JPS6396456A

JPS6396456A - エネルギ−転換システム

Info

Publication number: JPS6396456A
Application number: JP24193386A
Authority: JP
Inventors: 冨田　勉
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-10-14
Filing date: 1986-10-14
Publication date: 1988-04-27

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】産栗上皇五朋光互本発明は１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。

災米投権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。しかし、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
Ｌ　Ｐ　Ｇ　、　Ｌ　Ｎ　Ｇ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１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ラ
ンキンサイクルのボイラで燃焼され、あるいはガスター
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。

こぎで、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１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
１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、水をポンプで昇圧しボイラを使って上
記の熱エネルギーで水を加熱して高温、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、エンタルピの状態の変化のサイク
ルを第２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■の状態（エンタルピ
がｉい圧力がＰ□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、■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
Ｎ■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、■の気化状態を経て■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■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。

明が解決しようとする４　貞上記のランキンサイクルにおいて、■から■に至る低圧
蒸気の冷却液化工程ではエンタルピをｉ□から１２に減
少させるが、その熱量（ｉｌ−ｉ２）は海水に投棄し、
利用させることなく海に捨てられる。一方、■の状態の
高圧の水を■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（ｉｓ　　１３）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は、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（ｉ、−ｉ、）の値が大きく、結果としてエ
ネルギー効率ηは低く押えられる。

このため（Ｉｓ　　１１）を大きくして、これにより効
率を上げようとし、■の圧力を出来るだけ高くして、■
のエンタルピを高めるようにしているが、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
１発電システム全体の効率はせいぜい４０乃至４２％程
度にしかならない。

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。

又夙立■カ本発明は、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題にかんがみ、
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。

目的′　Ｊのための手本発明は、上記の目的を達成させるため、上述のランキ
ンサイクルを使用したエネルギー転換システムにおいて
、上記ランキンサイクル以外に流体を加熱気化、圧縮、
冷却した後ジュールトムソン効果を伴なう等エンタルピ
膨張をさせる一連の工程を有する冷却・昇温用サイクル
を設け、上記のランキンサイクルの冷却液化工程でラン
キンサイクルの流体の熱は低圧交換器を介して冷却・昇
温用サイクルの加熱気化工程の流体に回収され、ランキ
ンサイクルの加熱気化工程でランキンサイクルの流体に
上記冷却・昇温用サイクルの冷却工程の流体より高圧熱
交換器を介して熱を与える如く、両サイクルの各部の間
に高圧熱交換器及び低圧交換器を設け、これにより両サ
イクル相互間の熱の授受を行ない、ランキンサイクルの
冷却液化工程のエンタルピ変化量（ｉｌ−ｉ、）をラン
キンサイクルの加熱気化工程に供給し、加熱気化工程の
エンタルピ増分（ｉｌ　　１３）のかなりの部分を自給
しようとすることを特徴とする。

更に、冷却・昇温用サイクルの加熱気化工程に昇温用熱
交換器を設け、これを介して外部熱源より熱エネルギー
を補給し、両サイクルの熱的及び機械的エネルギーの全
体的なバランスを取ることを特徴とする。

本発明においては、このようにして冷却・昇温用サイク
ルに補給された外部熱エネルギーがランキンサイクルの
膨張仕事と冷却・昇温用サイクルの圧縮仕事の差として
機械的エネルギー（回転エネルギーなど）或は電気エネ
ルギーとしてシステムの外部に取り出される。

作用以下に本発明の作用を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、さきに第２図により説明したランキンサイク
ルの流体Ａの線図と上述の冷却・昇温用サイクルの流体
Ｂのモリエル線図とを説明の便宜上同じ座標上に示した
ものである。図中に実線で示す■→■→■→■→■→■
のサイクルはランキンサイクルであり、破線で示すイ→
ロ→ハ→二→ホ→イは冷却・昇温用サイクルである。こ
のサイクルに使用される流体Ｂは、イの状態では低圧の
気体であり、これをコンプレッサにより圧縮し、口の高
温・高圧気体にする。これを冷却するとハの状態の高圧
の液体となる。これを等エンタルピ膨張させて二の状態
の低温・低圧の液体にする。

これを加熱することによりホを経てイの状態の低圧気体
になる。このサイクルは一般に逆ランキンサイクルと呼
ばれている。つまり、逆ランキンサイクルはランキンサ
イクルとは工程が逆である。

さて、ランキンサイクルを流れる流体Ａ、逆ランキンサ
イクルを流れる流体Ｂは異なる物性の流体であるが、説
明の便宜上、流体Ａ、Ｂ共に単一の組成より成る流体（
即ち、混合媒体ではない）とすると、逆ランキンサイク
ルの口→ハの冷却工程、二→ホの加熱気化工程及びラン
キンサイクルの■→■の冷却液化工程及び■→■の加熱
気化工程で気液混合相の領域を通過する間夫々の温度は
一定である。気相及び液相の領域では加熱することによ
り流体の温度は上昇し、冷却することにより流体の温度
は低下する。そこで、ランキンサイクルの加熱気化工程
の起点の温度Ｔ３を逆ランキンサイクルの冷却工程の終
点の温度Ｔ・・より低く設定し、その上で逆ランキンサ
イクルの口→ハの間の冷却工程における流体の温度をラ
ンキンサイクルの■→■の間の加熱気化工程における流
体の温度より常に高くなるように条件を設定し、かつ、
逆ランキンサイクルの二→ホの間の加熱気化工程の間の
流体の温度を、ランキンサイクルの■→■の間の冷却液
化工程の間の流体の温度よりも常に低くなるように設定
し、それらの流体の間に夫々高圧及び低圧の熱交換器を
設けることにより、ランキンサイクルの冷却液化時にラ
ンキンサイクルの流体Ａの熱が逆ランキンサイクルの流
体Ｂに回収され、ランキンサイクルの加熱気化工程でそ
の熱がランキンサイクルの液体Ａに戻るようにすること
ができる。したがって従来のランキンサイクルのエネル
ギー転換システムで冷却液化工程で無駄に海水に捨てら
れていた熱エネルギーが、加熱気化工程での液体の加熱
に有効に利用できるにのエネルギー転換システムでは、
ランキンサイクルの冷却液化工程で流体を冷却する媒体
は、従来のシステムの海水或は冷却水とは異り、クロー
ズドサイクルである逆ランキンサイクルを循環する流体
であるから理論上はシステム外への熱の放出は皆無とな
り、ランキンサイクル及び逆ランキンサイクルの夫々に
使用する流体Ａ、Ｂを適当に選べば逆ランキンサイクル
に投入する圧縮仕事より大きい仕事をランキンサイクル
の膨張仕事として外部に取り出すことが可能である。即
ち、逆ランキンサイクルの加熱気化工程で与える外部熱
エネルギに相応する機械的エネルギ（回転エネルギー）
を膨張仕事（ランキンサイクル）と圧縮仕事（逆ランキ
ンサイクル）の差分として外部に取出すことが可能とな
る。

実施例ランキンサイクル及び冷却・昇温用サイクルを夫々流す
流体Ａ、Ｂは異種流体であるが、流体Ａ。

流体Ｂはそれぞれに単一組成の流体でも複数の媒体を混
合した混合媒体でもよい。

その流体の種類は外部エネルギーの温度レベルに応じて
適宜選択することができる。

第３図に実施例を示す。図に示す如く、冷却・昇温用サ
イクルの冷却工程ロ→ハの流路と、ランキンサイクルの
加熱気化工程■→■→■の流路との間には高圧熱交換器
１が、ランキンサイクルの冷却工程■→■の流路と冷却
・昇温用サイクルの加熱気化工程二→ホの流路との間に
は低圧熱交換器２が設けられている。

冷却・昇温用サイクルの圧縮工程イ→口には圧縮機３が
設けられており、エネルギー効率をモータにインプット
して圧縮機を駆動すると、このサイクルを流れる流体Ｂ
のガスの状態はイ（エンタルピ、圧力、温度が夫々ｉイ
、Ｐイ　、Ｔイ；以下の各状態も同様）から口に変化す
る。口の状態のガスは高圧熱交換器１によりランキンサ
イクル側に熱を奪われて冷却液化し温度はＴ７、になる
。エンタルピはｉ。から１２、に変化する。この場合、
必らずしも全量液化する必要はない。

膨張工程ハ→二の経路には膨張弁４が設けられており、
ハの状態の液体Ｂは等エンタルピ膨張して低圧の状態二
になる。この状態の液体に低圧熱交換器２を介してラン
キンサイクル側より熱を与えて昇温すると、液はガス化
を伴いなからエンタルピを高めつＮホのガス状態に至る
。

逆ランキンサイクルがランキンサイクルとの間で行う熱
の授受はこのように効果的に行われるが、上記の工程の
みでは流体Ｂはイ→ロ→ハ→二→ホを辿るのみで当初の
状態イには至らないため、逆ランキンサイクルの加熱気
化工程に昇温用熱交換器７を設け、システム系外から外
部のエネルギーを取り入れる。流体Ｂは外部熱エネルギ
ーの補給により加熱され低圧のガス状態ホから低圧のガ
ス状態イに至り、次いで圧縮機１に送給される。

一方、ランキンサイクルでは、■の状態にある流体Ａの
低温ガスは冷却工程で低温側交換器２を介して逆ランキ
ンサイクル側に放熱することにより液化し、飽和液線を
越えた■において完全液化し、レシーバ５に貯溜され、
昇圧ポンプ６により昇圧され■の高圧状態になり、次い
で高圧熱交換器１を介して逆ランキンサイクルより熱を
受は取り、状態■の高圧高温のガスとなる。高温、高圧
ガス■は膨張工程で膨張タービン８によりエネルギーＥ
２を外部に出し、■の状態の低温、低圧ガスと戻り、こ
のサイクルを繰返す。

このシステムでは逆ランキンサイクルの圧縮工程でイン
プットされるエネルギーＥ１は、ランキンサイクルの膨
張工程での出力エネルギーＥ２の一部を消費するので、
差引出力エネルギーはＥ２−Ｅよとなりエネルギー効率
ηは、次の如くなる。

第４図は本発明の別の実施例であり逆ランキンサイクル
一つにたいして複数のランキンサイクルを組合わせたも
のであり、その効果は第２図、第３図で説明したものと
同様である。

また、第５図は第４図と同様に逆ランキンサイクル一つ
に対して、複数のランキンサイクルを組合わせた実施例
のモリエル線図を示す。

なお、上記の各図に示したシステムの例で、圧縮機と膨
張タービンは別設形式としているが、両者を連結し１発
電機等の回転エネルギー利用系とタンデムに設けること
も可能である。

また、ランキンサイクルの昇圧ポンプを省略し第６図に
示す如くガスと液体の比重差によって位置のエネルギー
を与えるようにしてもよい。

すなわち、第６図は少くとも低圧熱交換器２を膨張ター
ビン８及び高圧熱交換器１に対して高所に設置し、低所
の膨張タービン８の吐出ガス（低圧）を高所に送給し、
高所にて液化の後に低所の高圧熱交換器に返送し、ガス
化した上で膨張タービン８に供給するものであり、低所
から高所に至る高さに対応するガスと液の位置のエネル
ギーの差を利用しようとするものである。

この場合には逆ランキンサイクルの流体Ｂをも低所から
高所に持ち上げる必要があり、ポンプ６′を設置するが
、本実施例はランキンサイクルの流体Ａの昇圧仕事が著
しく大きい場合に有効である。

上記の各図に示したシステムの例は、本発明の基本概念
を示すものであって、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。

又、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ラン
キンサイクルによるエネルギー転換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、使用する
流体の組合せ・選択によっては従来利用されなかった各
種の外部熱エネルギーの利用が可能となるので、化石燃
料の使用量を減少させ、自然環境のバランスを保全する
上にも効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエネルギー転換システムの一実施例の
ランキンサイクルと冷却・昇温用サイクルとの夫々に使
用する流体のモリエル線図、第２図は一般的なランキン
サイクルの流体のモリエル線図、第３図は本発明の実施
例の系統図、第４図は本発明の別の実施例の系統図、第
５図は本発明において１つの冷却・昇温用サイクルに対
して複数のランキンサイクルを組合せた各種実施例のモ
リエル線図、第６図は本発明のさらに他の実施例の系統
図である。１・・・高圧熱交換器２・・・低圧熱交換器７・・・昇温用熱交換器Ａ・・・ランキンサイクルの流体Ｂ・・・冷却・昇温用サイクルの流体 ■→■→■→■→■→■・・・ランキンサイクルイ→ロ
→ハ→二→ホ→イ・・・冷却・昇温用サイクルｃＬｌ：
！：１　　　ＦＬ　　１）　さ手続補正書　　　　。昭和６１年１２月　５日の１、事件の表示　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（昭和６１年特許願第２４１９３３号　　　　　　（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５、補正命令
の日付（自発）昭和　　年　　月　　日発送日　昭和　　年　　月　　日、補正の対象明細書の特許請求の範囲及び発明の詳細な説明各欄及び
図面、補正の内容１）特許請求の範囲を別紙のとおり補正する。２）明細書筒９頁１４行目の「夫々の」と「温度」との
間に「気液混合域での」を挿入する。３）第１図を別紙のものと差し替える。別紙「２、特許請求の範囲流体を冷却液化、昇圧、加熱気化させた後膨張タービン
により仕事を取り出す一連の工程を有するランキンサイ
クルを使用したエネルギー転換システムにおいて、上記
ランキンサイクル以外に流体を加熱気化、圧縮、冷却し
た後等エンタルピ膨張させる一連の工程を有する冷却・
昇温用サイクルを設け、ランキンサイクルの加熱気化工
程の流体温度を冷却昇温用サイクルの冷却工程の流体温
度よりも低く保ち、ランキンサイクルの冷却工程の流体
温度を冷却・昇温用サイクルの加熱気化工程の流体温度
よりも高く保つとともに、ランキンサイクルの加熱気化
工程の始点温度を冷却・昇温用サイクルの冷却工程の終
点よりも低く保ち、上記のランキンサイクルの冷却液化
工程でランキンサイクルの流体の熱は低圧熱交換器を介
して冷却・昇温用サイクルの加熱気化工程の流体に回収
され、ランキンサイクルの加熱気化工程でランキンサイ
クルの流体に上記冷却・昇温用サイクルの冷却工程の流
体より高圧熱交換器を介して熱を与え、更に両サイクル
ｒの熱量の　を　うべく昇温用熱交換器を介して外部熱
源からの熱を与える如く。両サイクルの各部の間に高圧熱交換器、低圧熱交換器を
設け、かつ冷却・昇温用サイクルの流路に昇温用熱交換
器を設けたことを特徴とするエネルギー転換システム。」

Claims

【特許請求の範囲】

流体を冷却液化、昇圧、加熱気化させた後膨張タービン
により仕事を取り出す一連の工程を有するランキンサイ
クルを使用したエネルギー転換システムにおいて、上記
ランキンサイクル以外に流体を加熱気化、圧縮、冷却し
た後等エンタルピ膨張させる一連の工程を有する冷却・
昇温用サイクルを設け、ランキンサイクルの加熱気化工
程の流体温度を冷却昇温用サイクルの冷却工程の流体温
度よりも低く保ち、ランキンサイクルの冷却工程の流体
温度を冷却・昇温用サイクルの加熱気化工程の流体温度
よりも高く保つとともに、ランキンサイクルの加熱気化
工程の始点温度を冷却・昇温用サイクルの冷却工程の終
点の温度よりも低く保ち、上記のランキンサイクルの冷
却液化工程でランキンサイクルの流体の熱は低圧熱交換
器を介して冷却・昇温用サイクルの加熱気化工程の流体
に回収され、ランキンサイクルの加熱気化工程でランキ
ンサイクルの流体に上記冷却・昇温用サイクルの冷却工
程の流体より高圧熱交換器を介して熱を与え、更に昇温
用熱交換器を介して外部熱源からの熱を与える如く、両
サイクルの各部の間に高圧熱交換器、低圧熱交換器を設
け、かつ冷却・昇温用サイクルの流路に昇温用熱交換器
を設けたことを特徴とするエネルギー転換システム。