エネルギー回収装置およびエネルギー回収装置の運転方法
【課題】エネルギー回収効率が向上し、伝熱部を小型化することが可能なエネルギー回収装置を提供する。
【解決手段】媒体２として飽和水３が上下方向に循環する循環流路５と、循環流路５の外部から供給される熱を媒体２に伝える伝熱部６と、循環流路５中の媒体２の流れを受けて回転する回転翼７が備えられた発電装置８とを有し、循環流路５は、伝熱部６を通過した媒体２が上向きに流れる上昇流路１０と、上昇流路１０を通過した媒体２が下向きに流れて伝熱部６へ供給される下降流路１１とを有し、回転翼７は上昇流路１０中に設けられ、媒体２は、伝熱部６からの熱によって飽和蒸気２１を含む気液二相流に変化して上昇流路１０を流れ、回転翼７に供給されて回転翼７を回転することにより気液二相流から飽和水３に復水する。
【解決手段】媒体２として飽和水３が上下方向に循環する循環流路５と、循環流路５の外部から供給される熱を媒体２に伝える伝熱部６と、循環流路５中の媒体２の流れを受けて回転する回転翼７が備えられた発電装置８とを有し、循環流路５は、伝熱部６を通過した媒体２が上向きに流れる上昇流路１０と、上昇流路１０を通過した媒体２が下向きに流れて伝熱部６へ供給される下降流路１１とを有し、回転翼７は上昇流路１０中に設けられ、媒体２は、伝熱部６からの熱によって飽和蒸気２１を含む気液二相流に変化して上昇流路１０を流れ、回転翼７に供給されて回転翼７を回転することにより気液二相流から飽和水３に復水する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば炉等から排出される廃熱を利用してエネルギー回収を行うエネルギー回収装置およびエネルギー回収装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電所等では、ボイラーで発生した蒸気によって蒸気タービンが回転して発電し、蒸気タービンを回転させた後の蒸気は復水器で冷やされて水に戻り、再びボイラーに供給されて蒸気に変化する。
【０００３】
また、別のエネルギー回収装置として、太陽エネルギーを利用して発電を行うものがある。これは、図８に示すように、水６１を入れた循環流路６２の途中に、水車６３に連動する発電機６４が設けられ、循環流路６２の伝熱部６５に太陽光６６を当てて循環流路６２の水６１を加熱し、熱対流によって水６１を一方向６７へ循環させて水車６３を回転させることで、発電が行われる。尚、このような太陽エネルギーを利用したエネルギー回収装置６０は下記特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８２３１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、地球温暖化防止の観点から、火力発電所等に対して、熱回収効率・発電効率の向上が望まれ、各方面で技術開発が進んでいる。一例として、火力発電所においては、２５ＭＰａ×６００℃のボイラーなど、高温高圧化が推進されている。
【０００６】
しかしながら従来の火力発電所等では、蒸気タービンから排出される過熱蒸気を復水器において冷却し復水として回収するため、復水器からの放熱エネルギーが膨大となり、発電効率が低く留まるといった問題がある。
【０００７】
また、焼却炉から発生する熱をボイラーにて蒸気として回収する場合、ボイラーの排出ガス温度がボイラー内部の缶水温度より十分に高くないと熱交換ができないので、排出ガスの温度が高いまま大気へ放出され、エネルギー効率として無駄を生じている。
【０００８】
さらに、一般的な工場排ガスにおいては、ボイラーで熱回収するにはその温度が低く、ほとんど熱回収されないまま大気へ無駄にエネルギーが放出されている。
また、図８に示したエネルギー回収装置では、水６１は、液体の状態で、温度差による熱対流によって循環流路６２を循環している。このため、水６１の温度が低下する際に放出されるエネルギーは顕熱に相当し、水６１の場合では１℃の温度低下で４ｋＪ／ｋｇ程度の少量のエネルギーしか放出されない。したがって、水６１で水車６３を回転させて回収したエネルギーで発電する場合、水車６３を回転させる際に温度低下により放出されるエネルギーは少量であり、発電効率の向上が望めないといった問題がある。
【０００９】
また、水６１が循環流路６２を循環しながら太陽光６６によって加温され、水温が次第に上昇していくため、最終的には、循環流路６２内の全ての水温が均一になり、熱対流が消滅して水６１の循環が停止してしまうといった問題がある。
【００１０】
本発明は、エネルギー回収効率が向上し、媒体の循環が停止するのを防止することが可能なエネルギー回収装置およびエネルギー回収装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本第１発明におけるエネルギー回収装置は、媒体として飽和液体が上下方向に循環する循環流路と、
循環流路の外部から供給される熱を媒体に伝える伝熱部と、
循環流路中の媒体の流れを受けて回転する回転体が備えられた回収エネルギー取出手段とを有し、
循環流路は、伝熱部を通過した媒体が上向きに流れる上昇流路と、上昇流路を通過した媒体が下向きに流れて伝熱部へ供給される下降流路とを有し、
回転体は上昇流路中に設けられ、
媒体は、伝熱部からの熱によって飽和気体を含む気液二相流に変化して上昇流路を流れ、回転体に供給されて回転体を回転することにより気液二相流から飽和液体に戻るものである。
【００１２】
これによると、伝熱部からの熱によって媒体の一部が飽和液体から飽和気体となり、媒体は、飽和液体に飽和気体を含んだ気液二相流となり、比重差により上昇流路を上昇して流れ、回転体に供給される。これにより、回転体が回転して回収エネルギーが取り出され、回転体を回転させた後の媒体のエネルギーが回転体を回転させる前の媒体のエネルギーよりも低下し、媒体は、気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、飽和液体の状態で、上昇流路から下降流路を下向きに流れ、伝熱部へ供給される。
【００１３】
媒体が飽和液体と飽和気体との気液二相流の状態から飽和液体の液相流に変化する際に放出するエネルギーは蒸発潜熱に相当し、顕熱と比較して非常に大量のエネルギーが放出されるため、大量のエネルギーを回収して取り出すことができ、エネルギー回収効率が向上する。
【００１４】
また、復水器で飽和気体を冷却して復水させる必要が無いため、放熱エネルギーの損失が低減され、エネルギー回収効率が向上する。
また、飽和液体に飽和気体を含んだ気液二相流と飽和液体の液相流との比重差によって、媒体が循環流路を循環する。これにより、循環流路内が一様に飽和温度に保たれた状態であっても、媒体の循環が停止することはない。
【００１５】
本第２発明におけるエネルギー回収装置は、循環流路に空間部が形成され、
空間部を減圧する減圧装置が設けられているものである。
これによると、減圧装置で空間部を減圧することにより、媒体の飽和温度が低下するため、熱回収が困難であった低温の廃熱を利用してエネルギー回収することができる。
【００１６】
本第３発明におけるエネルギー回収装置は、伝熱部と回転体との間に、上昇流路内の飽和気体の気泡を微細化する気泡微細化装置と気泡の流れを整流する整流化装置との少なくともいずれかが設けられているものである。
【００１７】
これによると、気泡微細化装置により飽和気体の気泡が微細化されるため、飽和気体が回転体で液体に変わる際の衝撃が緩和され、回転体の寿命が延びるものである。また、整流化装置により気泡の流れが整流されるため、回転体に流入する流れの乱れが減少し、回転体の回転がスムーズになって、潜熱回収が効率的に行われる。
【００１８】
本第４発明におけるエネルギー回収装置は、上昇流路内の飽和気体の気泡発生量を検知する検知手段と、気泡発生量を制御する制御手段とが備えられているものである。
これによると、検知手段によって上昇流路内の気泡発生量を検知し、検知された気泡発生量に基いて、制御手段が気泡発生量を制御するので、安定したエネルギー回収を行うことが可能である。
【００１９】
本第５発明は、上記第１発明から第４発明のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置の運転方法であって、
媒体が、伝熱部からの熱によって飽和液体の液相流から飽和気体を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路を上昇し、回転体を回転させることにより気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、液相流の状態で下降流路を下降し、伝熱部に供給されるものである。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によると、エネルギー回収効率が向上し、伝熱部を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図２】同、エネルギー回収装置の媒体のエネルギーと回収エネルギー取出手段で回収されるエネルギーとを示す模式図である。
【図３】ベルヌーイの定理を説明するための図である。
【図４】蒸気の圧力と飽和温度との関係および断熱変化をした際の圧力と温度との関係を示すグラフである。
【図５】水の温度に対する状態変化を示すグラフである。
【図６】本発明の第４の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図８】従来のエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、図１に示すように、１は、例えば工業炉から排出される排ガス等の廃熱を利用して発電を行うエネルギー回収装置である。エネルギー回収装置１は、媒体２として飽和水３（飽和液体の一例）が上下方向に循環する循環流路５と、循環流路５の外部から供給される排ガスの廃熱を媒体２に伝える伝熱部６と、循環流路５中の媒体２の流れを受けて回転する回転翼７（回転体の一例）が備えられた発電装置８（回収エネルギー取出手段の一例）とを有している。
【００２３】
循環流路５は、伝熱部６を通過した媒体２が上向きに流れる上昇流路１０と、上昇流路１０を通過した媒体２が下向きに流れて伝熱部６へ供給される下降流路１１と、これら上昇流路１０の上端と下降流路１１の上端との間に設けられた上部流路１２と、上昇流路１０の下端と下降流路１１の下端との間に設けられた下部流路１３とを有している。
【００２４】
上昇流路１０は、上下方向の主管路１５と、主管路１５の下方に設けられて伝熱部６を通る複数の分岐管路１６と、各分岐管路１６の上端と主管路１５の下端とを連通するヘッダー１７（連通管）とを有している。上記主管路１５、分岐管路１６、ヘッダー１７、下降流路１１、下部流路１３はそれぞれ配管等で構成され、上部流路１２はタンク等で構成されている。
【００２５】
回転翼７は上昇流路１０の主管路１５中に設けられている。尚、回転翼７は上下一段であるが多段にしてもよく、多段にすることによって、一段の回転翼７では回収できない気泡の持つ潜熱を回収することができるため、潜熱の回収が促進される。
【００２６】
上部流路１２の上部には、上向きに窪んだ空間部２４（空洞部）が形成されている。上部流路１２には、空間部２４を減圧する減圧装置２０が設けられている。尚、減圧装置２０としては、例えば真空ポンプやエジェクタ等が用いられている。
【００２７】
また、伝熱部６は、排ガス３４が流れる排ガス流路１４の途中に設けられており、排ガス流路１４に連通する流入口２５を上流側に有すると共に、排ガス流路１４に連通する流出口２６を下流側に有している。流入口２５の上流側に接続された排ガス流路１４には、伝熱部６に供給される排ガス３４の流量を調節する回動自在なダンパー２７が設けられている。
【００２８】
また、上昇流路１０には、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡発生量を検知する複数の監視装置２９，３０（検知手段の一例）が設置されている。これらの監視装置２９，３０はそれぞれ、カメラからなり、上昇流路１０内を撮影して気泡発生量を監視するものである。このうち、第１の監視装置２９はヘッダー１７と回転翼７との間に位置し、第２の監視装置３０は回転翼７と上部流路１２との間に位置している。
【００２９】
また、エネルギー回収装置１には、監視装置２９，３０の映像に基いてダンパー２７の開度を制御する制御部３２が備えられている。尚、ダンパー２７と制御部３２とによって、上昇流路１０内の気泡発生量を制御する制御手段３３が構成されている。例えば、ダンパー２７の開度を大きくすると、流入口２５から伝熱部６に供給される排ガスの流量が増加し、これに伴って伝熱部６へ供給される熱量も増加し、飽和蒸気２１の発生量すなわち気泡発生量が増加する。
【００３０】
反対に、ダンパー２７の開度を小さくすると、流入口２５から伝熱部６に供給される排ガスの流量が減少し、これに伴って伝熱部６へ供給される熱量も減少し、飽和蒸気２１の発生量すなわち気泡発生量が減少する。このように、ダンパー２７の開度を調節することで、上昇流路１０内の気泡発生量を制御することができる。
【００３１】
以下、上記エネルギー回収装置１の運転方法を説明する。
高温の排ガス３４が伝熱部６を流れることにより、伝熱部６から受ける排ガス３４の熱によって媒体２の一部が飽和水３から飽和蒸気２１（飽和気体の一例）に変化する。これにより、媒体２は、飽和水３の液相流から飽和蒸気２１を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路１０を上昇し、回転翼７を回転させることにより気液二相流から飽和水３の液相流に復水し、飽和水３の状態で、上部流路１２を通って下降流路１１を下降し、下部流路１３を通って伝熱部６へ供給され、循環流路５を循環して流れる。
【００３２】
この際、回転翼７において、翼の上面の流速は翼の前面や下面よりも速くなることから下記に示すベルヌ−イの定理により、静圧Ｐ２が静圧Ｐ１よりも低下し、飽和蒸気２１は断熱膨張して温度が低下することで飽和水３に変化する。この断熱膨張により、飽和蒸気２１はエネルギー（潜熱）を放出し、放出されたエネルギーが回転翼７により回収される。
【００３３】
尚、上記気液二相流の比重は飽和水３のみの液相流の比重よりも軽いため、この比重差によって、媒体２は循環流路５を循環する。これにより、循環流路５内が一様に飽和温度に保たれた状態であっても、媒体２の循環が停止することはない。
【００３４】
また、上記回転翼７の回転によって発電が行われ、図２に示すように、回転翼７を回転させた後の媒体２のエネルギーＥ２が回転翼７を回転させる前の媒体２のエネルギーＥ１よりも低下する。これは、回転翼７において静圧が低下し、飽和蒸気２１が断熱膨張して温度が低下することで飽和水３に変化するためである。これにより、媒体２は気液二相流から飽和水３の液相流に復水し、飽和蒸気２１のエネルギーを飽和水３になるまで回収して発電することができる。また、媒体２が循環流路５を循環している際、循環流路５内は一様に飽和温度に保たれるので、伝熱部６は飽和水３が飽和蒸気２１へ変化するために必要な伝熱面積さえ有していれば十分である。つまり、飽和していない水（液体）から蒸気（気体）に変化させる場合や過熱蒸気（気体）に変化させる場合に必要な伝熱面積と比較して、伝熱部６の伝熱面積を小さくすることができ、これにより伝熱部６が小型化される。
【００３５】
さらに、復水器で飽和気体を冷却して復水させる必要が無いため、放熱エネルギーの損失が低減され、発電効率（エネルギー回収効率）が向上する。また、従来より低い温度の排ガスが保有しているエネルギーも回収でき、エネルギー回収装置１を含む設備全体での熱回収効率が向上する。ここで設備全体とは、従来の熱回収方法である排ガスボイラによるエネルギー回収装置も含んだ設備である。
【００３６】
尚、上記のように飽和水３と飽和蒸気２１とが混合した気液二相流の媒体２は回転翼７を回転させることによって気液二相流から飽和水３の液相流に復水するのであるが、この相変化は下記のような理由によって発生する。
【００３７】
下記の式はベルヌ−イの定理と理想気体の状態方程式と断熱の式を示す。
【００３８】
【数１】
尚、ベルヌ−イの定理において、図３に示すように、Ｐ１，Ｐ２は静圧、Ｔ１，Ｔ２は温度、ρ１，ρ２は媒体の密度、ｑ１，ｑ２は媒体の流速を示す。また、理想気体の状態方程式において、Ｐは気体の圧力、Ｖは気体が占める体積、Ｒは気体定数、Ｔは気体の温度を示す。また、断熱の式において、γは比熱比を示す。
【００３９】
これによると、図３に示すように、回転翼７の上部の流速ｑ２が下部の流速ｑ１よりも速くなり、ベルヌ−イの定理によって、静圧Ｐ２が静圧Ｐ１よりも低下する。
ここで上記ベルヌ−イの定理は下記式（１）のように変形することができ、流速ｑ２が増加すると、Ｐ２×Ｖ２の値は小さくなる。
【００４０】
【数２】
また、断熱の式を下記式（２）のように変形することができ、蒸気の場合、比熱比γは１．３３となるため、下記式（２）において、１−γ＜０となり、Ｐ×Ｖが小さくなると、Ｐは小さくなる。
【００４１】
【数３】
一方、理想気体の状態方程式を下記のように変形し、これを断熱の式に代入することにより、下記式（３）が求められる。
【００４２】
【数４】
上記式（３）により、１−γ＜０であるため、Ｐが小さくなるとＴも小さくなる。
【００４３】
このように、圧力Ｐの低下に伴って温度Ｔも低下するので、飽和蒸気２１が飽和水３に復水するのであるが、圧力Ｐの低下によって飽和温度も低下する。ここで、図４のグラフＧ１は、圧力Ｐに対する蒸気の飽和温度を示し、グラフＧ２は、断熱変化をした際の圧力Ｐの低下と温度Ｔの低下の関係を示し、上記式（３）の比熱比γを蒸気の比熱比１．３３にした場合のグラフである。
【００４４】
また、下記表１は、圧力に対する蒸気の飽和温度と、圧力に対して上記式（３）により求められる温度とを数値で示した一例であり、上記グラフＧ１，Ｇ２の複数点の数値を示している。
【００４５】
【表１】
図４に示すように、媒体２に水を用いた場合、上記グラフＧ２がグラフＧ１よりも下になっているため、飽和温度の低下量よりも、断熱変化をした際の圧力低下に伴う温度の低下量の方が大きくなり、これにより、回転翼７を回転させる飽和蒸気２１が断熱膨張することによって飽和水３に復水する。
【００４６】
尚、熱力学的には、復水の際に放出されるエネルギー（すなわち図２に示すように上記エネルギーＥ１からエネルギーＥ２を差し引いたエネルギーＥに相当）によって回転翼７が回転し、物理学的には、飽和蒸気２１が飽和水３に復水する際に容積が非常に小さくなり（蒸気の場合１／１２００程度）、瞬時的に真空が発生し、回転翼７の上下の差圧が大きくなるため、回転翼７が回転する。
【００４７】
また、飽和水３と飽和蒸気２１との気液二相流の媒体２が飽和水３の液相流に復水する際に放出するエネルギーは蒸発潜熱に相当し、図５のグラフに示すように、水の場合は２２５７ｋＪ／ｋｇとなり、非常に大量のエネルギーが放出されるため、大量のエネルギーを回収して発電することができ、発電効率（エネルギー回収効率）が向上する。
【００４８】
また、減圧装置２０で空間部２４を減圧することにより、循環流路５内が減圧又は真空化されて水の飽和温度が低下する。このため、低温の廃熱から熱回収が可能となり、低温の廃熱を利用して発電（エネルギー回収）することができる。つまり、より低い温度の排ガスからエネルギーを回収することができ、エネルギー回収装置１を含むシステム全体としてのエネルギー回収効率が向上する。また、上記実施の形態では媒体２に水を用いているが、低沸点物質（イソペンタン、アンモニア等）を用いても、同様に低温の廃熱を利用して発電することができる。
【００４９】
尚、飽和蒸気２１が飽和水３に復水する際、飽和蒸気２１の気泡が壊れることにより、回転翼７の表面が壊食される虞があるため、回転翼７の材料にハステロイ等の高強度材料を採用したり、或は、回転翼７の表面にゲル材等の衝撃緩衝材を具備することが望ましい。
【００５０】
また、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡発生量は監視装置２９，３０により監視されている。例えば、第１の監視装置２９の監視映像に基いて、上昇流路１０内の気泡発生量が不足していると制御部３２が判断すれば、制御部３２はダンパー２７の開度を増大して伝熱部６へ供給される排ガス３４の流量を増加させる。これにより、排ガス３４から分岐管路１６に伝達される熱量が増加し、気泡発生量が増加する。
【００５１】
また、第１の監視装置２９の監視映像に基いて、上昇流路１０内の気泡発生量が過剰であると制御部３２が判断すれば、制御部３２はダンパー２７の開度を減少して伝熱部６へ供給される排ガス３４の流量を減少させる。これにより、排ガス３４から分岐管路１６に伝達される熱量が減少し、気泡発生量が減少する。このようにして気泡発生量を制御することにより、安定した発電（エネルギー回収）を行うことができる。
【００５２】
さらに、第２の監視装置３０の監視映像に基いて、上昇流路１０の回転翼７よりも上方の部分に気泡すなわち飽和蒸気２１が残っていないかを検出することができ、この検出に基いて、回転翼７で潜熱が十分に回収できているかどうかを確認することができ、精度の高い制御を行うことができる。
【００５３】
尚、第２の監視装置３０を備えていないものであっても、回転翼７で潜熱が十分に回収できているかを気泡の量から判断できないため制御の精度は若干低下するが、気泡発生量の制御は可能である。
【００５４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、伝熱部６と回転翼７との間に、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡をフィルターや超音波等を用いて微細化する気泡微細化装置３６が設けられている。
【００５５】
これによると、気泡微細化装置３６により飽和蒸気２１の気泡が微細化されるため、飽和蒸気２１が回転翼７で水に変わる際の衝撃が緩和され、回転翼７の寿命が延びる。
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、伝熱部６と回転翼７との間に気泡微細化装置３６が設けられているが、第３の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、気泡微細化装置３６の代わりに、気泡の流れを整流する整流化装置３７が設けられている。尚、整流化装置３７には、固定された案内羽根やメッシュ状の整流板等が用いられる。
【００５６】
これによると、整流化装置３７により、気泡の流れが整流されるため、回転翼７に流入する流れの乱れが減少し、回転翼７の回転がスムーズになって、潜熱回収が効率的に行われる。
【００５７】
尚、上記第２および第３の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、気泡微細化装置３６と整流化装置３７とのいずれか片方のみを設けているが、気泡微細化装置３６と整流化装置３７とを共に設けてもよい。この場合、発電効率（エネルギー回収効率）がさらに向上する。
【００５８】
上記各実施の形態では、気泡発生量を検知する検知手段の一例として、カメラからなる監視装置２９，３０を用いたが、監視装置２９，３０に限定されるものではなく、超音波センサ又は赤外線センサ等を用いて気泡発生量を検知してもよい。
【００５９】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、図６に示すように、空間部２４内の圧力を測定する圧力計４１と、上部流路１２内の媒体２の温度を測定する温度計４２と、圧力計４１で測定された実測圧力と温度計４２で測定された実測温度とに基いて減圧装置２０を制御する制御部４３とが設けられている。
【００６０】
制御部４３は、飽和温度と飽和蒸気圧との関係についてのデータベース（例えば日本機械学会から刊行されているもの等）を有しており、実測圧力が実測温度に対応した飽和蒸気圧よりも低い場合、飽和蒸気２１の気泡発生量が少ないと判断し、実測圧力が実測温度に対応した飽和蒸気圧よりも高い場合、飽和蒸気２１の気泡発生量が過剰であると判断する。尚、圧力計４１と温度計４２とは、気泡発生量を検知する検知手段４５を構成している。また、減圧装置２０と制御部４３とは、気泡発生量を制御する制御手段４４を構成している。
【００６１】
以下、上記構成における作用を説明する。
制御部４３は、飽和蒸気２１の気泡発生量が不足していると判断した場合、減圧装置２０を作動させて空間部２４内の圧力を低下させる。これにより、飽和蒸気圧が低下し、飽和蒸気２１の発生が促進されるため、気泡発生量が増加する。
【００６２】
反対に、制御部４３は、飽和蒸気２１の気泡発生量が過剰であると判断した場合、減圧装置２０を停止し、空間部２４内の圧力を上昇させる。これにより、飽和蒸気圧が上昇し、飽和蒸気２１の発生が抑制されるため、気泡発生量が低減する。このようにして気泡発生量を制御することにより、安定した発電（エネルギー回収）を行うことができる。
【００６３】
尚、上記実施の形態では、気泡発生量を制御する制御手段４４が減圧装置２０と制御部４３とで構成されているが、減圧装置２０の代わりに加圧装置を用いてもよい。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、図７に示すように、発電装置８は、励磁装置８ａにより負荷制御が可能な同期発電装置である。制御部３２は、第１および第２の監視装置２９，３０の監視映像に基いて、励磁装置８ａを制御する。
【００６４】
以下、上記構成における作用を説明する。
制御部３２は、第２の監視装置３０による監視映像中に気泡が残存していない場合、励磁装置８ａの励磁力を小さくして、発電装置８の発電量を抑制し、また、監視映像中に気泡が残存している場合、励磁装置８ａの励磁力を大きくして、発電装置８の発電量を増加させることで、媒体２を飽和状態に維持することができる。尚、さらに第１の監視装置２９によって気泡発生量を検知することにより、精度の高い制御を行うことができる。
【００６５】
尚、上記第１〜第４の実施の形態では、図１，図６に示すように、上部流路１２の上部に、凸部を設けることにより、上向きに窪んだ空間部２４を局部的に形成しているが、図７に示すように、凸部を設けず、空間部２４を上部流路１２の上部全体に形成してもよい。
【００６６】
上記各実施の形態では、回収エネルギー取出手段の一例として、発電装置８を挙げたが、発電装置８に限定されるものではなく、例えばポンプやファンの駆動源であってもよい。
【００６７】
上記各実施の形態では、回転翼７を上昇流路１０に一個設けたが、上下複数個設けてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ エネルギー回収装置
２ 媒体
３ 飽和水（飽和液体）
５ 循環流路
６ 伝熱部
７ 回転翼（回転体）
８ 発電装置（回収エネルギー取出手段）
１０ 上昇流路
１１ 下降流路
２０ 減圧装置
２１ 飽和蒸気（飽和気体）
２４ 空間部
２９，３０ 監視装置（検知手段）
３３ 制御手段
３６ 気泡微細化装置
３７ 整流化装置
４４ 制御手段
４５ 検知手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば炉等から排出される廃熱を利用してエネルギー回収を行うエネルギー回収装置およびエネルギー回収装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電所等では、ボイラーで発生した蒸気によって蒸気タービンが回転して発電し、蒸気タービンを回転させた後の蒸気は復水器で冷やされて水に戻り、再びボイラーに供給されて蒸気に変化する。
【０００３】
また、別のエネルギー回収装置として、太陽エネルギーを利用して発電を行うものがある。これは、図８に示すように、水６１を入れた循環流路６２の途中に、水車６３に連動する発電機６４が設けられ、循環流路６２の伝熱部６５に太陽光６６を当てて循環流路６２の水６１を加熱し、熱対流によって水６１を一方向６７へ循環させて水車６３を回転させることで、発電が行われる。尚、このような太陽エネルギーを利用したエネルギー回収装置６０は下記特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８２３１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、地球温暖化防止の観点から、火力発電所等に対して、熱回収効率・発電効率の向上が望まれ、各方面で技術開発が進んでいる。一例として、火力発電所においては、２５ＭＰａ×６００℃のボイラーなど、高温高圧化が推進されている。
【０００６】
しかしながら従来の火力発電所等では、蒸気タービンから排出される過熱蒸気を復水器において冷却し復水として回収するため、復水器からの放熱エネルギーが膨大となり、発電効率が低く留まるといった問題がある。
【０００７】
また、焼却炉から発生する熱をボイラーにて蒸気として回収する場合、ボイラーの排出ガス温度がボイラー内部の缶水温度より十分に高くないと熱交換ができないので、排出ガスの温度が高いまま大気へ放出され、エネルギー効率として無駄を生じている。
【０００８】
さらに、一般的な工場排ガスにおいては、ボイラーで熱回収するにはその温度が低く、ほとんど熱回収されないまま大気へ無駄にエネルギーが放出されている。
また、図８に示したエネルギー回収装置では、水６１は、液体の状態で、温度差による熱対流によって循環流路６２を循環している。このため、水６１の温度が低下する際に放出されるエネルギーは顕熱に相当し、水６１の場合では１℃の温度低下で４ｋＪ／ｋｇ程度の少量のエネルギーしか放出されない。したがって、水６１で水車６３を回転させて回収したエネルギーで発電する場合、水車６３を回転させる際に温度低下により放出されるエネルギーは少量であり、発電効率の向上が望めないといった問題がある。
【０００９】
また、水６１が循環流路６２を循環しながら太陽光６６によって加温され、水温が次第に上昇していくため、最終的には、循環流路６２内の全ての水温が均一になり、熱対流が消滅して水６１の循環が停止してしまうといった問題がある。
【００１０】
本発明は、エネルギー回収効率が向上し、媒体の循環が停止するのを防止することが可能なエネルギー回収装置およびエネルギー回収装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本第１発明におけるエネルギー回収装置は、媒体として飽和液体が上下方向に循環する循環流路と、
循環流路の外部から供給される熱を媒体に伝える伝熱部と、
循環流路中の媒体の流れを受けて回転する回転体が備えられた回収エネルギー取出手段とを有し、
循環流路は、伝熱部を通過した媒体が上向きに流れる上昇流路と、上昇流路を通過した媒体が下向きに流れて伝熱部へ供給される下降流路とを有し、
回転体は上昇流路中に設けられ、
媒体は、伝熱部からの熱によって飽和気体を含む気液二相流に変化して上昇流路を流れ、回転体に供給されて回転体を回転することにより気液二相流から飽和液体に戻るものである。
【００１２】
これによると、伝熱部からの熱によって媒体の一部が飽和液体から飽和気体となり、媒体は、飽和液体に飽和気体を含んだ気液二相流となり、比重差により上昇流路を上昇して流れ、回転体に供給される。これにより、回転体が回転して回収エネルギーが取り出され、回転体を回転させた後の媒体のエネルギーが回転体を回転させる前の媒体のエネルギーよりも低下し、媒体は、気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、飽和液体の状態で、上昇流路から下降流路を下向きに流れ、伝熱部へ供給される。
【００１３】
媒体が飽和液体と飽和気体との気液二相流の状態から飽和液体の液相流に変化する際に放出するエネルギーは蒸発潜熱に相当し、顕熱と比較して非常に大量のエネルギーが放出されるため、大量のエネルギーを回収して取り出すことができ、エネルギー回収効率が向上する。
【００１４】
また、復水器で飽和気体を冷却して復水させる必要が無いため、放熱エネルギーの損失が低減され、エネルギー回収効率が向上する。
また、飽和液体に飽和気体を含んだ気液二相流と飽和液体の液相流との比重差によって、媒体が循環流路を循環する。これにより、循環流路内が一様に飽和温度に保たれた状態であっても、媒体の循環が停止することはない。
【００１５】
本第２発明におけるエネルギー回収装置は、循環流路に空間部が形成され、
空間部を減圧する減圧装置が設けられているものである。
これによると、減圧装置で空間部を減圧することにより、媒体の飽和温度が低下するため、熱回収が困難であった低温の廃熱を利用してエネルギー回収することができる。
【００１６】
本第３発明におけるエネルギー回収装置は、伝熱部と回転体との間に、上昇流路内の飽和気体の気泡を微細化する気泡微細化装置と気泡の流れを整流する整流化装置との少なくともいずれかが設けられているものである。
【００１７】
これによると、気泡微細化装置により飽和気体の気泡が微細化されるため、飽和気体が回転体で液体に変わる際の衝撃が緩和され、回転体の寿命が延びるものである。また、整流化装置により気泡の流れが整流されるため、回転体に流入する流れの乱れが減少し、回転体の回転がスムーズになって、潜熱回収が効率的に行われる。
【００１８】
本第４発明におけるエネルギー回収装置は、上昇流路内の飽和気体の気泡発生量を検知する検知手段と、気泡発生量を制御する制御手段とが備えられているものである。
これによると、検知手段によって上昇流路内の気泡発生量を検知し、検知された気泡発生量に基いて、制御手段が気泡発生量を制御するので、安定したエネルギー回収を行うことが可能である。
【００１９】
本第５発明は、上記第１発明から第４発明のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置の運転方法であって、
媒体が、伝熱部からの熱によって飽和液体の液相流から飽和気体を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路を上昇し、回転体を回転させることにより気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、液相流の状態で下降流路を下降し、伝熱部に供給されるものである。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によると、エネルギー回収効率が向上し、伝熱部を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図２】同、エネルギー回収装置の媒体のエネルギーと回収エネルギー取出手段で回収されるエネルギーとを示す模式図である。
【図３】ベルヌーイの定理を説明するための図である。
【図４】蒸気の圧力と飽和温度との関係および断熱変化をした際の圧力と温度との関係を示すグラフである。
【図５】水の温度に対する状態変化を示すグラフである。
【図６】本発明の第４の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態におけるエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【図８】従来のエネルギー回収装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、図１に示すように、１は、例えば工業炉から排出される排ガス等の廃熱を利用して発電を行うエネルギー回収装置である。エネルギー回収装置１は、媒体２として飽和水３（飽和液体の一例）が上下方向に循環する循環流路５と、循環流路５の外部から供給される排ガスの廃熱を媒体２に伝える伝熱部６と、循環流路５中の媒体２の流れを受けて回転する回転翼７（回転体の一例）が備えられた発電装置８（回収エネルギー取出手段の一例）とを有している。
【００２３】
循環流路５は、伝熱部６を通過した媒体２が上向きに流れる上昇流路１０と、上昇流路１０を通過した媒体２が下向きに流れて伝熱部６へ供給される下降流路１１と、これら上昇流路１０の上端と下降流路１１の上端との間に設けられた上部流路１２と、上昇流路１０の下端と下降流路１１の下端との間に設けられた下部流路１３とを有している。
【００２４】
上昇流路１０は、上下方向の主管路１５と、主管路１５の下方に設けられて伝熱部６を通る複数の分岐管路１６と、各分岐管路１６の上端と主管路１５の下端とを連通するヘッダー１７（連通管）とを有している。上記主管路１５、分岐管路１６、ヘッダー１７、下降流路１１、下部流路１３はそれぞれ配管等で構成され、上部流路１２はタンク等で構成されている。
【００２５】
回転翼７は上昇流路１０の主管路１５中に設けられている。尚、回転翼７は上下一段であるが多段にしてもよく、多段にすることによって、一段の回転翼７では回収できない気泡の持つ潜熱を回収することができるため、潜熱の回収が促進される。
【００２６】
上部流路１２の上部には、上向きに窪んだ空間部２４（空洞部）が形成されている。上部流路１２には、空間部２４を減圧する減圧装置２０が設けられている。尚、減圧装置２０としては、例えば真空ポンプやエジェクタ等が用いられている。
【００２７】
また、伝熱部６は、排ガス３４が流れる排ガス流路１４の途中に設けられており、排ガス流路１４に連通する流入口２５を上流側に有すると共に、排ガス流路１４に連通する流出口２６を下流側に有している。流入口２５の上流側に接続された排ガス流路１４には、伝熱部６に供給される排ガス３４の流量を調節する回動自在なダンパー２７が設けられている。
【００２８】
また、上昇流路１０には、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡発生量を検知する複数の監視装置２９，３０（検知手段の一例）が設置されている。これらの監視装置２９，３０はそれぞれ、カメラからなり、上昇流路１０内を撮影して気泡発生量を監視するものである。このうち、第１の監視装置２９はヘッダー１７と回転翼７との間に位置し、第２の監視装置３０は回転翼７と上部流路１２との間に位置している。
【００２９】
また、エネルギー回収装置１には、監視装置２９，３０の映像に基いてダンパー２７の開度を制御する制御部３２が備えられている。尚、ダンパー２７と制御部３２とによって、上昇流路１０内の気泡発生量を制御する制御手段３３が構成されている。例えば、ダンパー２７の開度を大きくすると、流入口２５から伝熱部６に供給される排ガスの流量が増加し、これに伴って伝熱部６へ供給される熱量も増加し、飽和蒸気２１の発生量すなわち気泡発生量が増加する。
【００３０】
反対に、ダンパー２７の開度を小さくすると、流入口２５から伝熱部６に供給される排ガスの流量が減少し、これに伴って伝熱部６へ供給される熱量も減少し、飽和蒸気２１の発生量すなわち気泡発生量が減少する。このように、ダンパー２７の開度を調節することで、上昇流路１０内の気泡発生量を制御することができる。
【００３１】
以下、上記エネルギー回収装置１の運転方法を説明する。
高温の排ガス３４が伝熱部６を流れることにより、伝熱部６から受ける排ガス３４の熱によって媒体２の一部が飽和水３から飽和蒸気２１（飽和気体の一例）に変化する。これにより、媒体２は、飽和水３の液相流から飽和蒸気２１を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路１０を上昇し、回転翼７を回転させることにより気液二相流から飽和水３の液相流に復水し、飽和水３の状態で、上部流路１２を通って下降流路１１を下降し、下部流路１３を通って伝熱部６へ供給され、循環流路５を循環して流れる。
【００３２】
この際、回転翼７において、翼の上面の流速は翼の前面や下面よりも速くなることから下記に示すベルヌ−イの定理により、静圧Ｐ２が静圧Ｐ１よりも低下し、飽和蒸気２１は断熱膨張して温度が低下することで飽和水３に変化する。この断熱膨張により、飽和蒸気２１はエネルギー（潜熱）を放出し、放出されたエネルギーが回転翼７により回収される。
【００３３】
尚、上記気液二相流の比重は飽和水３のみの液相流の比重よりも軽いため、この比重差によって、媒体２は循環流路５を循環する。これにより、循環流路５内が一様に飽和温度に保たれた状態であっても、媒体２の循環が停止することはない。
【００３４】
また、上記回転翼７の回転によって発電が行われ、図２に示すように、回転翼７を回転させた後の媒体２のエネルギーＥ２が回転翼７を回転させる前の媒体２のエネルギーＥ１よりも低下する。これは、回転翼７において静圧が低下し、飽和蒸気２１が断熱膨張して温度が低下することで飽和水３に変化するためである。これにより、媒体２は気液二相流から飽和水３の液相流に復水し、飽和蒸気２１のエネルギーを飽和水３になるまで回収して発電することができる。また、媒体２が循環流路５を循環している際、循環流路５内は一様に飽和温度に保たれるので、伝熱部６は飽和水３が飽和蒸気２１へ変化するために必要な伝熱面積さえ有していれば十分である。つまり、飽和していない水（液体）から蒸気（気体）に変化させる場合や過熱蒸気（気体）に変化させる場合に必要な伝熱面積と比較して、伝熱部６の伝熱面積を小さくすることができ、これにより伝熱部６が小型化される。
【００３５】
さらに、復水器で飽和気体を冷却して復水させる必要が無いため、放熱エネルギーの損失が低減され、発電効率（エネルギー回収効率）が向上する。また、従来より低い温度の排ガスが保有しているエネルギーも回収でき、エネルギー回収装置１を含む設備全体での熱回収効率が向上する。ここで設備全体とは、従来の熱回収方法である排ガスボイラによるエネルギー回収装置も含んだ設備である。
【００３６】
尚、上記のように飽和水３と飽和蒸気２１とが混合した気液二相流の媒体２は回転翼７を回転させることによって気液二相流から飽和水３の液相流に復水するのであるが、この相変化は下記のような理由によって発生する。
【００３７】
下記の式はベルヌ−イの定理と理想気体の状態方程式と断熱の式を示す。
【００３８】
【数１】
尚、ベルヌ−イの定理において、図３に示すように、Ｐ１，Ｐ２は静圧、Ｔ１，Ｔ２は温度、ρ１，ρ２は媒体の密度、ｑ１，ｑ２は媒体の流速を示す。また、理想気体の状態方程式において、Ｐは気体の圧力、Ｖは気体が占める体積、Ｒは気体定数、Ｔは気体の温度を示す。また、断熱の式において、γは比熱比を示す。
【００３９】
これによると、図３に示すように、回転翼７の上部の流速ｑ２が下部の流速ｑ１よりも速くなり、ベルヌ−イの定理によって、静圧Ｐ２が静圧Ｐ１よりも低下する。
ここで上記ベルヌ−イの定理は下記式（１）のように変形することができ、流速ｑ２が増加すると、Ｐ２×Ｖ２の値は小さくなる。
【００４０】
【数２】
また、断熱の式を下記式（２）のように変形することができ、蒸気の場合、比熱比γは１．３３となるため、下記式（２）において、１−γ＜０となり、Ｐ×Ｖが小さくなると、Ｐは小さくなる。
【００４１】
【数３】
一方、理想気体の状態方程式を下記のように変形し、これを断熱の式に代入することにより、下記式（３）が求められる。
【００４２】
【数４】
上記式（３）により、１−γ＜０であるため、Ｐが小さくなるとＴも小さくなる。
【００４３】
このように、圧力Ｐの低下に伴って温度Ｔも低下するので、飽和蒸気２１が飽和水３に復水するのであるが、圧力Ｐの低下によって飽和温度も低下する。ここで、図４のグラフＧ１は、圧力Ｐに対する蒸気の飽和温度を示し、グラフＧ２は、断熱変化をした際の圧力Ｐの低下と温度Ｔの低下の関係を示し、上記式（３）の比熱比γを蒸気の比熱比１．３３にした場合のグラフである。
【００４４】
また、下記表１は、圧力に対する蒸気の飽和温度と、圧力に対して上記式（３）により求められる温度とを数値で示した一例であり、上記グラフＧ１，Ｇ２の複数点の数値を示している。
【００４５】
【表１】
図４に示すように、媒体２に水を用いた場合、上記グラフＧ２がグラフＧ１よりも下になっているため、飽和温度の低下量よりも、断熱変化をした際の圧力低下に伴う温度の低下量の方が大きくなり、これにより、回転翼７を回転させる飽和蒸気２１が断熱膨張することによって飽和水３に復水する。
【００４６】
尚、熱力学的には、復水の際に放出されるエネルギー（すなわち図２に示すように上記エネルギーＥ１からエネルギーＥ２を差し引いたエネルギーＥに相当）によって回転翼７が回転し、物理学的には、飽和蒸気２１が飽和水３に復水する際に容積が非常に小さくなり（蒸気の場合１／１２００程度）、瞬時的に真空が発生し、回転翼７の上下の差圧が大きくなるため、回転翼７が回転する。
【００４７】
また、飽和水３と飽和蒸気２１との気液二相流の媒体２が飽和水３の液相流に復水する際に放出するエネルギーは蒸発潜熱に相当し、図５のグラフに示すように、水の場合は２２５７ｋＪ／ｋｇとなり、非常に大量のエネルギーが放出されるため、大量のエネルギーを回収して発電することができ、発電効率（エネルギー回収効率）が向上する。
【００４８】
また、減圧装置２０で空間部２４を減圧することにより、循環流路５内が減圧又は真空化されて水の飽和温度が低下する。このため、低温の廃熱から熱回収が可能となり、低温の廃熱を利用して発電（エネルギー回収）することができる。つまり、より低い温度の排ガスからエネルギーを回収することができ、エネルギー回収装置１を含むシステム全体としてのエネルギー回収効率が向上する。また、上記実施の形態では媒体２に水を用いているが、低沸点物質（イソペンタン、アンモニア等）を用いても、同様に低温の廃熱を利用して発電することができる。
【００４９】
尚、飽和蒸気２１が飽和水３に復水する際、飽和蒸気２１の気泡が壊れることにより、回転翼７の表面が壊食される虞があるため、回転翼７の材料にハステロイ等の高強度材料を採用したり、或は、回転翼７の表面にゲル材等の衝撃緩衝材を具備することが望ましい。
【００５０】
また、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡発生量は監視装置２９，３０により監視されている。例えば、第１の監視装置２９の監視映像に基いて、上昇流路１０内の気泡発生量が不足していると制御部３２が判断すれば、制御部３２はダンパー２７の開度を増大して伝熱部６へ供給される排ガス３４の流量を増加させる。これにより、排ガス３４から分岐管路１６に伝達される熱量が増加し、気泡発生量が増加する。
【００５１】
また、第１の監視装置２９の監視映像に基いて、上昇流路１０内の気泡発生量が過剰であると制御部３２が判断すれば、制御部３２はダンパー２７の開度を減少して伝熱部６へ供給される排ガス３４の流量を減少させる。これにより、排ガス３４から分岐管路１６に伝達される熱量が減少し、気泡発生量が減少する。このようにして気泡発生量を制御することにより、安定した発電（エネルギー回収）を行うことができる。
【００５２】
さらに、第２の監視装置３０の監視映像に基いて、上昇流路１０の回転翼７よりも上方の部分に気泡すなわち飽和蒸気２１が残っていないかを検出することができ、この検出に基いて、回転翼７で潜熱が十分に回収できているかどうかを確認することができ、精度の高い制御を行うことができる。
【００５３】
尚、第２の監視装置３０を備えていないものであっても、回転翼７で潜熱が十分に回収できているかを気泡の量から判断できないため制御の精度は若干低下するが、気泡発生量の制御は可能である。
【００５４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、伝熱部６と回転翼７との間に、上昇流路１０内の飽和蒸気２１の気泡をフィルターや超音波等を用いて微細化する気泡微細化装置３６が設けられている。
【００５５】
これによると、気泡微細化装置３６により飽和蒸気２１の気泡が微細化されるため、飽和蒸気２１が回転翼７で水に変わる際の衝撃が緩和され、回転翼７の寿命が延びる。
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、伝熱部６と回転翼７との間に気泡微細化装置３６が設けられているが、第３の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、気泡微細化装置３６の代わりに、気泡の流れを整流する整流化装置３７が設けられている。尚、整流化装置３７には、固定された案内羽根やメッシュ状の整流板等が用いられる。
【００５６】
これによると、整流化装置３７により、気泡の流れが整流されるため、回転翼７に流入する流れの乱れが減少し、回転翼７の回転がスムーズになって、潜熱回収が効率的に行われる。
【００５７】
尚、上記第２および第３の実施の形態では、図１の仮想線で示すように、気泡微細化装置３６と整流化装置３７とのいずれか片方のみを設けているが、気泡微細化装置３６と整流化装置３７とを共に設けてもよい。この場合、発電効率（エネルギー回収効率）がさらに向上する。
【００５８】
上記各実施の形態では、気泡発生量を検知する検知手段の一例として、カメラからなる監視装置２９，３０を用いたが、監視装置２９，３０に限定されるものではなく、超音波センサ又は赤外線センサ等を用いて気泡発生量を検知してもよい。
【００５９】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、図６に示すように、空間部２４内の圧力を測定する圧力計４１と、上部流路１２内の媒体２の温度を測定する温度計４２と、圧力計４１で測定された実測圧力と温度計４２で測定された実測温度とに基いて減圧装置２０を制御する制御部４３とが設けられている。
【００６０】
制御部４３は、飽和温度と飽和蒸気圧との関係についてのデータベース（例えば日本機械学会から刊行されているもの等）を有しており、実測圧力が実測温度に対応した飽和蒸気圧よりも低い場合、飽和蒸気２１の気泡発生量が少ないと判断し、実測圧力が実測温度に対応した飽和蒸気圧よりも高い場合、飽和蒸気２１の気泡発生量が過剰であると判断する。尚、圧力計４１と温度計４２とは、気泡発生量を検知する検知手段４５を構成している。また、減圧装置２０と制御部４３とは、気泡発生量を制御する制御手段４４を構成している。
【００６１】
以下、上記構成における作用を説明する。
制御部４３は、飽和蒸気２１の気泡発生量が不足していると判断した場合、減圧装置２０を作動させて空間部２４内の圧力を低下させる。これにより、飽和蒸気圧が低下し、飽和蒸気２１の発生が促進されるため、気泡発生量が増加する。
【００６２】
反対に、制御部４３は、飽和蒸気２１の気泡発生量が過剰であると判断した場合、減圧装置２０を停止し、空間部２４内の圧力を上昇させる。これにより、飽和蒸気圧が上昇し、飽和蒸気２１の発生が抑制されるため、気泡発生量が低減する。このようにして気泡発生量を制御することにより、安定した発電（エネルギー回収）を行うことができる。
【００６３】
尚、上記実施の形態では、気泡発生量を制御する制御手段４４が減圧装置２０と制御部４３とで構成されているが、減圧装置２０の代わりに加圧装置を用いてもよい。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、図７に示すように、発電装置８は、励磁装置８ａにより負荷制御が可能な同期発電装置である。制御部３２は、第１および第２の監視装置２９，３０の監視映像に基いて、励磁装置８ａを制御する。
【００６４】
以下、上記構成における作用を説明する。
制御部３２は、第２の監視装置３０による監視映像中に気泡が残存していない場合、励磁装置８ａの励磁力を小さくして、発電装置８の発電量を抑制し、また、監視映像中に気泡が残存している場合、励磁装置８ａの励磁力を大きくして、発電装置８の発電量を増加させることで、媒体２を飽和状態に維持することができる。尚、さらに第１の監視装置２９によって気泡発生量を検知することにより、精度の高い制御を行うことができる。
【００６５】
尚、上記第１〜第４の実施の形態では、図１，図６に示すように、上部流路１２の上部に、凸部を設けることにより、上向きに窪んだ空間部２４を局部的に形成しているが、図７に示すように、凸部を設けず、空間部２４を上部流路１２の上部全体に形成してもよい。
【００６６】
上記各実施の形態では、回収エネルギー取出手段の一例として、発電装置８を挙げたが、発電装置８に限定されるものではなく、例えばポンプやファンの駆動源であってもよい。
【００６７】
上記各実施の形態では、回転翼７を上昇流路１０に一個設けたが、上下複数個設けてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ エネルギー回収装置
２ 媒体
３ 飽和水（飽和液体）
５ 循環流路
６ 伝熱部
７ 回転翼（回転体）
８ 発電装置（回収エネルギー取出手段）
１０ 上昇流路
１１ 下降流路
２０ 減圧装置
２１ 飽和蒸気（飽和気体）
２４ 空間部
２９，３０ 監視装置（検知手段）
３３ 制御手段
３６ 気泡微細化装置
３７ 整流化装置
４４ 制御手段
４５ 検知手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体として飽和液体が上下方向に循環する循環流路と、
循環流路の外部から供給される熱を媒体に伝える伝熱部と、
循環流路中の媒体の流れを受けて回転する回転体が備えられた回収エネルギー取出手段とを有し、
循環流路は、伝熱部を通過した媒体が上向きに流れる上昇流路と、上昇流路を通過した媒体が下向きに流れて伝熱部へ供給される下降流路とを有し、
回転体は上昇流路中に設けられ、
媒体は、伝熱部からの熱によって飽和気体を含む気液二相流に変化して上昇流路を流れ、回転体に供給されて回転体を回転することにより気液二相流から飽和液体に戻ることを特徴とするエネルギー回収装置。
【請求項２】
循環流路に空間部が形成され、
空間部を減圧する減圧装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
【請求項３】
伝熱部と回転体との間に、上昇流路内の飽和気体の気泡を微細化する気泡微細化装置と気泡の流れを整流する整流化装置との少なくともいずれかが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエネルギー回収装置。
【請求項４】
上昇流路内の飽和気体の気泡発生量を検知する検知手段と、気泡発生量を制御する制御手段とが備えられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
【請求項５】
上記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置の運転方法であって、
媒体が、伝熱部からの熱によって飽和液体の液相流から飽和気体を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路を上昇し、回転体を回転させることにより気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、液相流の状態で下降流路を下降し、伝熱部に供給されることを特徴とするエネルギー回収装置の運転方法。
【請求項１】
媒体として飽和液体が上下方向に循環する循環流路と、
循環流路の外部から供給される熱を媒体に伝える伝熱部と、
循環流路中の媒体の流れを受けて回転する回転体が備えられた回収エネルギー取出手段とを有し、
循環流路は、伝熱部を通過した媒体が上向きに流れる上昇流路と、上昇流路を通過した媒体が下向きに流れて伝熱部へ供給される下降流路とを有し、
回転体は上昇流路中に設けられ、
媒体は、伝熱部からの熱によって飽和気体を含む気液二相流に変化して上昇流路を流れ、回転体に供給されて回転体を回転することにより気液二相流から飽和液体に戻ることを特徴とするエネルギー回収装置。
【請求項２】
循環流路に空間部が形成され、
空間部を減圧する減圧装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
【請求項３】
伝熱部と回転体との間に、上昇流路内の飽和気体の気泡を微細化する気泡微細化装置と気泡の流れを整流する整流化装置との少なくともいずれかが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエネルギー回収装置。
【請求項４】
上昇流路内の飽和気体の気泡発生量を検知する検知手段と、気泡発生量を制御する制御手段とが備えられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
【請求項５】
上記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置の運転方法であって、
媒体が、伝熱部からの熱によって飽和液体の液相流から飽和気体を含む気液二相流に変化した状態で上昇流路を上昇し、回転体を回転させることにより気液二相流から飽和液体の液相流に戻り、液相流の状態で下降流路を下降し、伝熱部に供給されることを特徴とするエネルギー回収装置の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２０７５３３（Ｐ２０１２−２０７５３３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１２６８（Ｐ２０１１−７１２６８）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
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