JPS63105209A - 冷媒昇温増巾型温熱水発電システム - 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、地熱熱水や工場排温水等の低温熱水を用いて
タービンを駆動して発電する冷媒昇温増巾型温熱水発電
システムに関する。

〔従来の技術〕

地熱エネルギーは、自然エネルギーであってその資ａｇ
量も太陽熱や風力などと比べてかなり多量にあり、国産
で且つ枯渇しない新エネルギーとして、その有効な活用
が非常に期待されているエネルギーの１つである。この
地熱エネルギーの利用といえば、現在は殆どが発電であ
るといってもよい。

特に地熱流体の温度があまり高くない場合や、地熱流体
が化学的に強い酸性であるため蒸気タービンのケーシン
グや羽根の材料として耐腐食性の充分なものが得られず
、信頼性に問題がある場合などに、作動媒体を使ったバ
イナリ−サイクル発電が採用されることもある。このバ
イナリーサイクル発電では、地熱流体の熱エネルギーを
作動媒体に伝えて蒸発せしめ、その作動媒体の蒸気によ
り蒸気タービンを駆動しこれに連結した発電機により電
力を発生させている。この作動媒体としては、例えば特
開昭５６−１４８７４号公報、特開昭５６−１４８６９
０号公報、特開昭５７−１８３５７９号公報、特開昭５
８−５４８５号公報、特開昭５８１０１６８号公報に示
されているように、間接接触型のフロン系を使ったもの
と直接接触型のＣＯ□　（炭酸ガス）を使ったものとに
大別される。

しかし、これまでに稼働を開始した地熱発電所もいくつ
かあるが、主として用いられいている地熱流体は、物理
的に良質な１５０℃以上の湿分が殆どない所謂乾き蒸気
であり、８０℃程度の地熱熱水では発電効率が悪いため
、現状では発電用の蒸気の対象としては考慮されていな
かった。また、僅かではあるが、地熱流体の温度や酸性
度などの化学的性質によっては、農業、暖房・融雪その
他の多目的利用もなされている。従来、地熱流体の熱エ
ネルギーをどのような場合に発電に用いるか、どのよう
な場合に発電以外に用いるかは、地熱流体の地下貯留層
における温度により分類している。

ところで地熱流体は、石油のように地中に層状をなして
貯蔵されているとは限らず、多孔質の地質或いは多くの
岩石の割れ目などにたまっている場合なども多い。地熱
のエネルギーとしての埋蔵量は、この貯留層にある流体
の温度とその保有する熱エネルギー量によって表される
が、乾き蒸気のような物理的に良質な蒸気が得られる資
源量は、地熱資源全体の約１０％と考えられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如く物理的に良質な１５０℃以上の湿分が殆どな
い所謂乾き蒸気からなる地熱流体は少ないことから、広
範囲にわたって地熱流体を発電に利用しようとする場合
には、作動媒体を使ったバイナリ−サイクル発電の活用
を図ることが必要になる。しかし、例えばフロン系では
、入口温度が１９０℃でも３７％程度の低い最大出力し
か確保できない。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、低熱
源で且つ復水効率を向上させるタービン発電が可能な冷
媒昇温増巾温熱水発電システムの提供を目的とするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の冷媒昇温増巾温熱水発電システムは
、ポンプで凝縮された冷媒を供給され、外部からの温熱
水と熱交換して昇温膨張させる熱交換器、昇温膨張冷媒
を受け収束ノズルで凝縮させテーパー状の内孔周辺に接
線方向に注入する裔速渦流発生部を備えて該冷媒を高低
温に分離し該内孔の大径側中心部に極低冷媒噴出孔を有
し他方の小径側には昇温冷媒噴出孔を有してエネルギー
差を与えて高低温冷媒を分離出力する冷媒高低温分離装
置、上記昇温冷媒噴出孔に結合して昇温冷媒を受けて稼
動するタービン発電機及び該タービンの排出側に結合し
、上記極低冷媒噴出孔と結合して供給される極低冷媒と
熱交換すると共に冷却水を活用する冷却管を備えた復水
器から構成するものである。

〔作用〕

本発明の冷媒昇温増巾型温熱水発電システムでは、温熱
水を使って凝縮された媒体から高温冷媒を生成し、これ
を冷媒高低温分離装置で増巾昇温しでタービン発電を行
うので、低温熱水でも有効に発電に活用できる。また、
タービン発電後の低温冷媒を上記分離装置からの極低冷
媒で降温減圧して冷媒とし、これを再度移送して熱交換
するサイクルを形成しているので、移送効率がよく、無
駄のないシステムを構成することができる。

（実施例〕 以下、実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明に係る冷媒昇温増巾型′Ｌ＠熱水発電シ
ステムの１実施例の構成を示す図である。図中、１は熱
交換器、２は冷媒高低温分離装置、３はタービン、４は
発電機、５は復水器、６はポンプ、７は噴射パイプ、８
は極低冷媒供給管、９は放熱管、１０は冷却管を示す。

第１図において、熱交換器１は、直接或いは間接に温熱
源から供給される温熱水と凝縮されたりロロジフルオロ
メタン（以下Ｒ２２という）との熱交換を行うものであ
り、スパイラル放熱管９を内蔵し、これに温熱水を供給
すると共に、噴射パイプ７にＲ２２を供給することによ
って熱交換を行い、Ｒ２２から高温冷媒を生成する。

冷媒高低温分離装置２は、ポルテックス・チューブの原
理を応用したもので、第２図、第３図に詳細に示すよう
に、内部に円筒中空部を有し、側面に該円筒中空部と連
通ずる高温冷媒流入口１１を形成した中空ケース部材１
２内に、軸芯に極低冷媒噴出孔１３を貫設した円形の高
速渦流発生装置１４を嵌装し、該高速渦流発生装置１４
の背面側から０リング１５を介して中空シーリングキャ
ップ１６をケース内に螺着して該高速渦流発生装置Ｗ１
４をケース部材１２内に固定するとともに、該高速渦流
発生装置１４の前面と対向するケース部材１２の先端壁
１７にケース中空部の円筒内径よりも小径の昇温冷媒噴
出孔１８をケース部材１２に設けである。

高速渦流発生装置１４はその前面中央部、即ち昇温冷媒
噴出孔１８と対向する面の中央部に円形の凹部１９を有
するとともに外周面の接線方向から１頃斜もしくは湾曲
しながら該中凹部１９に通ずる半径方向の複数の溝２０
が刻設されている。

本発明に使用される冷媒高低温分離装置２の最も好まし
い実施例では第２図及び第３図に示すように、中空ケー
ス部材１２内に設置した高速渦流発生装置１４の先端と
、昇温冷媒噴出孔１８を連結した中空ケース部材１２の
先端内壁１７との間に間隙を設け、この間隙に対応する
ケース内周面２１を昇温冷媒噴出孔１８に向けてテーパ
ー状に形成するとともに、さらに流通管２２の内部、特
にその下流側内部に、針金等の線材を螺旋状に巻いた増
湿部材１９を介装しである。中空ケース部材１２の前記
テーパー状内周面は好ましくはそのテーパー面の双角が
９０″となるような均一な角度に形成し、また、増湿部
材３の螺旋体はその両端２４．２４が軸芯側に折り曲げ
られて「の」の字を形成するようになっている。

該流通管２２の先端には、周壁に複数の放出孔２５を形
成し且つ端部にキャップ２６を蝶着した放熱部材２７を
結合しである。また放熱部材２７にはキャップ２６の中
心孔を螺合して放熱部材２７の軸方向に延びる調整ねじ
２８が内蔵されており、キャンプ２６の中心孔との螺合
調整により進退移動して昇温冷媒の放出量を調節できる
ようになっている。タービン２は、冷媒高低温分離装置
２で生成された昇温冷媒により駆動されるものであり、
これに発電機４を直結して電力を発生する。

復水器５は、スパイラル冷却管１０を有し、タービン３
で仕事をした後の低温冷媒を接触させて冷却し降温減圧
させ、冷媒を生成する。ポンプ７は、復水器４で生成さ
れた冷媒を熱交換器１へ圧送し循環させるものである。

上記の如き各構成要素からなる本発明の冷媒Ｗ温増中型
温熱水発電システムの全体の動作を説明する。ここでは
冷媒としてＲ２２を使い、復水器５で生成される冷媒と
しては、このＲ２２を液化したものである。本システム
では、この冷媒がポンプ６を通して熱交換器１の噴射バ
イブ７に送られる。また他方では、温熱源から５０〜９
０℃の温熱水が熱交換器ｌのスパイラル放熱管９に供給
される。その結果熱交換器１では、冷媒を４５〜８５℃
まで吸熱膨張させ、熱交換器１からは３０〜５０℃の温
熱水が放出される０次いで、この高温媒体が冷媒高低温
分離装置１の高温媒体流入口１１に供給されると、この
高温冷媒は分離装置２のケース部材１２内に固定された
高速渦流発生装置１４によって音速で高速回転すること
により、圧力差によって外側高温渦流と内側低温渦流に
分けられ、外側高温渦流は昇温冷媒噴出孔１８から１７
０℃、３０ｋｇ／ｃ＋４となって流出されるとともに、
内側低温冷媒は渦流発生装置１４の軸芯に形成した極低
冷媒噴出孔１３及びシーリングキャップ１６の中空部を
介して前記昇温冷媒噴出孔１８とは反対の流出口から一
３０℃に降温して極低冷媒供給管８に流出する。この昇
温冷媒によりタービン２が駆動される。また、タービン
２で仕事をしだ昇温冷媒は、復水器４に送られ、ここで
４管２ｂから流出した冷温冷媒とガス媒体を混合させる
と共にスパイラル冷却管１０と接触させて３０℃、２ｋ
ｇ／ａＪに降温させる。そして、前述の様にポンプ６を
介して再度熱交換器１に圧送することによって冷媒系の
循環サイクルを形成する。

本発明は、種々の変形が可能であり、上記実施例に限定
されるものではない。例えば、低沸点媒体としてＲ２２
を挙げたが、その他の冷媒を用いてもよい。また、地熱
流体の温熱水に限らず、工場の排熱水や他の温熱水を利
用してもよいことは勿論である。さらに、第１図に示す
システムにおいて、第２図及び第３図に示すようなポル
テックス・チューブの原理を応用した冷媒高低温分離装
置２に代えて遠心分離器やターボチャージャーを用いて
もよい０例えばターボチャージャーを用いる場合には、
第１図に示す冷媒高低温分離装置２を第４図に示すよう
にターボチャージャーに置き換え、ターボチャージ中−
の出力によってタービンを駆動すればよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、低熱
源を用いた吸熱膨張される冷媒によるタービン発電が可
能になる。

さらに、低熱源によって吸熱膨張の高圧ガス媒体は、冷
媒高低温分解装置に導入されて高低温に分離され、高温
冷媒はさらに高温高圧に増巾されるので、タービン発電
は高出力になり、さらに復水器における降温減圧が低温
冷媒によって増強されるので実質的に発電が増加される
ことになり、全体としての総合効率を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷媒昇温増巾型温熱水発電システ
ムの１実施例を示す図、第２図は本発明の昇温増巾に用
いられる高速渦流発生部の拡大図、第３図は冷媒高低温
分離装置の全体断面、そして第４図は冷媒高低温分離装
置に代えターボチャージャーを使用する場合の本発明の
他の実施例を説明するための図である。 図において、１は熱交換器、２は冷媒高低温分離装置、
３はタービン、４は発電機（，５は復水器、６はポンプ
、１１は高温冷媒流入口、１３は極低冷媒噴出孔、１４
は高速渦流発生装置、１８は昇温冷媒噴出孔、２２は流
通管。 出　願　人　　清水建設株式会社（外１名）代理人　弁
理士　阿　部　龍　吉（外２名）第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポンプで凝縮された冷媒を供給され、外部からの
   温熱水と熱交換して昇温膨張させる熱交換器、昇温膨張
   冷媒を受け収束ノズルで凝縮させテーパー状の内孔周辺
   に接線方向に注入する高速渦流発生部を備えて該冷媒を
   高低温に分離し該内孔の大径側中心部に極低冷媒噴出孔
   を有し他方の小径側には昇温冷媒噴出孔を有してエネル
   ギー差を与えて高低温冷媒を分離出力する冷媒高低温分
   離装置、上記昇温冷媒噴出孔に結合して昇温冷媒を受け
   て稼動するタービン発電機及び該タービンの排出側に結
   合し、上記極低冷媒噴出孔と結合して供給される極低冷
   媒と熱交換して降温減圧させる復水器から構成される冷
   媒昇温増巾型温熱水発電システム。
2. （２）冷却水を受けて放熱を増強する冷却管を備えるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷媒昇温増
   巾型温熱水発電システム。