JPS6239660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は動作流体（working fluid）によるエ
ネルギー発生、およびこの動作流体の再生法に関
するものである。さらに詳しく述べれば、本発明
は、動作流体によるエネルギー発生、およびこの
動作流体の再生のための方法ならびに装置に関す
るものである。 動作流体の膨張によるエネルギー発生に際して
は、このエネルギーは、動作流体の再生のために
経済的に得られる熱媒と冷媒の温度によつて制限
される。故に、このような動作流体は高圧装入水
準から、低圧消費済水準まで膨張させられる際
に、高圧装入水準は、使用される熱媒によつて動
作流体が蒸発させられる最高温度によつて制限さ
れ、また消費済低圧水準は、使用冷媒によつて動
作流体を凝縮することのできる最低圧によつて制
限される。 従つて実際上、動作流体の凝縮を可能にするた
め、動作流体の凝縮温度が冷媒温度より高くなる
ような消費済低圧水準を生じるように動作流体の
膨張が制御される。 さらに、実際上、再生は、動作流体が使用冷媒
と熱交換関係において流れるように成された凝縮
器の中における動作流体の凝縮に基づいている。
動作流体の最大膨張を得ようという願望の故に、
しばしば、消費済圧力水準の動作流体の凝縮温度
と使用冷媒の温度との温度差が１℃ほどの限界値
にある様にして動作流体の再生が行なわれる。こ
のことから当然に、大きな熱交換面を有する大型
凝縮器と、多量の冷媒供給とが必要とされ、従つ
て運転コストを増大する結果となる。 このことは、海洋熱エネルギー変換システムの
場合のように、使用熱媒と冷媒との温度によつて
厳しい制約が加えられる場合において特に顕著で
ある。 本発明によればエネルギーを放出するためガス
状動作流体を装入高圧水準から消費済み低圧水準
まで膨張させる段階と、その消費済み動作流体を
吸収段階において動作流体を冷媒で冷却しながら
溶媒溶液中に溶解させることによつて動作流体を
凝縮し、前記の溶媒溶液は、動作流体吸収に適し
た溶媒溶液沸点レンジを生じるのに十分な初動作
流体濃度を有する溶媒から成る様に成し、溶解さ
れた動作流体を含有する溶媒溶液の圧を増大し、
また再生中の動作流体を蒸発段階において加熱す
ることによつて蒸発させ、蒸発された動作流体
を、エネルギー放出のために再膨張させるため引
出し、その再生段階の吸収段階の溶媒溶液を成す
ため、動作流体の蒸発後に残存した溶媒溶液を循
環させることによつて、再生する段階とを含むエ
ネルギー発生方法で、消費済み動作流体が (a) 最初の再生段階で消費済動作流体を、冷媒で
冷却しつつ溶媒溶液中にそれを溶解させること
により最初の吸収段階中で凝縮させ、その溶媒
溶液は溶媒溶液に動作流体の吸収に対して好適
な沸点範囲を有するに十分な初期動作流体濃度
を持つ溶媒を含んでおり (b) 最初の再生段階中に溶解した動作流体を含む
溶媒溶液の圧力を増加させ、最初の蒸発段階で
加熱により再生される動作流体を蒸発させ (c) 最初の蒸発段階における動作流体の蒸発後に
残る溶媒溶液の残部を循環してその最初の再生
段階の最初の吸収段階に対し溶媒溶液を構成し (d) 蒸発した動作流体を最初の再生段階から引続
く再生段階へ送り出し (e) 夫々の前の再生段階からの蒸発した動作流体
を夫々の引続く再生段階での対応する再生を受
けさせ、その段階へ入る動作流体よりも更に高
い圧力である夫の引続く段階において装入され
た動作流体を生じさせ (f) 再生された装入ガス状動作流体を、再膨張の
ための最終再生段階からエネルギーを放出する
ために引出す、 ことを含む多数の継続的再生段階中で再生される
ことを特徴とする方法が提供される。 本発明の１実施態様においては、消費済み動作
流体は、複数の順次再生段階において、動作流体
が最終再生段階でその装入状態に再生されるま
で、各段階において圧力を増大することによつて
再生される。 故に、消費済み動作流体は、これを第１再生段
階に供給し、蒸発した動作流体を次の再生のため
に各再生段階から次の再生段階まで送り、各再生
段階において、その再生段階の蒸発段階での動作
流体の蒸発後に残存した溶媒溶液を循環させて、
この循環溶媒溶液をその再生段階の吸収段階の溶
媒溶液とすることによつて、再生される。 ガス状動作流体の凝縮温度が吸収段階における
冷媒の最低温度以下となる様に、この動作流体を
消費済み低圧水準まで膨張させることができる。 更に、本発明によれば、冷媒と熱媒の使用源に
よつて課される限界内において、発生可能のエネ
ルギーを発生するため、高圧装入水準から低圧消
費済み水準まで膨張されるガス状動作流体のエネ
ルギー供給能力を最適化する方法において、ガス
状動作流体を低圧消費済み水準まで膨張させる段
階と、複数の順次再生段階において、動作流体を
凝縮し、次に動作流体を上昇圧において蒸発させ
ることによつてこの消費済み動作流体を再生する
段階を含み、前記動作流体は、各再生段階におい
て、これを冷媒によつて冷却しながら溶媒中に吸
収させまたは溶解することによつて凝縮させ、前
記溶媒溶液は、各再生段階において、動作流体の
吸収に適した溶媒溶液沸とうレンジを示すに十分
な初動作流体濃度を有する溶媒から成り、また前
記動作流体は、各段階において、再生中の動作流
体が使用熱媒をもつて蒸発されうる水準まで圧力
を増大し、次に蒸発させることによつて蒸発され
る方法が提供される。 各再生段階における溶媒溶液は循環されるので
あるから、この溶媒溶液はその再生段階において
閉鎖ループを成し、他の再生段階の溶媒溶液から
隔離されている。更に、各再生段階において、再
生中の動作流体の量がその再生段階の溶媒溶液中
に溶解され、等量の再生中の一動作流体がその再
生段階の中で溶媒溶液から蒸発される。 各再生段階における溶媒溶液の量と、溶媒溶液
中の動作流体の初濃度は、特定の操作条件につい
て必要とされる様に、また使用冷媒の最小温度水
準の変動に対応して、別々に調整される。 溶媒溶液の溶媒は、動作流体の溶媒であつてい
ずれかの蒸発段階で得られる最高温度以上の沸点
を有し、動作流体が溶媒溶液中に溶解された時
に、この動作流体の濃度が増大するに従つて減少
する沸点を有する溶媒溶液を成す任意適当な溶媒
とする。 溶媒溶液は好ましくは二成分溶液であるが、複
数液の溶液であることもできることを認識された
い。 適当と思われる動作流体が専門家には公知であ
る。本発明においてはこれらの動作流体のいずれ
をも使用することができる。 本発明の１実施例においては、動作流体と溶媒
はそれぞれ適当な沸点を有する炭化水素の形とす
ることができる。たとえば、溶媒をブタンまたは
ペンタンの形とし、これに対して動作流体をプロ
パンの形とすることができる。他の例において
は、動作流体を適当なフレオン化合物とし溶媒を
他の化合物に適した溶媒とする。 本発明の好ましい実施例においては、動作流体
はアンモニアの形とし、溶媒を水の形とする。本
発明のこの実施例においては、１気圧の圧で、水
の沸点は100℃であり、これに対して純粋アンモ
ニアの沸点は−33℃である。水中アンモニア濃度
が増大するに従つて、水性アンモニア溶液の沸点
が低下するであろう。アンモニア／水溶液の二成
分状態図を用いて、各凝縮段階の中の圧と温度か
ら、各再生段階の溶媒溶液中の適当な初アンモニ
ア濃度を簡単に決定することができる。 本発明の好ましい実施態様において、各再生段
階の溶媒溶液中の動作流体の初濃度、および再生
動作流体に対する溶媒溶液の割合は、その再生段
階の吸収段階において再生中の動作流体の完全吸
収ののちに、溶媒溶液が、吸収段階において得ら
れる最低温度よりやや高い沸点を有するように選
定される。 従つて実際上、このような要件を満足させるこ
とによつて、冷媒必要量を最小限に成し、また熱
媒必要量を最小限に成すような最小限量の溶媒溶
液が使用される。 各再生段階の吸収段階と蒸発段階の間において
圧が増大されるのであるから、各先行再生段階と
各後続再生段階との間において圧の段階的または
増分的増大が見られることは理解されよう。従つ
て、各順次再生段階の溶媒中の初動作流体濃度が
これに対応して高くなり、各再生段階において支
配する圧で動作流体の溶解または吸収を実施する
に適した溶媒溶液の沸点レンジを与える。 本発明の好ましい実施態様においては、各再生
段階の吸収段階と蒸発段階の間において、再生中
の動作流体が蒸発段階の中で熱媒によつて有効に
蒸発されうる最高圧まで増圧される。 故に、各再生段階において、その段階での動作
流体の蒸発ののちに、溶媒溶液がこの蒸発段階で
得られる最高温度の直下の沸点を持つ最大水準ま
で、増圧される。 この圧を適当に制御することにより、各再生段
階において、再生中の動作流体必要量の蒸発が簡
単に実施される。しかし、各再生段階から後続の
各再生段階に送られる蒸発動作流体の量を制御す
るために制御弁手段を備えることができる。この
ようにして、再生のために必要とされる以上の量
の動作流体がある蒸発段階の中で蒸発させられた
場合、その所要量のみが後続再生段階に送られ、
残分は溶媒溶液と共に循環させられるであろう。 本発明の方法は、各再生段階において、溶媒溶
液と蒸発動作流体を、蒸発段階から、再生中の動
作流体の分離のための分離段階に送るステツプを
含むことができる。 この分離段階は、専門家には公知の任意適当型
の分離器によつて備えられる。 各再生段階の吸収段階に循環される溶媒溶液
は、その吸収段階において再生中の動作流体の圧
に対応しまたこれに近接する圧まで減圧するよう
に膨張させられるのが望ましい。 本発明の好ましい実施態様においては、各再生
段階に循環される溶媒溶液は、蒸発段階と熱交換
関係において循環させられ、このようにして蒸発
段階における熱媒必要量を低減させる。 各再生段階において循環される溶媒溶液は、少
なくとも部分的に吸収段階と熱交換関係において
循環させることができる。 循環溶媒溶液が吸収段階と熱交換関係において
循環される場合、除去される熱量は一定に留まる
ので冷媒必要量が減少するが、吸収段階の容積は
増大されなければならない。逆にもし循環溶媒溶
液が吸収段階と熱交換関係において循環されなけ
れば、吸収段階の容積は減少するが、冷媒必要量
が増大するであろう。 従つて実際上、循環溶媒を吸収段階と熱交換関
係において循環させるべきか、あるいは部分的に
熱交換関係に置くべきか、または全く熱交換関係
に置かないかを決定するには、冷媒源の性質とそ
の入手可能性に応じて、経済的考慮から、より小
量の溶媒を供給することによるコスト低下と、吸
収段階の容積増大の投資コストとをつり合わせる
ことができる。 本発明の実施態様において、再生段階のすべて
の吸収段階は、共通冷媒源から来る冷媒によつて
冷却される単一の複式吸収段階においてそれぞれ
別々に実施することができる。さらに、すべての
蒸発段階を、共通熱媒体から来る熱媒によつて加
熱される単一の複式蒸発段階において、それぞれ
別々に実施することができる。 本発明は種々の用途を有し、また公知の種々の
型の冷媒および熱媒を使用することができるが、
本発明は特に、簡単にまた経済的に入手できるエ
ネルギー発生用冷媒および熱媒を利用する場合に
応用することができる。 従つて本発明は、小温度差の熱媒と冷媒が使用
される場合に特に応用される。 故に本発明の好ましい応用例は、冷媒として水
体から抽出された冷水を使用し、熱媒として、水
体から抽出された熱水、即ち太陽熱で加熱された
水、さらに太陽熱利用手段によつて加熱された熱
水、または工業プラントから出た熱い廃液の形の
水または加熱液を使用する熱エネルギー変換の分
野にある。 故に本発明の好ましい応用例は、海洋熱エネル
ギー変換〔OTEC〕の分野にあり、この場合熱媒
として海洋表面水を用い、冷媒として、海洋の十
分深部から抽出された海洋水を使用して、この熱
媒と冷媒の間の小温度差を利用する。 通常、最低温度のもつとも経済的な冷媒をうる
ため、約200フイートの深部から海洋水を抽出す
る。約200フイートの深部を越えても、水温は大
きく低下する傾向を示さない。 本発明のさらに好ましい応用例は、熱媒を供給
するための、また所望なら冷媒を供給するための
ソーラポンド（solar pond）に関するものであ
る。 また本発明は、入手可能の熱媒と入手可能の冷
媒を使用してガス状動作流体の圧を初低圧水準か
ら高圧水準まで増大する方法において、複数の順
次の増分再生段階において、 (a) その吸収段階において、再生中の動作流体を
前記のような入手可能冷媒によつて冷却しなが
ら溶媒溶液中に溶解することによつて吸収し、
前記溶媒溶液は、動作流体の吸収に適した溶媒
溶液沸点レンジを示すのに十分な初動作液体濃
度を有する溶媒から成るように成し、 (b) 溶解された動作流体を含有する溶媒溶液の圧
を増大し、また蒸発段階において、蒸発される
動作流体を前記のような入手可能熱媒によつて
加熱することによつて蒸発させ、 (c) 上昇圧力水準にある蒸発した動作流体を吸収
のために次の再生段階に送り、 (d) その再生段階の吸収段階に対する溶媒溶液を
成すため、再生中の動作流体の蒸発後に残存し
た溶媒溶液残分を循環させ、また (e) 再生された動作流体を最終再生段階から抽出
することによつて、動作流体の圧を増分的に増
大する様にした方法に関するものである。 エネルギー放出のために動作流体を装入高圧水
準から消費済低圧水準まで膨張させる操作は公知
の任意適当手段によつて実施することができ、ま
たこのように放出されたエネルギーは任意公知の
方法で貯蔵しまたは利用することができる。 本発明の好ましい実施例においては、動作流体
は通常型のタービンを駆動するために膨張させる
ことができる。 本発明の好ましい実施態様においては、吸収段
階を通して循環される溶媒溶液と再生中の動作流
体との質量比が十分である場合、この循環溶媒溶
液と共に吸収段階の中に導入される再生されるべ
き動作流体の圧を上昇させるため、蒸発段階を出
る溶媒溶液の圧を利用することができる。 本発明のこの実施態様においては、循環される
溶媒溶液の圧を、吸収段階における動作流体の圧
に対応する圧または近似する圧まで低下させるた
めに膨張させることなく、この溶媒溶液が動作流
体を同伴して吸収段階の中に引込むように、この
溶媒溶液を吸収段階の中に噴入することができ
る。 この目的のために使用されうる種々の噴射シス
テムが公知である。例えば、低圧区域を作るため
の狭窄区域を有する噴射ノズル等の噴射システム
を使用することができる。このようなノズルを使
用する場合、動作流体は狭窄区域の近傍に導入さ
れ、この区域の減圧によつて動作流体を吸収段階
の中に導入することができる。 それでもなお、相対流率と圧に応じて、循環さ
れる溶媒溶液を膨張させて適当圧を生ずることに
よつて循環溶液の圧力制御が必要な場合がある。 循環される溶媒溶液の圧または少なくともその
一部を利用することにより、吸収段階における圧
力を増大することができる。これは吸収段階にお
ける吸収を改良する利点を示し、またこれを利用
して動作流体をさらに低い消費済水準まで膨張さ
せることができる。故に、本発明によつて吸収を
有効に実施できる水準まで吸収段階の圧を増大す
るため、溶媒溶液による初圧上昇を利用すること
ができる。 このような循環溶媒溶液の圧力の利用は、多段
再生システムの第１段、または第１段と第２段に
おいて有効であるが、第１段システムまたは２段
階のみを使用するシステムにおいては、それほど
有効ではないと思われる。これは主として、循環
溶媒溶液と動作流体との質量比が十分でないこと
によるものであろう。 以下本発明を図面に示す実施例について詳細に
説明する。 付図の第１図について述べれば、番号５０は、
ガス状動作流体を高圧装入水準から、低圧消費水
準まで膨張させてエネルギーを放出させることに
よつてエネルギーを発生し、消費済み動作流体を
再生する装置全体を示す。 装置５０はタービン５２の形の膨張手段を含
み、このタービンの中において、ガス状動作流体
が高圧装入水準から低圧消費水準まで膨張させら
れてエネルギーを放出しタービン５２を駆動す
る。高圧水準のガス状動作流体は装入ライン５４
に沿つてタービン５２に供給され、また消費済み
ライン５６に沿つてタービン５２から排出され
る。 また装置５０は消費済ガス流体を再生するため
の再生手段を含む。この再生手段は４段の順次増
分再生段階を含む。 図を参照しやすくするため、各再生段階の成分
は、それぞれの段階に対応するアラビヤ数字の接
尾辞を付した文字で示す。さらに、各再生段階の
フローラインは、それぞれの再生段階の数字に対
応する接頭辞を有する参照番号で示した。 第１再生段階は、ガス状動作流体を溶媒溶液中
に溶解することによつて濃縮するための吸収器Ａ
１と、溶解された動作流体を含有する溶媒溶液を
圧力増大のためにポンプ輸送するためのポンプＰ
１と、動作流体を蒸発させる蒸発器Ｅ１と、蒸発
された動作流体を溶媒溶液から分離するための分
離器Ｓ１とを含む。 第１再生段階は流入ライン１―１を含み、この
流入ラインの中に、消費済ライン５６から消費さ
れたガス状動作流体が供給され、また溶媒溶液循
環ライン１―１３から溶媒溶液が供給されて第１
段階に送られ、吸収器Ａ１を通される。 吸収器Ａ１から結果溶媒溶液がライン１―２に
沿つてポンプＰ１の入口に送られる。この溶液は
ポンプＰ１から、より高い圧で、ライン１―３に
沿つて送られ蒸発器Ｅ１を通される。溶媒溶液と
蒸発した動作流体が蒸発器Ｅ１からライン１―４
に沿つて分離器Ｓ１に送られる。分離された蒸発
動作流体は分離器Ｓ１からライン１―５に沿つて
第２段階の流入ライン２―１に送られる。溶媒溶
液は分離器Ｓ１から循環ライン１―１３に沿つて
流入ライン１―１に循環される。 第２再生段階、第３再生段階および第４再生段
階は、分離された蒸発動作流体が分離器Ｓ４から
ライン４―５に沿つて引出され、装入ライン５４
に送られてサイクルを繰返えすことを除いて、第
１再生段階と全く同等である。 本発明の好ましい実施態様において、ガス状動
作流体はアンモニアであり、これに対して溶媒は
水である。さらに、好ましい実施態様において、
装置５０は、海洋熱エネルギー変換によるエネル
ギー発生装置である。 故に、装置５０は海岸または浮きプラツトフオ
ーム上に設置するのが便利である。また、装置５
０は、その熱媒を成すために海洋表面から表面水
を蒸発器に揚水するためのポンプ手段（図示され
ず）を含み、また吸収器を冷却するための冷媒を
構成するために、この海洋の十分深部から冷水を
揚水するポンプ手段（図示されず）を含む。 従つて、吸収器Ａ１はその内部を深海水を循環
させるための導入ライン１―９と導出ライン１―
１０とを含む循環手段を備える。同様に、蒸発器
Ｅ１は、この蒸発器を加熱するためにその内部に
海洋表面水を循環させるための導入パイプ１―１
１と同室パイプ１―１２を含む。 さらに各再生段階において、循環ライン１―１
３，２―１３，３―１３および４―１３は、それ
ぞれの蒸発器Ｅの円部を熱交換関係において通過
する熱交換ライン１―１５，２―１５，３―１５
および４―１５を備える。 さらに、各再生段階において、溶媒溶液循環ラ
イン―１３は、それぞれの吸収器Ａの内部を熱交
換関係において通過する凝縮用熱交換ライン１―
１６，２―１６，３―１６および４−１６を有
し、あるいはこの熱交換ラインは鎖線１―１８，
２―１８，３―１８および４―１８で示されるよ
うに吸収器Ａを完全にバイパスすることができ
る。 循環溶媒溶液が各再生段階の吸収器の内部を熱
交換関係において通過する場合、この溶媒溶液は
吸収器の冷却に役立ち、従つて吸収器の所要冷却
を実施するのに必要とされる冷却水の量を低減さ
せる。伝導されるべき熱量は一定だからである。
しかしその場合、吸収器の容量を増大する必要が
あり、故に吸収器の寸法が増大する。 従つて実際問題として、この循環ラインが吸収
器の内部を通過すべきか、吸収器を完全にバイス
すべきか、または吸収器の中を部分的に通過すべ
きかを純粋に経済的見地から決定するには、吸収
器寸法の増大分の投資コストと追分冷媒量の価格
とをつり合わすことができる。 本発明の好ましい実施態様においては、循環ラ
インは吸収器をバイパスする。 本発明の好ましい実施態様においては、ガス状
動作流体はアンモニアとし、これに対して溶媒溶
液は水中アンモニア溶液とする。 次に、代表例として、温度27℃の表面水を熱媒
として使用し、約４℃の温度の深海水（代表的に
は約200フイート以下の深さの深海水）を冷媒と
して使用する海洋熱エネルギー熱交換システムに
ついて、この装置５０の使用法並びに本発明の方
法を説明する。 純粋アンモニアの沸点は１気圧の圧で−33℃で
あり、深海水冷媒の最低温度は４℃であるから、
このような冷媒を使用して１気圧でアンモニアを
再生することは不可能であろう。言い換えれば、
アンモニアの沸点が４℃以上となる圧にアンモニ
ア動作流体がある場合にのみ再生が可能となるで
あろう。 言い換えれば、動作流体がタービン５２の前後
において、使用冷媒をもつて再生できる圧まで膨
張される場合にのみ、このガス状動作流体の再生
が可能であろう。このことは、再生されるエネル
ギーに対して直接的な厳しい制限を加えることに
なる。何故ならば、アンモニア動作流体を再生す
ることのできる最高圧は、27℃の熱水熱媒の蒸発
能力によつても制限されるからである。 実際上、約27℃の温度の表面水を使用する場
合、最終蒸発器Ｅ４の中におけるアンモニアの蒸
発は約９気圧の最高圧においてのみ有効に実施す
ることができる。 従つて、もし動作流体が９気圧の装入水準か
ら、たとえば４気圧の消費済水準ではなく１気圧
の水準まで膨張させられるならば、開放されるエ
ネルギー量は大巾に増大することは理解されよ
う。 第１図に図示の好ましい方法においては、実際
にガス状アンモニア動作流体は、タービン５２を
通して、約９気圧の圧から、約１気圧の圧まで膨
張させられる。 故に１気圧の消費済水準で、再生される動作流
体の特定量が流入ライン１―１に沿つて第１段階
に供給される。 この動作流体量は、同じく１気圧で溶媒溶液循
環ライン１―１３から前記の流入ライン１―１の
中に送られる溶媒溶液の中に溶解されて、吸収器
Ａ１の中で凝縮される。 本発明の好ましい実施態様において、溶媒溶液
は吸収器の内部を熱交換関係において通過させら
れない。故に、約10重量％の液体アンモニアを含
有する消費済ガス状アンモニアは、約−33℃の温
度にあり、これに対して対応の溶媒溶液は約８℃
の温度にある。 溶媒溶液は、１気圧で吸収器Ａ１の中に存在す
る温度範囲内の沸点を持つ２成分溶液を成すのに
十分な初アンモニア濃度を有する水である。さら
に、再生される動作流体の流量に対する溶媒溶液
の割合は、溶媒溶液が吸収器Ａ１の中で、再生さ
れるべき動作流体量を溶解したのちに、生成２成
分溶液が、１気圧において冷媒の最低温度の直上
の沸点を示す濃度を有するように成す。故に、冷
水の最低温度が約４℃の場合、溶媒溶液の沸点は
約６℃の領域となる。 このようにして、再生されるべき動作流体の全
量が溶媒溶液中に溶解され、またこの量のガス状
アンモニアを溶解するための溶媒溶液の最小量が
使用されるので、冷水所要量を低限させ、また吸
収器Ａ１の容量を最小限と成すことが可能とな
る。 再生中の溶解された動作流体を含有する溶媒溶
液は約６℃の温度と１気圧をもつて吸収器Ａ１か
ら出て、ポンプＰ１によつて蒸発器Ｅ１に輸送さ
れる。 溶解されたアンモニア動作流体が27℃の最高温
度で表面水熱媒によつて蒸発器Ｅ１の中で有効に
蒸発させられる最大圧まで溶媒溶液の圧を増大す
るようにポンプＰ１が調整される。 好ましくは、この圧力増大は、再生中の動作流
体量の蒸発ののち、蒸発器Ｅ１中の溶媒溶液が27
℃直下の沸点、例えば約25℃の沸点を有するよう
に調整される。 この圧は、蒸発器Ｅ１の中のアンモニア濃度お
よび温度域に対して、二成分水／アンモニア状態
図から簡単に決定することができる。 吸収器Ａ１に対して送られる溶媒溶液の水中ア
ンモニア初濃度、ならびにこの溶媒溶液の所要量
も、既知の圧と温度領域に基づいてこのような状
態図から容易に決定することができることは当然
に理解されよう。 蒸発された動作流体／溶媒溶液はライン１―４
に沿つて分離器Ｓ１に送られ、そこで分離させら
れる。 この分離器Ｓ１から、約25℃の温度の溶媒溶液
が循環ライン１―１３に沿つて循環させられて第
１段階の溶媒溶液を成す。また分離された約25℃
のアンモニア動作流体は分離器Ｓ１から、流入ラ
イン２―１に沿つて第２再生段階に送られる。第
１再生段階の場合と同じく、再生される動作流体
量は、吸収器Ａ２の中でこの動作流体を溶解する
ために循環ライン２―１３に沿つて分離器Ｓ２か
ら循環された溶媒溶液と混合させられる。 吸収器Ａ２の中の圧は吸収器Ａ１の圧より大と
なるから、第２段階における溶媒溶液中の初アン
モニア濃度は、吸収器Ａ２の中で再生される動作
流体の溶解または吸収を有効に実施するに適した
沸点が得られるように、これに対応して高く成さ
れる。 各段階における分離器Ｓから吸収器Ａに循環さ
れる溶媒溶液は流入動作流体の圧より高い圧で分
離器Ｓを出ることは理解されよう。この故に、各
循環ライン１―１３，２―１３，３―１３および
４―１３は、循環溶液を再生される流入動作流体
と同一の圧まで減圧するためにそれぞれ減圧弁Ｖ
１，Ｖ２，Ｖ３およびＶ４を含んでいる。 このようにして、順次の各再生段階について、
溶媒溶液中の初アンモニア濃度は、各段階のポン
プの生じる段階的圧力増大に対応して段階的に増
大する。 本装置は、再生される動作流体量が図示の場合
の第４再生段階のような最終段階において適当な
高圧装入水準まで再生されるために、適当数の再
生段階を含むことは理解されよう。また、動作流
体の膨張後の消費済水準も所要段階数を決定する
ことは理解されよう。即ち、もし動作流体が例え
ば３気圧までしか膨張されなければ、２または３
の再生段階のみが必要とされよう。 図示の実施例において、ポンプ手段Ｐ４は溶媒
溶液を約９気圧の圧まで増圧して、約９気圧に再
生された装入動作流体を生じ、これは分離器Ｓ４
から引出されて、装入ライン５４に沿つてタービ
ン５２に送られる。 本発明の好ましい実施例においては、工程は連
続工程として実施され、この場合単位時間当り一
定量の動作流体がタービン５２を通して連続的に
膨張させられ、次に再生手段の中で連続的に再生
されていることは理解されよう。 第１図に図示の好ましい実施例について本発明
の方法を更に詳細に説明するため、１Kgのガス状
アンモニア動作流体と、冷媒としての４℃の最低
温度の深海水ならびに熱媒としての最高温度27℃
の海洋表面水に基づいて実施された比理論計算に
よつて、この工程の代表的パラメータを下記に表
示する。 計算されたこれらのパラメータを、それぞれ第
１段階、第２段階、第３段階および第４段階につ
いて下記の表，，およびに示した。 各表において、パラメータを計算したそれぞれ
の点を付図の番号で示した。これらの点を各表の
第１欄に記載した。 表の各欄は下記の通りである。 (a) 第１欄―番号（RN）； (b) 第２欄―温度（ｔ），℃； (c) 第３欄―圧（Ｐ），気圧、 (d) 第４欄―全アンモニア（溶解および非溶
解）と水プラス全アンモニア重量比
（RATIO）、 (e) 第５欄―重量（ｗ），Kg、 (f) 第６欄―エンタルピー(E)，Kcal／ｇ。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 前記の理論計算から、第４蒸発段階に供給され
る全熱量は1258.35Kcalに達するが、第４吸収段
階から除去される全熱量は1200.8Kcalに達するこ
とがわかる。 故に、57.55の差は、再生された動作流体キロ
グラム当りに加えられた仕事であり、従つて使用
可能の仕事理論量である。 ポンプを作動するために必要とされるエネルギ
ーは2.08Kcal／再生動作流体Kgと計算された。 従つて、使用可能の理論仕事量は55.47Kcal／
動作流体Kgである。 タービン効率を85％と仮定すれば理論熱効率は
4.408％となる。 ４℃の定温の冷媒と27℃の定温の媒体とをもつ
て作動する理想カルノーサイクルシステムの理論
熱効率は7.04％となる。しかし熱媒と冷媒の温度
がこの種の工程において変動することを考慮すれ
ば、理論理想熱力学サイクルの効率は約4.9％に
過ぎない。 従つて、本発明によるシステムの理論計算に基
づく効率の比率は次のごとくなる。 (a) 理想カルノーサイクルシステムに際しては
62.55％。 (b) 対応条件での理想熱力学サイクルに対しては
約85％。 付図に示す本発明の実施態様の利点は、熱媒と
しての海洋表面水と冷媒としての深海水との間の
比較的小さい温度差を使用してエネルギーを発生
するための有効なシステムが与えられることにあ
る。 この実施態様の他の利点は、約１気圧またはこ
れ以上の比較的低い水準で消費済ガス状アンモニ
アの再生を実施するシステムが提供されることに
ある。 図示の本発明実施態様のさらに他の利点は、ガ
ス状動作流体の再生レンヅが拡大されたので、動
作流体を約９気圧の高圧水準から約１気圧または
これ以下の低圧水準まで膨張させうることであ
る。このようにして、放出されるエネルギー量
は、動作流体が約９気圧から約４気圧または５気
圧までしか膨張されない場合よりも大巾に増大す
る。 付図に示す本発明の実施例は、冷水所要量が、
各吸収器において約６℃の最終温度を生じるのに
十分であればよいことから来るもう１つの利点を
持つている。故に冷水冷媒の温度は前記の表に示
すように各吸収器の前後において上昇することが
できる。故に、冷媒が一定最低温度に留まるカル
ノー理想サイクルに近づくのに十分な流速をもつ
て十分量の冷水を供給する必要のある場合より
も、冷媒所要量が大巾に少なくなるであろう。熱
媒についても同様のことが考えられ、この場合に
は熱水は各蒸発段階の前後において、約27℃から
前記の表に示した温度まで冷却されるので、理想
カルノーサイクル操作の場合よりも熱水必要量が
大巾に低限される。 また各吸収器において溶媒溶液と動作流体の冷
却レンジが実質同等であり、また冷媒の温度レン
ジが実質同等であるから、４再生段階の吸収器を
単一複合吸収器に結合し、この吸収器の中にライ
ン１―１、２―１、３―１および４―１が別々に
通されて、冷水の単一循環供給によつて冷却を実
施することもできる。同様に、すべての蒸発器
を、単一源からの循環熱水で加熱される単一複合
蒸発器の中に結合することができる。 また理論的には、各再生段階における溶媒溶液
の量は一定に留まらなければならず、また溶媒溶
液を構成する水中アンモニア濃度も一定最低冷水
温度と一定最高熱水温度に対して一定に留まらな
ければならないことも理解されよう。 しかし実際上、溶媒溶液の量は、使用中に条件
変動と損失を補償するために調整されなければな
らないであろう。さらに、各再生段階における水
中アンモニア濃度は、冷水の最低温度と熱水の最
高温度の季節変動に対して周期的に調整されなけ
ればならないであろう。 また、日光加熱等によつて熱水の加熱が経済的
に実施される場合には、本発明の方法の効率がさ
らに改良できることも理解されよう。故に経済的
考慮から、適当条件のもとにこのような補助的加
熱が使用されるであろう。 第２図について述べれば、番号１５０は、第１
図の実施態様と異なる本発明の他の実施態様なら
びに装置を示す。 装置１５０は前記の装置５０と実質的に対応
し、また対応の部分は対応の番号で示される。 装置１５０においては、前記装置５０の単一タ
ービン５２の代わりに、第１タービン１５２と第
２タービン１５３とを含む２段タービンシステム
が使用される。 装入動作流体は第１タービン１５２を通して部
分的に膨張させられて熱交換槽１７０の中に入
る。 この部分的に膨張された動作流体は、熱交換槽
１７０から、別々の導管１７１と１７２を通つ
て、それぞれ吸収器Ａ２とＡ１とを通り、冷水と
熱交換関係に入る。 そののち、この部分的に消費された動作流体
は、第２タービン１５３を通つてその最終消費済
水準まで膨張させられる。そののち、前例と同じ
く、消費済ライン５６を通つて流入ライン１―１
に送られる。 出願人は、部分膨張した動作流体の熱交換を実
施する２段タービンシステムを使用することによ
り、特にこのシステムが多数の再生段階を含む場
合には、システム効率が改良されるものと考え
る。小数の再生段階が使用される場合においては
効率の改良はこれほど顕著でなくなると考える。 第３図においては、第１図の装置の第１再生段
階と第２再生段階において、循環溶媒溶液の圧を
使用して、それぞれの段階Ａ１とＡ２への消費済
動作流体の圧を増大する構造を示す。 第３図に図示のように、吸収段階Ａ１は、循環
溶媒溶液を消費済動作液の圧より実質的に高い圧
でこの吸収器Ａ１の中に噴入するための噴射シス
テムを含んでいる。 この噴射システムは、低圧区域を生じるための
中間狭窄区域を有する噴射ノズル１８０の形を成
す。 消費済ライン５６はこの狭窄区域においてノズ
ル１８０に接続し、公知のようにして、このノズ
ルを通して吸収器Ａ１の中に噴射される溶媒溶液
が狭窄区域で発生する減圧が、消費済動作流体を
ノズル１８０の中に引込み、また吸収器Ａ１の中
に引込む。 このシステムの効率は、循環される溶媒溶液と
再生される動作流体との質量比に依存することは
理解されよう。 もしこの比率が低くければ、循環溶媒溶液の流
れによつて再生動作流体の全量を導入することは
不可能であろう。 故に実際上、条件に応じて、循環溶媒溶液の圧
をノズル１８０の中に入る前に部分的に低下させ
る必要があり、また再生動作流体の一部をノズル
１８０の中に導入し、残分を直接に吸収器Ａ１の
中に導入する必要があろう。 第３図においては吸収器Ａ２が図示されていな
いが、第２再生段階において再生される動作流体
は吸収器Ａ１に対応する噴射システムによつて吸
収器Ａ２の中に導入されることは理解されよう。 第３図に図示の実施態様は、それぞれ第１段階
と第２段階において循環溶媒溶液の圧を少なくと
も部分的に利用して、再生動作流体を流入し、第
１および第２の吸収器Ａ１とＡ２の中の圧を増大
できる利点を与える。 この効果を利用して第１吸収器Ａ１と第２吸収
器Ａ２の中における吸収効率を改良することがで
きる。あるいは、またはさらに、この効果を利用
して、また吸収器Ａ１の中において再生中の動作
流体の有効な吸収を実施しうる水準まで圧を上昇
させる循環溶媒溶液の役割に信頼をおいて、ター
ビン５２を通る装入動作流体をさらに低い圧まで
膨張させることができる。この方法を第２再生段
階について応用した場合も同様であつて、吸収器
Ａ２の中に導入される動作流体をさらに低圧とす
ることができ、この吸収器Ａ２の中に導入される
溶媒溶液の圧を信頼して、この吸収器Ａ２の中の
圧を有効吸収水準まで増大させることができる。 噴射システムは装置５０において、特に第１段
階と第２段階で有効であるが、次の各段階におい
てはそれほど有効ではなくなると出願人は考え
る。 第４図について述べれば、番号４５０は本発明
の方法ならびに装置のさらに他の実施態様を示
す。 このシステム４５０は、装入動作流体が第１図
〜第３図の水準より比較的高い水準まで膨張させ
られるが、高効率の経済的システムを成すため、
本発明の方法によつて消費済動作流体の再生が実
施される場合に用いられるものである。 装置４５０はタービン４５２を含み、また吸収
器Ａ、ポンプＰ、再生器Ｒ、蒸発器Ｅおよび分離
器Ｓを含む。 タービン４５２を通して膨張された消費済動作
流体はライン４５０に沿つて流入ライン４６４に
送られる。循環ライン４６５に沿つて分離器Ｓか
ら循環される溶媒溶液は減圧弁を通して送られ、
その圧は消費済動作流体の圧まで低減され、次に
流入ライン４６４を通して吸収器Ａの中に送られ
る。 第１図について述べたのと同様に、深海水の形
の冷媒が導管４６１を通して吸収器Ａの中に熱交
換関係に循環させられ、これに対して加熱用表面
水が導管４６３に沿つて蒸発器Ｅを通して熱交換
関係に循環させられる。 消費済動作流体は吸収器Ａの中の溶媒溶液によ
つて吸収され、そののちこの吸収された動作流体
を含有する溶媒溶液がポンプＰによつて増圧され
る。 この溶媒溶液はポンプＰによつて、ライン４６
６に沿つて再生器Ｒの中を送られ、次に蒸発器Ｅ
に送られて、溶解された動作流体を蒸発させる。 ライン４６５に沿つて循環される溶媒溶液は再
生器Ｒを通る溶媒溶液と熱交換関係に通過させら
れて熱交換を行なう。 蒸発器Ｅから、蒸発した再生中の動作流体と溶
媒溶液は分離のためセパレータに送られ、そのの
ち分離された動作流体は装入ライン４５４に沿つ
てタービン４５２に送られる。 本発明のこの実施態様を説明するため、ガス状
アンモニア動作流体１キログラム、および冷媒と
しての最低温度４℃の深海水、および熱媒として
の最高温度27℃の海洋表面水に基づいて行なわれ
た比理論計算により、第４図のシステムの代表的
工程パラメータを示す。 これらの計算パラメータを下記の第表に示
す。パラメータを計算した点を第４図の対応番号
で示した。これらの点を表の第１欄に示した。

【表】 前記の表から明らかなように、動作流体は、
９気圧の装入水準から5.5気圧の消費済水準まで
膨張させられる。また、消費済動作流体と溶媒溶
液は吸収器Ａの中に12℃の温度で入り、また再生
される吸収動作流体を含む溶媒溶液は吸収器Ａか
ら約８℃の温度で出ることがわかる。 消費済動作アンモニア流体を吸収するための吸
収器Ａを使用することにより、また循環溶媒溶液
について適当な水中アンモニア濃度を用いること
により、吸収器Ａの中において、アンモニア動作
流体の吸収は12℃またはこれより少し高い温度で
開始され、４℃の冷媒によつて温度が約８℃まで
低下されるまでに完全吸収が実施されるであろ
う。 故に、冷媒温度と、再生中の動作流体の完全吸
収のために必要とされる最低温度との間に大きな
温度差が存在する。 アンモニア等の動作流体の凝縮のために通常の
凝縮段階を使用するシステムと異なり5.5気圧に
おけるアンモニアガスの凝縮は約５℃の温度にお
いてのみ開始されるので、この凝縮温度と４℃の
冷媒温度との限界温度差は１℃となるであろう。
故に凝縮段階において凝縮が始まる前に、動作流
体の温度は４℃の冷媒によつて約５℃まで低下さ
れなければならないであろう。このような限界温
度差の故に、冷水の必要量は大きくなり、また大
きな伝熱面が必要とされるであろうことは理解さ
れよう。 これに対して、本発明の吸収器を使用する場
合、再生中の動作流体と循環溶媒溶液とが同時に
冷却されなければならないが、動作流体の吸収は
冷媒温度より大巾に高い温度で開始され、また冷
媒温度より大巾に高い温度で完了するので、所要
の冷水量は大巾に低減され、また／あるいは所要
伝熱面が大巾に低減されうる。 実際上、経済的観点から、冷水所要量、伝熱面
積、および冷水温度と消費済動作流体の完全吸収
に必要とされる温度との温度差は、動作パラメー
タおよび投資コストから見て最も経済的なシステ
ムをうるように平衡させることができる。 再生中の動作流体を含有する溶媒溶液は通常の
凝縮器を出る凝縮動作流体の温度より高い温度で
吸収器Ａから出るが故に、蒸発器Ｅの中における
蒸発が容易になる。また、循環溶媒溶液と動作流
体を含む溶媒溶液とを再生器Ｒの中で熱交換関係
に循環させることにより、吸収器Ａにおける吸収
作用と蒸発器Ｅにおける蒸発作用が共に改良され
る。 故にシステム４５０は、タービン４５２前後の
エンタルビー降下の増大の利点があり、効率と経
済性の高いシステムを提供する。 本発明によるシステムの利点を示すため、熱媒
と冷媒の温度によつて課される同一作動パラメー
タのもとに、第４図のシステムを、通常のランキ
ンサイクルを使用する通常のOTECシステムと比
較する計算を行なつた。ランキンサイクルシステ
ムのパラメータは、1979年、OTC3592、ジヨン
ホプキンス大学、D.リチヤードおよびL.L.ペリニ
著、“OTECパイロツトプラン熱エンジン”とい
う出版物から得られた。 この比較計算を下表に示す。

【表】

【表】 通常のサンキンサイクルシステムに対する第４
図のシステムの顕著な利点はこの表から明白で
ある。本発明によるシステムは能率と経済性にお
いて顕著な改良を示すことは明らかである。これ
は、OTECシステムと関連のシステムにおいて
は、使用される熱媒と冷媒の温度による厳しい制
約がこのOTECシステムの商業的利点に対する重
大な障害を成していたことからも非常に有意義で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法および装置の実施態様の
略示図、第２図は膨張段階の変形を含む他の実施
態様の部分略示図、第３図は動作流体噴射手段を
利用する他の実施態様の部分図、また第４図は本
発明の他の実施態様の略示図である。 Ａ…吸収器、Ｐ…ポンプ、Ｅ…蒸発器、Ｓ…分
離器、Ｔ…タービン、Ｒ…再生器、Ｖ…減圧弁、
―９，―１０…冷媒、―１１，―１２…熱媒、１
８０…噴射ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エネルギーを放出するためガス状動作流体を
   装入高圧水準から消費済み低圧水準まで膨張させ
   る段階と、その消費済み動作流体を吸収段階にお
   いて動作流体を冷媒で冷却しながら溶媒溶液中に
   溶解させることによつて動作流体を凝縮し、前記
   の溶媒溶液は、動作流体吸収に適した溶媒溶液沸
   点レンジを生じるのに十分な初動作流体濃度を有
   する溶媒から成る様に成し、溶解された動作流体
   を含有する溶媒溶液の圧を増大し、また再生中の
   動作流体を蒸発段階において加熱することによつ
   て蒸発させ、蒸発された動作流体を、エネルギー
   放出のために再膨張させるため引出し、その再生
   段階の吸収段階の溶媒溶液を成すため、動作流体
   の蒸発後に残存した溶媒溶液を循環させることに
   よつて、再生する段階とを含むエネルギー発生方
   法で、消費済み動作流体が (a) 最初の再生段階で消費済動作流体を、冷媒で
   冷却しつつ溶媒溶液中にそれを溶解させること
   により最初の吸収段階中で凝縮させ、その溶媒
   溶液は溶媒溶液に動作流体の吸収に対して好適
   な沸点範囲を有するに十分な初期動作流体濃度
   を持つ溶媒を含んでおり (b) 最初の再生段階中に溶解した動作流体を含む
   溶媒溶液の圧力を増加させ、最初の蒸発段階で
   加熱により再生される動作流体を蒸発させ (c) 最初の蒸発段階における動作流体の蒸発後に
   残る溶媒溶液の残部を循環してその最初の再生
   段階の最初の吸収段階に対し溶媒溶液を構成し (d) 蒸発した動作流体を最初の再生段階から引続
   く再生段階へ送り出し (e) 夫々の前の再生段階から蒸発した動作流体を
   夫々の引続く再生段階での対応する再生を受け
   させ、その段階へ入る動作流体よりも更に高い
   圧力である夫々の引続く段階において装入され
   た動作流体を生じさせ (f) 再生された装入ガス状動作流体を、再膨張の
   ための最終再生段階からエネルギーを放出する
   ために引出す、 ことを含む多数の継続的再生段階中で再生され
   ることを特徴とする方法。 ２ 消費済み動作流体が２乃至４の継続的再生段
   階間で再生される特許請求の範囲第１項による方
   法。 ３ 動作流体は、その凝縮温度が溶媒の最低温度
   以下となる消費済み低圧水準まで膨張される様に
   した特許請求の範囲第１項または第２項による方
   法。 ４ 各再生段階において、溶媒溶液中の動作流体
   の初濃度は十分であり、また再生中の動作流体に
   対する溶媒溶液の割合は、再生中の動作流体のそ
   の吸収段階における吸収後に、溶媒溶液が、この
   吸収段階で得られる最低温度の少し上の沸点を有
   する様に成される特許請求の範囲第１項乃至第３
   項のいずれかによる方法。 ５ 各再生段階において、再生中の動作流体が、
   この再生段階の蒸発段階の加熱用溶媒によつて、
   この蒸発段階中の溶媒溶液から蒸発されうるほぼ
   最高圧まで、この再生段階の吸収段階と蒸発段階
   との間で圧力が増大される様にした特許請求の範
   囲第１項乃至第４項のいずれかによる方法。 ６ 各再生段階において、溶媒溶液と蒸発された
   動作流体は蒸発段階から分離段階に送られて、再
   生された動作流体を分離する様にし、かつ、各再
   生段階において、吸収段階に循環される溶媒溶液
   は膨張してその圧力をその吸収段階において再生
   される動作流体の圧力まで減圧されるようにした
   特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかによ
   る方法。 ７ 各再生段階において、循環される溶媒溶液
   は、吸収段階と蒸発段階の中間において、溶解動
   作流体を含有する溶媒溶液と少くとも部分的に熱
   交換関係において循環される様にした特許請求の
   範囲第１項乃至第６項のいずれかによる方法。 ８ 順次再生段階のすべての吸収段階は、溶媒に
   よつて冷却される単一の複式吸収段階の中で別々
   に実施され、また順次再生段階のすべての蒸発段
   階は単一複式蒸発段階の中で別々に実施される様
   にした特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれ
   かによる方法。 ９ 溶媒は水体から抽出された冷水によつて与え
   られ、また各蒸発段階は同一水体から抽出された
   熱水によつて加熱される様にした特許請求の範囲
   第１項乃至第８項のいずれかによる方法。 １０ 再生される動作流体は、動作流体の凝縮温
   度が冷媒の最低温度以下となる圧で、各吸収段階
   の中に導入される様にした特許請求の範囲第１項
   乃至第９項のいずれかによる方法。 １１ 各再生段階では、再生される動作流体に対
   する溶媒流体の割合は、その吸水段階で再生され
   る動作流体を吸収した後、その吸収段階で達せら
   れた最低温度より各目的に低い沸点を与える最低
   量にほぼ近い特許請求の範囲第４項による方法。