JPS61212612A - エネルギ−転換システム - 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】 産業上の利用分野 本発明は、例えば発電システムの如く、熱エネルギーを
回転又は電力の形で取出すエネルギー転換システムに関
する。

従来技術 わが国におけるエネルギー利用形態は電力等の形態が最
も多く、エネルギー源としては原子力石油天然ガス、石
炭等の火力及び河川、ダム等の水力が用いられている。

しがし、わが国では国産のエネルギー源は需要量に比し
てはるかに少ないため、大量の石油やＬＰＧ、ＬＮＧ及
びウラン等を海外から輸入している。これらのエネルギ
ー源の多くは電力、都市ガス、産業用燃料に利用されて
いる。

さて、燃料を燃焼させて得られる熱エネルギーから動力
を取出し、さらにこれにより発電機を運転して電気を取
出す、エネルギーの転換においては、石油、石炭、ＬＮ
ＧあるいはＬＰＧ等は燃料としてタービンを装備するガ
スランキンサイクルガス のボイラで燃焼され、あるいはタービンとランキンサイ
クルの複合サイクルのガスタービンで燃焼され、発生し
た蒸気等により回転される膨張タービンにより駆動され
る発電機により電気エネルギーに転換されている。

こ＼で、ランキンサイクルについて簡単に説明する。ど
んな流体でも、圧力とエネルギー状態により液相、気液
混合相、気相の状態になる。第６図は一般的な気体の状
態図の例で、横軸にエンタルピ、たて軸に圧力をとると
、図中の山伏の曲線の左側は液相、右側は気相、曲線で
囲まれた部分は気液混合相である。例えば火力発電所で
石油等の燃料を燃焼して得られる熱エネルギーを電力に
転換する場合は、ボイラを使って上記の熱エネルギーで
水を加熱し、加圧して高温、高圧の蒸気とし、この蒸気
を膨張タービン内で膨張させてタービンを回転させ発電
機を駆動し、電力として取出す。

この場合、エネルギーは水を媒体として転換されるが、
その場合の水の圧力、エンタルピーの状態の変化のサイ
クルを第６図中に画く。（これをモリエル線図という。

）　膨張タービンで膨張し、仕事をして１の状態（エン
タルピが１１、圧力がｐｌの状態、以下同様）になった
蒸気は、復水器で同じ圧力のま＼冷却され、２の状態の
液体（水）になる。これを昇圧ポンプによりエンタルピ
一定のま−３の状態迄昇圧し、高圧の水とする。これを
ボイラで等圧下で加熱し、４の気化状態を経て５の状態
の高温、高圧の蒸気とし、これを膨張タービンに導入し
て１段又は多段に膨張させて仕事をし、温度、圧力が低
下し、再び１の状態に戻る。

このようなサイクルをランキンサイクルと云う。

上記のランキンサイクルにおいて、１から２に至る低圧
蒸気の冷却液化工程では、エンタルピを１１から１２に
減少させるが、その熱量（１ｘ−ｉｚ　）は海水に投棄
され利用されることなく捨てられる。

一方、３の状態の高圧の水を５の状態の高温高圧の蒸気
にするには、外部の高温熱源からエンタルピ増分（１５
ｆ３）に相当する熱量を与える必要があり、実際の火力
発電ではボイラにより燃料の燃焼による熱エネルギーを
水に与えている。したがってランキンサイクルのエネル
ギー効率ハ、外部より与えられるエネルギー　　１ｓ−
１３となるが、現実には水から水蒸気に変化する際の蒸
発潜熱が大きいため（ｉｓ　　ｉｓ）の値が大きく、結
果としてエネルギー効率ηは低く抑えられる。

このため、（１５Ｉｆ）を大きくして、これにより効率
ηを高めようとの目的で３の圧力を出来るだけ高くして
、５のエンタルピを高めるようにシテいるが、現状では
、ポンプやタービンの機械損失や配管の摩擦損失も含め
ると、発電システム全体の効率はせいぜい４ｏ乃至４２
％程度にしがならない。

エネルギー源の輸入に多額の費用を掛けているわが国に
とっては、その効率の向上、換言すれば回収エネルギー
の増大化は極めて重要である。

発明の目的 本発明は、従来のランキンサイクルによる発電システム
等のエネルギー転換システムの上述の問照点にかんがみ
、エネルギー効率の向上が可能であり、かつ従来利用で
きなかった海水等の低温の顕熱エネルギーはもとより太
陽熱等あるいはより高品質の高温エネルギーに至る各種
の熱エネルギーを回転エネルギー、電気エネルギーに転
換することのできるエネルギー転換システムを提供する
ことを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成させるため、液状の流体を
昇圧、加熱気化させた後ポリトロープ膨張させる工程を
含むサイクルを使用して、上記加熱気化工程で外部熱源
より熱エネルギーを取入れ、膨張工程で動力エネルギー
に転換し外部に取出すエネルギー転換システムにおいて
、上記膨張工程の出口側で低圧気体となった流体を、上
記の主プロセスと同一種の流体を使用した補助プロセス
により、上記加熱気化工程における流体の温度より高温
の高圧液体となし、その流路と加熱気化工程の流体の流
路との間に設けた熱交換手段を介して加熱気化工程の流
体に熱を与えて上記高温高圧流体を冷却することにより
冷却工程が形成されたことを特徴とする。

上記の補助プロセスは、高圧流体が循環し昇圧ポンプと
該昇圧ポンプで昇圧された循環流体により前記主プロセ
スの膨張工程出口側の低圧気体を吸収混合液化する気体
吸入混合部と主プロセスの加熱気化工程の流路との間に
設けた高圧熱交換器とを有する循環系統と、上記熱交換
器の出口側で上記循環系統の経路より分岐し膨張弁を経
てジュールトムソン効果により低温低圧状態を得、気液
槽を経て、低温低圧液体を前記主プロセスの昇圧工程に
供給する経路と低温低圧気体を上記気体吸入混合部の入
口側に供給する経路より成る等エンタルピ膨張系統より
構成される。

作用 以下に本発明の作用を図面に基いて詳細に説明する。

第１図は本発明のエネルギー変換システムのサイクルを
示すモリニル梅園であり、横軸にエンタルピ、たて軸に
圧力をとって示す。

図中の１．２，３，４．５は第６図に示したランキンサ
イクルの同じ符号の位置に対応する。本発明のシステム
の主プロセスでは、ランキンサイクルに対比すると１か
ら直接２に進む冷却液化工程が欠けている。これを補う
ために、このシステムでは、図中にＡ−＋Ｂ→Ｂ′で示
す高圧液体が循が設けられ、特にこの補助プロセスの循
環系統により主プロセスのポリトロープ膨張工程５→１
で低圧気体となった流体は、加熱気化工程６→５での流
体より高温のＡの状態の高圧液体になり、循環系統の流
体と一緒にＡ−＋Ｂ　（又はＣ）と進み、この間に補助
プロセスの流路と主プロセスの加熱気化工程の流路との
間に設けた熱交換器により加熱気化工程の流体に熱エネ
ルギーを与え自らは冷却される。更に、補助プロセスを
流れる液状流体はＢ（又はＣ）において循環系統と等エ
ンタルピ膨張系統に分岐し、循環系統の流体は昇圧ポン
プを経て気体吸入混合部に至り再度上述のＥ−）Ａの低
圧気体吸収動作を行なうが、等エンタルピ膨張系統の流
体は膨張弁を経てジュールトムソン効果により低温低圧
の液体と気体になり気液槽にて両相は分離される。気液
槽の液体はＤ→２のルートチ主プロセスの昇圧工程のポ
ンプに流入し、一方、気液槽の気体は気体吸入混合部の
入口側に至り、Ｄ→ＥＲＡのルートをたどる。

すなわち、本発明のシステムでは、 の手ｉでプロセスが構成され、ランキンサイクルにおけ
る冷却液化工程（１→２）に代替している。

第２図は第１図に示したサイクルに対するエネルギー転
換システムの概略構成を示す系統図であって、図の左側
に主として補助プロセス系統を、右側に主プロセス系統
を示す。両プロセスの流体は同一の流体が使用されその
流路の傍に記された１、２．・・・、５及びＡ、Ｂ、・
・・、Ｅの符号の位置は第１図の線図上の符号と対応す
る。

補助プロセスは、高圧流体が循環し、昇圧ポンプＰ−２
と、これにより昇圧された液体で駆動されるジェットポ
ンプＪＰ−１の如き気体吸入混合部と主プロセスの加熱
気化工程の流路５→４との間に設けられた高圧熱交換器
の１っＥ−２を有する循環系統と、上記熱交換器Ｅ−２
を出た後上記循環系統より分岐し、等エンタルピー膨張
弁（ジュールトムソン弁）　Ｊ　Ｔ　−Ｖ、気液槽ｖ−
１を経て、主プロセスの昇圧工程の昇圧ポンプＰ−１に
接続された液体経路とジェットポンプＪＰ−１の低圧ｌ
Ｉｌ！！（吸入側）に接続された経路を有する等エンタ
ルピ膨張系統より成る。図の例では、高圧熱交換器は分
岐点より下流側に更に１基Ｅ−１が設けられている。気
液槽Ｖ−１には主プロセスのボＩＪ　）ロープ膨張工程
終了後の低圧気体の流路１が接続されている。流路１の
補助プロセス系統への接続位置はこれに限定されるもの
ではなく、気液槽とジェットポンプＪＰ−１の吸入口と
の間のどこでも差支えない。気液槽Ｖ−１の下端には主
プロセスの昇圧ポンプＰ−１に接続する流路を設けるか
、或は昇圧ポンプＰ−１をサブマージド式として気液槽
の液中に設置する。

主プロセス系統においては昇圧ポンプＰ−１の吐出側の
流路は加熱気化工程に接続し気化工程の流体流路のうち
３→４の部分には高圧熱交換器Ｅ−１、Ｅ−２が設けら
れ、その下流の４．５間には外部熱源より熱エネルギー
を取入れるための昇温用熱交換器Ｅ−３が設けられてい
る。膨張工程５．１の間の気体流路には発電機Ｇ−１に
回転エネルギーを供給膨張タービンＴ−１が設けられて
いる。

以下に、このエネルギー転換システムの作用を説明する
。

主プロセスの気液槽Ｖ−１の底部より出て３．４．５、
を経て１の低圧気体になる迄の流路を流れる流体の流量
をｑｏとし、補助プロセスの循環系統流路Ｂ、Ｂ’、Ａ
を流れる流体の流量をｑ２、Ｂで分岐し、気液槽Ｖ−１
に至る流体の流量を９１、気液槽Ｖ−１を出てジェット
ポンプＪＰ−１の吸入側に至る流路を流れる流体の流量
をΔｑ１とする。

なお、このΔｑ１は膨張弁におけるジュールトムソン効
果に伴なうフラッシュガスに相当する流量であり、主プ
ロセスの流量ｑｏと合流してｑｌになる。

すなわち、ｑｏ＋Δｑｔ＝ｑｔである。ジェットポンプ
ＪＰ−１では高圧循環流体（流量（１２）が低圧気体（
流ｆｉｑｏ＋Δｑｔ　＝　ｑｔ　）を吸収混合液化し、
従ってＡからＢの間はｑ１＋９２の流量の液体が流れる
ことになる。

さて、図示せぬ適宜の制御弁によりＢ点で循環系統経路
に分岐導入された流量ｑ２の高圧流体は昇圧ポンプＰ−
２によりモリエル線図でＢ′で示される圧力迄昇圧され
、ジェットポンプＪＰ−１１７）ノズルから噴出される
。これにより、ジェットポンプＪＰ−１のノズル開口を
囲繞するポンプ室中の流体はベルヌーイの定理によりノ
ズルから噴出する流体に吸引され、ジェットポンプＪＰ
−１の低圧側に接続された流路より９１の流量の低圧ガ
スが連続的に吸引され、ノズルより噴出したｑ２　の流
量の高圧液体と混然一体となりｑｌ　＋　ｑ２の量のＡ
点で示される高温、高圧の液体となってＡＢ間の経路を
流れ、その間に高圧熱交換器Ｅ−２を介して主プロセス
の加熱気化工程３−４間の経路を流れる流体に熱エネル
ギーを与え、自らは冷却される。第２図のＢ点で循環系
統経路に９２の流量を分離した後、さらに他の高圧熱交
換器Ｅ−１を介して熱エネルギーを主プロセスの加熱気
化工程の前段部の低温の流体に与えてさらに温度が低下
した後、等エンタルピ膨張弁ＪＴ−Ｖにより等エンタル
ピー膨張し第１図中りで示される低圧低温状態に゛至り
、液体とフラッシュガス又は液体のみの状態となる。こ
の流量ｑ１の流体は気液槽Ｖ−１に入り、その下部より
ｑｏの流量分が取り出され、昇圧ポンプＰ−１により６
の状態に迄昇圧され、主プロセスの加熱気化工程に供給
され、３．４の間で補助プロセス系統側の高温液体より
高圧熱交換器Ｅ−１、Ｅ−２を介して熱エネルギーを与
えられ、さらに４．５の間で昇温用熱交換器Ｅ−３を介
して外部熱源より入熱され、５の状態の高温、高圧のガ
スとなり、膨張タービンＴ−１により膨張し、膨張ター
ピーを回転させ発成１Ｇ−１を駆動する。膨張工程完了
後の流量ｑＯの低圧ガスと、気液槽Ｖ−１に残った流量
Δｑ１の気体とは共にジェットポンプＪＰ−１を介して
再度流！　（１２の高温高圧液体に吸引される。

以上の如く、本発明のエネルギー転換システムでは、膨
張工程終了後の低圧気体を補助プロセスに設けた気体吸
入混合部により高温高圧液体の状態にもたらし、熱交換
完了後の温度Ｔｃを主プロセスの加熱気化工程開始時の
流体の温度Ｔ３より高くしたことにより、冷却液化工程
Ａ−Ｂ−Ｃの流体の熱は自然に加熱気化工程３−５の流
体に移動し、結果として１の状態の高いエンタルピは無
駄に捨てられることがなく、システム内で活用される。

補助プロセス経路に設けられた昇圧ポンプＰ−２を駆動
するに要するエネルギーは、従来のランキンサイクルに
よるエネルギー転換システムで海水等の冷却水に捨てら
れるエネルギーよりはるかに少ないので、システム全体
のエネルギー効率は従来のシステムに比して向上する。

このシステムでは、主プロセス及び補助プロセスを流れ
る流体は同一の流体で、異る工程間で自身により昇温あ
るいは冷却するようにされているので、流体の種類を選
択することにより従来使用できなかった低温熱源を外部
熱源として使用することができる。例えばサイクルに使
用゛する流体としてエチレン又はエタンを使用すること
により、海水の顕熱や太陽熱、風力によるジュール熱等
の自然のエネルギーを利用することも可能になり石油や
石炭などの化石燃料の消費を減少し、又これらが燃焼し
た時に発生するＮＯｘ、ＣＯ２を減らし、又自然界の熱
バランスの維持に効果がある。

実施例 第１図及び第２図に示したシステムでは、高圧熱交換器
を２式設けて、その間から補助プロセスの循環系統経路
を分岐するようにしたが、２式の熱交換器を１つのケー
シング内に収納し、その中間から循環系統経路を分岐す
るようにしてもよく、或は単一の熱交換器の中間から循
環系統流体を油流してもよい。又、第３図に示す如く単
−又は複数の高圧熱交換器Ｅ−１を通過した後の点Ｃか
ら流量ｑ２を流す循環系統流路を分岐するようにしても
ほに同じ効果が得られる。第４図はその場合のモリエル
線図である。

また、第７図に示す如く、高圧熱交換工程の中間にて等
エンタルピ膨張系統流路を分岐するようにしてもほぼ同
じ効果が得られる。

膨張工程完了後の低圧気体流路１は前記の例では気液槽
Ｖ−１に接続したが、第５図に示す如く、気液槽Ｖ−１
から出てジェットポンプＪＰ−１の吸入側に向う経路に
接続してもよく、直接ジェットポンプに接続してもよい
。

なお、上記の各図に示したシステムの例は本発明の基本
概念を示したものであって、システム上の付属設備、例
えばバッファータンク、弁、計器、スタートアップ用設
備などは記載が省略されている０ また、本発明は、図面に概念的に示された構成の他、こ
れらのシステムを複数組合わせたもの、他のエネルギー
転換システムと組合せたものをも含むものである。

効果 以上の如く、本発明によれば、発電システムの如き熱エ
ネルギーを動力エネルギーに転換するシステムのエネル
ギー効率を向上させることができるのみならず、従来利
用されなかった各種の外部熱源の利用が可能になるので
、石油等の化石燃料の使用量を減少させ、その結果自然
環境の保全にも効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシステムのモリエル線図、第２図はそ
のシステムの基本概念を示す系統図、第３図は本発明の
他の実施例の系統図、第４図はそのモリエル線図、第５
図（ａ）　（ｂ）はその一部の変形実施例を示す系統図
、第６図は公知のランキンサイクルのモリエル線図、第
７図は本発明の別の変形実施例である。 ２→３→５→１・・・主プロセス Ａ−Ｃ・・・冷却工程　　　２−３・・・昇圧工程３−
４−５・・・加熱気化工程 ５−１・・・膨張工程　　　Ｔ−１−・・膨張タービン
Ｅ−１，Ｅ−２・・・高圧熱交換器（第６図ではＥ−１
）Ｅ−３・・・外部熱源からの入熱手段（第３図ではＥ
−２）Ｐ−１，Ｐ−２・・・昇圧ポンプ ＪＰ−１・・・ジェットポンプ（気体吸入混合部）ＪＴ
−Ｖ・・・膨張弁　　　Ｖ−１・・・気液槽第１図 エンタルピ　ｉ 第４図 第５図 ＪＰ−１へ　　　　　　　　Ｅ−２へ 第６図 エンタルピ　ｉ 第７図 工〉フルヒ＃　　ｉ 手続補正書働式） ％式％ １、事件の表示 昭和６０年特許願第　５３３８１号 ２、発明の名称 エネルギー転換システム ３、補正をする者 事件との関係　　　　特許出願人 名称　　（０９７）川崎重工業株式会社４、代理人 住所　東京都港区西新橋２丁目３２番４号梶工業ビル　
〒１０５　ｆｆｉ　（４３３）４５６４昭和６０年　６
月１０日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）液状の流体を昇圧、加熱気化させた後ポリトロー
   プ膨張させる工程を含むサイクルを使用して、上記加熱
   気化工程で外部熱源より熱エネルギーを取入れ、膨張工
   程で動力エネルギーに転換し外部に取り出すエネルギー
   転換システムにおいて、上記膨張工程の出口側で低圧気
   体となつた流体を上記の主プロセスと同一種の流体を使
   用した補助プロセスにより、上記加熱気化工程における
   流体の温度より高温の高圧液体となし、その流路と加熱
   気化工程の流体の流路との間に設けた熱交換手段を介し
   て加熱気化工程の流体に熱を与えて上記高温高圧流体を
   冷却することにより冷却工程が形成されたことを特徴と
   するエネルギー転換システム。
2. （２）上記の補助プロセスは、高圧流体が循環し昇圧ポ
   ンプと該昇圧ポンプで昇圧された循環流体により前記主
   プロセスの膨張工程出口側の低圧気体を吸収混合する気
   体吸入混合部と前記主プロセスの加熱気化工程の流路と
   の間に設けた高圧熱交換器とを有する循環系統と上記高
   圧熱交換工程を通過した後に上記循環系統より分岐し膨
   張弁と気液槽を経て低温低圧液体を前記主プロセスの昇
   圧工程に供給する経路とフラツシユした低温低圧気体を
   上記気体吸入混合部の入口側に供給する経路とより成る
   等エンタルピ膨張系統より構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のエネルギー転換システム
   。
3. （３）上記の補助プロセスにおいて高圧熱交換器を通過
   する高圧流体流路の途中で循環流体を分岐し昇圧ポンプ
   に送入することを特徴とする第１項に記載のエネルギー
   転換システム。
4. （４）上記の補助プロセスにおいて、高圧熱交換器を通
   過する高圧流体流路の途中で膨張系統への流路を分岐す
   ることを特徴とする第１項に記載のエネルギー転換シス
   テム。