JPH02267304A

JPH02267304A - バイナリー・サイクル動力回収装置

Info

Publication number: JPH02267304A
Application number: JP1087955A
Authority: JP
Inventors: Takao Yoshida; 孝男吉田; Masato Kurisu; 栗須　正登; Koichi Sugaya; 菅谷　浩一
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd; Kajima Corp
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd; Kajima Corp
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1989-04-10
Publication date: 1990-11-01
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JP2558520B2; US5027601A

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、地熱熱水や温泉熱等のような天然の熱や工場
廃熱のような低温度差エネルギを電気や冷房・冷凍用冷
熱源等に変換するバイナリー・サイクル動力回収装置に
係るものであり、特に、内部動力の軽減と熱交換効率の
改善によって小型機関に構成し１例えば温泉旅館等の事
業者単位でも簡単に地域エネルギを回収できるようにし
た小型実用向きのバイナリー・サイクル動力回収装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

バイナリー・サイクルは、各種の熱源（例えば地熱や温
泉熱或いは工場廃熱）によって作動媒体（例えばフロン
やアンモニア等の熱媒）を加熱し。

その蒸気エネルギを回転動力として回収するサイクルで
ある。

第１図は従来の代表的なバイナリー・サイクル動力回収
装置の機器配置を図解的に示したものであり、１は蒸発
器、２はタービン、３は発電機４は油分離器、５は凝縮
器、６は熱媒循環ポンプを示している。地熱や温泉熱或
いは工場廃熱等によって昇温した温水が温水ポンプ７に
よって蒸発器ｌに導かれ、熱媒を蒸発させるための熱源
として利用される。そのさい、熱源水がスケール等を含
む場合には熱交換器８でスケール等を含まない温水に熱
交換してから蒸発器１に導く、蒸発器１で蒸発した熱媒
はタービン２の駆動に利用され油分離器４を経たあと凝
縮器５で凝縮され、背圧を発生させる。凝縮器５で液化
した熱媒は循環ポンプ６によって再び蒸発器ｌに送り込
まれる。凝縮器５では冷却水ポンプ９によって通常は冷
却水が通水される。タービン２の潤滑用オイルは、熱媒
と共にタービンから出たあと、油分離器４で熱媒から分
離され、オイルポンプ１０によってタービン２に循環さ
せる。このようなバイナリー・サイクルによれば、地熱
等を利用して動力が回収できる。したがって、化石燃料
の枯渇が予想される将来において、自然に無限近く存在
する低温度差エネルギの回収技術として、かようなバイ
ナリー・サイクル動力回収装置の発展は最も期待されて
いるものでもある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、従来のバイナリー・サイクルは、地熱熱水や
温泉水を送込むための温水ポンプ（第１図の７）、潤滑
オイルポンプ（同１ｏ）、冷却水ポンプ（同９）等の内
部動力が多いので、装置を大型化しないと投資に見合っ
た動力回収ができず、また、従来の蒸発器やａ検器の通
常の熱交換方式では低温度差エネルギを有効に取り出す
にはやはりその規模を大・きくすることが要求され、結
局、大量の地熱を大型の装置で大規模に回収する場合に
のみ経済性が成立すると考えられ、装置の小型化は困難
であった。

したがって１例えば日本だけでも９０°Ｃ以上の温泉は
１０５ケ所以上もあるが、このような温泉源に対して事
業者単位でバイナリー・サイクル動力回収装置を構成す
ると言ったことは全く行われておらず大量の熱が水蒸気
として廃棄されているのが現状である。

本発明はこのような問題の解決を目的としたものであり
、バイナリー・サイクルの実用小型装置開発の課題であ
る内部動力の軽減と熱交換器の小型化高性能化を達成せ
んとしてなされたものである。

〔問題点を解決する手段〕

本発明に従うバイナリー・サイクル動力回収装置は、地
熱または工場廃熱などによる高温水から水蒸気を分離す
る蒸気分離器と、該蒸気分離器で分離された水蒸気を水
中に直接的に導入して熱水を作る熱水槽と、該熱水によ
って熱媒を加熱蒸発させるための該熱水槽中に設置され
た熱媒加熱蒸発装置と、この熱媒加熱蒸発装置によって
得られた熱媒蒸気を駆動源とするタービンと、このター
ビン通過後の熱媒を凝縮させるための凝縮器と。

この凝縮器で凝縮した熱媒液を前記の熱媒加熱蒸発装置
に循環するための熱媒循環ポンプとから主構成される。

ここで、熱水槽中に設置される熱媒加熱蒸発装置は、熱
媒液がその中を通液する多管を熱水中に配置してなる熱
媒加熱器と、この熱媒加熱器を通過した熱媒をフラッシ
ュさせるためのフラッシュチャンバーとからなる。また
、該熱媒加熱器とフラッシュチャンバーとの間の熱媒通
路にオイル分離器が介装され、このオイル分離器で分離
されたオイルをタービンに供給するように構成すること
ができる。

さらに該ａ検器は、熱媒液が存在するシェル内に冷却水
が通水するチューブを配置したシェルアンドチューブ型
熱交換器からなり、該シェル内の熱媒液中にその底部よ
り熱媒蒸気を直接的に導入するための熱媒蒸気導入手段
が設けられ、シェル内において熱媒液と熱媒蒸気を直接
的に熱交換させる気液直接熱交換器に構成される。

〔作用〕

蒸気分離器は地熱または工場廃熱等による高温水から水
蒸気と温水を分離する作用を供するものである。すなわ
ち、蒸気分離器は従来廃棄されていた水蒸気を捕集する
ものであり５本発明はこの廃棄水蒸気を熱源としてバイ
ナリー・サイクル動力回収装置を構成するものである。

したがってこの水蒸気と分離された高温水はその温度を
保持したまま例えば温泉熱水として温泉浴場などにその
まま利用できる。

熱水槽は、槽内の水中に前記の水蒸気を気泡として直接
導入することによって、水を加熱する槽であり、この水
蒸気と槽内水とを直接的に熱交換させる作用を供するも
のである。水蒸気から復水した水も熱水槽中に蓄えられ
ることになる。

熱媒加熱蒸発装置は熱水槽中に設置され、槽内の熱水に
よって熱媒蒸気を発生させる作用を供する。熱水槽中に
設置されるこの装置は、熱媒加熱器とフラッシュチャン
バーとからなるが５前者ででは熱媒液を加熱し、この加
熱した熱媒液を後者で蒸気とする。この熱媒液の加熱と
蒸発を行う熱は熱水槽中の熱水から抜熱するが、熱水槽
中には蒸気分離器から導入される水蒸気気泡が連続して
導入されるので熱水が撹拌される結果、その抜熱の熱交
換が効果的に行われる。

熱媒加熱器とフラッシュチャンバーとの間に設置される
オイル分離器は、好ましくは熱水槽中に設置され、熱媒
加熱器で加熱された熱媒液に同伴するオイルを密度差で
分離する。この分離は必ずしも完全に行われなくてもよ
＜、′このオイル分離器内で生成したオイル分の濃い作
動媒体液は、その高温高圧を維持したまま、タービンに
送り込まれる。フラッシュチャンバーに送り込まれる熱
媒液に同伴するオイル分は、熱媒液に比べて蒸発しがた
いのでフラッシュチャンバー底部に一部の熱媒液と共に
堆積するようになる。このオイル分はフラッシュチャン
バー底部から抜き出され、熱媒加熱器に戻される。

凝縮器は、タービンを通過した熱媒蒸気およびオイルの
混合ガスを冷却して凝縮させるものであるが、この混合
ガスを凝縮液中に導入するという気液直接熱交換を行う
作用を供するものである。

この凝縮液中に被凝縮気体を直接導入することによって
熱交換効率が高くなり、小型の凝縮器に構成することが
できる。また、凝縮液に溶は込まなかった不活性ガス類
はこの凝縮器で分離することができる。

〔実施例〕

以下に図面に示した本発明装置の実施例について詳述す
る。

第２図に示した本発明装置において、１１は蒸気分離器
、　１２は熱水槽、１３は熱水槽中に設置された熱媒加
熱器、１４は同じく熱水槽中に設置されたフラッシュチ
ャンバー、１５はオイル分離器、１６は動力回収用膨張
機（タービン）、１７は発電機、１８は凝縮器、１９は
熱媒循環ポンプを示している。

蒸気分離器１１には、泉源２０から　（高温水＋水蒸気
）の高圧水をその圧を利用して導き、ここで分離された
水蒸気を蒸気管２１を経て熱水槽１２の底部に配置され
た蒸気ドラフトノズル２２に導き、他方の高温水は温水
管２３を経て、その高温を維持したまま例えば温泉用熱
水として浴場等に供給する。

すなわちこの蒸気分離器１１は２例えば温泉エネルギの
うち、蒸気エネルギだけを取り出すものである。蒸気エ
ネルギは圧を有するのでその搬送には温水搬送の場合の
ようにポンプは不要であり、且つ温水搬送による熱損失
がなくなる。

熱水槽１２は、その底部に先述の蒸気ドラフトノズル２
２を配置してなる熱水を蓄える水槽であり。

該蒸気ドラフトノズル２２は、槽内水全体に蒸気の気泡
が分布するように、槽底部全域にそのノズル口が多数分
配されている。槽内水に導入された水蒸気は槽内水にそ
の保有熱を付与して復水し、増量した水はオーバーフロ
ー管２４から槽外に排出される。この熱水槽１２の熱水
中において、熱媒加熱器１３と熱媒蒸発器であるフラッ
シュチャンバー１４とが前記の水蒸気気泡と接する位置
に設置され。

また両者の中間に油分離器１５が設置されている。

熱媒加熱器１３は、熱媒液がその中を通液する多数本の
チューブ２５が熱水中に配置された簡単なものであり１
図示の例では、熱媒液の導入へ・ラダ室２６と導出ヘッ
ダ室２７とを上下方向に設け、導入ヘッダ室２６から導
出ヘッダ室２７に通ずる多数本のり型チューブ２５が熱
水中に浸漬するように管軸を水平方向にして配置されて
いる。したがって、各チューブ２５の周囲にはドラフト
ノズル２２がら流出する水蒸気の気泡が立ち上がり、こ
の気泡による熱の供給と液の撹拌が各チューブ２５の周
囲で同時に行われ、各チューブ２５内を流れる熱媒液と
の間で効果的な液と液による熱交換が行われる。これに
よって、導出ヘッダ室２７からは昇温した熱媒液が管路
２８を経て取り出される。

この加熱された熱媒液は管路２８から熱水中に配置され
た油分離器１５に導入される。この油分離器１５は、熱
媒液とこれに同伴する潤滑油を密度差によって分離する
簡単なもので３図示の例では熱媒液導入口２９と導出口
３０を下方側壁にもつ垂直な筒状容器からなり、導入口
２９と導出口３０の間の容器内には邪魔板３１が垂直方
向に設置され、オイル抜き出し管３２が、その管口３３
が容器内上層部に位置するように設けられている。この
構造によって。

加熱されて高圧になった熱媒液が油分離器１５内を通過
するさいに、比重の小さいオイル分が容器上層部に集積
し、このオイル分が一部の熱媒液と共に管口３３からオ
イル抜き出し管３２に液圧によって自然に流出する。こ
のオイル抜き出し管３２はタービン１６のオイル供給口
３４に通じている。一般に潤滑油は熱媒に溶解する場合
が多いが１高温に加熱すると分離する性質がある。この
性質を有利に利用するために、油分離器１５自身も熱水
槽１２の熱水内に浸漬するのがよい、このようにして油
分離器１５によって熱媒液中に同伴するオイル分の殆ん
どが抜き出されながら（分離は完全である必要はない）
その液圧によってタービン１６に自然に供給される。す
なわち第１図のような潤滑ポンプは不要であり、また第
１図の場合よりも小型で簡単な油分Ｍｌｉを使用するこ
とができる。このため２回収動力が向上する。油分離器
１５を出た熱媒液の主流は、その液導出口３０から管路
３５を経て、同じ（熱水中に配置されたフラッシュチャ
ンバー１４内に導入される。

フラッシュチャンバー１４は、管路３５を経て供給され
る高温高圧の熱媒液を、この管路３５よりも遥かに大き
な内容積をもつチャンバー内に噴射させて蒸発（ガス化
）を行わせる容器であり、この容器内は、熱媒液の導入
口３６を一例方上部に有するフラッシャ室３７と、熱媒
蒸気を取り出す蒸気導出０３８を他方の側方上部に有す
る蒸気過熱室３９おからなっており、フラッシャ室３７
と蒸気過熱室３９とは隔壁４０によって区分される。隔
壁４ｏは室内の上部だけに存在し、その下方は開放され
ている。フラッシャ室３７においては、熱媒液の導入口
３６より下方の室内に、多孔板からなるフラッシング板
４１が配置され、　このフラッシング板４１がら熱媒液
が滴下してその蒸発（ガス化）を助成する。このフラッ
シャ室３７と蒸気過熱室３９のいづれの室内にも上下方
向に貫通する熱交換パイプ４２が多数配置されている。

各熱交換パイプ４２は室の底板と天井板とを貫通して配
置された上下端開口の管であり。

この管内を蒸気ドラフトノズル２２から導出する水蒸気
の気泡が上昇できるようにしである。したがって、各熱
交換パイプ４２内は熱水槽１２内の熱水が水蒸気の気泡
で撹拌されながら存在することになり、フラッシュチャ
ンバー１４内を通過する熱媒に効果的に熱を付与し、フ
ラッシャ室３７における熱媒の蒸発と、草気過熱室３９
における蒸気の再過熱（ミスト成分を除去しながら過熱
蒸気とする）を促進する。ここで発生した熱媒蒸気は、
蒸気管４３を経て、その管路に介装された絞り弁４４で
絞られたあと、タービン１６に供給され、タービン１６
の駆動源として使用される。

一方、フラッシュチャンバー１４の底部には、液抜き口
４６が設けられており、ガス化しなかった液分（オイル
分も含まれる）がこの液抜き口４６を経て取り出される
。この液抜き口４６は、加熱器１３に熱媒液を供給する
管路４７に対して、接続管４８を介して接続されており
、後述の如く、蒸発器内循環ポンプ５９によって加熱器
１３に戻される。

タービン１６から出る熱媒とオイルの混合流体は凝縮器
１８に管路５０を経て直接供給される。すなわち、第１
図の従来例のように３タービンと凝縮器の間にオイル分
離器（およびそのためのオイルポンプ）を設置すること
なく、熱媒とオイルの混合流体をそのまま０４１器１８
に送り込む、この凝ｌｌ１ｌｉ器１８は、シェル５１内
に冷却水の通水チューブ５２を多数配管したシェルアン
ドチューブ型熱交換器に類似の構造を有するが、シェル
５１内に被ｍ縮物である熱媒液５３が各チューブ５２に
上液するように常時滞留させである点で通常のシェルア
ンドチューブ型熱交換器とは異なっている。すなわち１
軸を横方向にしたシェル５１内に、冷却水の通水チュー
ブ５２を管軸を横方向にして多数本配置すると共にシェ
ル５１の底部には多孔ノズル５４を設置し、またシェル
５１のほぼ中〜下腹部に凝縮液取出口５５が設けられて
おり、シェル５１内に配置されるチューブ５２の実質上
全てがその中に浸漬するように凝縮液５３が充填しであ
る。なお３図示の例では冷却水の導入ヘッダ部５６と導
出ヘッダ部５７が上下方向に設けられ５前述の加熱器１
３の場合と同様な配置で。

導入ヘッダ室５６から導出ヘッダ室５７に通ずる多数本
のＵ型チューブ５２がシェル５１内の凝縮液中に浸漬す
るように管軸を水平方向にして配置されている。この凝
縮器１８には、タービン１６を通過した混合流体（液体
よりも蒸気が殆んどである）が多孔ノズル５４を経て器
内の凝縮液５３中に気泡状でその底部より導入され、器
内の低温の凝縮液５３（チューブ５２によって冷却され
ている）と直接的に接触して冷却されて凝縮し、凝縮液
５３と一体となる。

そのさい、Ｑ検液５３の中に導入される熱媒蒸気の気泡
が凝縮液５３の撹拌を助成すると共に蒸気と液とが直接
的に大きな接触面積をもって接することになるので、蒸
気の冷却が効果的に行われ、凝縮を促進する。この直接
接触型の熱交換によって。

タービン１６を通過したオイルを含む混合流体であって
も高性能に凝縮が可能となり、このオイル含有流体の凝
縮ができることによって、タービンと凝縮器との間の油
分離器を不要化できた点に一つの特徴がある。また、こ
の油分離器が存在しないことは、タービンに４！縮器の
背圧を直接伝達できることになり、動力回収性能の向上
に大いに寄与することができる。

このようにして凝縮液が生成すると、生成した分だけ凝
縮液取出口５５から管路５８を経て器外に取り出され、
熱媒循環ポンプ１９によって前述の熱媒液加熱器１３に
循環され、バイナリー・サイクルを形成する。

なお、フラッシュチャンバー１４から連結管４８を経て
凝縮液管路４７に導入された液分を加熱器１３に積極的
に送り込むために蒸発器内循環ポンプ５９が該管路４７
に介装されているが、このポンプ５９は加熱蒸発器内だ
けの循環であるから、加圧負荷がなく摩擦抵抗等の流動
抵抗だけであるから、その容量は非常に小さなものでよ
い。また、凝縮器１８のシェル５１の最上部にガス抜き
口６０が設けられ、系内で発生した不活性ガス等がガス
チャンバー６１ヲ経て除去できるようにしである。従来
の凝縮器では熱媒に混入した不活性ガスの除去には特別
の考慮を払わねばならなかったが９本発明の気液直接接
触型凝縮器ではシェル５１の最上部にガス抜き口６０を
設けるだけで目的が達成できる。

〔効果〕

以上の構成になる本発明のバイナリー・サイクル動力回
収装置によれば、泉源等から発生する従来は廃棄されて
いた水蒸気を熱源とするものであり、したがって泉源の
高温水はその温度を保有したまま温泉等に利用できる。

そして、水蒸気がもつ圧を利用して熱水槽中に噴射させ
るので温水ポンプは実質上不要となる。また水蒸気のも
つ熱は水と直接的に接触して熱水を作り出すのでその熱
の全てが簡単且つ復水可能に採取される。

さらに、熱媒液の蒸気化は、水蒸気気泡による撹拌状態
下にある熱水中の加熱器およびフラッシュチャンバーで
行われるので、小型装置でも十分に蒸気化のための熱交
換が達成できる。加えて凝縮器も気液直接熱交換器に構
成したので熱交換の効率が良好であり、小型のものでも
十分に凝縮目的を達成できる。

そして、タービンの潤滑オイルは従来のようにオイルポ
ンプを用いなくてもサイクルの途中で濃縮されてタービ
ンに供給されるので、オイルポンプ並びにそのための動
力か不要となる。特に、タービンと凝縮器との間で油分
離器を省略できたことは、凝縮器での背圧が直接タービ
ンに伝達される結果となり、ここでも動力回収に大きな
効果を発揮する。

このような数々の効果が総合的に発揮される結果、サイ
クル内の内部動力が軽微となり且つ熱交換が高性能に行
われることから、小型の低温度差バイナリー・サイクル
動力回収装置が構成でき。

したがって１例えば温泉旅館等の事業者単位でも経済的
に設置ができ、従来放置されていた廃水然気から電力や
冷熱源を高収率で取り出すことができる実用価値の高い
省エネルギ装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイナリー・サイクル動力回収装置の代
表例を示す機器配置系統図、第２図は本発明に従うバイ
ナリー・サイクル動力回収装置の例を示す機器配置略断
面図である。１１・・蒸気分離器、１２・・熱水槽、１３・熱媒加熱
器、　　１４・・フラッシュチャンバー１５・・オイル
分離器、１６・・タービン。１７・・発電機、　　１８・・凝縮器、１９・・熱媒循
環ポンプ、２０・・泉源、２２・・水蒸気ドラフトノズ
ル、３７・・フラッシャ室、３９・・過熱室、４６・・
液抜き口、５３・・凝縮液、５４・・多孔ノズル、５９
・・蒸発器内循環ポンプ６０・・ガス抜き口。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）地熱または工場廃熱による高温水から水蒸気を分
離する蒸気分離器と、該蒸気分離器で分離された水蒸気
を水中に直接的に導入して熱水を作る熱水槽と、該熱水
によって熱媒を加熱蒸発させるための該熱水槽中に設置
された熱媒加熱蒸発装置と、この熱媒加熱蒸発装置によ
って得られた熱媒蒸気を駆動源とするタービンと、この
タービン通過後の熱媒を凝縮させるための凝縮器と、こ
の凝縮器で凝縮した熱媒液を前記の熱媒加熱蒸発装置に
循環するための熱媒循環ポンプと、からなるバイナリー
・サイクル動力回収装置。
（２）熱媒加熱蒸発装置は、熱媒液がその中を通液する
多管を熱水中に配置してなる熱媒加熱器と、この熱媒加
熱器を通過した熱媒をフラッシュさせるためのフラッシ
ュチャンバーとからなる請求項１に記載のバイナリー・
サイクル動力回収装置。
（３）熱媒加熱蒸発装置が、熱媒液がその中を通液する
多管を熱水中に配置してなる熱媒加熱器と、この熱媒加
熱器を通過した熱媒をフラッシュさせるためのフラッシ
ュチャンバーとからなり、該熱媒加熱器とフラッシュチ
ャンバーとの間の熱媒通路にオイル分離器が介装され、
このオイル分離器で分離されたオイルを前記のタービン
に供給するようにした請求項１に記載のバイナリー・サ
イクル動力回収装置。
（４）フラッシュチャンバーは、熱水および水蒸気気泡
がその中を通過する熱交換パイプを備えている請求項１
、２または３に記載のバイナリー・サイクル動力回収装
置。
（５）フラッシュチャンバーはその底部に液抜き口を有
し、この液抜き口が凝縮器から熱媒加熱器に通ずる熱媒
管路に接続されている請求項４に記載のバイナリー・サ
イクル動力回収装置。
（６）凝縮器は、熱媒液が存在するシェル内に冷却水が
通水するチューブを配置したシェルアンドチューブ型熱
交換器からなり、該シェル内の熱媒液中にその底部より
熱媒蒸気を直接的に導入するための熱媒蒸気導入手段が
設けられ、シェル内において熱媒液と熱媒蒸気を直接的
に熱交換させる気液直接熱交換器である請求項１、２、
３、４または５に記載のバイナリー・サイクル動力回収
装置。
（７）凝縮器の該シェルは、その最上部にガス抜き口を
有すると共に、ほぼ中央部若しくはその下部に熱媒液の
導出口を有する請求項６に記載のバイナリー・サイクル
動力回収装置。