JP2012127231A

JP2012127231A - ランキンサイクルシステムおよび発電システム

Info

Publication number: JP2012127231A
Application number: JP2010278103A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tsuboi; 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: JP5508245B2

Abstract

【課題】油ポンプの不要なランキンサイクルシステムを提供する。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１は、熱媒および潤滑油が供給され、熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機２と、スクリュ膨張機２から吐出された熱媒を冷却して液化する凝縮器３と、凝縮器３において液化した熱媒を加圧する循環ポンプ４と、循環ポンプ４が吐出した熱媒を加圧状態のまま貯留して、熱媒に含まれる潤滑油を比重差によって分離する分離タンク５と、分離タンク５によって潤滑油を分離した熱媒を加熱し、蒸発させてからスクリュ膨張機２に再供給する蒸発器６とが介設された循環流路７、および、分離タンク５によって熱媒から分離された潤滑油をスクリュ膨張機２に再供給する給油流路８を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムおよびランキンサイクルシステムを用いた発電システムに関する。

例えば、特許文献１に記載されているように、加圧された液相の熱媒を蒸発器（加熱器）において熱源との熱交換によって加熱し、加熱した熱媒の膨張力によって膨張機を駆動して発電機を回し、膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化し、ポンプによって液化した熱媒を再加圧して蒸発器に再供給するランキンサイクルを利用したバイナリ発電システムが公知である。

膨張機として、潤滑およびシールのために潤滑油を用いるスクリュ膨張機を使用することも一般的であるが、従来は、特許文献１にも記載されているように、スクリュ膨張機から排気された熱媒から気液分離器を用いて潤滑油を分離し、分離した潤滑油を油ポンプによってスクリュ膨張機に再供給していた。

スクリュ膨張機と機械的によく似た構成の圧縮機の場合には、吐出したガスから分離した潤滑油を吐出したガスの圧力によって再供給できるが、スクリュ膨張機の場合は、給気圧力の方が排気圧力よりも高いため、専用の油ポンプで再加圧することが必要とされるからである。

また、特許文献１では、スクリュ膨張機のロータ室に、潤滑油を排出するための廃油口を設けて潤滑油を回収している。この場合、潤滑油だけでなく熱媒までもが回収流路に流出しないように、ある程度の背圧を加える必要がある。しかしながら、回収流路の背圧が高すぎると、潤滑油が逆流して廃油口が開口する空間の圧力を上昇させ、膨張工程における圧力こう配に部分的な逆転が生じて、スクリュロータの回転を妨げる逆方向の駆動力を発生させてしまう。このため、潤滑油の回収流路の圧力を厳密に制御できなければ、発電システムの効率が低下するという問題が生じる。

また、ランキンサイクルにおいて、蒸発器とスクリュ膨張機との間に気液分離器を設置すれば、スクリュ膨張機に供給される熱媒と等しい圧力を有する潤滑油が得られるので、専用の油ポンプを設けなくてもよい。しかしながら、その場合、潤滑油も蒸発器を通過することになり、蒸発器における熱交換の効率が低下するという問題が生じるため、上述の油ポンプを用いたシステムとすることが一般的である。

特開昭６０−５６１０４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明の課題は、油ポンプの不要なランキンサイクルシステムおよびランキンサイクル発電システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるランキンサイクルシステムは、熱媒および潤滑油が供給され、前記熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機と、前記スクリュ膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化する凝縮器と、前記凝縮器において液化した熱媒を加圧する循環ポンプと、前記循環ポンプが吐出した熱媒を加圧状態のまま貯留して、前記熱媒に含まれる前記潤滑油を比重差によって分離する分離タンクと、前記分離タンクによって前記潤滑油を分離した前記熱媒を加熱し、蒸発させてから前記スクリュ膨張機に再供給する蒸発器とが介設された循環流路、および、前記分離タンクによって前記熱媒から分離された前記潤滑油を前記スクリュ膨張機に再供給する給油流路を有するものとする。

この構成によれば、分離タンクは、熱媒と潤滑油とを比重によって分離するので、その構成が簡単である。また、分離タンクで分離した潤滑油もスクリュ膨張機に供給される熱媒と同じ圧力を有するので、専用のポンプを必要とせずにスクリュ膨張機にそのまま供給できる。

また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記給油流路は、前記潤滑油を加熱する熱交換器を備えてもよい。

この構成によれば、スクリュ膨張機において、潤滑油が熱媒の熱を奪って、熱媒の膨張力、ひいては、スクリュ膨張機の回転エネルギーを減少させることがない。

また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記給油流路は、前記潤滑油の全量を前記スクリュ膨張機の給気側の軸受に供給してもよい。

この構成によれば、給気される熱媒と同じ圧力の潤滑油を、給気側の軸受に供給するので、圧力差による損失が生じず、軸受を潤滑した潤滑油は、熱媒と共にロータ室を介して排気側の軸受にも供給されるので、スクリュ膨張機の各部に個別に潤滑油を供給する必要がない。

また、本発明のランキンサイクルシステムにおいて、前記スクリュ膨張機は、前記軸受に供給した前記潤滑油の全量を、前記熱媒と共に排出してもよい。

この構成によれば、潤滑油を途中で排出しないので、膨張行程における圧力こう配に逆転が生じず、効率が高い。

また、本発明による発電システムは、上記ランキンサイクルシステムのいずれかを有し、前記スクリュ膨張機によって発電機を駆動するものとする。

この構成によれば、工場排熱等の比較的低温の熱源によって、一般的な油潤滑式スクリュ膨張機を用いる簡素なシステムによって効率的に発電できる。

また、本発明の発電システムにおいて、前記スクリュ膨張機のケーシングと前記発電機のケーシングとが一体化され、前記スクリュ膨張機から排気された前記熱媒が、前記発電機の内部空間を通して前記循環流路に流出してもよい。

この構成によれば、膨張することによりスクリュ膨張機を駆動して温度低下した熱媒によって発電機の巻線を冷却して、発電機の効率低下を防止できる。

本発明の第１実施形態のランキンサイクル発電システムである。本発明の第２実施形態のランキンサイクル発電システムである。本発明の第３実施形態のランキンサイクル発電システムである。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態であるランキンサイクル発電システム１の構成を示す。ランキンサイクル発電システム１は、例えば従来廃棄されていた低圧蒸気のような工場排熱等を熱源とし、その熱を回収して発電し、電気エネルギーとして回収するためのシステムである。

ランキンサイクル発電システム１は、スクリュ膨張機２、凝縮器３、循環ポンプ４、分離タンク５および蒸発器６を介設してなり、熱媒（例えばＲ２４５ｆａ）を封入した循環流路７と、分離タンク５の上部をスクリュ膨張機２の給油を要する部位に接続する給油流路８とを有する。スクリュ膨張機２の出力軸９には、発電機１０が接続されている。

スクリュ膨張機２は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した膨張空間内において熱媒を膨張させることにより、スクリュロータを回転させる。また、スクリュ膨張機２は、供給された潤滑油によって、スクリュロータ間およびスクリュロータとケーシングとの間の潤滑およびシールを行うように構成されている。また、スクリュロータの軸受も、潤滑油が供給されることによって摩耗を防止するようになっている。したがって、スクリュ膨張機から排気される熱媒は、潤滑油を含んだものとなる。

凝縮器３は、クーリングタワーで製造される冷却水のような極めて安価な冷熱源によって、熱媒を冷却して液化させる熱交換器である。循環ポンプ４は、凝縮器３において液化した熱媒を、スクリュ膨張機２への供給圧力まで再加圧する。

加圧された熱媒は、分離タンク５に導入され、分離タンク内に一定時間滞留する。分離タンク５において、液相の熱媒は、非常に流速が低い状態で貯留されるので、含まれている潤滑油の液滴が比重差によって浮き上がる。例えば、熱媒（Ｒ２４５ｆａ）の比重は、１３００ｋｇ／ｍ^３であるのに対し、潤滑油の比重は、９００ｋｇ／ｍ^３である。

このようにして、分離タンク５において潤滑油が分離された液相の熱媒は、蒸発器６において熱源との熱交換によって加熱され、飽和蒸気となってスクリュ膨張機２に供給される。

また、分離タンク５において分離された潤滑油は、給油流路８を介してスクリュ膨張機２に再供給される。給油流路８に、オリフィスや絞り弁等を設けて、スクリュ膨張機２への供給潤滑油の流量を調整してもよい。また、スクリュ膨張機２の複数の部位に給油する場合、部位毎に必要な流量の潤滑油を供給できるように、給油流路８の分岐流路にオリフィスや絞り弁等を設けてもよい。

本実施形態において、蒸発器６は、潤滑油を分離した後の純粋な熱媒のみを加熱するので、蒸発器６を熱媒の加熱に最適化して設計することにより、最大限の熱回収を可能にできる。

また、分離タンク５は、気液分離器のように複雑な構造を必要とせず、単純な容器でよいので、安価であり、メンテナンスも不要である。

さらに、分離タンク５は、熱媒および分離された潤滑油を循環ポンプ４によって加圧された後の圧力に保つので、給油流路８からスクリュ膨張機２に供給される潤滑油の圧力は、蒸発器６を介してスクリュ膨張機２に供給される熱媒の圧力と等しい。このため、分離タンク５で分離した潤滑油は、それ以上加圧しなくてもスクリュ膨張機２に導入できる。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態であるランキンサイクル発電システム１ａの構成を示す。尚、本実施形態について、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態のランキンサイクル発電システム１ａは、給油流路８に、蒸発器６において熱媒を加熱するのと同じ熱源によって潤滑油を加熱するための熱交換器１１が設けられている。

これにより、潤滑油の温度を高くするので、スクリュ膨張機２の内部において、潤滑油が熱媒を冷却して、膨張力を減少させることがなく、エネルギー変換効率（発電効率）を高くできる。

さらに、図３に、発明の第３実施形態であるランキンサイクル発電システム２１の構成を示す。本実施形態のランキンサイクル発電システム２１は、スクリュ膨張機２２と、発電機２３と、凝縮器２４と、循環ポンプ２５と、分離タンク２６と、蒸発器２７とが介設され、熱媒を封入した循環流路２８と、分離タンク２６で分離された潤滑油をスクリュ膨張機２２に再供給する給油流路２９とを有する。

スクリュ膨張機２２は、膨張機ケーシング３０に形成したロータ室３１に、スクリュロータ３２を収容し、スクリュロータ３２の回転軸３３を、膨張機ケーシング３０に形成した軸受室３４，３５に収容した軸受３６，３７によって支持している。熱媒は、循環流路２８から、給気流路３８を通してロータ室３１に供給され、ロータ室３１で膨張することによりスクリュロータ３２を回転駆動した熱媒は、排気流路３９から排気される。

発電機２３は、膨張機ケーシング３０に一体に接続された発電機ケーシング４０の内部空間４１に、回転子４２および固定子４３を収容してなる。回転子４２は、内部空間４１まで延伸するスクリュロータ３２の回転軸３３に設けられており、スクリュロータ３２とともに回転することによって、固定子４３に電力を生じさせる。発電機２３の内部空間４１は、スクリュ膨張機２２の排気側の軸受室３５および排気流路３９に連通している。これによりスクリュ膨張機２２から発電機２３の内部空間４１に排気された熱媒は、発電機ケーシング４０に設けた排気口４４から循環流路２８に流出する。

給油流路２９は、スクリュ膨張機２２の給気側の軸受室３４のみに接続されており、分離タンク２６で分離された潤滑油の全量を給気側の軸受３６に供給するようになっている。給気側の軸受室３４に供給された潤滑油は、回転軸３３と膨張機ケーシング３０との隙間、および、スクリュロータ３２の給気側の端面と膨張機ケーシング３０との隙間を通して、スクリュロータ３２の歯溝（膨張機ケーシング３０の内壁とスクリュロータ３２の歯とによって画定される空間）に流入する。

この歯溝がスクリュロータ３２の回転によって排気側に到達すると、潤滑油の大半は、熱媒とともに、排気流路３９を通して発電機２３の内部空間４１に排気され、循環流路２８に流出する。しかしながら、スクリュロータ３２の歯溝の潤滑油の一部は、熱媒の一部とともに、スクリュロータ３２の排気側の端面と膨張機ケーシング３０との隙間、および、回転軸３３と膨張機ケーシング３０との隙間を通して、排気側の軸受室３５に流入する。軸受室３５に流入した潤滑油は、排気側の軸受３７を潤滑し、熱媒とともに、発電機２３の内部空間４１を通して循環流路２８に流出する。

本実施形態では、スクリュ膨張機２２のロータ室３１において膨張することによって圧力および温度が低下した熱媒によって、発電機２３の回転子４２および固定子４３を冷却するので、発電機２３の発電効率の低下を防止できる。

また、本実施形態のように、潤滑油の全量を給気側の軸受室３４に供給し、供給した潤滑油の全量を熱媒とともに循環流路２８に流出させ、スクリュ膨張機の膨張行程の途中において、潤滑油を供給および排出しないようにすることで、スクリュ膨張機の内部において熱媒の圧力こう配に逆転を生じさせないようにでき、熱エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換でき、ひいては、発電効率を向上させられる。

本発明は、発電システムだけでなく、ランキンサイクルによって熱エネルギーを回転エネルギーに変換するシステムに広く適用でき、例えば、スクリュ膨張機によってコンプレッサを駆動するランキンサイクルシステム等にも利用できる。

１，１ａ，２１…ランキンサイクル発電システム
２，２２…スクリュ膨張機
３，２４…凝縮器
４，２５…循環ポンプ
５，２６…分離タンク
６，２７…蒸発器
７，２８…循環流路
８，２９…給油流路
１０，２３…発電機
１１…熱交換器
３０…膨張機ケーシング
３１…ロータ室
３２…スクリュロータ
３３…回転軸
３４，３５…軸受室
３６，３７…軸受
３８…給気流路
３９…排気流路
４０…発電機ケーシング
４１…内部空間
４２…回転子
４３…固定子
４４…排気口

Claims

熱媒および潤滑油が供給され、前記熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機と、
前記スクリュ膨張機から吐出された熱媒を冷却して液化する凝縮器と、
前記凝縮器において液化した熱媒を加圧する循環ポンプと、
前記循環ポンプが吐出した熱媒を加圧状態のまま貯留して、前記熱媒に含まれる前記潤滑油を比重差によって分離する分離タンクと、
前記分離タンクによって前記潤滑油を分離した前記熱媒を加熱し、蒸発させてから前記スクリュ膨張機に再供給する蒸発器とが介設された循環流路、および、
前記分離タンクによって前記熱媒から分離された前記潤滑油を前記スクリュ膨張機に再供給する給油流路を有することを特徴とするランキンサイクルシステム。
前記給油流路は、前記潤滑油を加熱する熱交換器を備えることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
前記給油流路は、前記潤滑油の全量を前記スクリュ膨張機の給気側の軸受に供給することを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
前記スクリュ膨張機は、前記軸受に供給した前記潤滑油の全量を、前記熱媒と共に排出することを特徴とする請求項３に記載のランキンサイクルシステム。
請求項１から４のいずれかに記載のランキンサイクルシステムを有し、前記スクリュ膨張機によって発電機を駆動することを特徴とする発電システム。
前記スクリュ膨張機のケーシングと前記発電機のケーシングとが一体化され、前記スクリュ膨張機から排気された前記熱媒が、前記発電機の内部空間を通して前記循環流路に流出することを特徴とする請求項５に記載の発電システム。