JPS5947122B2 - 物質の相変化特性を利用するエネルギ−の利用方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物質の相変化特性を利用するエネルギーの利
用方法およびその装置に関するものである。

液体は、一般的に臨界温度以下で凝固点以上の範囲にお
いては、その温度を上昇させれば飽和蒸気圧は上昇し、
その温度を降下させると飽和蒸気圧は降下する特性を保
有している。

この液体の飽和蒸気にその飽和蒸気圧より高い圧力が加
わると液体状態を保ち、また、その液体の飽和蒸気の温
度を降下させると液化する。

このように飽和蒸気圧を境にして、その時の温度変化と
圧力変化との相関関係で液化および気化の相変化が起る
。

この場合、液体から気体に変化するときは、気化潜熱を
与える必要があり、また気体（蒸気）を液化させるとき
には凝縮熱を奪う必要がある。

本発明は、低所において作動流体を加熱気化し、気化し
た蒸気を冷却液化し、液化の際蒸気の保有する熱エネル
ギーを利用し、液化した液体を流下させてその液体の保
有する位置エネルギーを利用した後再び液体を加熱し、
気化した作動流体を循環使用する循環回路において、低
所における蒸気発生温度および圧力と、高所において、
冷却、液化した液体の温度とを予め定められた値に制御
することによって作動液体の蒸気の上昇量および液化量
を予め定められた値に設定し、これによって利用される
蒸気の保有する熱エネルギーおよび液体の保有する位置
エネルギーをそれぞれ制御し、さらに作動液体の位置エ
ネルギーを利用した後作動液体の温度、圧力および液面
を予め定められた値に設定することによって作動液体の
循環量を制御する物質の相変化特性を利用するエネルギ
ーの利用方法に関するものである。

本発明の実施に適する装置は加熱気化装置２３、加熱気
化装置より高所にあって加熱気化装置に連結されている
熱交換器３１および該熱交換器と加熱気化装置との間に
設けられたエネルギー変換装置１を包含する装置におい
て、熱交換器３１の下方に温度検出部３９、圧力発信器
３４および液面計３５をそなえた少なくとも１個のタン
ク３７を設け、またエネルギー変換装置の下方に温度検
出部６、圧力発信器４および液面計２７をそなえた少な
くとも１個のタンク５を設けた装置である。

特定物質、例えばフロン−２２およびフロン−５００を
低所において未活用熱源（例えば、地熱、温泉熱、気温
、太陽熱、海水温度および発電所等の工場排温水等）に
より加熱気化装置内で加熱気化し、低所から高所に至る
導管に導くと発生蒸気圧力と配管内の圧力との差圧によ
って、この気体は配管内を低所から高所に上昇する。

高所に上昇した蒸気の圧力は、低所において加熱された
蒸気の蒸気圧、高所までの高さと蒸気密度とを乗じた蒸
気の重量、配管抵抗および配管内の温度低下による蒸気
圧降下の関連によって定まる。

また、この時点における温度と圧力との関係で管内の流
体は液体、気液混合状態（湿り蒸気状態）、過飽和状態
または気体のいずれかの状態となっている。

配管内を上昇して高所に至った蒸気は気温、水温、風温
、水の気化熱等による熱交換器または冷却装置内に導入
して冷却すると蒸気温度は低下し更に凝縮熱を熱交換器
または冷却装置により奪われることにより液化する。

液化した液体の温度、圧力は処理蒸気、温度、量、冷却
能力、配管口径とその高さ、配管長および保温能力から
勘案して使用すべき物質を定めるとその物質の特性によ
って定まる。

また、液化した液体の温度に対応する蒸気圧が、前記の
低所から上昇して来る蒸気の圧力より低く、その差圧が
犬であればある程、上昇する蒸気量は大きくなる。

熱交換器または冷却装置において凝縮熱を奪われだ液化
した液体は、貯蔵タンクに集めた後、配管内を流下し、
タービンを駆動させる等の動力源として利用した後、低
所液体タンクを経て前記未活用熱源利用の加熱気化装置
へ導入する。

タービン駆動後、液体の加熱気化装置への吹込み圧力は
、タービン駆動後の液体タンクの設置位置と加熱気化装
置入口との高低差と液比型との相乗積とタンク内圧力（
液体のタンク内温度における蒸気圧）との合計によって
定まるが、加熱気化装置へ液体を流入させるため加熱気
化装置内の蒸気圧より高い圧力に保つ必要があるので低
所液体貯蔵タンクの設置位置の選定が必要となる。

また、ポンプにより昇圧して加熱気化装置に液化した液
体を導入することもできる。

本発明で使用するに適する液体は、相変化特性として次
の諸要素を具備するものが効率的に適当である。

（１）蒸発潜熱が比較的小さいこと。

（２）蒸気温度に対応して蒸気圧が高く、密度が小すく
、シかも粘度が低いこと。

（３）液化温度に対応して蒸気圧が低く、密度が大きく
、粘度が低いこと。

（４）その細化学的および熱的安定性が高いこと。

また、本発明の目的の１つである低所の熱エネルギーを
高所に移動して利用するか又は取り出すことのみに利用
する場合は、気化潜熱が高くとも使用に適する。

更に、本装置の設置位置の状況、加熱冷却媒体の諸要素
および吸収すべきエネルギー量などの諸条件に適応する
特性を有する物質を効率良く選定するためには、本発明
の装置の下記の特性（能力および構造）を考慮する必要
がある。

（１）加熱気化装置設置位置の熱媒体の温度および量に
もとづき吸収しうる熱量と加熱しうる蒸気温度。

（２）冷却液化装置の設置位置の冷却媒体の質量および
温度等により冷却しうる熱量と液化し得られる液体の温
度。

（３）加熱気化装置の設置位置と冷却液化装置の設置位
置との高低差、配管の口径、ルート、勾配全長、内部抵
抗および保温能力。

（４）取り出すべきエネルギー量。

（５）年間の諸要素および環境条件の変化条件。

本発明で使用するに適する液体には例えば、フツ化炭素
水素、塩化炭化水素、臭化炭化水素、フッ化−塩化炭化
水素、フッ化−臭化炭化水素、軽質炭化水素、低級アル
コール、低級チオアルコール、低級アルキルエーテル、
低級アルキルチオエーテル、アルキルスルホオキシド、
トルエン、キシレン等の単独またはこれらの混合物およ
びアンモニアがある。

次に本発明方法の厳重に適する装置は加熱気化装置、加
熱気化装置より高所にあって加熱気化装置に連結されて
いる熱交換器および該熱交換器と加熱気化装置との間に
設けられたエネルギー交換装置を包含する循環回路より
なるが、これらの１装置を図面によって説明すれば次の
如くである。

配管内を液体が流下し、高い圧力になって数台の発電タ
ービン１を駆動した後、液体はタービン出口遮断弁２、
逆止弁３を通りヘッダ、配管を経てタンク５内に流入す
る。

タンクにはタンク内の液温、圧力及液面の各検出制御用
として測温抵抗体６、圧力発信器４、着圧発信器２７を
取付ける。

タービン出口に位置されたタンク５の設置位置の高さ４
４と加熱器の液入口位置の高さ４５の落差と液密度によ
り、タンク５から加熱器１７迄の断熱保温施工された配
管γ内の液圧は、流下するにしたがい高まり、加熱器１
７、気化器２３内のガス圧より高い液圧となって加熱器
１７内に流入する。

配管７を流下しだ液圧は、圧力発信器８により検出され
、遮断弁１１を通り流量発信器１４により流量が検出さ
れ、流量コントロール弁１５逆止弁１６を通って加熱器
１７に流入する。

この液圧が必要とする圧力より低い場合には遮断弁１１
を閉じ、遮断弁９及１３を開いて昇圧ポンプ１０を稼動
させると液は、所定圧力となって逆止弁１３を通って加
熱器１７に流入する。

なお、前記タンク５内の液量は、差圧発信器２７で検出
し、加熱器入口、流量コントロール弁１５と連動させて
常にタンク内の液面が一定範囲内に保つ様に制御する。

加熱器１７に流入した液は工場、発電所等から排出され
る温水、地熱蒸気、温泉熱又は風温等により必要温度迄
加温する。

加熱器１７出口から吐出する気液混合状態の物質の温度
は、測温抵抗体１９により検出し、その温度を所定温度
に制御するために加熱器１７への熱媒体の流入量をコン
トロール弁１８により制御する。

一定温度に加熱された物質は、逆止弁２０を経て気化器
２３内に流入し気化する。

気化した蒸気の温度圧力は、気化器出口の測温抵抗体２
４、圧力発信器２２により検出され、必要な圧力になる
様に気化器２３への熱媒体の流入量をコントロール弄２
５により制御する。

気化器２３内の液面は差圧発信器２６により検出する。

気化器２３出口の蒸気流量は、流量発信器２１により検
出される。

気化器を出た気化蒸気は、この圧力により配管２８内を
所定の高さ迄上昇させる。

配管２８は、二重配管構造とし、内側を蒸気通路、外側
を例えば断熱、保温構造とし、更にその外側を保温施工
する。

この配管２８の内側流路を所定の高所迄上昇した蒸気の
温度、圧力は測温抵抗体２９、圧力発信器３（ｔｉｃよ
り検出され、配管はその位置から緩やかな下り勾配の裸
配管で冷却装置５１に接続される。

冷却装置３１は例えば、底部から外気冷風を上昇させ上
部からは、冷却水３３を散布させる構造として冷却装置
内気液流路配管内の流体温度を低下させ、凝縮熱を奪い
液化させてタンク３７内に流入させる。

タンク３１内液温、圧力及液面は、測温抵抗体３９′、
圧力発信器３４、差圧発信器３５により検出される。

タンク３７内の液温は、冷却水の水量制御用コントロー
ル弁３２等によりコントロールする。

冷却水は、冷却装置３１を通り冷却装置３１の底部から
加温水となって出口３６．３８から流出するので、その
加温熱量を他の用途に活用するか又は循環使用する。

タンク３７の設置位置の高さ４３と発電タービン１の設
置位置の高さ４４との高低差と液密度及びタンク３７内
の圧力とによりタービン入口の液圧が決まる。

タービンへの流入液量は、タンク３７内に流入する流量
とタンク内の液面を一定範囲内に制御することにより決
まる。

流量のコントロールは、タンク３７出口のコントロール
弁４１と液面検出用差圧発信器３５との連動により行う
。

又その流量は、流量発信器４０により検出され、発電タ
ービン１の稼動台数は、その流量により決められる。

タンク３７から発電タービン１への液流下配管４２は、
必要により外部よりの温度変化を防ぐため、断熱施工す
る場合もある。

タンク３７内の圧力は、流入する液の温度による保有蒸
気圧力と均衡する為、ガス化することはない。

又、配管４２を流下する液圧は高まり配管外部から加温
されてもガス化することはない。

タンク５内の圧力も、その時の液の温度による保有蒸気
圧力と均衡しガス化することはないが、タンク内圧力は
タービン出口に加わる。

次に本発明を実施例によつあ説明するが、これに限定さ
れるものではない。

例１ 使用液体としてフロン−５００（ジクロロジフルオロメ
タン−ジフルオロエタン混合物（ＣＣ４２Ｆ２／ Ｃ２
Ｈ４Ｆ ２ ニア ３．８ ／ ２６．２ ｗｔ％）を
使用する場合。

フロン−５００の熱力学的性質は、次めとおりである。

今、フロン５００ ２０℃の液体を加熱気化器内に装入
し、９０℃の温水で加熱気化させ５０℃の蒸気を得る為
の必要熱量は４３．８１ ＫＣａｔＡｇである。

５０℃の飽和蒸気圧は、１４．７９３Ｋｇ／ｃ４ａｂｓ
である。

今、このフロン−５００を蒸気圧１４．７９３Ｋｇ／ｃ
ｒａｂｓ で真空二重管保温施工の熱損失の少ない垂直
直管で７００ｍ上昇させたとすると５０℃における蒸気
密度は、７０．１ＫＩ！／ｉにつき単位面積当り７００
ｍ管内の蒸気重量は、４．９０７Ｋｇ／ｃｖｔとなり、
７００ｍに上昇した蒸気圧は、計算上９．８８６ Ｋｇ
／ｃｒｒｔａｂ ｓに低下する。

一方、７００ｍに上昇したフロン−５００の気体（蒸気
）を高所において冷却装置により、２０℃に冷却液化し
た場合には、冷却装置及び液溜タンク内圧力は、６．８
４９Ｋｇ／ｃｒａｂ ｓに低下し、計算上、上昇時の蒸
気圧力９．８８６Ｋｇ／ｃｒ！より２Ｋｇ／ｃｒｔ１以
上圧力が低い為、蒸気は低所から７００ｍの高所迄配管
内を上昇する。

７００ｍの高所においてフロン−５００を２０℃の液体
に冷却するに必要な熱量４３．７９ ＫＣａ／。

／Ｋｙが放出される。

即ち、低所で与えた熱量と略同−の熱量を高所に移動し
得ることになり、低所における未活用の然も従来の地熱
発電等で必要とするよりはるかに低い温度の熱源でも連
続して高所に移動させることが出来るので、寒冷高地等
における農耕養殖等に有効利用が可能である。

更に又、夏季等高所においての気温等の温度が上昇し冷
却液化温度が４０℃になった場合、地上の気化温度を７
０℃に変更すれば蒸気圧２２．９１０Ｋｇ／ｃｒＡとな
り、７００ｍの高所における計算上蒸気圧は、１４．６
７８ Ｋ９／ｃｒＡとなるので４０℃に冷却液化させる
ことによる蒸気圧１１．６３９ Ｋｇ／ｃｍとの差圧は
、３ Ｋｇ／ｃｔｒ１以上となって大量の気体（蒸気）
を上昇させ得る。

この様に、その時々における気温、風温、水温による冷
却温度冷却能力と処理量に応じて気化温度を変更調節す
ることも可能である。

次に液化して高所の液溜タンクに流入させた液化フロン
−５００を流下させる時、液密度は２０℃で１．１７５
に９／ｌ、 ４０℃で１．１０３にり／ｌであるから、
液の流下する高低差、液比型及び高所液溜タンク内圧力
並に流量によって例えば、タービン駆動の仕事量が決め
られる。

例えば、発電タービン駆動に使用された後、液相フロン
−５００は、低所タンク内に一時流入スる。

この時のタンク内圧力は、液の温度２０℃の時、圧力６
．８４９ｈ／ｃｒｊ、、４０℃の時は１１．６３９ＫＬ
！／ｃｒｒｔとなる。

加熱気化器内の圧力は、５０℃の時１４．７９３Ｋｇ／
ｃｒｔｔ、 ７０℃の時２２．９１ Ｋｆ／ｃｒｒｔで
あるので、その差圧は夫々７．９４４に４／ｃｒｊ、及
び１１．２７１ Ｋ９／ｃｒｒｔとなる。

また、加熱気化器の設置場所に対する発電タービン出口
に設置するタンクの設置位置の高さは、液温度２０℃の
場合は６７．６ ｍ、液温４０℃の場合は１０２ｍ以上
必要である。

この為、タービン駆動の有効高低差は、６３２．４ｍ、
５９８ｍ以内となるが、多少の圧力差を増加させる
ためには、昇圧ポンプを応用することにすれば、発電タ
ービン駆動用の落差は十分６００ｍ使用する事ができる
ので、タービン入口の液圧は、７０ Ｋｇ／ｃｒＡ〜６
３ Ｋｇ／に７１７．が使用出来ることとなる。

この様な方法により、今仮に毎秒１トンのフロン−５０
０の液体を地上の加熱気化装置において毎秒約４３．８
１０ Ｋｃａｌ の熱量を与え加熱気化させ、５０℃
の蒸気とし内径１メートルの配管内を垂直１７？ニア０
０メートル上昇させると蒸気の流速は１８．２ ｍ／
ｓ ｅ ｃ で配管内抵抗圧力損失は５００ｒｒｖｎ
Ａｇであり、高低差７００メートルの蒸気重量と合せて
約５Ｋｇ／ｃｔｒｔ以上の押上げ圧力が必要となり、地
上と高所の間には、これ以上の差圧をつけておく必要が
ある。

しかし、既述のとおり７００メートルの高所において毎
秒約４３．７９０ Ｋｃａｌの熱量を奪い、２０℃に冷
却液化させることにすれば高所における圧力は６ ｔ
８４９ Ｋｇ／ｃｍで加熱気化器出口圧力との差圧は、
前記のとおり７．９４４Ｋｇ／ｃｒｒｔであり、圧力損
失５Ｋｇ／ｃｔＡを差引いた有効差圧は２．９４４ Ｋ
ｑ／ｌｓｔで冷却装置内圧損も十分補償し得る。

高所のタンクから毎秒１トンの液体フロン−５００分を
６００ｍ下のタービン入口迄流下させることについて、
高所タンク内とタービン出口のタンク内液温が同一であ
れば、両タンク内圧力は均衡するため、タービンを駆動
させ発生する発電量は、効率８５係として、毎時約５，
０００ ＫＷの発電量を見込むことが可能である。

例２ 使用液体としてフロン２２（モノクロロジフルオロメタ
ン：ＣＨＣｔＦ２）を使用した場合。

冬期、日本海の黒潮暖流域の海水温は、概略平均＋１０
℃であるといわれているが、この海水温に対してフロン
−２２を使用して５℃に加温変化サセルと、飽和蒸気圧
は５，９５３Ｋｇ／Ｃ４ａｂ ｓが得られる。

この蒸気を地上５００ｍの高所迄、配管内を上昇させる
と蒸気密度（２４，７６Ｋｇ／ｎｌ ）と高低差と配管
内圧損とにより１．２４Ｋｇ／ｃａの圧力差が生じ、計
算上蒸気圧は４．７１３ Ｋ９／ｒｓｔとなる。

この蒸気を気温−２０℃、風速１０ｍ／ｓｅｃの冷気に
より一１０℃に冷却液化させるとその蒸気圧は３．６１
３Ｋｆ／ｃ７７ｆあるので５００ｍの配管内上昇圧損１
．２４ Ｋｇ／ｃｓｔを差引いても尚１．ＩＫｇ／ｃｒ
Ａの圧力差が得られるので、本発明の循環回路内を十分
循環することが可能である。

又、５００ｍの高所にあるフロン−２２の液体を配管内
で４３０ｍ流下させて地上２０ｍＶＣあるタービンに流
入させれば、液圧は６３．２Ｋｑ／ｃａの高圧となり、
タービン駆動させることができる。

タービン出ロタンク内液温が一１０℃であれば、地上２
０ｍにおけるタンク内圧力は、３，６１３Ｋｇ／ｃｎｉ
である。

地上２０ｍのタンクと海面迄の高低差２０７７Ｚにより
液圧は２．６３６ Ｋｑ／ｃａ、高くなり、前記タンク
内圧力と合せて６，２４９Ｋｑ／ｃａとなるが、海中の
気化器内圧力は、５ｔ９５３Ｋｑ／ｃｍであるから、気
化器内に液を圧入することは可能であり、循環回路とし
ての還流が成立する。

本発明の詳細な説明すれば、次の如くである。

（１）本発明方法の実施にあたり、使用液体を適当に撰
べば、冬期日本海黒潮暖流域の海水温度１０℃前後と日
本を梁山脈山頂における常時１０ｍ／ｓｅｃ以上の寒冷
風と一２０℃以下におよぶ低温との温度差を利用して、
本発明の循環回路を形成して流下液体によりタービンを
駆動させることもできる。

また、製造工場、原子力および火力発電所等において排
出される蒸気および温排水の温度その他地熱、太陽熱、
温泉熱、気温、風温等も利用できる。

以上の如く、使用液体の選択によって極めて広範囲の加
熱源、冷却放熱源が利用できる特徴がある。

（２）低所にある熱エネルギーを高所に移動して高所の
河川水、湖水の水温を高めれば高所の寒冷地、農産物、
養魚等の育成に寄与できる。

（３）大気温度との温度差が少ない、かつ、低温の自然
現象でも活用できる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明実施に適する装置の系統図である。 １・・・・・・発電タービン、２，９，１１，１２，１
３・・・・・・遮断弁、３，１６，２０・・・・・・逆
止弁、４，８゜２２．３０．３４・・・・・・圧力発信
器、５，３７・・・・・・タンク、６，１９，２４，２
９，３９・・・・・・測温抵抗体、７ 、２８ 、４２
・・・・・・配管、１０・・・・・・昇圧ポンプ、１４
，２１，４０・・・・・・流量発信器、１７・・・・・
・加熱器、１５．１８，２５，３２．４１・・・・・・
コ・ ントロール弁、２３・・・・・・気化器、２６，
２７，３５・・・・・・差圧発信器、３１・・・・・・
冷却装置、３５・・・・・・冷却水配管、３６，３８・
・・・・・冷却媒体出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低所において作動流体を加熱気化し、気化した蒸気
   を冷却液化し、液化の際蒸気の保有する熱エネルギーを
   利用し、液化した液体を流下させてその液体の保有する
   位置エネルギーを利用した後再び液体を加熱し、気化し
   た作動流体を循環使用する循環回路において、低所にお
   ける蒸気発生温度および圧力と、高所において冷却、液
   化した液体の温度とを予め定められた値に制御すること
   によって作動液体の蒸気の上昇量および液化量を予め定
   められた値に設定し、これによって利用される蒸気の保
   有する熱エネルギーおよび液体の保有する位置エネルギ
   ーをそれぞれ制御し、さらに作動液体の位置エネルギー
   を利用した後作動液体の温度、圧力および液面を予め定
   められた値に設定することによって作動液体の循環量を
   制御することを特徴とする物質の相変化特性を利用する
   エネルギーの利用方法。 ２ 加熱気化装置、加熱気化装置より高所にあって加熱
   気化装置に連結されている熱交換器および該熱交換器と
   加熱気化装置との間に設けられたエネルギー変換装置を
   包含する装置において、熱交換器の下方に温度検出部、
   圧力発信器および液面計をそなえた少なくとも１個のタ
   ンクを設け、またエネルギー変換装置の下方に温度検出
   部、圧力発信器および液面計をそなえた少なくとも１個
   のタンクを設けることを特徴とする物質の相変化特性を
   利用する装置。