JPS6023241B2 - 蒸気発生方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば地熱水あるいは工業溢排水を利用して
、作動媒体を蒸発させその蒸気で発露を行う発電プラン
トに好適な蒸気心発生方法および装置に関する。

従釆地熱発電では地下より採取された天然蒸気だけが利
用され、地熱水は利用されないままであった。

近時、夫利用エネルギーの有効活用の見地からあまり利
用されていなかった上記地山熱Ｌ水や８０℃から１２０
℃程度の工業温排水の比較的低温度の熱エネルギーが着
目され、その活用の１つとして火力発電、原子力発電等
と異なり比較的４・さな温度差で蒸気を発生させこの蒸
気で発電を行うことが考えられている。即ちその内容は
地熱水あるいは工業温排水の加熱流体と、この加熱流体
の温度より低い温度で蒸発する作動媒体とを蒸気発生装
置に流通させて熱交換を行ない、作動媒体の蒸気を縄、
この蒸気でタービンを駆動し発亀機を運転する発電プラ
ントである。一般に上記目的の為に使用される蒸気発生
方法および装置は次記の如きものである。

即ち、作動媒体入口と作動媒体出口とを有する容器内に
、仕期板を介して多数本の伝熱管を支持し、この伝熱賛
内に加熱流体を流通させ同時に作動媒体液入口から液相
の作動媒体を流入させ、加熱流体の熱で蒸発させ気相と
なった作動媒体を作動媒体出口から取り出す満液式蒸気
発生方法であった。

上記方法による従来の蒸気発生装置を第１図に基づいて
説明する。符号１は円筒形容器で、この容器１の長さ方
向の一端下部には液相の作動媒体Ｒしの作動媒体入口ｌ
ａを、又池端上部には気相の作動媒体出口ｌｂが設けら
れており、又内部には仕切板２．３を介して多数の伝熱
管４が支持されている。又、この容器１の両端側には椀
形蓋体５，６が取付けられており、この蓋体５，６のう
ち作動媒体入口ｌａ側の蓋体５は隔壁板７が配設されて
上下２室に分割しており、これら２室のうち下室部には
加熱流体Ｗの入口５ａが又上部室にはその出口５ｂがそ
れぞれ設けられ、入口５ａから入った加熱流体Ｗは下部
室からこの室に閥口する伝熱管４に入って蓋体６に流れ
、更に上部室に開□する伝熱管４を通って出口５ｂから
外部に排出される。なお図中実線矢印は加熱流体、破線
矢印は作動媒体の流れ方向を示している。上記構成の満
液式蒸気発生装置は加熱流体Ｗが流通し加熱されている
伝熱管４により作動媒体入口ｌａから流入し容器１内に
満たされた液相の作動媒体ＲＬが加熱蒸発し、作動媒体
出口ｌｂから気相の作動媒体Ｒｖが外部に取り出されて
いた。このような満液式の蒸気発生方法および装置にお
いては自然対流沸騰方式を採用しているため熱伝達率が
４・さく、加熱流体の効率的な利用が出来ずまた作動媒
体の量を多く必要とするなどの欠点があった。このため
例えば耳醇熱りＫや工業温排水による発電プラントに利
用するためめに、大きな伝熱面積を必要とせずコンパク
トな構造と成し得る蒸気発生方法および装置の実現が望
まれていた。この発明は上記要望に鑑みてなされもので
、液相の作動媒体を、この作動媒体の沸点より高い温度
に加熱流体で加熱された第１の環熱管の軸方向壁面に沿
って流して加熱し、この加熱された気液混合状態の作動
媒体を気液分離し、この分離した液相の作動媒体を分配
板から流下させ第１の伝熱管と同機、加熱された第２の
伝熱管の表面に滴下し液膜を形成させながら「 この第
２の伝熱管で加熱蒸発させることにより熱伝達率が大き
く、加熱流体を効率的に利用出来、さらに作動媒体を多
量に必要とせずたとえば地熱水や工業温排水による発電
プラントに利用可能な蒸気発生方法および装置を提供す
ることを目的とする。以下、この発明の原理および実施
例を図面を用いて説明する。

まず原理について、第２図により説明する。

なおこの発明は主要部を第１の蒸発部と、第２の蒸発部
とで構成しており、その作用の概要は、第１の蒸発部が
液相の作動媒体を加熱流体と二相に流通させ、所定の乾
き度の気液混合作動媒体を得るもので、第２の蒸発部が
第１の蒸発部で気液混合状態となった作動媒体の液相分
を第２の伝熱管の壁面に液膜として流下させて蒸発させ
るものである。図において符号１０は第１の蒸発部で、
円筒状の第１の容器１１とこの第１の容器１１の両端部
に各々設けられた液相の作動媒体ＲＬが流入する作動媒
体流入口１１ａおよび気液混合の作動媒体ＲＬｖが流出
する作動媒体流出口１１ｂと、第１の容器１１の内部に
両端面１２，１３を貫通密着して、加熱流体Ｗを流通さ
せる第１の伝熱管１４が設けられている。

又〜作動媒体流出口１１ｂには、連結管１５の一端が結
合されており他端は第２の蒸発部２０の第２の容器２１
の上部に設けられた作動媒体導入口２１ａに連結されて
いる。第２の容器２１の内部には作動媒体導入口２１ａ
の下方に分配板２２が内壁面と間隙を設けて取着されて
おり、更に分配板２２の下方には加熱流体Ｗを流通させ
る第２の伝熱管２４が設けてある。なお分配板２２には
、第２の伝熱管２４に液相の作動媒体ＲＬを流下させ管
壁面で所定の液膜を形成させる孔２５が穿たれており、
第２の容器２１の上部には気相の作動媒体Ｒｖを排出す
る作動媒体排出口２１ｂが設けられている。以下作動媒
体の流下にしたがい上記横成の作用を説明する。

第１の蒸発部１０１こおいて第１の伝熱管１４に作動媒
体の沸点より高い温度の加熱流体Ｗが流通し、同時に作
動媒体流入口１１ａから液相の作動媒体ＲＬが第１の容
器１１内に流入し、第１の伝熱管１４の外壁面に沿って
流下する。

流下するにしたがって液相の作動媒体ＲＬは蒸発し、気
相分が増加、即ち乾き度が増加し所定の乾き度の気液混
合状態の作動媒体Ｒ…となって作動媒体流入口１１ｂか
ら連結管１５に流出する。上記の加熱流体Ｗと作動媒体
を二相に流通させて熱伝達を行ない作動媒体を蒸発させ
る過程の作動媒体の乾き度ｘと熱伝達率Ｑの関係はたと
えば作動媒体にフロンＲ２２を使用した場合第３図に示
す実線の特性曲線１で表わされる。この特性は他のフロ
ン類、あるいは水等の流体でも同様傾向を示す。第３図
によれば気相が増加し、乾き度ｘが０．５以上となると
熱伝達率Ｑは急激に低下する。これは未蒸発の液相が第
１の容器１１の内壁面に液膜を形成し、第１の伝熱管１
４の外壁面が乾いてしまういわゆる環状流状態に成るか
らである。このため作動媒体流出口１１ｂから流出され
る作動媒体の乾き度ｘは熱伝達率Ｑが低下しさらない所
定の乾き度ｘとなるよう予め第１の蒸発部１０は設定さ
れる。次に第２の蒸発部２川こおいて、連結管１５を介
して、作動媒体導入口２１ａから第２の容器２１内に導
入された前記の気液混合の作動媒体ＲＬｖは液相が分配
板２２に橘集され、気相と液相が分離する。瓶集された
液相は分配板２２に設けられた孔２５から第２の伝熱管
２４の管壁面に流下する。第２の伝熱管２４には第１の
伝熱管１４と同機に管壁面を作動媒体の沸点より高い温
度となるよう加熱流体Ｗが流通しており、流下した作動
媒体ＲＬは管壁面で液膜を形成し、加熱されて全て蒸発
する。気相となった作動媒体Ｒｖは第１の蒸発部１０で
気相となった作動媒体と一緒となって作動媒体排出口２
１ｂから排出する。又この第２の蒸発部２０での熱伝達
率Ｑは管壁面に形成される液膜の厚さ、即ち作動媒体の
流下量を変えることにより任意の値を取り得るが実用的
な見地から自づと取り得る値は限定される。例えば作動
媒体にフロンＲ２２を用いた場合には、第３図に破線０
で示すほぼ４×１びＫｃａｌ／のｈ℃の熱伝達率を取る
。又この時の破線０と実線１との交点Ａにおける乾き度
を所定の乾き度ｘとしてほぼ０．７となるようにこの発
明を構成すれば第１の蒸発部１０での作動媒体の蒸発は
実線１に沿って行なわれ、乾き度がほぼ０．７の作動媒
体ＲＬｖが縛られ、引き続き第２の蒸発部２０にこの作
動媒体ＲＬｖが送り込まれ、破線０‘こ沿って蒸発し、
残りの液相の作動媒体ＲＬが全て蒸発し、乾き度ｘ＝１
の作動媒体Ｒｖとして排出する。なお作動媒体ＲＬとし
て各種フロン類あるいは水等の流体を使用した場合は所
定の乾き度ｘとして０．６〜０．８の値が実用上の好適
値である。上記のように構成することにより大きな伝熱
面積を必要とせず、加熱流体を効率的に利用して蒸気を
発生させることができる。

次に上記原理に基づいて構成したこの発明の一実施例に
つき第４図、第５図、第６図を用いて説明する。

図において、符号３０は第１の蒸発器で一対の端板３１
，３２で閉じてなる第１の球体３３と、第１の鰹体３３
の内壁に全周を固着された一対の仕切板３４，３５と仕
切板３４，３５に両端部が貴挿密着された多数本の伝熱
管３６とで綾成され、多数個設けられている。端板３１
，３２にはそれぞれ第１の流入口管３７および第１の流
出口答３８の一端が接続され第１の糟体３３の内部に第
１の伝熱管３６の流路を形成している。第１の流入口管
３７および第１の流入口管３８のそれぞれの片端は一端
が閉塞して成る流入管３９および流出管４０の壁部に接
続されている。また第１の機体３３の壁面の各仕切板３
４，３５の近傍には媒体導入口４１および媒体流出口４
２が開けられ、第１の糟体３３の内部の仕切板３４，３
５の間に第１の伝熱管３６の外壁に沿って流路を形成し
ている。媒体導入口４１には導管４３の一端が接続され
、又導管４３の片端は一端が閉塞してなる媒体導入管４
４の壁部に接続されている。なお、第１の蒸発部３０を
構成する第１の聡体３３の直径、長さおよび第１の伝熱
管３６の直径、長さ、本数等は、それぞれの材質と用い
る加熱流体Ｗおよび作動媒体ＲＬの種類、温度、流速等
に応じ媒体流出口４２での作動媒体の乾き度が０．６〜
０．８の所定値となるように設定されている。符号４５
は第２の蒸発器で、一対の端板４６，４７で閉じてなる
第２の礎体４９とこの第２の糟体４８の内壁の端板４６
，４７近傍に全周を固着された一対の仕切板４９，５０
と、仕切板４９，５０に両端部が貴挿密着された多数本
の第２の伝熱管５１と、第２の躍体４８の上部壁面に設
けられた煤体流入口５２の下方に＆遣し、かつ第２の伝
葦熱管５１の上方に位置する第２の総体４８の内部にそ
れぞれ間隔を設けて配置された多数個の分配板５３とで
構成される。横板４６，４７と仕切板４９，５０との間
の第２の鑑体４８の両端内部にそれぞれ水室が形成され
、この水室を形成する鑑体壁面には、それぞれ第２の流
入口５４および第２の流出口５５が設けられている。ま
た一対の仕切板４９，５０の間の第２の鍵体４８の上部
壁面には媒体排出口６６が穿たれており、これに媒体排
出管５７が接続されている。分配板５３の底面には、孔
５８が明けられており、媒体排出口５６には液瓶が媒体
排出管５７から排出しないよう媒体排出口５６に対向し
て、液瓶分離機構５９が取着されている。なお、第２の
蒸発器４５を機成する第２の伝熱管５１の直径、長さ本
数等は用いる加熱体Ｗの種類、温度、流速等および作動
媒体ＲＬｖの種類、温度、供給量ならびに乾き度等に応
じ、供聯合された作動媒体ＲＬｖが第２の蒸発器４５で
全て気相となり媒体排出管５７から排出されるよう設定
される。さらに第１の蒸発器３０と第２の蒸発器４５と
は媒体流出口４２と媒体流入口５２とに両端が接続され
た連結管６０で連結されている。次に上記の蒸気発生装
置の作用を説明する。

たとえば地熱水の加熱流体Ｗを流入管３９に流入させ、
各第１の流入口管３７を通って第１の機体３３に流入さ
せ、第１の伝熱管３６に流通させる。また、図示しない
ポンプで圧送されたたとえばフロンＲ２２の液相の作動
媒体Ｒしを媒体導入管４４に導入し、各導管４３を介し
て各媒体導入口４１より第１の糟体３３の内部に流入さ
せ、第１の伝熱管３６の外壁に沿って流通させる。作動
媒体ＲＬは流通するにしたがって蒸発し、媒体排出口４
２ではたとえばフロンＲ２２を用いた場合は乾き度ｘが
ほぼ０．７の気液混合状態となる。さらに作動媒体ＲＬ
ｖは連結管６０を介して、第１の蒸発器３０から第２の
蒸発器４５に送り込まれる。一方加熱流体Ｗは第１の流
出口管３８から流出管４０に集められ、第２の流入口５
４を通って第２の糟体５８に流入し、第２の伝熱管５１
を流通し、第２の流出口５５から外に流出する。媒体流
入口５２から第２の鰹体４８内に流入した作動媒体ＲＬ
ｖは、液相が分配板５３に瓶集され、孔５８から下方の
第２の辰熱管５１に流下する。流下した作動媒体ＲＬは
、第２の伝熱管５１の外壁面を液膜となって広がり、蒸
発する。作動媒体の第１の蒸発器３０から気液混合状態
で送り込まれたうちの気相と、第２の蒸発器４５で蒸発
した気相とは液瓶分離機構５９で気相のみとされ媒体排
出口５６を経て媒体排出管５７から排出される。排出さ
れた作動媒体ＲＬはたとえば図示しないタービンに送り
込まれ、タービンを駆動し発電機を運転する。なおター
ビンを駆動した後は凝縮され液相となり図示しないポン
プにより再び蒸気発生装置に導入される。このようにこ
の発明に係る蒸気発生装置を構成することにより熱伝達
率が向上し、加熱流体を効率的に利用出来、コンパクト
な構成の蒸気発生装置とすることが出来る効果がある。

さらに第１の礎体と第２の聡体の間の作動媒体流路を連
結管で直接両者を接合したため、途中にマニホールドが
なくなり、一段とコンパクト化が計れるなどの効果も得
られる。またこの発明によれば、小さな伝熱面で大流量
の作動媒体を蒸発可能とすることが出来るため従来利用
の進んでいなかった低温度の加熱流体、たとえば地熱水
および工業温排水の発電への応用が従来の蒸発方法では
装置が巨大な構造物となり実現し得なかったが実現可能
となり、この発明は禾利用エネルギーの活用の面で多大
な貢献をなすものである。なお上記実施例では加熱流体
を第１の蒸発器から第２の蒸発器に流速する形態を用い
て説明したが、逆に加熱流体を第２の蒸発器から第１の
蒸発器に流通させても良く、また加熱流体の流通路の接
続を変更し、加熱流体を第１の蒸発器と第２の蒸発器と
に並行して流通させても、さらに異なった加熱流体を使
いそれぞれの蒸発器に流通させても良いことは明らかで
ある。

なお因に、温度１４０℃、噴出量１８０トン／毎時の地
熱水を加熱流体とし、作動媒体としてフロンＲ，．４を
用いた場合にはこの発明の蒸気発生装置は次の通りとな
る。

第１の蒸発器は長さ１６肌の１インチ鋼管１９本を第１
の伝熱管として内部に配談した直径２０＆岬の第１の糟
体３台で構成されて、乾き度０．７の作動媒体が得られ
、第２の蒸発器は長さ３６肌の１インチ鋼管５７本をそ
れぞれ折曲して内部に配置した第２の鎚体で構成され乾
き度１、即ち気相となった作動媒体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の蒸気発生装置を示す断面図、第２図はこ
の発明の原理を説明する為に示す概略図、第３図は作動
媒体の乾き度に対する熱伝達率を示す特性図、第４図は
この発明の一実施例を示す平面図、第５図は第４図にお
けるＶ一Ｖ′矢万向を示す断面図、第６図は第４図にお
ける町矢方向から見た一部を切り欠いて示す側面図であ
る。 ３０・・・・・・第１の蒸発器、３３・・・・・・第１
の礎体、３６…・・・第１の庚熱賛、４１・・・・・・
媒体導入ロ、４２・・・・・・媒体排出口、４５・・・
・・・第２の蒸発器、４８・・・・・・第２の鰹体、５
１・・・・・・第２の伝熱管、５２・・・・・・媒体流
入口、５３・・…・分配板、５６・・・・・・作動媒体
排出口、５８・・・・・・孔、６０…・・・蓮通管、Ｗ
・・…・加熱流体、ＲＬ・・・・・・液相の作動媒体、
ＲＬｖ・・・・・・気液混合の作動媒体、Ｒｖ…・・・
気相の作動媒体こ第１図第２図 第３図 第５図 第４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液相の作動媒体を、この作動媒体の沸点より高い温
   度に加熱流体で加熱された第１の伝熱管の軸方向壁面に
   沿つて流して加熱蒸発させ、この加熱された気液混合状
   態の作動媒体を気液分離した液相の作動媒体を分配板か
   ら流下させ第１の伝熱管と同様加熱された第２の伝熱管
   の表面に滴下し液膜を形成させながら、この第２の伝熱
   管で加熱し蒸発させることを特徴とする蒸気発生方法。 ２ 第１の伝熱管に沿つて流し加熱して得られる気液混
   合状態の作動媒体の乾き度を０．６〜０．８としたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気発生方法
   。３ 第１の罐体と、この第１の罐体の内部に配設され
   かつ加熱流体の流路を形成する少なくとも１つの第１の
   伝熱管と、前記第１の罐体の両端部壁面にそれぞれ設け
   られ、前記第１の伝熱管の壁面に沿つて液相の作動媒体
   を流して加熱し気液混合状態の作動媒体を発生させる流
   路を前記第１の罐体の内部に形成する媒体導入口および
   媒体排出口とを具えた第１の蒸発器と、前記媒体排出口
   に一端が接続された連通管と、この連通管の他端が接続
   された媒体流入口を上部壁面に設けた第２の罐体と、こ
   の第２の罐体内部の前記媒体流入口の下方に配設されか
   つ前記第２の罐体の内部に加熱流体の流路を形成する少
   なくとも１つの第２の伝熱管と、前記媒体流入口の下方
   でかつ前記第２の伝熱管の上方に配置され前記第１の蒸
   発器より流入した気液混合状態の作動媒体の液相を捕集
   する分配板と、この分配板に穿たれ前記第２の伝熱管の
   壁面に前記分配板に捕集された液相の作動媒体を液膜を
   形成させながら流下させ蒸発させる孔と、前記第２の罐
   体上部に設けられ気相の作動媒体を排出させる作動媒体
   排出口とを具えた第２の蒸発器とで構成されることを特
   徴とする蒸気発生装置。 ４ 第１の蒸発器で得られる気液混合状態の作動媒体の
   乾き度を０．６〜０．８としたことを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の蒸気発生装置。