蒸氣動力循環系統的制作方法
【專利摘要】一種蒸氣動力循環系統，其適當地進行作為非共沸混合物的動作流體與熱源的熱交換，能夠盡可能地使相變的動作流體的溫度接近熱源的溫度，并使系統整體的性能提高。即，以直列地連接的狀態設置多個冷凝器（14、15），并且分別向各冷凝器（14、15）導入由膨脹機排出的氣相動作流體，進行液化后，能夠使各冷凝器（14、15）均改變動作流體的混合物構成比例，越在后級冷凝器（15），動作流體的低沸點物質的比例越高，能使動作流體的液化溫度比前級側冷凝器（14）的情況低，使動作流體的各冷凝器出口溫度依次降低，使動作流體的溫度盡可能地接近低溫流體的溫度，從而有效地利用熱源的溫度差并可靠地提高循環熱效率。
【專利說明】蒸氣動力循環系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及蒸氣動力循環系統，其加熱、冷卻多種物質的非共沸混合物即動作流體并使其循環，使反復進行相變的動作流體做功而獲得動力。
【背景技術】
[0002]作為加熱、冷卻動作流體并使其循環，并通過使重復進行相變的動作流體做功而獲得動力的蒸氣動力循環，已知有基本的蘭金循環，其具有蒸發器、膨脹機(渦輪機)、冷凝器以及泵，并使用水等純物質作為動作流體。
[0003]但是，在作為發電裝置等使用蒸氣動力循環時，特別是適用于海洋溫度差發電裝置、廢熱發電裝置或利用溫泉水發電裝置等時，蒸氣動力循環的高溫熱源和低溫熱源任一方的溫度均低于水的沸點，另外，為了在熱源間的溫度差變小的情況下，能夠使動作流體適當地相變從而有效地將熱轉換為動力，代替使用水作為動作流體的蘭金循環，現在提出有所謂的卡琳娜循環等的蒸氣動力循環的方案，其使用水與氨等比水沸點低的物質的混合物或是比水沸點低的多種物質的混合物、即在比水的沸點低的溫度區間進行相變的非共沸混合物作為動作流體。在日本特開昭57 - 200607號公報或日本特開平7 — 91361號公報所記載的方案中公開有這樣的現有蒸氣動力循環的例子。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開昭57 - 200607號公報
[0007]專利文獻2:日本特開平7 — 91361號公報
【發明內容】
[0008]發明所要解決的課題
[0009]現有的蒸氣動力循環的構成如上述各專利文獻所示，這樣的蒸氣動力循環所使用的非共沸混合物的動作流體具有在相變(蒸發、液化)時其溫度發生變化的特性。
[0010]在動作流體使用純物質的蘭金循環的情況下，由于相變時動作流體的溫度變化不變，在熱交換器(蒸發器或冷凝器等)的熱交換中，動作流體的溫度在接近作為熱源的流體的溫度時存在限制，僅限于使動作流體的出口溫度到達接近作為熱源的流體的熱交換器出口溫度的程度。
[0011]對此，在使用上述各專利文獻所示的非共沸混合物的動作流體的蒸氣動力循環中，通過相變時動作流體的溫度變化，期望在熱交換器進行的動作流體的蒸發或液化過程中，以不伴隨流體彼此的相變的對流熱交換的方式，使與作為熱源的流體側的溫度變化具有規定的溫度差地對置的動作流體產生溫度變化(參照圖7)，相比于相變時的溫度不變的使用純物質動作流體的蘭金循環，能夠縮小作為熱源的流體與動作流體的溫度差，例如在液化的情況下具有如下可能性，以動作流體的熱交換器出口溫度低于作為低溫熱源的流體的熱交換器出口溫度的方式實現動作流體的溫度變化，使熱交換器不可逆損失降低，能夠提高系統整體循環熱效率。
[0012]但是，在使用現有的非共沸混合物的動作流體的蒸氣動力循環的現實工作中，雖然在冷凝器中動作流體的出口溫度接近作為低溫熱源的流體的出口溫度，但是達不到比其低的溫度。因此，需要以能夠在冷凝器中實現動作流體的出口溫度低于作為低溫熱源的流體的出口溫度的熱交換為前提才能進行性能評價，而在這種現有的蒸氣動力循環中，不能得到與評價相稱的性能，這樣便存在性能比當初設想要低這一點影響設備成本等種種方面的課題。
[0013]在這種現有的蒸氣動力循環中，冷凝器中不能使動作流體的出口溫度相對于作為低溫熱源的流體的出口溫度充分下降的原因在于，非共沸混合物的動作流體實際產生類似于純物質的溫度變化。
[0014]即，非共沸混合物，例如，在氨與水的混合物即動作流體中，膨脹機排出的氣相動作流體中低沸點的物質、即氨的濃度變得極高，動作流體在冷凝器傳熱面液化時，氣相動作流體中易于液化的高沸點成分首先液化，不久動作流體便表現出類似于近乎純物質的特性，因此，相對于低溫熱源的溫度變化，具有如下變化特性(圖8參照)，動作流體的溫度變化在液化開始部分急劇地變化，隨后維持于近乎等溫。
[0015]這樣一來在冷凝器實際的熱交換中，在液化的動作流體的溫度維持于近乎等溫的狀況下，冷凝器內的動作流體溫度與以純物質作為動作流體的情況一樣，僅限于比低溫熱源溫度高的狀態，而不能以動作流體的冷凝器出口溫度低于作為低溫熱源的低溫流體的冷凝器出口溫度的方式進行有效的熱交換。
[0016]這樣的話，在現有的蒸氣動力循環中，即使用非共沸混合物作為動作流體，也不能實現充分提高循環效率，并因為冷凝器等熱交換器的性能相對地惡化而產生需要實現熱交換器的大規模化等處理能力提高，結果導致熱交換器的成本增加，存在這樣的熱交換器的成本方面使系統整體的經濟性惡化之類的課題。
[0017]本發明為解決上述課題而做成，其目的在于提供一種蒸氣動力循環系統，其在使用非共沸混合物作為動作流體的情況下，使動作流體與熱源的熱交換適當地進行，能夠使相變的動作流體的溫度盡可能地接近熱源的溫度，從而提高系統整體的性能。
[0018]用于解決課題的方法
[0019]本發明的蒸氣動力循環系統至少具有:蒸發器，其使作為非共沸混合物的動作流體與規定的高溫流體進行熱交換，并使上述動作流體的至少一部分蒸發；氣液分離器，其將由上述蒸發器得到的高溫動作流體分離為氣相部分和液相部分；膨脹機，其導入上述動作流體中的氣相部分并將流體具有的熱能轉化為動力；冷凝器，其使該膨脹機排出的氣相動作流體與上述氣液分離器排出的液相動作流體一同與規定的低溫流體進行熱交換，并使氣相部分液化；以及泵，其將該冷凝器排出的動作流體向上述蒸發器加壓輸送，在蒸氣動力循環系統中，配設有多個上述冷凝器，并且直列地連接各個冷凝器的動作流體側的流道，并且，直列地連接各個冷凝器的低溫流體側的流道，并與動作流體通過多個冷凝器的順序相反地設定低溫流體通過各冷凝器的流道，從與膨脹機出口連通的動作流體流道取出上述膨脹機排出的氣相動作流體的一部分，在各冷凝器間分別與前級冷凝器排出的各階段的動作流體合流，在動作流體的流道上最接近上述膨脹機出口的最前級冷凝器中使氣相動作流體液化，并且即使在除上述最前級的冷凝器外的冷凝器也使上述合流部分的氣相動作流體液化。
[0020]在這樣的本發明中，通過以直列地連接的狀態設置使動作流體與作為低溫熱源的低溫流體進行熱交換的多個冷凝器，并且分別向各冷凝器導入由膨脹機排出的氣相動作流體，并進行液化，隨著使混合物中低沸點物質的比例變高的氣相動作流體與液相動作流體合流并導入各冷凝器，能夠使各冷凝器均改變動作流體的混合物構成比例，且越在后級冷凝器動作流體的低沸點物質的比例越高，能夠使動作流體的液化溫度比前級側冷凝器的情況低，使動作流體的溫度分別接近各冷凝器均不同的低溫流體的溫度，使動作流體的各冷凝器出口溫度依次降低，使動作流體的溫度盡可能地接近低溫流體的溫度，從而有效地利用熱源的溫度差并使循環熱效率可靠地提高，從而提高系統的性能。
[0021]另外，本發明的蒸氣動力循環系統根據需要，配設有多個上述蒸發器，并且直列地連接各個蒸發器的動作流體側的流道，并且，直列地連接各個蒸發器的高溫流體側的流道，與動作流體通過多個蒸發器的順序相反地設定高溫流體通過各蒸發器的流道，從與氣液分離器的出口連通的液相動作流體流道取出通過上述氣液分離器與氣相動作流體分離的液相動作流體的一部分，并在各蒸發器間分別與前級蒸發器排出的各階段的動作流體合流，使混合狀態的動作流體通過在動作流體的流道上除距上述泵出口最近的最前級蒸發器以外的各蒸發器升溫。
[0022]在這樣的本發明中，以直列地連接的狀態設置使動作流體與作為高溫熱源的高溫流體進行熱交換的多個蒸發器，并且通過使通過氣液分離器與氣相動作流體分離后的液相動作流體分別與流通于各蒸發器間的動作流體合流，隨著使混合物中高沸點物質的比例變高的液相動作流體與前級蒸發器排出的動作流體合流并導入后級蒸發器，能夠使各蒸發器均改變動作流體的混合物構成比例，并越在后級蒸發器，動作流體的高沸點物質的比例越高，能夠使動作流體的蒸發溫度比前級側蒸發器的情況高，使動作流體的溫度分別接近各蒸發器均不同的高溫流體的溫度，使動作流體的各蒸發器出口溫度依次升高，使動作流體的溫度盡可能地接近高溫流體溫度近，從而實現循環熱效率的進一步提高。【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的第一實施方式的蒸氣動力循環系統的系統示意圖。
[0024]圖2是本發明的第一實施方式的其他的蒸氣動力循環系統的系統示意圖。
[0025]圖3是本發明的第二實施方式的蒸氣動力循環系統的系統示意圖。
[0026]圖4是本發明的其他的實施方式的蒸氣動力循環系統的系統示意圖。
[0027]圖5是相對于本發明的實施例的蒸氣動力循環系統的比較例一的卡琳娜循環系統的系統不意圖。
[0028]圖6是相對于本發明的實施例的蒸氣動力循環系統的比較例二的上原循環系統的系統不意圖。
[0029]圖7是現有的蒸氣動力循環的熱交換器內的理論溫度變化狀態的說明圖。
[0030]圖8是現有的蒸氣動力循環的冷凝器內的溫度變化示意圖。
【具體實施方式】
[0031](本發明的第一實施方式)
[0032]以下，基于圖1來說明本發明的第一實施方式。在本實施方式中，說明適用于海洋溫度差發電裝置的例子。[0033]在上述圖1中，本實施方式的蒸氣動力循環系統10上述蒸氣動力循環系統10具備:蒸發器11，其使由氨以及水形成的動作流體與作為上述高溫流體的溫海水進行熱交換，使動作流體升溫并使其一部分蒸發；氣液分離器12，其將該蒸發器11排出的動作流體分離為氣相部分和液相部分；渦輪機13，其作為上述膨脹機，導入由氣液分離器12分離后的氣相動作流體并進行動作，將動作流體具有的熱能轉化為動力；第一以及第二冷凝器
14、15，其通過使該渦輪機13排出的氣相動作流體與作為上述低溫流體的較冷的深層海水進行熱交換，使其液化為液相；泵16，其將從冷凝器14、15取出的動作流體送入蒸發器11 ；再生器17，其使由氣液分離器12分離后的液相動作流體與從泵16流出并流向蒸發器11的動作流體進行熱交換；以及第一以及第二混合器18、19，其使從氣液分離器12排出并經過再生器17的液相動作流體與從渦輪機13排出的動作流體合流。
[0034]其中，渦輪機13以及泵16是與已知一般的蒸氣動力循環所使用的渦輪機以及泵相同的裝置，所以省略說明。
[0035]由這些蒸氣動力循環系統10與由渦輪機13驅動的發電機50構成溫度差發電裝置。上述發電機50與已知的以渦輪機作為驅動源并用于發電的發電機相同，所以省略詳細的說明。
[0036]上述蒸發器11作為在內部使液相動作流體和作為高溫熱源的高溫流體流通，并在這些動作流體與高溫流體之間進行熱交換的熱交換器，是已知的結構，省略詳細的說明。在該蒸發器11的動作流體入口側連接有與再生器17連通的流道，在再生器17中通過熱交換而被加熱的動作流體流入蒸發器11。另外，在動作流體出口側連接有與氣液分離器12連通的流道，在蒸發器11中通過熱交換而被加熱的動作流體被導入氣液分離器12。
[0037]上述氣液分離器12為已知的裝置，其將在蒸發器11中通過熱交換而變為高溫且氣液二相狀態的動作流體分離為氣相部分和液相部分，省略詳細的說明。動作流體在該氣液分離器12內被分離為氣相部分和液相部分，氣相動作流體通過與渦輪機13入口側連通的流道流向渦輪機13，另外，液相動作流體通過與再生器17連通的流道流向再生器17。
[0038]上述第一混合器18與渦輪機13的出口、第一冷凝器14的入口、以及再生器17的出口連通，其使渦輪機13排出的氣相動作流體和再生器17排出的液相動作流體同時流入并處于混合狀態，并根據情況，使氣相動作流體的一部分被液相動作流體吸收。液相動作流體與保持氣相的動作流體直接以氣液二相狀態從該第一混合器18流向第一冷凝器14。
[0039]上述第二混合器19與渦輪機13的出口、第一冷凝器14的出口以及第二冷凝器15的入口連通，其使渦輪機13排出的氣相動作流體和第一冷凝器14排出的液相動作流體同時流入并處于混合狀態，并根據情況，使氣相動作流體的一部分被液相動作流體吸收。液相動作流體與保持氣相的動作流體直接以氣液二相狀態從該第二混合器19流向第二冷凝器15。
[0040]上述冷凝器14、15由第一冷凝器14和第二冷凝器15兩部分組成，其中第一冷凝器14與第一混合器18連通，不但使處于氣液二相狀態的動作流體流入，也使作為低溫熱源的低溫流體流通，并進行這些動作流體與低溫流體之間的熱交換。
[0041]另外，第二冷凝器15不但使第二混合器19排出的氣液二相狀態的動作流體流入，也使作為低溫熱源的規定的低溫流體流通，并進行這些動作流體與低溫流體之間的熱交換。[0042]這些第一冷凝器14以及第二冷凝器15的本身構成為已知的使動作流體與低溫流體進行熱交換的熱交換器，省略詳細的說明。
[0043]第一冷凝器14通過使第一混合器18排出的氣相以及液相動作流體同時與上述低溫流體進行熱交換，來冷卻液相動作流體，并且使氣相動作流體液化。
[0044]第二冷凝器15通過使第二混合器19排出的氣相以及液相動作流體同時與上述低溫流體進行熱交換，來冷卻液相動作流體，并且使氣相動作流體液化。
[0045]這些冷凝器14、15以將作為低溫熱源的低溫流體分別以相同的規定順序使用的方式組合。即，對于低溫流體，為了為經過第二冷凝器15后流向第一冷凝器14的順序，直列地連接冷凝器14、15的低溫流體的流道彼此。
[0046]在第二冷凝器15的后級側配設有泵16，其從冷凝器15向再生器17以及蒸發器11側送出包括氣相動作流體的已液化部分的全部液相動作流體。
[0047]上述再生器17是熱交換器，其使從第二冷凝器15經過泵16而流入蒸發器11之前的低溫動作流體與在氣液分離器12中與氣相動作流體分離不久之后的高溫液相動作流體進行熱交換，該再生器17與上述蒸發器11或冷凝器14、15具有相同的已知的熱交換器構造，省略詳細的說明。
[0048]該再生器17中，從泵16側導入并因與另一方的氣液分離器12排出的高溫液相動作流體的熱交換而被加熱的動作流體流向蒸發器11入口側，另外，從氣液分離器12側導入的動作流體在從再生器17排出后，流向第一混合器18。
[0049]在從該再生器17流向第一混合器18的液相動作流體的流道的中途，配設有減壓裝置17a，再生器17排出的液相動作流體經由減壓裝置17a而使壓力降低后，向第一混合器18內導入。此外，按照需要，也能夠在構成蒸氣動力循環系統10的上述各裝置之間，設置將動作流體加加壓輸送出的輔助用泵。
[0050]接下來，說明本實施方式的蒸氣動力循環系統的動作狀態。作為前提，分別持續地將作為高溫流體的溫海水向蒸發器11內、另外將作為低溫流體的冷海水向冷凝器14、15內導入足夠進行熱交換的流量。
[0051]在蒸發器11中，使作為高溫流體的、被外部泵51加壓并導入的溫海水與動作流體進行熱交換。由該熱交換加熱的動作流體的一部分、即主要是低沸點的氨隨著升溫蒸發而處于氣液二相狀態。該高溫且氣液二相狀態的動作流體從蒸發器11到達氣液分離器12。
[0052]在氣液分離器12內，高溫的動作流體被分離成氣相部分和液相部分，氣液分離器12排出的高溫氣相動作流體進入通往渦輪機13的流道，另外，高溫液相動作流體進入從氣液分離器12通往再生器17的流道。在經過再生器17后，液相動作流體經由減壓裝置17a并被導入第一混合器18。
[0053]氣液分離器12排出的高溫氣相動作流體的主要成分為低沸點的氨(大約為99%)，使該氣相動作流體到達渦輪機13并使其進行動作。通過該渦輪機13驅動發電機50，將熱能轉化為可使用的動力，再轉化為電力。這樣在渦輪機13膨脹并做功的氣相動作流體處于壓力以及溫度降低的狀態。
[0054]然后，渦輪機13排出的氣相動作流體分別進入在渦輪機出口的后級側分為兩條的流道，一部分導入第一混合器18,剩下的導入第二混合器19。
[0055]另一方面，氣液分離器12排出的高溫液相動作流體被導入再生器17。在再生器17中，使從該氣液分離器12導入的高溫液相動作流體與從泵16流向蒸發器11的液相動作流體進行熱交換，回收高溫側的動作流體具有的熱并使流向蒸發器11的動作流體升溫。然后，在該再生器17中因熱交換而被冷卻的來自氣液分離器12的液相動作流體從再生器17排出后，經過減壓裝置17a后被導入第一混合器18。
[0056]在第一混合器18中，從渦輪機13導入的氣相動作流體與從再生器17經過減壓裝置17a導入的液相動作流體接觸并混合，根據情況，一部分的氣相動作流體被液相動作流體吸收而變為液相。然后，保持氣相的動作流體與液相動作流體一同流向第一冷凝器14，動作流體以氣液二相狀態被導入冷凝器14。
[0057]在第一冷凝器14中，從第一混合器18導入的氣液二相狀態的動作流體暫時與通過第二冷凝器15后導入的作為低溫流體的冷海水進行熱交換，在動作流體整體被冷卻的過程中，氣相動作流體伴隨通過熱交換的冷卻而液化并變成液相。這樣幾乎全部變為液相的動作流體從第一冷凝器14排出至外部，到達第二混合器19。
[0058]在該液化時，氣相動作流體中、沸點較高的成分先液化而使動作流體溫度急劇地變化，隨后轉移到接近等溫變化的狀態，動作流體的溫度變得接近該第一冷凝器14的低溫流體的出口溫度。
[0059]在第二混合器19中，導入渦輪機13排出的氣相動作流體的一部分，該高溫氣相動作流體與從第一冷凝器14導入的液相動作流體接觸并混合，根據情況，一部分的氣相動作流體被液相動作流體吸收而變為液相。
[0060]然后，保持氣相的動作流體與液相動作流體一同流向第二冷凝器15，動作流體以氣液二相狀態被導入冷凝器15。
[0061]這樣一來，通過在第二混合器19中，使渦輪機13排出的氨濃度較高的氣相動作流體的一部分與從第一冷凝器14導入的液相動作流體合流，處于導入第二冷凝器15的動作流體的氨濃度比第一冷凝器14中的動作流體的氨濃度高的狀態。
[0062]在第二冷凝器15中，從第二混合器19導入的氣液二相狀態的動作流體與作為低溫流體且單獨導入的溫度較低的冷海水進行熱交換，在動作流體整體被冷卻的過程中，氣相動作流體伴隨通過熱交換的冷卻而液化并變成液相。
[0063]在該液化時，氣相動作流體中、沸點較高的成分先液化而使動作流體溫度急劇地變化，隨后轉移到接近等溫變化的狀態，雖然為接近低溫流體的冷凝器出口溫度的溫度，但是該第二冷凝器15中的動作流體的氨濃度變得比第一冷凝器14內的動作流體高，第二冷凝器15中的動作流體的冷凝溫度變得比第一冷凝器14中的動作流體的冷凝溫度低。這樣一來，通過使動作流體通過兩個冷凝器14、15，能夠使動作流體的溫度充分地下降，從而能夠接近低溫流體的溫度。
[0064]這樣幾乎全部變為液相的動作流體在從第二冷凝器15排出后，在經由泵16而被加壓后，向再生器17前進。隨后，動作流體被導入再生器17，在再生器17中與被上述氣液分離器12分離后的液相動作流體進行熱交換而升溫后，從再生器17排出而返回蒸發器11內，與上述相同地重復進行在蒸發器11中的熱交換以后的各個過程。
[0065]在第二冷凝器15與第一冷凝器14中的各熱交換所連續使用的、作為低溫流體的海水接受來自動作流體的熱而升溫至規定溫度。該海水在從冷凝器14排出后，被排除至系統外部的海中等。同樣地，隨著與蒸發器11中的動作流體之間的熱交換，溫度下降的、作為高溫流體的海水也在從蒸發器11排出后，被排出至系統外部的海中等。
[0066]另一方面，隨著泵51、52的動作，能夠將新的海水供給至在蒸發器11或冷凝器14、15中的熱交換，并且上述各過程能夠在系統的使用期間、即蒸氣動力循環系統10持續進行循環動作期間重復進行。
[0067]此外，由于是高溫流體或低溫流體極大量存在的海水，因此能夠忽略熱交換后的海水向系統外部的海中擴散后的、熱交換后的海水所具有的熱對海水整體的影響、即擴散后海水整體的溫度變化，隨著熱交換繼續向蒸發器11或冷凝器14、15依次重新導入的海水不會產生溫度變化，可以認為以與熱交換開始時相同的溫度條件繼續進行熱交換。
[0068]這樣，在本實施方式的蒸氣動力循環系統中，以排成一列地連接的狀態設置使動作流體與低溫流體進行熱交換的多個冷凝器14、15，并且渦輪機13排出的氣相動作流體分別導入各冷凝器14、15，在進行液化后，隨著使混合物中低沸點物質的比例變高的氣相動作流體與液相動作流體合流并導入各冷凝器14、15，各冷凝器14、15均使動作流體中的混合物的構成比例變化，在后級側的第二冷凝器15中，動作流體的低沸點物質的比例變高，能夠使動作流體的液化溫度比前級側的第一冷凝器14的情況低，使動作流體的溫度分別接近各冷凝器14、15中均不同的低溫流體的溫度，動作流體的各冷凝器出口溫度依次下降，盡可能地使動作流體的溫度接近低溫流體的溫度，從而有效地利用熱源的溫度差而可靠地提聞循環熱效率，并能夠提聞系統性能。
[0069]此外，雖然在上述實施方式的蒸氣動力循環系統中，排成一列地連接兩個冷凝器14、15，是共同使用動作流體或低溫流體的兩級構成，但并不限于此，也能夠采用三級、四級等其他的多級構成。即使在該情況下，也與上述實施方式相同，從與渦輪機出口相通的動作流體流道取出渦輪機13排出的氣相動作流體的一部分，并在各冷凝器間使其分別與前級冷凝器排出的各階段動作流體合流，并由各冷凝器使氣相動作流體液化。在冷凝器的級數增加的情況下，結果為能夠實現使通過最后級冷凝器且溫度下降的動作流體的溫度處于比在全部的冷凝器中與動作流體的熱交換結束而最大限度升溫的低溫流體的溫度低的狀態等，通過多個冷凝器盡可能地使動作流體的溫度下降而接近低溫流體的溫度，能夠使循環熱效率進一步提聞。
[0070]另外，在上述實施方式的蒸氣動力循環系統中，為以使由氣液分離器22與氣相部分分離的液相動作流體在混合器18中與渦輪機13排出的氣相動作流體合流的、所謂的卡琳娜循環為基本，組合設置兩個冷凝器14、15，并且使渦輪機13排出的氣相動作流體的一部分分別合流至在各冷凝器14、15間流動的動作流體的結構，但并不限于此，若是設置多個冷凝器并使膨脹機排出的氣相動作流體的一部分分別合流至在各冷凝器間流動的動作流體的構造，也能夠適用于將非共沸混合物用作動作流體的其他的蒸氣動力循環，例如，如圖2所示，也能夠采用以使在兩個渦輪機13a、13b中間抽氣的氣相動作流體在加熱器40內與經過冷凝器15的液相動作流體進行熱交換的構成、即所謂的上原循環為基本的循環構成，與上述實施方式相同，通過多個冷凝器14、15盡可能地使動作流體的溫度下降而接近低溫流體的溫度，從而能夠實現循環熱效率的提高。
[0071](本發明的第二實施方式)
[0072]基于圖3來說明本發明的第二實施方式。
[0073]上述圖3中本實施方式的蒸氣動力循環系統20與上述第一實施方式相同,具備氣液分離器22、渦輪機23、冷凝器24、25、泵26、再生器27以及混合器28、29，但是不同點在于，配設有兩個蒸發器21a、21b，使被氣液分離器22分離的液相動作流體的一部分與流向動作流體流通順序最末的第二蒸發器21b的動作流體合流，并導入第二蒸發器21b。
[0074]與上述第一實施方式相同，由本實施方式的蒸氣動力循環系統20與由潤輪機23驅動的發電機50構成溫度差發電裝置。此外，上述渦輪機23、冷凝器24、25、泵26、再生器27以及混合器28、29與上述第一實施方式的構成相同，省略說明。
[0075]另外，蒸氣動力循環系統20的高溫流體或低溫流體的流道彼此的連接與上述第一實施方式相同，低溫流體的流動順序設定為從第二冷凝器25流向第一冷凝器24，而對高溫流體來說，流動順序設定為從第二蒸發器21b流向第一蒸發器21a。
[0076]上述第一蒸發器21a在內部使動作流體與上述作為高溫流體的溫海水流通，并使這些動作流體與高溫流體進行熱交換，使動作流體升溫并使其一部分蒸發，從而得到氣相動作流體，其構成采用與上述第一實施方式的蒸發器11或冷凝器14、15相同的已知的熱交換器構造，省略詳細的說明。
[0077]在該第一蒸發器21a的動作流體入口側連接有與再生器27連通的流道，通過在再生器27中的熱交換而被加熱的動作流體流入蒸發器21a。另外，在動作流體出口側連接有與第二蒸發器21b連通的流道，通過在第一蒸發器21a中的熱交換而被加熱的動作流體流入第二蒸發器21b。
[0078]上述第二蒸發器21b與第一蒸發器21a相同，在內部使液相動作流體與上述作為高溫流體的溫海水流通，并使這些動作流體與高溫流體進行熱交換，使動作流體升溫并使其一部分蒸發，從而得到氣相動作流體，其構成采用與上述第一蒸發器21a相同的已知的熱交換器構造，省略詳細的說明。
[0079]在該第二蒸發器21b的動作流體入口側，除與第一蒸發器21a連通之外，還連接有與氣液分離器22的液相動作流體的出口連通的流道，另外，在動作流體出口側連接有與氣液分離器22的入口連通的流道，第一蒸發器21a排出的動作流體與氣液分離器22排出的動作流體合流，這些動作流體被第二蒸發器21b的熱交換加熱后，到達氣液分離器22。
[0080]上述氣液分離器22與上述第一實施方式相同，是將經過在蒸發器21與溫海水熱交換而成為高溫且氣液二相狀態的動作流體分離為氣相部分和液相部分的已知的裝置，省略詳細的說明。動作流體在該氣液分離器22內被分離為氣相部分和液相部分，氣相動作流體通過與渦輪機23入口側連通的管路流向渦輪機23。
[0081]另一方面，液相動作流體的一部分經過連通氣液分離器22的液相動作流體出口側與第二蒸發器21b的入口側的流道，流向第二蒸發器21b的入口側，與從第一蒸發器21a流向第二蒸發器21b的動作流體合流，并流入第二蒸發器21b。然后，液相動作流體的其他部分通過與再生器27連通的流道，流向再生器27。
[0082]接下來，說明本實施方式的蒸氣動力循環系統的動作狀態。作為前提，分別持續地將作為高溫流體的溫海水向蒸發器21a、21b內、另外將作為低溫流體的冷海水向冷凝器24,25內導入足夠進行熱交換的流量。
[0083]在第一蒸發器21a中，使作為高溫流體、暫時通過第二蒸發器21b后的作為高溫流體的溫海水與從與再生器27連通的動作流體的流道導入的全部液相動作流體進行熱交換。使被該熱交換加熱的動作流體的一部分、即主要是低沸點的氨隨著升溫而蒸發變為氣相。
[0084]在該第一蒸發器21a中升溫而變為氣液二相狀態的動作流體在從蒸發器21a排出后，與被氣液分離器22分離的高溫液相動作流體的一部分合流后，導入第二蒸發器21b。
[0085]這樣一來，通過使被氣液分離器22分離的液相動作流體、即作為高沸點物質的水的比例較高的液相動作流體的一部分與第一蒸發器21a排出的動作流體合流，使導入第二蒸發器21b的動作流體的水的比例處于比第一蒸發器21a的動作流體的比例高的狀態。
[0086]在第二蒸發器21b中，使第一蒸發器21a排出的氣液二相狀態的動作流體以及被氣液分離器22分離的高溫液相動作流體的一部分混合的流體與作為高溫流體的被外部的泵51加壓并導入的溫海水進行熱交換，被該熱交換加熱的動作流體隨著升溫使液相部分的一部分進一步蒸發。
[0087]在該蒸發時，液相動作流體中、沸點較低的成分先蒸發而使動作流體溫度急劇地變化，隨后轉移到接近等溫變化的狀態，雖然溫度變得接近高溫流體的蒸發器出口溫度，但是該第二蒸發器21b的動作流體中水的比例變得比第一蒸發器21a內的動作流體高，第二蒸發器21b中的動作流體的蒸發溫度變得比第一蒸發器21a中的動作流體的蒸發溫度高。這樣一來，通過使動作流體通過兩個蒸發器21a、21b，使動作流體溫度充分地上升，能夠使其接近高溫流體的溫度。
[0088]經過在第二蒸發器21b中的升溫而高溫且處于氣液二相狀態的動作流體從第二蒸發器21b排出，到達氣液分離器22。高溫的動作流體在氣液分離器22內被分離為氣相部分和液相部分，氣液分離器22排出的高溫氣相動作流體流向渦輪機23。另外，雖然高溫液相動作流體從氣液分離器22流向再生器27，但是液相動作流體的一部分分離并流向再生器27，進入從氣液分離器22通往第二蒸發器21b入口側的管路，與第一蒸發器21a排出的動作流體一同導入第二蒸發器21b。
[0089]從氣液分離器22排出并到達渦輪機23的高溫氣相動作流體使該渦輪機23進行動作，通過該渦輪機23驅動發電機50，將熱能轉化為可使用的動力，再轉化為電力。這樣在渦輪機23膨脹并做功的氣相動作流體處于壓力以及溫度降低的狀態。然后，渦輪機23排出的氣相動作流體與上述第一實施方式相同，分別導入第一混合器28以及第二混合器29。
[0090]另一方面，氣液分離器22排出的高溫液相動作流體被導入再生器27。在再生器27中，使從該氣液分離器22導入的高溫液相動作流體與從泵26流向第一蒸發器21a的途中的液相動作流體進行熱交換，回收高溫側的動作流體具有的熱并使流向蒸發器21a的動作流體升溫。然后，在該再生器27中因熱交換而被冷卻的來自氣液分離器22的液相動作流體從再生器27排出后，經過減壓裝置27a后導入第一混合器28。
[0091]與上述第一實施方式相同，在第一混合器28中，從潤輪機23導入的氣相動作流體與從再生器27經過減壓裝置27a導入的液相動作流體接觸并混合，根據情況，一部分的氣相動作流體被液相動作流體吸收而變為液相。然后，保持氣相的動作流體與液相動作流體一同流向第一冷凝器24，動作流體以氣液二相狀態導入第一冷凝器24。
[0092]在第一冷凝器24中，從第一混合器28導入的氣液二相狀態的動作流體暫時與通過第二冷凝器25后導入的作為低溫流體的冷海水進行熱交換，在動作流體整體被冷卻的過程中，氣相動作流體伴隨通過熱交換的冷卻而液化并變成液相。這樣幾乎全部變為液相的動作流體從第一冷凝器24排出至外部，到達第二混合器29。[0093]在該液化時，氣相動作流體中、沸點較高的成分先液化而使動作流體溫度急劇地變化，隨后轉移到接近等溫變化的狀態，動作流體的溫度變得接近該第一冷凝器24的低溫流體的出口溫度。
[0094]與上述第一實施方式相同，在第二混合器29中，導入渦輪機23排出的氣相動作流體的一部分，該氣相動作流體與從第一冷凝器24導入的液相動作流體接觸并混合，根據情況，一部分的氣相動作流體被液相動作流體吸收而變為液相。然后，保持氣相的動作流體與液相動作流體一同流向第二冷凝器25，動作流體以氣液二相狀態導入冷凝器25。
[0095]與上述第一實施方式相同，通過在第二混合器29中，使渦輪機23排出的氨濃度較高的氣相動作流體的一部分與從第一冷凝器24導入的液相動作流體合流，使導入第二冷凝器25的動作流體的氨濃度處于比第一冷凝器24的動作流體的氨濃度高的狀態。
[0096]在第二冷凝器25中，從第二混合器29導入的氣液二相狀態的動作流體與作為低溫流體且單獨導入的溫度較低的冷海水進行熱交換，在動作流體整體被冷卻的過程中，氣相動作流體伴隨通過熱交換的冷卻而液化并變成液相。
[0097]在該液化時，氣相動作流體中、沸點較高的成分先液化而使動作流體溫度急劇地變化，隨后轉移到等溫變化的狀態，雖然為接近低溫流體的冷凝器出口溫度的溫度，但是該第二冷凝器25的動作流體的氨濃度變得比第一冷凝器24內的動作流體高，第二冷凝器25中的動作流體的液化溫度變得比第一冷凝器24中的動作流體的液化溫度低。這樣一來，通過使動作流體通過兩個冷凝器24、25，能夠使動作流體的溫度充分低下，從而能夠接近低溫流體的溫度。
[0098]這樣幾乎全部變為液相的動作流體在從第二冷凝器25排出后，在經由泵26而被加壓后，向再生器27前進。隨后，動作流體導入再生器27，在再生器27中與被上述氣液分離器22分離后的液相動作流體進行熱交換而升溫后，從再生器27排出并返回蒸發器21內，與上述相同地重復進行在第一蒸發器21a中的熱交換以后的各個過程。
[0099]這樣，在本實施方式的蒸氣動力循環系統中，以排成一列地連接的狀態設置使動作流體與作為高溫熱源的高溫流體進行熱交換的多個蒸發器21a、21b，并且使利用氣液分離器22與氣相動作流體分離后的液相動作流體與在各蒸發器21a、21b間流通的動作流體合流后，隨著使混合物中作為高沸點物質的水的比例變高的液相動作流體與第一蒸發器21a排出的動作流體合流并導入第二蒸發器21b，各蒸發器2la、2Ib均使動作流體的混合物的構成比例變化，在后級側的第二蒸發器21b中，動作流體的高沸點物質的比例變高，能夠使動作流體的蒸發溫度比前級側的第一蒸發器21a的場合高，使動作流體的溫度分別接近各蒸發器21a、21b均不同的高溫流體的溫度，動作流體的各蒸發器出口溫度依次升高，盡可能地使動作流體的溫度接近高溫流體溫度，從而能夠實現循環熱效率的進一步提高。
[0100]此外，雖然在上述實施方式的蒸氣動力循環系統中，分別設置有多個蒸發器21a、21b和多個冷凝器24、25，但不限于此，如圖4所示，可以設置多個蒸發器，與一般的蒸氣動力循環相同僅設置一個冷凝器。并且，若是這樣地設置多個蒸發器并使利用氣液分離器與氣相部分分離的液相動作流體的一部分分別合流至在各蒸發器間流動的動作流體的構造，則系統的其他部分也能夠采用以使用非共沸混合物作為動作流體的、所謂的卡琳娜循環或上原循環等的蒸氣動力循環為基本的構成，與上述實施方式相同，通過多個蒸發器盡可能地使動作流體的溫度升高而接近高溫流體的溫度，從而能夠實現循環熱效率的提高。[0101]實施例
[0102]對本發明的蒸氣動力循環系統，使用熱量的出入量、壓力等條件計算熱效率，對所得結果與作為比較例的現有蒸氣動力循環的結果進行比較評價。
[0103]首先,作為實施例，其構成為，與上述第一實施方式相同的蒸氣動力循環系統、即動作流體為氨與水的混合物，將從渦輪機排出的氣相動作流體分別導入二級設置的各個冷凝器，對于氣相和液相動作流體在各冷凝器與低溫流體進行熱交換，求出熱效率等值。如圖1中所示，計算時，在使用蒸發器或冷凝器等熱交換器的傳熱性能、作為熱源的高溫流體或低溫流體的溫度條件等基于現實環境的假定值算出表示循環的各點(I~12)的動作流體的壓力或溫度等表示狀態的各種物性值后，計算并求出循環的理論熱效率值。
[0104]該實施例的蒸氣動力循環的主要條件如下，使用氨與水的比重為95:5的比例、SP氨/水的質量分數為0.95kg/kg的混合物作為動作流體，蒸發器的高溫流體側的入口溫度Tffsi為30°C，出口溫度Tws。為26°C。另外，冷凝器組的低溫流體側的入口溫度Tesi為8°C，出口溫度 Tcs。為 11°C。
[0105]再有，蒸氣動力循環的其他條件設定為，高溫流體流量為400t/h，低溫流體流量為400t/h，動作流體流量為140t/h，蒸發器傳熱性能為20000kW/K，冷凝器傳熱性能(總值)為20000kW/K，再生器傳熱性能為150kW/K。
[0106]另外，利用氣液分離器12與氣相部分(流量88.3t/h，整體的63.1%)分離的動作流體的液相部分為動作流體整體的36.9%。另一方面，渦輪機13排出的氣相動作流體中的71.2%流向第一混合器18，剩余的(流量25.4t/h)氣相動作流體流向第二混合器19。
[0107]用表1表示基于上述條件算出的循環各點(I~12)的動作流體的壓力P、溫度T、氨質量分數Y、比容V、比焓 h、比熵S、干燥度X各值的結果。
[0108]表1
[0109]
【權利要求】
1.一種蒸氣動力循環系統，其至少具有:蒸發器，其使作為非共沸混合物的動作流體與規定的高溫流體進行熱交換，并使上述動作流體的至少一部分蒸發；氣液分離器，其將由上述蒸發器得到的高溫動作流體分離為氣相部分和液相部分；膨脹機，其導入上述動作流體中的氣相部分并將流體具有的熱能轉化為動力；冷凝器，其使該膨脹機排出的氣相動作流體與上述氣液分離器排出的液相動作流體一同與規定的低溫流體進行熱交換，并使氣相部分液化；以及泵，其將該冷凝器排出的動作流體向上述蒸發器加壓輸送， 該蒸氣動力循環系統的特征在于， 配設有多個上述冷凝器，并且直列地連接各個冷凝器的動作流體側的流道，且直列地連接各個冷凝器的低溫流體側的流道，與動作流體通過多個冷凝器的順序相反地設定低溫流體通過各冷凝器的流道， 從與膨脹機出口連通的動作流體流道取出上述膨脹機排出的氣相動作流體的一部分，在各冷凝器間分別與前級冷凝器排出的各階段的動作流體合流， 通過在動作流體的流道上最接近上述膨脹機出口的最前級冷凝器使氣相動作流體液化，并且也利用除上述最前級的冷凝器外的各冷凝器使上述合流部分的氣相動作流體液化。
2.根據權利要求1所述的蒸氣動力循環系統，其特征在于， 配設有多個上述蒸發器，并且直列地連接各個蒸發器的動作流體側的流道，且直列地連接各個蒸發器的高溫流體側的流道，與動作流體通過多個蒸發器的順序相反地設定高溫流體通過各蒸發器的流道， 從與氣液分離器的出口連通的液相動作流體流道取出利用上述氣液分離器與氣相動作流體分離的液相動作流體的一部分，并在各蒸發器間分別與前級蒸發器排出的各階段的動作流體合流，使混合狀態的動作流體利用在動作流體的流道上除距上述泵出口最近的最前級蒸發器以外的各蒸發器升溫。
3.一種蒸氣動力循環系統，其至少具有:蒸發器，其使作為非共沸混合物的動作流體與規定的高溫流體進行熱交換，并使上述動作流體的至少一部分蒸發；氣液分離器，其將由上述蒸發器得到的高溫動作流體分離為氣相部分和液相部分；膨脹機，其導入上述動作流體中的氣相部分并將流體具有的熱能轉化為動力；冷凝器，其使該膨脹機排出的氣相動作流體與上述氣液分離器排出的液相動作流體一同與規定的低溫流體進行熱交換，并使氣相部分液化；以及泵，其將該冷凝器排出的動作流體向上述蒸發器加壓輸送， 該蒸氣動力循環系統的特征在于， 配設有多個上述蒸發器，并且直列地連接各個蒸發器的動作流體側的流道，且直列地連接各個蒸發器的高溫流體側的流道，并與動作流體通過多個蒸發器的順序相反地設定高溫流體通過各蒸發器的流道， 從與氣液分離器的出口連通的液相動作流體流道取出利用上述氣液分離器與氣相動作流體分離的液相動作流體的一部分，并在各蒸發器間分別與前級蒸發器排出的各階段的動作流體合流，使混合狀態的動作流體利用在動作流體流道上除距上述泵出口最近的最前級蒸發器以外的各蒸發器升溫。
【文檔編號】F01K25/10GK103732864SQ201280040242
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月10日 優先權日:2011年8月19日
【發明者】池上康之, 森崎敬史 申請人:國立大學法人佐賀大學