と水とガスのような付加的な要素を導入 するステップと、反応チャンバ内での反応の望ましい状態を維持するために水を 冷却用再循環回路を通過させ、また反応しなかったガスもまた画循環しつつ生成 されるガス水和物を貯蔵するステップとよりなることを特徴とする作動媒体供給 方法。
21. ２１．該付加的な要素は、ガス水和物を生成することが可能なメタン、プロパン のような作動ガスとした請求項２０記載の方法。
22. ２２．エンジン（３）へ供給される前に高温加熱手段（１９）によって作動媒体 を付加的に加熱する請求項２０又は２１記載の方法。