(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを作動媒体によって変換する火力発電所であって、
‐前記作動媒体を第１の圧力で蒸発させる蒸気発生器（２５）と、
‐蒸気の状態で存在する前記作動媒体を、より低い第２の圧力に膨張させる蒸気膨張装置と、
‐前記蒸気膨張装置から出された前記作動媒体を冷却して液化する凝縮器（３６）と、
‐凝縮液ポンプ（３７）と、を含み、
‐前記蒸気膨張装置は、当該蒸気膨張装置によって膨張された作動媒体が凝縮部分及び非凝縮部分を有するよう設計され、また、前記蒸気膨張装置は、蒸発した前記作動媒体を受け入れる入口弁（５７）を備えた作動シリンダ（４３）及びピストン（４５）を有し、
‐前記凝縮部分と前記非凝縮部分の分離のための分離装置と、前記作動媒体の前記非凝縮部分の圧縮（５）のための圧縮機（５１）とが設けられ、
‐膨張された前記作動媒体の前記非凝縮部分は、前記凝縮器（３６）内で少なくとも部分的に前記凝縮部分によって凝縮する、火力発電所。
【請求項２】
前記分離装置は、ハウジング（４４）を有し、前記ハウジング（４４）の上側領域内には前記圧縮機（５１）が設けられ、前記ハウジング（４４）の下側領域内には前記蒸気膨張装置が設けられ、前記下側領域の下に位置する底部領域内には、前記凝縮部分をポンプ輸送により送り出すポンプ（５４）が設けられている、請求項１記載の火力発電所。
【請求項３】
前記蒸気膨張装置における前記分離装置において、２つの作動シリンダ（４３）の各々が、前記分離装置上において対向して配置され、ピストン（４５）により接続されている、請求項１又は２記載の火力発電所。
【請求項４】
少なくとも１つの揺動アーム（４８）を含む揺動アーム機構が設けられ、前記揺動アーム機構は、前記作動媒体の前記非凝縮部分の圧縮（５）のために前記圧縮機（５１）に結合されると共に、前記凝縮部分（４）を前記分離装置から吐出するポンプ（５４）に結合されている、請求項１又は２に記載の火力発電所。
【請求項５】
前記作動シリンダ（４３）及び前記ピストン（４５）は、前記揺動アーム機構によって駆動される、請求項４記載の火力発電所。
【請求項６】
前記揺動アーム機構の揺動アーム（４８）は、前記作動媒体の膨張仕事を前記作動シリンダからクランク機構（５０）に伝達する、請求項４又は５一に記載の火力発電所。
【請求項７】
燃焼から得られる熱、地熱エネルギー、ソーラーシステム、冷却システムからの廃熱及び／又は熱回収からの熱が、熱源（２７）として用いられる、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の火力発電所。
【請求項８】
前記ピストン（４５）は、当該ピストン（４５）内に組み込まれており、切り換えピン（６９）によって制御可能な出口弁（７０）を有する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の火力発電所。
【請求項９】
前記圧縮機（５１）は、圧縮機入口弁（７３）及び圧縮機ピストン（５２）を有し、圧縮機入口弁（７３）は、前記圧縮機ピストン（５２）内に設けられ、ピストンロッド（７９）によって制御可能である、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の火力発電所。
【請求項１０】
熱を作動媒体によって機械的又は電気的エネルギーに変換するエネルギー変換方法であって、
ａ）蒸気発生器内において第１の圧力で前記作動媒体について蒸気の状態を発生させるステップと、
ｂ）蒸気膨張装置内において、より低い第２の圧力で前記蒸気状態を膨張させる（１）ステップと、
ｃ）前記膨張により得られたエネルギーを排出するステップと、を含み、
ｄ）前記蒸気状態の前記膨張（１）を前記作動媒体のポリトロープにより進行させ、分離装置（４４）内において前記作動媒体を非凝縮部分（３）と凝縮部分（４）に分離するステップと、
ｅ）圧縮機（５１）内において前記非凝縮部分（３）の圧縮（５）を行って、圧縮した非凝縮部分（３）を得るステップと、
ｆ）圧縮した前記非凝縮部分（３）の冷却（６）及び凝縮（７）を行って、圧縮した凝縮部分（３′）を得るステップと、
ｇ）前記圧縮凝縮部分（３′）及び当初の前記凝縮部分（４）の加熱（８；９）を行い、前記圧縮凝縮部分（３′）及び当初の前記凝縮部分（４）を前記蒸気発生器に戻すステップと、を含む、方法。
【請求項１１】
前記蒸気状態の前記膨張（１）は、前記作動媒体の飽和ライン、好ましくは前記作動媒体の臨界点（２）を通って進行する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記膨張（１）は、湿り蒸気膨張により行われる、請求項１０又は１１記載の方法。
【請求項１３】
圧縮した前記非凝縮部分（３）の前記冷却（６）及び前記凝縮（７）は、前記凝縮部分（４）によって実現される、請求項１０〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の圧力は、臨界点における前記作動媒体に関する圧縮係数Ｚによって定められる、請求項１０〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１５】
前記非凝縮部分（３）は、蒸発した前記作動媒体の５０％〜６０％に達する、請求項１０〜１４のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１６】
前記作動媒体により前記蒸気膨張装置内で行われる仕事における第１の部分が発生器に放出され、前記作動媒体により前記蒸気膨張装置内で行われる仕事における第２の部分が前記圧縮機に放出され、前記非凝縮部分を圧縮すると共に加熱するようになっている、請求項１０〜１５のうちいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に火力発電所（以下、単に「プラント」ともいう）、とりわけ熱機関、ピストン蒸気機関又は蒸気タービンの熱から排熱回収により機械的又は電気的エネルギーを発生させるプラントの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術の現状から、種々の蒸気サイクルプロセスが知られており、エネルギーの回収がプロセス内で行われる。蒸気動力プラントによる電気エネルギーの発生は、一般に、クラジウス‐ランキンサイクルプロセスに基づいている。この方法には２つの欠点がある。一方において、蒸気を蒸気タービン内での膨張後に凝縮させなければならず、これは、冷却塔内で又は河川水による冷却によって行われる。これにより、極めて多量の熱、即ち、約６０％の熱が失われる。熱の損失に加えて、それにより環境も又廃熱の悪影響を受け、これ又同様に、望ましくない。他方において、低圧コンポーネントは、周囲環境に関連付けられている。十分な効率度を達成するため、約６００〜８００℃という高い温度を高圧側で用いなければならない。しかしながら、このことは、高温状態にある熱しか電気エネルギーに変換することができないことを意味している。ランキンサイクルプロセスでは地熱、太陽熱又は排熱回収形態の熱を経済的に電気エネルギーに変換することができない。
【０００３】
独国特許第３４２７２１９号明細書から、例えば、超臨界範囲の作動物質で働くガスタービン又はピストン蒸気機関のための蒸気機関サイクルが知られている。作動物質の高温又は低温ガスが液相から直接超臨界温度範囲及び圧力範囲内で得られ、更に、一定の超臨界圧力で加熱され、そしてガスタービンに供給される。ガスタービン内において、ガスを断熱的に又はポリトロープ的に作動物質の臨界点の近くまで膨張させる。ガスを更に冷却してその完全な液状化にすることは、ヒートポンプ及び／又は膨張チャンバによって行われる。これ以上の冷却は、臨界温度で又はこれよりも低い温度で、しかしながら依然として臨界圧力よりも高い圧力で行われる。超臨界蒸気機関サイクルによって外部から吸収された熱、即ち、液状化熱及び過熱状態の熱並びに低温蒸気を用いた作動の場合に膨張中にタービン壁を介して吸収された熱の全てを仕事に変換することができる。
【０００４】
国際公開第２０１２／０４９２５９（Ａ１）号パンフレットは、クラジウス‐ランキンサイクルプロセスにより同等に低い温度で外部熱源の変換のための方法及び施設を示している。この方法では、外部電源を用いて液相の状態にある媒体を圧縮して流体媒体を得る。圧縮状態の流体媒体を少なくとも部分的に外部熱源から来た熱によって加熱する。それにより、媒体を膨張させて超臨界相にする。次に、加熱状態の媒体の圧力を所定の値まで、より正確に言えば、労力を費やして所定の値まで減少させて電気的エネルギーを発生させる。エネルギーの周波数を所望の出力周波数に変換し、媒体の温度及び体積を減少させて媒体が液相になると共に媒体がサイクル中に戻されるようにする。液体媒体と膨張蒸気との間には多数の熱交換器が設けられる。この方法は、所要の温度範囲に起因して地熱及び太陽熱の使用には適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許第３４２７２１９号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１２／０４９２５９（Ａ１）号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の火力発電所、特に熱機関の目的は、熱の損失源をなくし、用いられるサイクルプロセスに必要な温度を低くすると共にプラントの効率度を向上させ、特に電気エネルギーへの変換率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１記載の火力発電所及び請求項１０記載のエネルギー発生方法によって達成される。有利な実施形態及び別の実施形態としての実施例が従属形式の請求項に記載されている。
【０００８】
本発明に従って作動媒体によって熱を機械的又は電気的エネルギーに変換するエネルギー変換方法は、以下のステップを有する。蒸気発生器内において第１の圧力で作動媒体について蒸気の状態を発生させる。蒸気膨張装置内において低い第２の圧力で蒸気状態を膨張させる。膨張プロセスにより得られたエネルギーを例えば発生器に放出する。伝動のために伝動装置、例えば油圧伝動装置が用いられる。本発明によれば、作動媒体の飽和線を用いて蒸気状態の膨張を実施する。それにより、分離装置内において作動媒体を非凝縮部分と凝縮部分に分離する。次に、圧縮機内において非凝縮部分を圧縮して圧縮状態の非凝縮部分を得る。圧縮非凝縮部分を冷却すると共に凝縮して圧縮凝縮部分を得る。次に、圧縮凝縮部分及び当初凝縮した部分を加熱してこれら部分を蒸気発生器に戻す。
【０００９】
本発明の方法を実施するために作動媒体によってエネルギーを変換する火力発電所は、作動媒体を第１の圧力で蒸発させる蒸気発生器と、蒸気の状態で存在する作動媒体を低い第２の圧力に膨張させる蒸気膨張装置と、凝縮器と、凝縮液ポンプとを含む。作動媒体のための熱源として燃焼からの熱、地熱エネルギー、ソーラーシステム、冷却システムからの廃熱及び／又は排熱回収からの熱が用いられるのが良い。凝縮器は、蒸気膨張装置から排出された作動媒体を冷却すると共に液化する。蒸気膨張装置は、蒸気膨張装置によって膨張した作動媒体が凝縮部分及び非凝縮部分を有するよう構成される。膨張は、本発明によれば、実質的に、作動媒体のポリトロープ、特に飽和線を通って、特にその臨界点を通って進行する。さらに、凝縮部分と非凝縮部分の分離のための分離装置及び作動媒体の非凝縮部分の圧縮のための圧縮機が提供される。それにより、膨張した作動媒体の非凝縮部分を凝縮器内で凝縮部分によって少なくとも部分的に凝縮する。
【００１０】
本発明の方法では、低い温度の熱、例えば木材燃焼、地熱源、排熱回収からの熱も又、良好な効率度で電気的エネルギーに変換することができる。
【００１１】
蒸気発生器内で蒸発した作動媒体の膨張は、好ましくは、湿り蒸気膨張を介して行われ、圧縮非凝縮部分の冷却及び凝縮は、好ましくは凝縮部分によって行われる。膨張段階のための第２の圧力は、有利には、臨界点での作動媒体に関する圧縮係数Ｚで定められる。本方法では、非凝縮部分は、蒸発した作動媒体の５０％〜６０％に達することができる。したがって、当初凝縮部分は、４０％〜５０％である。
【００１２】
本発明の火力発電所の実施形態では、分離装置は、ハウジングを有するのが良く、ハウジングの上側領域内には圧縮機が設けられ、ハウジングの下側領域内には蒸気膨張装置が設けられ、下側領域の下に位置する底部領域内には、凝縮部分をポンプ輸送により送り出すポンプが設けられる。
【００１３】
相分離は、例えば、タービン内の遠心力の原理に従って行われるのが良い。タービンの翼の形状は、有利には、この目的にあっており、蒸発した作動媒体が分離され、作動媒体部分を凝縮液連結及び残留蒸気吸引ライン経由でタービンから放出することができる。
【００１４】
本発明の火力発電所の実施形態では、蒸気膨張装置は、蒸発した作動媒体を受け入れる入口弁を備えた作動シリンダ及び作動シリンダの次に位置するピストンを有するのが良い。好ましくは、２つの作動シリンダが各々、互いに反対側に位置した状態で分離装置に設けられる。このことは、作動シリンダが互いに対向した状態で対照的に設けられると共に同一ピストンに連結されることを意味している。
【００１５】
火力発電所は、好ましくは、少なくとも１つの揺動アームを含む揺動アーム機構を含む。揺動アーム機構は、作動媒体の非凝縮部分の圧縮のための圧縮機に結合されると共に凝縮部分を分離装置から吐出するポンプに結合される。好ましくは、揺動アーム機構は、分離装置のハウジング内に収容されるのが良い。揺動アーム機構は、揺動アーム機構の作動シリンダ及びピストンを駆動するのが良い。揺動アームを蒸気膨張装置のピストン及び残留蒸気圧縮機のピストンに結合するのが良く、この揺動アームは、レバーシャフトを中心として回転する仕方で設けられるのが良い。揺動アームは又、好ましくは、クランク機構に結合されるのが良く、この揺動アームは、作動媒体の膨張仕事を作動シリンダからクランク機構に伝達する。クランク機構は、更にこの仕事を発生器に伝えることができる。
【００１６】
本発明の火力発電所の好ましい実施形態では、ピストンは、ピストン内に組み込まれていて切り換えピンによって制御可能な出口弁を有する。切り換えピンは、例えば、ピンのための案内部品及び揺動アーム機構へのカップリングによって案内される。作動媒体の膨張の場合、出口弁の一方の側を閉じるのが良く、他方、出口弁の他方の側を開き、そして膨張後の蒸気を放出するのが良い。
【００１７】
さらに、本発明の火力発電所の実施形態では、圧縮機は、圧縮機入口弁及び圧縮機ピストンを有するのが良い。それにより、圧縮機入口弁は、圧縮機ピストン内に設けられると共にピストンロッドによって制御可能である。ピストンロッドは、好ましくは、揺動アーム機構に結合される。それにより、非凝縮部分の圧縮は、蒸発した作動媒体の膨張に関連付けられる。
【００１８】
膨張プロセス
【００１９】
技術の現状によれば、熱機関に関し、２本の断熱曲線及び２本の等温曲線を有する理想ガスの理論によるカルノーサイクルプロセスが想定される。しかしながら、本発明の方法及び火力発電所は、以下に説明するように、これを超えて、分子の分子間引力を含み、それによりプラントの向上した効率度を達成することができる。
【００２０】
本発明のこの方法では、従来型プラントの相当高い損失係数がゼロになる。冷却塔が交換され、それにより本発明の方法は、より経済的になる。効率は、かなり高められ、廃熱による環境への衝撃度が小さい。周囲温度への依存性はなく、プロセス温度が低くなる。本方法及びプラントは又、低い温度の熱、例えば地熱、木材燃焼からの熱、排熱回収からの熱に適しており、機械的エネルギー又は電気的エネルギーへのそれぞれのエネルギー変換は、良好な効率レベルで行われる。
【００２１】
火力発電所に関し、技術改良が達成され、正確に言えば、
‐効率度、即ち、機械中に入れられる熱エネルギーに対してプラントにより送り出される機械的又は電気的エネルギーの観点における技術改良、
‐熱源、例えば太陽熱、地熱エネルギー、木材の燃焼からの熱、排熱回収からの熱等の低い絶対温度であってもこの温度における火力発電所に関する産業上における利用可能性の観点における技術改良、及び
‐環境に対する影響の面における技術改良が達成されるという観点における技術改良が達成され、この場合の理由は、結果として環境中に放出される廃熱がそれほど多くはないので冷却塔が不要であること等にある。
【００２２】
これは、火力発電所において、従来型ランキンサイクルプロセスの改造において、本発明の方法によれば、作動媒体が当初、外部から供給される熱により超臨界状態になるという点で達成される。次に、超臨界作動媒体を、機械的仕事の実施により作動媒体の臨界点を通って膨張させる。次に、結果的に得られる気／液相混合物、即ち非凝縮部分と凝縮部分（残留蒸気／凝縮液）を分離する。残留蒸気部分を最初に圧縮し、それにより加熱し、次に非加熱状態の、かくして低温の凝縮液部分と熱交換し、その結果、残留蒸気部分を液化する。
【００２３】
火力発電所は、作動媒体をこのステップに従って、熱の追加により超臨界状態に至らせる蒸気発生器、例えば上述したように作動シリンダの形態をした作動媒体の膨張のための蒸気膨張装置、又はタービン等を含む。蒸気膨張装置では、超臨界作動媒体は、膨張中、仕事を行う。さらに、残留蒸気のための圧縮機並びに蒸気膨張装置及び残留蒸気圧縮機と流体結合状態にある分離装置が設けられる。分離装置は、上側領域、下側領域及び底部領域を有し、凝縮液部分は、底部領域内に集まり、非凝縮残留蒸気部分は、下側領域から上側領域内に集まる。分離装置の下側領域を蒸気膨張装置と流体結合状態にするのが良く、上側領域を残留蒸気圧縮機と流体結合状態にするのが良い。蒸気膨張装置内での超臨界作動媒体の膨張後、この媒体は、蒸気膨張装置を出て分離装置内に達し、この分離装置内において、凝縮液部分が底部領域内に集まると共に残留蒸気部分が分離装置の上方に集まる。相分離器の底部領域は、凝縮液部分をポンプ輸送により蒸気発生器に戻すためにポンプと流体結合状態にある。残留蒸気圧縮機内において、残留蒸気部分が圧縮され、それにより加熱される。圧縮加熱残留蒸気は、（ａ）熱交換器／凝縮器内で凝縮液と熱交換関係に至らされ又はそれぞれ特に（ｂ）凝縮液と混合され、それにより残留蒸気が同様に凝縮される。
【００２４】
上述したように、蒸気膨張装置は、例えば、特にボクサー又は水平に対向した形態で少なくとも１つのシリンダ／ピストンユニットを有し、この蒸気膨張装置は、発生器に結合されるのが良い。それにより、蒸気膨張装置のところで超臨界作動媒体により行われる機械的仕事の第１の部分は、発生器に運ばれ、その目的は、電気的エネルギーを発生させることにある。蒸気膨張装置と残留蒸気圧縮機は、同様に、例えば上述したように対応の配置状態にあるロッドを含む揺動アーム機構により互いに結合される。それにより、蒸気膨張装置のところで超臨界作動媒体により行われる機械的仕事の第２の部分は、残留蒸気圧縮機のところで用いられ、その目的は、残留蒸気部分を圧縮して加熱することにある。
【００２５】
化学的エネルギーが主として目標とする仕方で利用される廃熱として電気的且つカロリーエネルギーに変換されるコージェネレーション（熱電併給）の場合とは異なり、本発明では、熱源、例えば太陽熱、地熱エネルギーなどに由来するエネルギーを最終的に、主として、機械的又は電気的エネルギーが作られ、事実上カロリーエネルギーが作られず、即ち、廃熱がそれほど生じないように用いることができる。
【００２６】
空気とは別に、作動媒体として他の物質、例えば水、フルオロカーボン、塩素化炭化水素、アルカン等、特に更に窒素又は混合物が使用可能である。窒素、酸素及びアルゴンの臨界点が低いことにより、即ち、臨界温度及び臨界圧力が低いことにより、しかもこれらの価格が空気混合物と同じほど最小限なので、空気が作動媒体として好ましい。それにより、比較的低い絶対温度を有する熱源、例えば太陽熱、地熱エネルギー等も又、機械的又は電気的エネルギーに事実上完全な変換が行われる状態で利用できる。
【００２７】
本発明の作動原理及び本発明の一実施形態が図面を参照して以下において説明されており、図面は、例示目的としての役目を果たすに過ぎず、本発明を限定する仕方で解されるべきではない。図面に基づいて開示される本発明の特徴は、個々にそして任意の組み合わせ状態で本発明の開示に属するものとして考察されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の排熱回収方式の火力発電所のサイクルプロセスを示す図である。
【図２】臨界点における図１のサイクルプロセスのマクスウェル分布を示す図である。
【図３】最終状態における図１のサイクルプロセスのマクスウェル分布を示す図である。
【図４】図１のサイクルプロセスの比体積の関数としての飽和状態にある空気に関する圧縮係数Ｚを示す図である。
【図５】図１のサイクルプロセスの状態の断熱変化と湿り蒸気膨張の比較を示す図である。
【図６】本発明の湿り蒸気膨張によるサイクルプロセスを示す図である。
【図７】移動壁上の図６の本発明のサイクルプロセスに関する運動量ベクトルを示す図である。
【図８】本発明の凝縮器のカロリー設計例を示す図である。
【図９】凝縮モータを備えた本発明の火力発電所を示す図である。
【図１０】図９の凝縮モータの断面図である。
【図１１】図９の凝縮モータの作動シリンダの断面図である。
【図１２】図９の凝縮モータの出口弁を備えたピストンを示す図である。
【図１３】図１２の出口弁を示す図である。
【図１４】図９の火力発電所の弁制御の仕方を示す図である。
【図１５】図９の火力発電所の残留蒸気圧縮機を示す図である。
【図１６】図９の火力発電所の残留蒸気圧縮機のピストンを示す図である。
【図１７】遠心力の原理による相分離のための蒸気タービンを示す図（ａ，ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１〜図８には、火力発電所において作動媒体によってエネルギーを変換する本発明の方法の根拠とするサイクルプロセスが記載されている。図９〜図１６には、本発明のエネルギー変換方法に従って稼働する本発明の火力発電所が記載されている。
【００３０】
熱機関が排熱回収手段を備えるのが良いということを仮定して、新規な方法が図１に示されているように提供される。この方法は、主として、蒸気を、ポリトロープにより、好ましくは飽和ラインに通し、特に好ましくは臨界点２を通って膨張させるということを特徴としている。この膨張１により、結果として、非凝縮部分、即ち蒸気３及び凝縮部分、即ち凝縮液４から成る混合相が得られる。等エントロピー的に見て、例えば空気に関して臨界点を通る膨張１、即ち、約４８％蒸気相及び５２％凝縮液が生じる。
【００３１】
本発明の方法を利用すると、蒸気相における膨張により、作動媒体が凝縮することができる。これは、蒸気分子の二極性による凝縮によって引き起こされ、この凝縮は、作動媒体の液相が利用するルーズなブリッジ結合の基礎である。ブリッジ結合は、互いに衝突する２つの蒸気分子の内部エネルギーが双極子の結合エネルギーよりも小さい場合に起こる。臨界点では、蒸気相及び液相が熱平衡状態で存在する。かくして、臨界点では、内部エネルギーが双極子の結合エネルギーよりも高い分子の内部エネルギーの合計は、内部エネルギーが双極子の結合エネルギーよりも低い蒸気分子と相平衡状態にある。
【００３２】
図２には、臨界点に関する分子のマクスウェル分布１１が示されている。内部エネルギーは、分子速度の二次関数なので、結合エネルギーは、二次平均１２のところに示されている。この曲線の下に位置する領域は、それぞれの分子速度での分子の部分に対応している。二次平均１２の一方の側上の領域１３は、二次平均１２の他方の側上の領域１４にほぼ対応している。この状態では、長続きするブリッジ結合が生じることができない。と言うのは、このブリッジ結合は、高速分子によって幾度も破壊されるからである。
【００３３】
比較として、作動媒体の末期状態に関するマクスウェル分布が図３に示されている。膨張後における温度は、開始時よりも低く、それにより、マクスウェル１５に従う分布関数がシフトし、他方、結合エネルギー１２は、一定であるとみなされる。内部エネルギーがブリッジ結合のエネルギーよりも小さい分子の数は、著しく大きい。内部エネルギーが結合エネルギーよりも大きい分子の数は、著しく小さい。これら分子は、最早、全てのブリッジ結合部を破壊することができず、従って、凝縮が起こる。凝縮分子の数は、領域１６，１７の差に起因して生じる。臨界点を通る等エントロピー膨張により、凝縮が起こるという上述の仮説は、それにより確認される。かくして、本発明の火力発電所は、一種の凝縮モータとなっている。
【００３４】
しかしながら、損失、例えば摩擦損失、漏れ損失及び断熱損失も又考慮に入れられなければならない。摩擦は、熱に変換され、これは、凝縮液の蒸発を生じさせることになる。漏れ損失は、残留ガス圧縮の吸引体積を増大させることになる。それにより、エントロピーの増大が結果として生じる。２０％の損失の場合、約４０％凝縮液と６０％蒸気の相混合物が達成されることになる。
【００３５】
凝縮熱は、作動媒体の三重点のところにその最大値を取る。この場合、凝縮熱の値は、温度の増大につれて減少し、臨界点では値ゼロに達する。それ故、本発明の内部凝縮による排熱回収の原理では、蒸気部分は、この蒸気部分を低温凝縮液部分によって液化することができるように圧縮によって加熱される。
【００３６】
本発明に従って、図１に示されているように以下のステップから成る作動媒体に関するサイクルプロセスが用いられる。
‐臨界点２を通る蒸気の膨張１、
‐分離装置内において、非凝縮部分、即ち蒸気部分３及び凝縮部分、即ち凝縮液部分４の分離、
‐コンデンサ内における非凝縮蒸気部分３の圧縮５、
‐圧縮非凝縮蒸気部分３の再冷却６、
‐凝縮器内における低温凝縮液による圧縮部分３′への今までは非凝縮状態であった蒸気部分の凝縮７、
‐圧縮凝縮部分３′の加熱８、
‐加熱９及び必要ならば既に当初凝縮した部分のポンプ輸送、及び
‐圧縮凝縮蒸気部分３′及び当初凝縮した凝縮液部分４から成る凝縮液全体の蒸発１０。
【００３７】
本発明は、湿り蒸気膨張の作用効果を利用している。臨界点のところでの圧力が気体の法則に従って用いられる作動媒体の臨界密度及び臨界温度から求められる場合、１３１ｂａｒの空気について圧力が得られる。今や、空気に関する臨界圧力は、事実上、３７．２ｂａｒである。この圧力の減少は、分子間引力の作用によって説明され、これは、これが例えばVDI Heat Atlas（１９８４年版、印刷物Da13）に定められているので、圧縮係数をＺで決定される。
【００３８】
図４には、表１７、即ち、飽和状態における空気の物性値（Material Values of Air in the Saturation State）、VDI Heat Atlas、印刷物DB11に基づいて飽和状態１８にある空気に関する比体積ｖの関数としての圧縮係数Ｚが示されている。分子間引力は、密度が高く且つ分子間距離が短い場合に極めて強い影響を有する。臨界点直後において、分子間引力は、大幅に減少する。これにより、膨張による体積の増大度よりも大きな分子間引力の減少度が生じる場合がある。この範囲内において、圧力は、一定を保つことができ又はそれどころか膨張につれて増大することができ、これは、火力発電所の建造について考慮に入れられるべきである。体積の増大につれて、蒸気は、気相に移行する。
【００３９】
図５は、この関係を圧力‐体積のグラフ図で示している。膨張１は、圧縮係数Ｚを考慮に入れて、臨界点２又は圧力が増大した直後に上昇するが、次に、断熱曲線１９に近づき、この断熱曲線は、圧力が１３１ｂａｒであることを想定している。１３１ｂａｒの圧力は、気体の一般法則により、作動媒体の臨界温度及び臨界密度に起因して生じる。このことは、比体積が大きくなればなるほど、分子間距離がそれだけ一層大きくなり、蒸気が気体状態に移行することを意味している。臨界点で始まる気体の一般法則により求められる純粋気体の膨張に関する断熱曲線は、線２０に従って延びる。状態関数の下に位置する領域は、行われた仕事に対応している。したがって、図５から理解できるように、断熱曲線１９による湿り蒸気膨張では、臨界点から始まって線２０に従う純粋気体の膨張の場合よりも多くの仕事が行われる。
【００４０】
圧力‐体積のグラフ図としての図６には、本発明の火力発電所に関するサイクルプロセス又は凝縮モータが示されている。湿り蒸気膨張の経過がこの場合も又、参照符号１で示されている。残留蒸気の圧縮により、体積は、６０％未満であり、分子間引力に起因した状態の変化は、平坦である。このことは、分子間引力に起因して、圧縮仕事が気体の一般理論による場合よりも少ないことを意味している。かくして、湿り蒸気膨張１による仕事を気体の一般法則に従って断熱関数では求めることができない。圧縮係数Ｚについて利用できる明示の関数が存在しないので、ストロークは、セクション単位で計算される。
【００４１】
ストロークに関連したプロセスが正確に求められると、ストロークの計算は、なおさら正確である。本発明の方法では、仕事への熱の変換に関し、このプロセスが良好に説明され、より正確に言えば、カロリーの理論で可能な場合よりも熱の運動学的理論で求められることが前提になっている。
【００４２】
気体の運動学的理論では、蒸気圧力で発生させることができる力の作用は、分子衝突に寄与する。それにより、原子の質量は、大部分が極めて小さい原子核内に位置している。原子核は、原子直径のほぼ１０万分の一に対応している。この原子核の周りには、主として正の力場が存在し、この正の力場は、陽電子によって生じる。２つの原子の衝突時、２つの単極力が互いに衝突する。同じことは、分子にも当てはまり、その理由は、これらが原子で構成されているからである。したがって、分子の衝突は、弾性的であるように見える。この場合、火力発電所の移動ピストン壁への分子の衝突は、弾性衝突、即ち、移動壁への衝突の特別の場合に対応していることが仮定されている。したがって、衝突分子の速度は、壁速度又はピストン速度の２倍変化する。
【００４３】
図７では、分子相互間の衝突のプロセスが説明されている。衝突プロセスは、２つの段階、即ち、圧縮段階と膨張段階とから成る。圧縮段階は、力場が互いに当たる段階である。それにより運動エネルギーが位置エネルギーに変換される。膨張段階は、分子が再び反発しあう段階であり、位置エネルギーは、再び変換されて運動エネルギーに戻る。圧縮段階と膨張段階との間には、衝突プロセスの転換点が存在する。かくして、衝突プロセスは、図７に示されているように方向と速度ベクトルの絶対値を変える。速度及び運動量は、ベクトルであり、従って、衝突１回当たりのエネルギー収支をベクトルを用いて取り扱わなければならない。衝突前においては、分子は、メジアン分子速度２２で移動中のピストン壁２１に当たる。衝突後、分子は、メジアン速度２３を有する。垂直成分の分子の速度は、ピストン速度の２倍変化し（２ｖＫ）、その結果として、内部エネルギーの変化及び温度の減少が生じ、その理由は、温度が内部エネルギーの関数だからである。
【００４４】
分子が壁に衝突すると、分子は、その速度、例えばメジアン分子速度から壁速度に減速される。この減速により、分子は、運動エネルギーをもって壁に作用する。移動中の壁に対する衝突により、この運動エネルギーは、壁のずれを含む仕事を生じさせる。膨張段階では、分子は、再び押し離され、即ち加速される。この場合も又、運動エネルギーが加速により生じ、分子が運動エネルギーをもって壁に作用し、この場合も又、壁のずれを含む仕事が得られる。エネルギー保存法則によれば、分子により行われる仕事は、その運動エネルギーの変化に対応している。ストローク１回当たりに壁に伝達される仕事は、分子の衝突１回当たりに行われる仕事の和を全分子衝突回数で割った値である。壁に対する分子の衝突回数をニュートンの第２法則によって圧力から計算できる。この計算方法は、ガス圧縮機の出力がそれにより求められるという点でチェックされた。良好な一致が結果として得られた。
【００４５】
本発明によれば、膨張による作動媒体の凝縮が火力発電所において利用される。凝縮は、気相から液相への移行である。気相では、分子は、自由に動くことができ、分子は、運動エネルギー、振動エネルギー及び回転エネルギーを有する。分子は、互いに連続的に衝突してブラウンの分子運動に従って分子のパルスを交換する。運動エネルギー、振動エネルギー及び回転エネルギーの部分は、運動の自由度から結果として得られる。
【００４６】
液相は、分子相互間のルーズな双極子結合に基づく。このルーズなブリッジ結合では、分子は、依然として揺動したり回転したりすることができ、分子は、最早これ以上は運動エネルギーを持たない。ブリッジ結合は、衝突中の分子の内部エネルギーがブリッジの結合エネルギーよりも小さい場合に起こることがある。かくして、分子は、これらの内部エネルギーがブリッジの結合エネルギーよりも小さい場合、衝突時に凝縮する。蒸気が凝縮するためには、内部エネルギーが分子から引き出されなければならない。移動中の壁に当たると、分子は、壁速度の２倍だけ減速する。このことは、この衝突により、運動エネルギー、それぞれ内部エネルギーがピストンに伝達され、或いは、換言すると、内部エネルギーが膨張中に分子から取り去られ、その結果、蒸気が凝縮することができることを意味している。
【００４７】
本発明の方法によれば、凝縮部分と非凝縮部分への相混合物の分離が起こる。この分離は、重力又は遠心力の原理によって起こることができる。重力の原理の場合、凝縮液は、凝縮部分として底部に集まり、そして凝縮液をここからポンプ輸送で送り出すことができる。残留蒸気の形態をした非凝縮部分を分離装置、例えば相分離器の頂部のところで吸い出すことができる。
【００４８】
図８には、カロリーレイアウト、即ち、蒸気部分の再冷却６、一次側での蒸気部分の凝縮７及び凝縮器内における二次側の向流状態の低温凝縮液部分の加熱９が示されている。４０％凝縮液部分を含む６０％蒸気部分の再冷却は、凝縮液の比熱が蒸気の比熱の約２倍であるので可能である。
【００４９】
火力発電所の効率度を以下のように説明することができる。プラントにより送り出される最終の出力は、膨張により得られた仕事と残留蒸気部分の圧縮並びに凝縮液部分の加熱及びポンプ輸送に必要なエネルギーの差に一致する。膨張は、例えば、１００〜０．１ｂａｒで起こることができ、残留蒸気部分の圧縮度は、約１〜３０ｂａｒで起こることができ、残留蒸気部分の質量は、膨張後の蒸気の５０〜６０％を占める。かくして、膨張により生じた仕事の約３０％は、残留蒸気圧縮に用いられる。凝縮液部分のポンプ輸送及び加熱に必要な出力は、膨張により得られた仕事の約２％に一致している。
【００５０】
本発明の方法では空気が好ましくは作動媒体として用いられ、１つにはその理由は、空気が環境的に安全だからであるが、更に、空気が定評のある媒体だからである。しかしながら、原理的には、他の作動媒体、例えばアンモニア、二酸化炭素又はハロゲン化水素も又使用できる。空気の臨界点は、−１４１℃、即ち、低温領域にあり、かかる低温範囲内では、空気は又、蒸気や液体として現れる。
【００５１】
図９は、排熱回収方式の凝縮モータを含む本発明の火力発電所を概略的に示している。火力発電所が、内蔵型熱入力装置２６を備えた蒸気発生器２５を含む。蒸気発生器２５は、熱源２７によって熱供給される。熱源２７は、燃焼、地熱エネルギー、ソーラーシステム、冷却システム、プラントからの排熱回収等からの熱であるのが良い。熱により、高圧蒸気がプラント内に生じ、この高圧蒸気は、凝縮モータの作動シリンダ４３に供給される。機械ハウジング４４は、本発明による蒸気の凝縮及び非凝縮部分のための分離装置として働き、それにより、機械ハウジング４４は、相分離器となっている。高圧蒸気は、ライン２９を通ってシリンダヘッド４１及びピストン４５を備えた作動シリンダ４３の圧力チャンバ内に導かれる。凝縮モータの構成は、いわゆるボクサー原理に対応しており、この構成では、２つのシリンダ４３は各々、機械ハウジング４４内に対向した仕方で設けられている。シリンダヘッド４１中には、蒸気を受け入れる入口弁５７も又組み込まれている。
【００５２】
案内部品４７内で案内されるピストンロッドにより、例えばクロスヘッド４６を介してピストン４５が揺動アーム４８を含む機構に連結されており、ピストン４５のストロークがこの揺動アームに伝達される。揺動アーム４８は、揺動アームシャフト４９に取り付けられており、この揺動アームシャフトにより揺動運動がクランク機構５０に外方に伝達される。クランク機構５０により伝動装置、好ましくは連続可変油圧伝動装置が駆動され、次に、発電機をこの伝動装置により駆動することができる。揺動アーム機構は、残留蒸気圧縮機５１に結合されている。揺動アーム４８により、クロスヘッド４６を介して、ピストン５２が残留蒸気圧縮機５１のシリンダ内で駆動される。残留蒸気圧縮機５１は、前置冷却器３５及び凝縮器３６に連結されている。圧力ライン５３が残留蒸気圧縮機５１のシリンダから前置冷却器まで、そして更に凝縮器３６まで延びている。圧力ライン５３は、一次側に連結されている。ラインが凝縮器３６から凝縮液ポンプまで延び、そしてここから蒸気発生器２５内に戻っている。
【００５３】
揺動アーム機構の機械ハウジング４４の底部には、ピストンポンプ５４が配置され、低温凝縮液は、このピストンポンプによりライン３７を通って凝縮液３６の二次側に導かれる。このラインは、凝縮器３６から延びて蒸気発生器２５に戻っている。ピストンポンプ５４は、ポンプレバー５５を介して揺動アーム機構によって駆動され、ポンプレバーは、軸受５６内で揺動する。
【００５４】
起動により、電気機械がコンプレッサ５１を駆動するモータとして働き、プラントを加圧し、作動シリンダ４２内の蒸気を膨張させ、それによりプラントを冷却し、かくしてプラントを作動温度に至らせる。
【００５５】
図１０は、凝縮モータの揺動アーム機構の断面図であり、この揺動アーム機構は、機械ハウジング４４と、作動シリンダ４３と、凝縮モータの膨張部のピストン４５とから成っている。揺動アームシャフト４９に結合されている揺動アーム４８により、作動媒体の膨張仕事は、クランク機構５０に伝えられる。機械ハウジング４４の形態をした相分離器の頂部には、残留蒸気圧縮機５１が配置されている。相分離器の底部には、ピストンポンプ５４が配置され、このピストンポンプは、ポンプレバー５５により駆動され、ポンプレバー５５は、軸受５６を中心として揺動し、揺動アーム４８からの必要な出力をピストンポンプ５４のピストン５２に伝達する。
【００５６】
図１１は、シリンダヘッド４１、シリンダヘッドガスケット４２、高圧蒸気が貯蔵される高圧チャンバ、入口弁５７、入口弁５７がねじ込まれた弁ブリッジ５８、弁棒６０、環状溝６２を備えたダンパディスク６１、吐出ボア６３及び切り換えばね６４を備えた作動シリンダ４３の断面図である。
【００５７】
図１２は、弁コーン及び心出しリング６５を備えた内蔵型出口弁７０、ピストン管６６、排気ポート６７、環状ピストン６８、クロスヘッド４６及び切り換えピン６９を備えた膨張ピストン４５の断面図である。クロスヘッド４６は、側部にローラを備え、このローラにより、クロスヘッド４６は、案内部品４７内で案内される。心出しリング６５は、良好なドライランニング特性を備えた材料、例えばＰＣＴＦＥのものであり、従って、摩擦損失を最小限に保つことができるようになっている。切り換えピン６９により、出口弁７０は、これが一方の側において作動媒体の膨張中に閉じられ、他方の側において開かれて膨張後の蒸気を放出することができるように切り換えられるのが良い。
【００５８】
図１３は、膨張ピストン４５中に組み込まれた出口弁７０を示しており、この出口弁は、弁コーンと、弁棒７１と、スライダ７２と、切り換えピン６９とから成っている。
【００５９】
図１４は、入口弁５７及び出口弁７０の制御の仕方を概略的に示している。出口ストロークの終わりに向かって、ピストン４５の切り換えピン６９が切り換えばね６４上で移動し、それにより、出口弁７０を閉じる。それと同時に、環状ピストン６８は、ダンパディスク６１の環状溝６２内に動いて閉じ込められた状態の蒸気を圧縮する。必要な圧力に達した後、ダンパディスク６１をシリンダフランジに押し付け、それにより入口弁５７を開く。吐出ボア６３は、閉じ込められた状態の蒸気が充填プロセスの終わりに流れ去って環状ピストン６８が環状溝６２の底部上に締り嵌め状態で位置するよう寸法決めされている。その結果として、入口弁５７とピストン４５との間に限定された間隔が生じ、それにより限定された充填容積部が生じる。
【００６０】
図１５は、ピストン５２を備えた残留蒸気圧縮機５１の断面図である。ピストン５２中には、入口弁７３が組み込まれ、その反対側では、シリンダヘッド中に出口弁７４が組み込まれている。また、シリンダヘッドのフランジには、蒸気出口７５が設けられている。入口弁７３は、両側部に斜め又は斜切肩７７を備えた案内、例えばピストンスター７６内で案内される。斜め肩７７は、一方において入口弁７３のコーンの肩に当接し、他方において、減衰スリーブ７８に当接するようになっている。
【００６１】
図１６は、入口弁７３が開かれた状態で残留蒸気圧縮機５１のピストン５２を示している。ピストン５２中には入口弁７３のコーンが組み込まれ、入口弁７３は、ピストンロッド７９の端部のところに取り付けられている。ピストンロッド７９は、ピストンスター７６により案内され、このピストンロッドは、両側部にそれぞれ１つの斜め肩７７を備えている。ピストンロッド７９上には減衰スリーブ７８が取り付けられ、この減衰スリーブは、弁７３の閉鎖中に生じる衝撃を減衰させる。弁コーンの肩は、同様に、対向した斜め肩内に移動し、それにより入口弁７３の開放中に生じる衝撃を減衰させる。
【００６２】
本発明の火力発電所は、低温範囲内で稼働する。したがって、コンポーネントの材料の選択に関し、機械的部品の場合の摺動の問題に特別な注意が払われるべきである。さらに、良好な断熱が有用である。
【００６３】
以下において、本発明の火力発電所及びエネルギー変換方法の作用モードを考察する。
【００６４】
図９に示されているように本発明の凝縮モータを含む火力発電所では、１３２〜１６０Ｋの温度及び３７〜１００ｂａｒの圧力状態にある作動媒体としての空気に関し、蒸気発生器２５内で高圧蒸気を発生させる。蒸気発生器２５の熱入力装置２６により、必要な熱エネルギーを適当な熱媒体により熱源２７から供給する。発生した高圧蒸気をライン２９によりシリンダヘッド４１の高圧チャンバ内に導き、この高圧チャンバ内の高圧蒸気を入口弁５７によってストロークチャンバ内に送り込む。ストロークをピストン４５からピストンロッドを介してクロスヘッド４６に伝達し、クロスヘッドは、力を揺動アーム機構の揺動アーム４８に伝達する。クロスヘッド４６は、半径方向の力がピストンに作用することがないよう案内部品４７内で案内される。クロスヘッド４６は、摩擦を小さく保つことができるようローラ上で案内される。揺動アームシャフト４９を中心として揺動する揺動アーム機構は、仕事をクランク機構５０に伝達し、このクランク機構により別の機構を介して発電機を駆動する。伝動装置として、好ましくは連続可変油圧伝動装置が適している。残留蒸気圧縮機５１も又、揺動アーム４８によって駆動される。同様に、ピストンポンプ５４が揺動アーム４８によりポンプレバー５５を介して駆動され、ポンプレバー５５は、軸受５６を中心として揺動する。
【００６５】
作動媒体の膨張により結果として、凝縮部分、即ち凝縮液と非凝縮部分、即ち蒸気部分の相混合物が生じる。機械ハウジング４４は、例えば重力の原理によって凝縮部分と非凝縮部分が互いに分離される点において相分離器としての役目を果たす。蒸気部分を吸い上げて残留蒸気圧縮機５１によって機械ハウジング４４の頂部のところで上述したように圧縮する。それにより、膨張後の蒸気の６０％しか再び圧縮する必要はなく、しかも分子間引力が圧縮を容易にすることが観測されるべきであり、これについては上述した。このことは、この影響が圧縮係数Ｚで定められるべきことを意味している。過熱及びかくしてプロセスのエネルギー収支は、この圧縮係数で決まる。
【００６６】
入口弁５７は、図１１に示されているように弁棒６０のダンパディスク６１を制御する。ダンパディスク６１をシリンダフランジに押し付けると、この運動は、弁棒６０を介して弁ブリッジ５８に伝達され、弁ブリッジ５８に螺着されている入口弁５７がそれにより開かれる。入口弁５７は、円筒形設計のものであり、ピストンのように数ミリメートルシリンダボア中に動く。それにより、圧力が閉鎖ばね５９によって制限され、ストロークの開始時に生じる場合のある圧力ピークをそれにより吸収することができる。入口弁５７は、閉鎖ばね５９によって再び閉じられる。
【００６７】
図１２は、内蔵型出口弁７０を備えたピストン４５を示している。低温範囲内における作動により、潤滑が困難である。かくして、無接触ピストン４５が凝縮モータのために設けられている。これにより、ピストン４５を比較的精密にシリンダボア内に嵌め込むことが必要である。シリンダボアとピストンとの間の隙間幅が１０μｍである場合、最大１％の漏れ率を予測しなければならず、２０μｍでは６％の漏れ率を予測しなければならない。したがって、クロスヘッド４６をローラ上に支持することが想定され、従って、半径方向力がピストン４５に作用することがないようになっている。ピストン４５が実際に無接触方式で動くので、良好なドライランニング特性を備えた材料で作られている心出しリング６５が設けられる。ピストン４５の前側フェースは、弁座として設計され、出口弁７０の弁コーンがこの弁座上に取り付けられる。弁コーンは、ピストンロッド７９を介してスライダ７２に連結され、切り換えピンがこのスライダ内に組み込まれる。切り換えピン６９により、出口弁７０を前後に動かすことができる。さらに、スライダ７２は、出口弁７０の衝撃を減衰させる機能を有する。出口弁７０は、これが一方のピストンの膨張ストロークで閉じられ、それと同時に、反対側のピストンでの吐出のために開かれるよう工学設計されている。蒸気は、ピストン管６６を通り、次に排気ポート６７を通って流れてそれぞれ機械ハウジング４４及び相分離器中に流れることができる。膨張ストロークの終わりに向かって、切り換えピン６９は、切り換えばね６４に抗して動き、それにより出口弁７０が切り換えられる。
【００６８】
図１４は、入口弁５７が開かれた状態で入口弁５７及び出口弁７０の制御の仕方を示している。吐出ストロークの終わりに向かって、切り換えピン６９が切り換えばね６４に当たり、それにより出口弁７０を閉じる。次に、環状ピストン６８がダンパディスク６１の環状溝６２内に駆け込み、そして閉じ込められた状態の蒸気を圧縮し、それにより衝撃が減衰される。２０〜３０ｂａｒの圧力では、これは、入口弁５７のところの閉鎖力よりも大きく、それにより弁が開かれる。環状ピストンとダンパディスクのチャネルとの間の環状隙間が極めて小さい場合、流出抵抗は、極めて大きくなり、かくして短時間で高い圧力を発生させることができる。充填プロセス中、環状溝６２内に閉じ込められた空気は、吐出ボア６３を通って流れ、その結果、環状ピストン６８が環状溝６２の底部上に締り嵌め状態で載るようになり、結果として、入口弁５７とピストン５２との間に限定された間隔及びかくして限定された充填量が生じるようになる。
【００６９】
図１７は、例えば凝縮部分と非凝縮部分の相分離のために使用することができる蒸気タービンの単純化された略図である。図１７ａは、４つの蒸気ノズル３８の平面図であり、蒸発した作動媒体は、これら蒸気ノズルを通って導入可能である。タービン内に生じる遠心力により、これら２つの部分が互いに分離される。凝縮部分は、凝縮液出口３９のところで出る。図１７ｂは、蒸気タービン及び蒸気ノズル３８の縦断面図である。タービン内において、作動媒体は、平面４０周りにそらされる。残留蒸気は、残留蒸気吸引ライン３３を通って排出される。
【００７０】
作動流体として空気を用いる火力発電所の設計に関し、以下のデータが結果として得られ、即ち、圧縮機容量は、機械ハウジング４４、即ち相分離器内の圧力が約１ｂａｒに達するよう調節され、この圧力の値は、７０Ｋの温度に対応している。残留蒸気圧縮機５１内では、残留蒸気が３３ｂａｒまで圧縮され、その結果、１３０Ｋの凝縮温度が生じる。この加熱された残留蒸気は、凝縮器３６の一次側中に導かれ、かかる残留蒸気は、この凝縮器内において、凝縮器３６の二次側を通って送り込まれた低温凝縮液で液化される。１３０Ｋでは、結果として、０．６２ｋｇの蒸気に関し、４０．５６ｋＪの凝縮熱が生じる。０．３８ｋｇの凝縮液が７０Ｋから１２９Ｋまで加熱された場合、４４．８４ｋＪの熱を放出することができる。４０％凝縮液を含む６０％蒸気の再冷却が可能であるがその理由は、凝縮液の比熱が過熱蒸気の比熱の約２倍だからである。かくして、蒸気部分を内部で凝縮することができる。
【００７１】
次に、結果として得られた凝縮液をピストンポンプ５４によって導いて蒸気発生器２５内に戻し、従って、排熱回収が行われるようになる。
【００７２】
電気機械は、始動のためのモータとしての役目を果たすことができる。それにより、残留蒸気圧縮機は、ガス圧縮機として作用し、作動流体を圧力下に置く。それにより、プラントは、機械ハウジング４４、即ち、相分離器内において、約１ｂａｒの圧力が生じると共に過剰圧力側に少なくとも４０ｂａｒの圧力が生じるように制御される。その結果、１：４０の圧力降下が生じ、断熱的に見て、２９３Ｋか７３Ｋへの冷却が行われる。それにより、凝縮モータを冷却して作動温度に至らせることができる。作動温度に達すると、凝縮動作が始まり、電気機械が発電機動作に変更される。始動時、圧縮ガスを前置冷却器により２９３Ｋまで予備冷却することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  湿り蒸気膨張
２  臨界点
３  非凝縮部分
４  凝縮部分
５  残留蒸気圧縮
６  再冷却
７  残留蒸気凝縮
８  凝縮残留蒸気のポンプ輸送及び加熱
９  低温凝縮液部分のポンプ輸送及び加熱
１０  蒸発
１１  臨界点のところのマクスウェル分布
１２  結合エネルギー
１３  準凝縮分子
１４  非凝縮性分子
１５  最終状態におけるマクスウェルによる分布曲線
１６  最終状態における凝縮性分子
１７  最終状態における非凝縮性分子
１８  圧縮係数Ｚ
１９  ｐA＝１３１ｂａｒの場合の断熱曲線
２０  ｐA＝３７．２ｂａｒの場合の断熱曲線
２１  移動壁
２２  衝突前のメジアン分子速度
２３  衝突後のメジアン分子速度
２４  二重ピストン速度
２５  蒸気発生器
２６  熱入力装置
２７  熱源
２８  ポンプ
２９  高圧ライン
３２  凝縮液連絡部
３３  残留蒸気吸引ライン
３４  圧縮機
３５  前置冷却器
３６  凝縮器
３７  凝縮液ポンプ
３８  蒸気ノズル
３９  凝縮液出口
４０  平面
４１  シリンダヘッド
４２  シリンダヘッドガスケット
４３  作動シリンダ
４４  機械ハウジング／相分離器
４５  ピストン
４６  クロスヘッド
４７  案内部品
４８  揺動アーム
４９  揺動アームシャフト
５０  クランク機構
５１  残留蒸気圧縮機
５２  ピストン
５３  残留蒸気圧力ライン
５４  ピストンポンプ
５５  ポンプレバー
５６  ポンプレバー軸受
５７  入口弁
５８  弁ブリッジ
５９  閉鎖ばね
６０  弁棒
６１  ダンパディスク
６２  環状溝
６３  吐出ボア
６４  切り換えばね
６５  心出しリング
６６  ピストン管
６７  排気ポート
６８  環状ピストン
６９  切り換えピン
７０  出口弁
７１  弁棒
７２  スライダ
７３  入口弁
７４  出口弁
７５  残留蒸気出口
７６  ピストンスター
７７  斜め又は斜切肩
７８  減衰スリーブ
７９  ピストンロッド
【図１】
0006293920.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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