JP5592305B2 - Power generator - Google Patents
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Description
本発明は発電装置、特に、ランキンサイクルを用いた発電装置に関する。 The present invention relates to a power generator, and more particularly to a power generator using a Rankine cycle.
近年、省エネルギーの観点から、工場等の各種の設備からのいわゆる「排熱」を回収し、その回収された「排熱」のエネルギーを利用して発電を行なう発電装置へのニーズが高まっている。「排熱」は、一般的な発電装置に用いられる水蒸気タービンを駆動するための水蒸気を生成できる程には高温でない場合が多いため、低温の熱によって発電できる発電装置が求められている。 In recent years, from the viewpoint of energy saving, there is an increasing need for a power generation apparatus that recovers so-called “waste heat” from various facilities such as factories and generates power using the recovered “waste heat” energy. . Since “exhaust heat” is often not high enough to generate steam for driving a steam turbine used in a general power generator, a power generator capable of generating power with low-temperature heat is required.
そのような発電装置として、例えば特許文献1に記載されているような、低沸点の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気に膨張仕事をさせて発電機を駆動するタービン等の膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させるための凝縮器と、作動媒体を加圧して蒸発器に再供給するための循環ポンプとを直列に接続した閉ループ内で作動媒体を循環させるランキンサイクル熱機関を構成するバイナリ発電装置が知られている。 As such a power generator, an evaporator that evaporates a low-boiling working medium, for example, as described in Patent Document 1, and an expander such as a turbine that drives the generator by causing the working medium vapor to perform expansion work And a Rankine cycle heat engine that circulates the working medium in a closed loop in which a condenser for condensing the working medium vapor and a circulation pump for pressurizing the working medium and re-supplying the working medium are connected in series. Binary power generators are known.
このようなバイナリ発電装置では、通常、循環ポンプを電動機で駆動する。したがって、発電装置全体の効率を高めるためには、循環ポンプの電動機の効率を高く維持する必要がある。電動機は、その電力損失により発熱するが、温度が過度に上昇すると効率が低下するため、冷却する必要がある。 In such a binary power generator, the circulation pump is usually driven by an electric motor. Therefore, in order to increase the efficiency of the entire power generation apparatus, it is necessary to maintain the efficiency of the motor of the circulation pump high. The electric motor generates heat due to its power loss, but the efficiency decreases when the temperature rises excessively, so it needs to be cooled.
熱サイクル全般において、低温の動作媒体の一部を分流して、電動機に挿通することにより電動機を冷却することが行われている。ランキンサイクル熱機関においては、凝縮器で凝縮され、循環ポンプにより吐出された作動媒体の一部を電動機に供給すれば、電動機を冷却できる。 In general thermal cycles, a part of a low-temperature operating medium is diverted and inserted into the motor to cool the motor. In the Rankine cycle heat engine, the electric motor can be cooled by supplying a part of the working medium condensed by the condenser and discharged by the circulation pump to the electric motor.
しかしながら、その場合、電動機を冷却した作動媒体は、電動機内での圧力損失により圧力が低下するため、もはや循環ポンプの下流側、ひいては蒸発器に供給することはできない。したがって、電動機を冷却した作動媒体は、凝縮器の上流側に環流させるしかないが、それにより、膨張機を駆動する動作媒体の流量が低下するという問題が生じる。また、その場合、熱媒体が電動機から受け取った熱も、凝縮器で廃棄することになる。 However, in this case, the working medium that has cooled the electric motor has a pressure drop due to pressure loss in the electric motor, so that it can no longer be supplied to the downstream side of the circulation pump and thus to the evaporator. Therefore, the working medium that has cooled the electric motor can only be circulated to the upstream side of the condenser, which causes a problem that the flow rate of the working medium that drives the expander decreases. In this case, the heat received by the heat medium from the electric motor is also discarded by the condenser.
前記問題点に鑑みて、本発明は、循環ポンプの電動機を冷却することによって熱を回収し、発電に利用できる発電装置を提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power generation apparatus that recovers heat by cooling an electric motor of a circulation pump and can be used for power generation.
前記課題を解決するために、本発明による発電装置の第1の態様は、蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機を接続した膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、前記循環ポンプが吐出した作動媒体の一部を、前記循環ポンプを駆動する電動機を通して前記蒸発器に供給するものとする。 In order to solve the above-mentioned problem, a first aspect of the power generator according to the present invention is to expand the working medium by a heating medium supplied from the outside in the evaporator, and use the evaporated working medium as an expander connected to the generator. Introducing and generating power by driving the generator by converting the thermal expansion force of the working medium into rotational force in the expander, introducing the working medium discharged from the expander into the condenser, and condensing condensed by cooling the working medium by the cooling medium supplied from the outside in the vessel, the condensed working medium to the evaporator is pressurized by a circulation pump in the power generator resupplying, of the working medium in which the circulation pump is discharged the part shall be supplied to the evaporator through a motor for driving the circulation pump.
また、本発明による発電装置の第2の態様は、蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機を接続した膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、前記凝縮器で凝縮した作動媒体の一部を、前記循環ポンプを駆動する電動機を通して前記循環ポンプに吸い込ませるものとする。 Further, the second aspect of the power generator according to the present invention is such that the working medium is evaporated by a heating medium supplied from the outside in the evaporator, and the evaporated working medium is introduced into an expander connected to the generator, so that the expansion is performed. The generator is driven to generate electric power by converting the thermal expansion force of the working medium into rotational force in the machine, the working medium discharged from the expander is introduced into the condenser, and is supplied from the outside in the condenser. that the cooling medium to cool the working medium is condensed, in the re-supplying power generator the condensed working medium to the evaporator is pressurized by a circulation pump, the part of the working medium condensed in the condenser, the circulating The circulating pump is sucked through an electric motor that drives the pump.
本発明の第1および第2の態様の発電装置では、ランキンサイクルを循環する作動媒体の一部が、循環ポンプの電動機を通過するので、電動機を冷却した作動媒体を蒸発器に供給することができる。これにより、電動機から回収した熱エネルギーも膨張機を駆動するために用いることができるので熱効率が高い。 In the power generation apparatus of the first and second aspects of the present invention, part of the working medium circulating in the Rankine cycle, so it passes through the electric motor of the circulation pump, to supply the working medium and the electric motor is cooled to the evaporator it can. Thereby, the thermal energy recovered from the electric motor can also be used to drive the expander, so that the thermal efficiency is high.
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。先ず、図1に、参考例1の発電装置1の構成を示す。発電装置1は、蒸発器2、発電機3が接続されたスクリュ膨張機4、凝縮器5および循環ポンプ6が介設された閉じた流路に、作動媒体(例えばR245fa等のフロン系熱媒体)が封入されたランキンサイクル熱機関からなるバイナリ発電システムである。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a configuration of a power generator 1 of Reference Example 1 . The power generation apparatus 1 includes a working medium (for example, a CFC-based heat medium such as R245fa) in a closed channel in which an
蒸発器2は、装置外部の熱源から供給される加熱媒体(例えば坑井から採取される蒸気やボイラで製造した蒸気)と熱交換して、作動媒体を蒸発させる熱交換器である。
The
蒸発器2において蒸発した作動媒体は、発電機3が接続されたスクリュ膨張機4に導入され、スクリュ膨張機4内で膨張することにより、スクリュ膨張機4を回転駆動し、発電機3を回して発電する。スクリュ膨張機4で膨張して圧力が低下した状態で排出される作動媒体は、凝縮器5に導入される。
The working medium evaporated in the
凝縮器5は、発電装置1の外部の冷却源から供給される冷却媒体(例えば河川やクーリングタワーから供給される冷却水)と熱交換することによって作動媒体を冷却して凝縮させる熱交換器である。 The condenser 5 is a heat exchanger that cools and condenses the working medium by exchanging heat with a cooling medium (for example, cooling water supplied from a river or a cooling tower) supplied from a cooling source outside the power generation apparatus 1. .
凝縮器5で凝縮して液体となった作動媒体は、循環ポンプ6によって加圧されて蒸発器2に再供給されるが、循環ポンプ6が吐出した作動媒体は、その全量が、循環ポンプ6を駆動する電動機7を通過して、蒸発器2に再供給されるようになっている。
The working medium condensed into a liquid in the condenser 5 is pressurized by the circulation pump 6 and re-supplied to the
循環ポンプ6は、所定の圧力まで加圧する必要があるため、インペラをロータとして備える遠心ポンプ等の非容積式ポンプや、ギアポンプ等の容積式ポンプであることが好ましい。また、電動機7は、回転数制御されてもよい。例えば、蒸発器2における作動媒体の液面の高さを一定に保つように、電動機7の回転数をフィードバック制御することで、スクリュ膨張機4に供給される作動媒体の熱エネルギーを一定に保つことができる。
Since the circulation pump 6 needs to be pressurized to a predetermined pressure, the circulation pump 6 is preferably a non-positive displacement pump such as a centrifugal pump provided with an impeller as a rotor, or a positive displacement pump such as a gear pump. Further, the rotation speed of the electric motor 7 may be controlled. For example, the heat energy of the working medium supplied to the screw expander 4 is kept constant by feedback-controlling the rotation speed of the electric motor 7 so that the liquid level of the working medium in the
本参考例1では、作動媒体の全量を、電動機7を通して蒸発器2に再供給するので、凝縮器5によって冷却された作動媒体により電動機7を冷却して、電動機7の過熱による効率低下を防止できる。
In this reference example 1 , since the entire amount of the working medium is re-supplied to the
また、蒸発器2に供給される作動媒体は、電動機7を冷却することによって電動機7から熱エネルギーを回収しているので、その分だけ蒸発器2において作動媒体を蒸発させるために必要な熱エネルギーが少なくて済む。つまり、電動機7から回収した熱エネルギーの分だけスクリュ膨張機4を駆動する作動媒体の循環流量を多くして、発電量を大きくすることができる。
Further, since the working medium supplied to the
電動機7は、固定子および回転子を収容する内部空間を作動媒体が流れるようにしてもよく、ケーシングに設けたジャケットを作動媒体が流れるようにしてもよい。 In the electric motor 7, the working medium may flow through an internal space that houses the stator and the rotor, or the working medium may flow through a jacket provided in the casing.
続いて、図2に、参考例2の発電装置1aの構成を示す。本参考例2の説明において、参考例1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。
Next, FIG. 2 shows a configuration of the
本参考例2の発電装置1aにおいて、凝縮器5で凝縮した作動媒体は、その全量が、電動機7を通して循環ポンプ6に吸い込まれ、循環ポンプ6が吐出した作動媒体が、直接、蒸発器2に供給されるようになっている。
In the
本参考例2の発電装置1aでも、参考例1の発電装置1と同様に、電動機7の過熱による効率低下を防止し、電動機7の冷却によって得た熱エネルギーをスクリュ膨張機4の駆動に利用することができるので、発電効率が高い。
Similarly to the power generation device 1 of the first reference example , the
なお、上述の参考例1の発電装置1では循環ポンプ6が吐出した作動媒体の全量が、さらに参考例2の発電装置1aでは凝縮器5で凝縮した作動媒体の全量が、電動機7を通じるように構成しているが、それぞれの作動媒体の一部のみが電動機7を通じるように構成してもよい。
The total amount of the working medium discharged from the circulation pump 6 in the power generation apparatus 1 of Reference Example 1 described above, and the total amount of the working medium condensed in the condenser 5 in the
例えば、図3に、本発明の第1実施形態の発電装置1bの構成を示す。本実施形態は、上述の参考例1の発電装置1と殆ど同じ構成を備えるが、その発電装置1の構成に加え、電動機7の上流、下流の流路を接続し、オリフィス8を介設したバイパス流路9を備えている。
For example, FIG. 3 shows a configuration of the
電動機7を通じる作動媒体によって、電動機7の内部での動力のロスが発生する恐れが若干あるが、このように循環ポンプ6が吐出した作動媒体の全量ではなく、その一部のみを電動機7に通じるように構成することで、その動力のロスの低減を図ることができる。 Although there is a slight risk of power loss inside the electric motor 7 due to the working medium passing through the electric motor 7, not only the entire amount of the working medium discharged by the circulation pump 6 but also a part of it is transferred to the electric motor 7. By configuring to communicate, it is possible to reduce the power loss.
図4に、本発明の第2実施形態の発電装置1cの構成を示す。本実施形態は、参考例2の発電装置1aの構成に加え、やはり、電動機7の上流、下流の流路を接続し、オリフィス8を介設したバイパス流路9を備えている。本実施形態においても、凝縮器5で凝縮した作動媒体の全量ではなく、その一部のみを電動機7に通じるように構成することで、動力のロスの低減を図ることができる。
In FIG. 4, the structure of the electric
なお、バイパス流路9に介設されたオリフィス8に替え、開閉弁や、開度の調整可能な流量調整弁を設けてもよい。それら、開閉弁、流量調整弁の開閉制御によって、電動機7に通じる作動媒体の流量、電動機7を通じずにバイパス流路9を通じる作動媒体の流量を適宜、変更することが可能となる。
Instead of the orifice 8 interposed in the
1,1a,1b,1c…発電装置
2…蒸発器
3…発電機
4…スクリュ膨張機
5…凝縮器
6…循環ポンプ
7…電動機
8…オリフィス
9…バイパス流路
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記循環ポンプが吐出した作動媒体の一部を、前記循環ポンプを駆動する電動機を通して前記蒸発器に供給することを特徴とする発電装置。 In the evaporator, the working medium is evaporated by a heating medium supplied from the outside, the evaporated working medium is introduced into an expander connected to a generator, and the thermal expansion force of the working medium is converted into a rotational force in the expander. Thus, the generator is driven to generate electric power, the working medium discharged from the expander is introduced into a condenser, and the working medium is cooled and condensed by a cooling medium supplied from the outside in the condenser, and condensed. In the power generation device that pressurizes the working medium with a circulation pump and re-supplies it to the evaporator,
Power generator, characterized in that the circulation pump is a part of the discharged working medium is supplied to the evaporator through a motor for driving the circulation pump.
前記凝縮器で凝縮した作動媒体の一部を、前記循環ポンプを駆動する電動機を通して前記循環ポンプに吸い込ませることを特徴とする発電装置。 In the evaporator, the working medium is evaporated by a heating medium supplied from the outside, the evaporated working medium is introduced into an expander connected to a generator, and the thermal expansion force of the working medium is converted into a rotational force in the expander. Thus, the generator is driven to generate electric power, the working medium discharged from the expander is introduced into a condenser, and the working medium is cooled and condensed by a cooling medium supplied from the outside in the condenser, and condensed. In the power generation device that pressurizes the working medium with a circulation pump and re-supplies it to the evaporator,
Power generator for causing sucked part of the working medium condensed in the condenser, the circulating pump through the motor for driving the circulation pump.
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