JPS602487B2 - 低沸点媒体タ−ビンプラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は熱源からの熱を低沸点媒体に移し、該媒体の蒸
気によりタービンを駆動して発電をなすプラントであっ
て、熱源の温度レベルが比較的低いェネルギ源からの利
用に好適に使用し得る発電プラントに関する。

〔発明の背景〕

従来のこの種の低質ヱネルギ利用発電プラントには、熱
源の回収率が高い低沸点媒体を使用してタービン発電さ
せる方式がある。

本方式は、沸点が低い媒体を用いるので水などの従来火
力の作動媒体を用いた場合より熱源からの熱ェネルギ回
収効率に優れ、同じ熱源温度、流量のもとに水と低沸点
媒体とを比較すると、低沸点媒体を用いた方が、より多
くの発電出力を得られる長所をもっている。しかしなが
ら、熱源の温度が高い場合には媒体の熱分解が生じ、腐
食性性の強い分解生成物が生ずるおそれがあるので、熱
媒体の使用温度限界がある。一般に、発電効率は熱媒体
蒸気温度が高いほど、また、タービン出口凝縮液温度が
低いほど大きくなる性質をもっている。熱媒体の耐熱性
を向上させる方法として従来例では、低沸点媒体の一種
であるフロントと蒸気圧の低い油との混合流体を用いる
ものがある。第１図にその方式のシステム系統図を示す
。この従来例にあっては、熱源として廃熱流体１を用い
、これによって油−フロン蒸発器２内にて油とフロンの
混合体に熱が伝えられ、混合体中のフロンの一部は蒸発
して沸騰２相流となり、気液分離ドラム４にてフロン蒸
気を主成分とする蒸気となってフロン蒸気ライン７を通
ってタービン８に流れ込み、タービン８を駆動し、発電
機９を回転させて電力を得る。

タービン８で仕事をした蒸気はフロンコンデンサ１０内
で冷却水１１によって冷却され、フロン液６となってフ
ロン予熱器３内にフロンポンプ１２により送り込まれ、
廃熱の低温側で熱回収してフロン液のェンタルピが上昇
した後、気液分離ドラム４内に送り込まれて、油−フロ
ン再循環系５内の油−フロン混合体中に混合する。上記
従来例は、高温廃熱源と熱交換させる部分での媒体の耐
熱性が優れているため、フロンの熱分解が抑制され、か
つ、油ーフロン混合体の熱容量がフロン単体のそれに比
べて大きいので廃熱変動に強い負荷特性を有する等の利
点を有するが、発電効率としては、従来のフロンのみの
ランキンサィクルと同等のものであるので、その効率の
向上をはかる必要がある。

また「フロン予熱器３内でのフロン単体の熱分解を抑止
する必要がある。〔発明の目的〕本発明の目的は、低沸
点媒体タービンプラントの効率を向上させ、かつ、低沸
点媒体単体の熱分解率を減少させて、中低温廃熱等の熱
源を有効利用するに好適な低沸点媒体タービンプラント
を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、ある種の低沸点媒体と油
との混合体は低沸点媒体単独のものより耐熱性、熱輸送
特性に優れていること、混合体の蒸気圧が低沸点媒体単
独のものより低い蒸気圧となることを実験により確かめ
、この混合体を加熱した蒸気化した低沸点媒体を作動媒
体としてタービンに導入し、該タービンを経た排気を凝
縮させるコンデンサに、低沸点媒体液を予熱する熱交換
器の加熱媒体として使用した低沸点媒体の濃度が低い前
記混合液を供給して、コンデンサ内圧力を低下させて、
タービン出力の増大を図り、かつ低沸点媒体の熱分解を
抑止したものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例であるフロンタービンプラントについ
て、図面を参照して説明する。

ここでは・プラントの循環流体としてフロンと油の混合
体を用いている。例えば、フロンとしてフロンＲ−１１
３、油としてポリオールェステル油を用いて混合体を調
整することができる。第２図において、高温の廃熱流体
１を熱源として、油−フロン蒸発器２にて油−フロン混
合体が加熱され、フロンの沸騰によって気液２相流の態
様で気液分離ドラム４に流れ込むが、該ドラム４にて気
液分離後、フロン蒸気を主成分とする流体はフロン蒸気
ライン７を介してタービン８へ、また、油の濃度の高く
なった油ーフロン混合液は油−フロン再循環系５内を下
降して蒸発器２の下方から蒸発器２に入り、蒸発器２内
を上昇する自然循環流を形成する。

タービン８へ流入したフロン蒸気は、タービン８を回転
させて仕事をした後、フロンコンデンサ１０に流入する
。一方気液分離ドラム４から油−フロン混合液の一部が
油−フロン抽出ライン２１を通じて抽出され、減圧弁２
２によって減圧され油ーフロン液中から一部のフロンが
フラッシュして蒸気となるが、該蒸気はフラッシュタン
ク１３で気液分離されて、蒸気は低圧フロン蒸気ライン
２９を通ってタービン８の低圧段へ流れ込み、仕事をす
る。フラッシュタンク１３で気液分離された油ーフロン
混合液は、油−フロン混合ライン１４を通って再生熱交
換器１５で冷却され、さらに、冷却器１６でフロン蒸気
を吸収するに効果的な温度まで冷却されて、フロンコン
デンサー０に流入し、そこでスプレィーノズル１７によ
って頃霧されてフロン蒸気との接触表面積を増加させ効
果的にフロン蒸気を吸収する。フロンコンデンサー０１
ま冷却水１１によって冷却されており、圧力は油ーフロ
ン混合体の飽和蒸気圧になつている。フロンコンデンサ
ー０で混合された油ーフロン混合液１８はポンプ１２に
よって昇圧され、一部はライン２３を通じて再生熱交換
器１５で昇温されて油ーフロン蒸発器２の再循環系５内
へ、他の一部はライン２４を通じてフロン子熱器３内に
圧送されて廃熱を回収した後、再び気液分離ドラム４内
に送り込まれて高温の油−フロンと熱交換して蒸気とな
りフロン蒸気ライン７を通ってタービン８へ流入し、仕
事をするようになっている。

前述のフロンタービン発電プラントによると次のような
効果が生ずる。すなわち、一般にランキンサンクルにお
ける熱ェネルギの電気ェネルギへの変換は次式による。
Ｐ＝りｍＧ。

−ｉｌ）．ＧｆＧｆこＱ／（ｊｏ−ｉ３） ここで、Ｐは発電端出力、りｍは等ヱントロピ膨脹によ
って得られる理想的な機械的仕事率と諸損失を考慮した
実際の仕事率との比の逆数、Ｇｆはタービンを回転させ
る作動媒体の流量、Ｑは廃熱からの回収熱量、ｉｏは作
動媒体のタービン前圧におけるェンタルピ、ｉ，はター
ビン排気圧における等ェントロピ線上での作動媒体のヱ
ンタルピ、ｉ３は油ーフロン混合体のフロンコンヂンサ
液温におけるエンタルピである。

この式から、ｉ．を小さくするほど、従がつて、タービ
ン排気圧を低くするほど、大きい発電端出力が得られる
ことがわかる。

第３図は、このことを線図で表わしたもので、機軸に作
動媒体（この例ではフロン単体）のェンタルピを、たて
軸に圧力をとっている。タービン前圧Ｐｏの状態からタ
ービン内で断熱膨脹して得られる仕事は、夕−ビン排気
側圧力がＰ，のときは△ｈ，、排気側圧力がＰ２のとき
は△ｈ２であり、Ｐ，＞Ｐ２であれば△ｈ，く△ｈ２と
なり、熱落差が大きい。しかるに、油ーフロンの混合体
の蒸気圧は第４図のような特性を示す。図中、機軸は温
度、たて軸はその温度における飽和蒸気圧である。第４
図から、同一温度における蒸気圧はフロン単体１の蒸気
圧より、独−フロン混合体Ｄの蒸気圧の方が低くなるこ
とがわかる。第１図に示す従来のシステムにおいて、フ
ロン蒸気ライン７からタービン８を経てコンデンサ１０
、ポンプ１２、子熱器３に至る系統は、フロン濃度が非
常に高い混合体、実質的にはフロン単体と同じものが循
環しているので、コンデンサ１０内の濃度がＴ，であれ
ば、コンデンサ１０内圧力はＰ，（第４図参照）となる
のに対し、第２図のシステムにおいては、コンデンサ１
０内に油の濃度が非常に高い混合液が供給されるので、
コンデンサー０内圧力は、前述と同一温度Ｔ，であって
もＰ２となり、Ｐ，よりも低くなるので、低くなった分
だけ、タービン８の出力を増大させることができる。混
合ライン１４を介してコンデンサ１０１こ供聯合される
油の温度が高いと、結果的には、コンデンサ１０内温度
が高くなり、冷却水１１を多量に消費することになるの
で、混合ライン１４には再生熱交換器１５を設けて、混
合ライン１４を流れる油とフロンポンプ１２により、蒸
発器２へ送られる混合液との間で熱交換を行わせ、コン
デンサ１０１こ供Ｖ給する油の温度を下げるとともに混
合液へ熱回収して、系統外に無駄にすてられる熱量を少
〈している。

再生熱交換器１５のみでは油の温度が十分に下げられな
いときには、第２図に示すように、再生熱交換器１５の
下流側に冷却器１６を設けて冷却水１１により所望の温
度まで下げることができる。混合ラィン１４を介してコ
ンデンサ１川こ送られる液は、コンデンサ１０内でのフ
ロンの吸収効率を良くするためには、できる限り、混入
しているフロン量を少くすることが望ましく、混合ライ
ン１４にフラッシュタンク１３を設けることが有効であ
る。

フラッシュタンク１３内で混合液をフラッシュさせるの
で、飽和蒸気圧の低いフロンは、ここで蒸発分離される
。分離されたフロン蒸気は低圧フロン蒸気ライン２９を
介して、タービン８の低圧段に流入する。したがって、
フラッシュタンク１３で分離されたフロン蒸気も有効に
ェネルギ回収されている。さらに、蒸発器２や、子熱器
３などの廃熱回収熱交換器内の熱媒体として従来のフロ
ン単体から油ーフロン混合体を用いるのでフロンの耐熱
性が向上し、かつ、油の比率がフロンよりも大‐きし、
性質を有するため、良好な熱回収を行なうことができる
。

また、従来のフロンポンプ１２はフロンの蒸気圧が高い
ために吸収側のキャビテーション防止対策のためＮＰＳ
Ｈ（正味吸込ヘッド）を大きくとる必要があったが、本
実施例によれば、蒸気圧が低いためＮＰＳＨは小さくて
よく、機器配置上の制約が少なくなる利点もある。第５
図は、本発明の他の実施例を示すものであって、油−フ
ロン混合ライン１４に、再生熱交換器１５と減圧弁２２
を設けたものである。

この実施例は、第２図の実施例に比べて、システムが簡
素化できる利点がある反面、混合ライン１４を介してコ
ンデンサ１０に供給される油の温度を最適値にすること
がむつかしく、効率改善効果は、第２図のものに比べて
劣るが、第１図の従来例よりも、コンデンサ１０内圧力
を下げることができるので、効率は良くなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、低沸点媒体の熱分解率を減少させると
共に、タービンプラントの効率を向上させる低沸点媒体
タービンプラントを実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の低沸点媒体タービンシステムの系統図、
第２図は本発明の一実施例である低沸点媒体タービンシ
ステムの系統図、第３図はタービ）／作動媒体の圧力−
ェンタルピ線図、第４図はフロン及び油−フロン混合体
の蒸気圧線図、第５図は本発明の他の実施例である低沸
点媒体タービンシステムの系統図である。 １・・・廃熱流体、２・・・油−フロン蒸発器、４…気
液分離ドラム、８…タービン、ＩＤ・・・フロンコンデ
ンサ、１１・・・油ーフロン混合ライン、１３・・・フ
ラッシュタンク、１５・・・再生熱交換器、１８・・・
油‐一フロン混合液。 弟ｌ図 第２国 第３図 第４図 努づ因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱源と熱交換させ熱媒体を蒸気化する蒸発器と、該
   蒸発器で加熱された熱媒体を蒸気と液体とに分離する気
   液分離ドラムと、該ドラムで分離された蒸気によって駆
   動されるタービンと、該タービンを経た蒸気を凝縮する
   コンデンサと、該コンデンサで凝縮した熱媒体を前記蒸
   発器に送給するポンプとを備えたタービンプラントにお
   いて、前記熱媒体として低沸点媒体と該低沸点媒体とは
   蒸気圧の異なる物質との混合体を用い、前記気液分離ド
   ラムで分離した低沸点媒体の濃度が高い蒸気を前記ター
   ビンに導入させ前記コンデンサを経て凝縮した低沸点媒
   体液を加熱する再生熱交換器を設置して、前記気液分離
   ドラム内の低沸点媒体の濃度が低い前記混合液を気液分
   離ドラムから導出し、前記再生熱交換器の熱源として利
   用し、前記再生熱交換器の熱源として利用された後の混
   合液を前記コンデンサに導入するようにしたことを特徴
   とする低沸点媒体タービンプラント。 ２ 前記気液分離タンクから再生熱交換器に混合液を導
   く経路にフラツシユタンクを設置し、該フラツシユタン
   で蒸発した低沸点媒体を前記タービンに導入するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低沸
   点媒体タービンプラント。 ３ 前記混合体としてフロンと油の混合流体を用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   低沸点媒体タービンプラント。