JPS61502829A - 熱エネルギの利用 - 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】 熱エネルギの利用 本発明は熱エネルギの利用に関する。

過去１０年にわたり、地質源より得られる熱エネルギを利用するためかなりの調 査が行われている。これら地質源の多（は、入口温度圧力を有するが、これはあ まり低いので、タービン等はとんどの従来の発電機を良好に作動できない。さら にまた、これら基本的・ぞラメータがタービン用に適していても、作動流体がよ く汚染されて沈澱物によりタービンの効率を低下させ実際上の損傷を与えること になる。

比較的低級の熱の基本的問題を解消するため、例えば、米国特許第３．７５１， ６５３号明細書および英国特許出願第２１１４６７１号明細書において、比較的 低級な熱を利用し、１つ以上のらせんねじ膨張器により発電する提案がなされて いる。リショルムにより最初開発された膨張器は、精密許容差が良好な作動にと って重要でなくかつ作動流体からの沈澱物が有益でもあるため、沈澱物を生じや すい作動流体に耐えるという利点を有する。しかし、前記米国特許において提案 されたジエオサー？　Ａ／　・ウォーター（ｇｅｏｔｈｅｒｍａ　Ｉ　Ｉ　ｙｈ ｅａｔｅｄ　ｗａｔｅｒ　−地熱温水）を使用すると、水と蒸気の性質により、 所定の電力を発生するためにきわめて大型の機械を使用しな（てはならないとい う実質的欠点を有する。前記英国出願は主として、このような機械の使用に係る が、地熱温水（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｈｅａｔｅｄｗａｔｅｒ　）に代え て、比較的小さいらせんねじ膨張器において使用するのにより適した性質を有す る作動流体を使用する。

英国特許出願第２１１４６７１号に提案されたサイクルでは、作動流体の入口温 度はかなり低いことが好ましく、地熱温水（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｈｅａ ｔｅｄ　ｗａｔｅｒ　）の温度は約１００℃である。多分、温度が約１２０℃の 地熱温水を使用して最大の利益が得られる。それより高い温度では、英国出願に 開示されたサイクルの効果的利益は減少するが、排除されることはない、それは 、ゼイラーの加熱特性を高温の熱源に整合する際従来の超臨界ランキンサイクル がより有効になるためである。約３００℃のかなり高い温度でも、利点はある。

本発明の一般的目的は、ジェオサーマル（ｇｅｏｔｈｅｒ−ｍａｌ−地熱）や、 従来提案の装置よりも高い入口温度を使用可能にする他の低級源をより能率的に 使用できるようにするため従来の提案をさらに修正することにあるＯ 本発明によれば、作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源より揚水して加熱す る工程、熱を作動流体から、三辺サイクルを通るさらに揮発性のある第２作動流 体へ仕給する工程、前記三辺サイクルは前記第２作動流体を実質的に断熱的に加 圧し、湿潤作動流体で効果的に作動できかつ膨張中に前記流体を漸進的に乾燥で きるらせんねじ膨張器またはその他の膨張器においてフラッシングして高温加圧 第２作動流体を実質的に断熱的に膨張することによりなり、さらに、排出第２作 動流体をタービンに通過させる工程、およびタービンから排出された第２作動流 体を凝縮する工程より成る熱エネルギの利用方法が提供される。

上記三辺サイクルに゛ついては同時係属出願第２１１４６７１号に記載されてい る。′広い意味での本発明の重要な形態は、作動流体を選択することにより、飽 和液体から飽和蒸気への膨張が予備フラッシングをしてまたはしないでねじ膨張 器で行われること、また、ついで飽和蒸気のさいに膨張が、ランキン装置で使用 されているような従来構造のタービンで行われる。らせんねじ膨張器から排出さ れる第２作動流体は乾燥または湿潤しており、湿潤している場合には乾燥はター ビンの入口ノズルで仕上げられる。

さらに、本発明によれば、作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源より揚水し て加熱する工程、熱を、第２のさらに揮発性のある流体によって直接または間接 に、流体から、らせんねじ膨張器に通す工程、ねじ膨張器によって排出された熱 をもう１つのタービン膨張器に供給する工程、および第１作動流体を高温乾燥岩 盤源に戻す工程よりなる低級熱エネルギの利用方法が提供される。

さらに本発明によれば、高温乾燥岩盤その他低級熱源より作動流体を揚水する手 段、熱を、作動流体からさらに揮発性のある第２作動流体に供給する手段、前記 作動流体を実質的に断熱的に加圧する手段、湿潤作動流体で効果的に作動できか つ膨張中に前記流体を漸進的に乾燥でき、加圧手段から作動流体を受け入れるよ う接続されさらにフラッシングによって高温加圧第２作動流体を断熱的に膨張す る機能を有するらせんねじ膨張器、膨張器の排気を受け入れるよう接続されるタ ービン、およびタービンから排出された第２作動流体の凝縮器を備える熱エネル ギの利用装置が提供される。

さらに本発明によれば、作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源に通過させる ポンプ手段、熱を、直接または間接に作動流体から、第２のさらに揮発性を有す る流体に通す手段、加熱第２流体を受け入れるよう接続されるらせんねじ膨張器 、らせんねじ膨張器から排出第２流体を受け入れるもう１つのタービン、膨張器 、および第１作動流体乾燥岩盤源に戻す手段を有する低級熱エネルギの利用装置 が提供される。

以下、本発明を添付の略図について、例示により説明する。

第１図は２つの膨張体系を組入れた三辺サイクルを示す温度・エントロピー略図 、 第２図は本発明によるプラントの主要構成部分を示す略図、 第３図は本発明によるニサイクルを示す温度・エントロピー略図、 第４図は変型例を示す略図である。

第１図を参照すると、温度・エントロピー略図は（以下で詳述する）選択さ゛れ る作動流体の飽和囲いと作動サイクルの状態点１〜６とを含む三辺サイクルを例 示する。実質的断熱液加圧は１−２で、加熱と蒸発は２−３で、第１段の、らせ んねじ膨張器による実質的断熱膨張は３−４で、第２段の蒸気タービンによる実 質的断熱膨張は４−５で、脱過熱は５−６で、凝縮は６−１で行う。加熱媒体冷 却路は７−８で、ついで加熱・蒸発ステージは２−３で示されている。熱源から の伝熱は、はぼ一定圧で選択作動流体の実質的沸点まで行われる。

第２図は第１図に示すサイクルを行うプラントの主要構成部分を詳しく示す。再 循環ポンプ１０は破砕高温乾燥岩盤を介しまた熱交換器１１の高温ノξスを介し て第１作動流体を揚水する。第２のさらに揮発性作動流体は供給ポンプ１３によ って熱交換器１１の低温ノξスを介し循環され、沸騰揮発性作動流体はらせんね じ膨張器１４を通過し、その排出側で第２作動流体は普通、乾燥しているので通 常の蒸気タービン１５で使用に適する。タービンからの排気は凝縮器１６を通過 する。第２作動流体の乾燥飽和状態は流体自身の適切な選択と、ねじ膨張器１４ で行うフラッシングとによって達成される。作動流体や条件によっては、ねじ膨 張器への入口の上流の予備フラッシングが有利である。

ねじ膨張器からの排出第２作動流体が完全に乾燥しない場合、その流体は第１ま たはなるべく単一ロータ・ステージの上流のノズルで乾燥できる。

つぎに第３図を参照すると、温度・エントロピー略図はニサイクル、すなわち、 基本的に従来のランキン・サイクルである下部サイクルを行う同時係属英国特許 出願第２１１４６７１号に詳述される三辺サイクルを例示する。図面自身に示さ れた凡例は、２つのサイクル間の関係を適切に説明しているが、完全を期するた め、２つのサイクルを略説する。第３図に示される作動シーケンス（第１図の状 態点と同等な状態点にはアポストロフィを付加した）は、液体加圧（１′−２′ ）、加熱と蒸発（２’−３’）、膨圧（３′−４′）、脱過熱（４′−６′）お よび凝縮（６’−１’）である。最後の２つのステージは通常、単一拡大凝縮器 で行われる。三辺サイクルにおいて、（これはランキン・サイクルとは別に考え られる）、作動シーケンスは、断熱加圧（８−９）、実質的に沸騰点へのほぼ定 圧で熱源からの伝熱のみによる液相での加熱（９−１０）、実質的だ断熱して、 液体から蒸気への相変化による膨張（１０−１１）、・および凝縮１５（１１− ８）である。

なお、所要熱交換器である程度損失を行うことはもちろんであるが、三辺サイク ルの作動流体がランキン・サイクルの流体と異なることを指摘してお（。ニサイ クルの使用によって、三辺態様を、過度の膨張比により生ずる従来の欠点を生ず ることなくかなり高い臨界温度で使用できる。

ランキン・サイクルに組入れられる従来のタービンは、乾燥しなるべく過熱され る入口作動流体でもつとも良好に作動する。らせんねじ膨張器は、所要の作動流 体を得るように容器に構成でき、または、第１ステージ入ロノズルで必要に応じ 乾燥を完成することができる。

第２図に示される回路では、約２５０℃の温度の熱源として高温乾燥岩盤を採用 できる。三辺ランキンサイクル組合せでは、モノクロロインゼン（ＴＣ＝３５９ ℃）、ＴＨＥＲＭＥＸ　（登録商標）等作動流体および同様な作動流体を使用し てもよく、この変型例では、別個の凝縮器や再循環ポンプの複雑性が回避される 。

ＴＨＥＲＭＥＸはジフェニルと酸化ジフェニルとの混合物で、高い臨界点を有す る。他の使用可能な作動流体としてジクロロベンゼンとトルエンがある。

長年にわたり、従来の熱エンジンの排熱が多く使用されている。しかし、ターゼ チャー・ジャーは別として、このような排熱はほとんど実用されていない、それ は特に、等級がかなり低いので、はとんどの場合−次的要件となる電力発生用と しての使用を促進しないためである。

同時係属出願第２１１４６７１号に開示される三辺サイクルに適当な作動流体を 選択することによって、熱ニンジン排気より得られる温度の熱でらせんねじ膨張 器により・ξワー出力が得られる。

例えば船舶に大型熱エンジン３０を設けた第４図に示される回路において、第３ 図のニサイクルが有利に使用される。排ガスは熱交換器３２において３５０℃か ら１６０℃の温度で減少され、有用な・ξワー出力は例えば船舶の補助装置を駆 動するために得られる。加熱用として最終排気３４も使用できるが、冷却はあま り遠（から行ってはならない。この実施例において、冷却と加熱特性間に良好な 整合が得られ、凝縮器１６より排出されたすべての熱はランキン・サイクルを行 うのに使用される。

高温乾燥岩盤は好ましい熱源ではあるが、高温高圧ノエオサーマル源も使用でき る。なお、らせんねじ膨張器とランキン・サイクルタービンとを、発電機等軸・ ξワーユーザに結合されることはもちろんである。

広い意味で、本発明による回路は、軸・ξワーを必要としない区域加熱やその他 にのみ使用されるような等級の熱からでも良好な熱回収が可能である。この利点 は、三辺サイクルを従来のランキン・サイクルと組合せた本発明の形態によって 特に強調され、ランキン・サイクルは感液熱の有用な割合を利用できる。

本発明の実施例では、らせんねじ膨張器について述べたが、場合によっては、そ れに代えて、回転羽根膨張器を使用してもよ見・。本明細書で「らせんねじ膨張 器」と云うときは、回転羽根膨張器に代用できることにする。もう一度言うと、 本発明の形態てよれば、ジェオサーマル、高温岩盤源は、同様な温度範囲内で同 等な熱源と交換してもよい。

有機流体を利用して、小型のらせんねじ膨張器を試験した所、７１・ξ−セント の効率が達成された。大型膨張器を使用すると、実際に、がなり高い効率が期待 できる。これは、作動流体として水と蒸気の２相を使用した場合の５５〜５０− ξ−セント範囲の効率と対照的である。

本発明によるサイクルでは、全効率として少なくとも７５・ぞ−セントが達成さ れる。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ｆＨＥ　ｒＮＴＥＲ）ｌＡＴｒＯＮＡＬ　ＳＥＡ、ＲＣＨＲ Ｅ？ＯＲＴ　０ＮｒＮＴＥ虹ＩＡτ工０ＮＡＬ　ＡＰＰ（ＪＣＡＴＩＯＮ　Ｎｏ 、　ＰＣＴ／；Ｂ　８５０００６７　（ＳＡ　９０１１）ＪＰ−Ａ−５８１９７ ４４０１７／１１／８３　ＵＳ−Ａ−４４６３５６７０７１０１３／８４ＵＳ− Ａ−３９９５４２８、０７／１２／７６　Ｎｏｎｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源より揚水して加熱する工程、熱を 作動流体から、三辺サイクルを通るさらに揮発性のある第２作動流体へ供給する 工程、前記三辺サイクルは前記第２作動流体を実質的に断熱的に加圧し、湿潤作 動流体で効果的に作動できかつ膨張中に前記流体を漸進的に乾燥できるらせんね じ膨張器（１４）またはその他の膨張器においてフラツシングして高温加圧第２ 作動流体を実質的に断熱的に膨張することによりなり、さらに、排出第２作動流 体をタービンに通過させる工程、およびタービンから排出された第２作動流体を 凝縮する工程より成ることを特徴とする、熱エネルギの利用方法。 ２．作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源より揚水して加熱する工程、熱を 、第２のさらに揮発性のある流体によって直接または間接に、流体から、らせん ねじ膨張器（１４）に通す工程、ねじ膨張器によって排出された熱をもう１つの タービン膨張器（１５）に供給する工程、および第１作動流体を高温乾燥岩盤源 に戻す工程より成ることを特徴とする、低級熱エネルギの利用方法。 １３．らせんねじ膨張器から受け入れた排出作動流体は、タービンの第１ロータ ステージの直ぐ上流の入口ノズルに通すことによって、さらに乾燥される、請求 の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４．タービンの排気を、熱源に戻る前に凝縮する、請求の範囲第２項に記載の方 法。 ５．第２作動流体はモノクロロベンゼン、ジクロロベンゼンまたはトルエンであ る、請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の方法。 ６．らせんねじ膨張器１４は回転羽根膨張器と交換される、請求の範囲第１項か ら第５項までのいずれか１項に記載の方法。 ７．高温乾燥岩盤その他低級熱源より作動流体を揚水する手段（１０）、熱を、 作動流体からさらに揮発性のある第２作動流体に供給する手段（ｌ１）、前記作 動流体を実質的に断熱的に加圧する手段、湿潤作動流体で効果的に作動できかつ 膨張中に前記流体を漸進的に乾燥でき、加圧手段から作動流体を受け入れるよう 接続されさらにブラッシングによって高温加圧第２作動流体を断熱的に膨張する 機能を有するらせんねじ膨張器（１４）、膨張器の排気を受け入れるよう接続さ れるタービン（１５）、およびタービンから排出された第２作動流体の凝縮器（ １６）を備えることを特徴とする、熱エネルギの利用装置。 ８．作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源に通過させるポンプ手段（１０） 、熱を、直接または間接に作動流体から、第２のさらに揮発性のある流体に通す 手段（１１）、加熱第２流体を受け入れるよう接続されるらせんねじ膨張器（１ ４）、らせんねじ膨張器から排出第２流体を受け入れるもう１つのタービン（１ ５）、膨張器、および第１作動流体を高温乾燥岩盤源に戻す手段を有することを 特徴とする、低級熱エネルギの利用装置。 ９．作動流体を、高温乾燥岩盤その他低級熱源（３０）に通過させるポンプ手段 、熱を、前記作動流体から第２のさらに揮発性のある有機作動流体に通す熱交換 手段（３２）、熱交換手段（３２）から加熱第２作動流体を受け入れるよう接続 されるらせんねじ膨張器（１４）、ねじ膨張器から排出作動流体を受け入れるよ う接続されかつ、タービン（１８）と第２凝縮器（２０）とポンプ（２２）とを 含む閉回路で第３作動流体を加熱する機能を有する凝縮器（１６）を有すること を特徴とする低級熱エネルギの利用装置。 １０．らせんねじ膨張器から受け入れた排出作動流体をさらに乾燥するためター ビンの第１ロータステージの直ぐ上流の入口ノズルを有する、請求の範囲第８項 または第９項に記載の装置。 １１．熱源は従来の熱エンジンである、請求の範囲第７項から第１０項までのい ずれか１項に記載の装置。 １２．らせんねじ膨張器は回転羽根膨張器と交換される、請求の範囲第７項から 第１１項までのいずれか１項に記載の装置。