PRO/II による アンモニアー水 ランキン・サイクル 温水加熱、海水冷却 グリーンウッド

ビジョン

海上に設置するハイブリッド・コレクター（Hybrid Collector）で温水を作り、水深100mから20^oCの海水を汲み上げてヒートシンクにするボトミング・サイクルを構築できる。

温水と海水との小さな温度差で熱交換をしてエクセルギーロスを小さくできる水ーアンモニア系バイナリーの作動流体を採用することにした。そしてアンモニアー水系の熱力学関係式PR-Modified Pang. Reidを標準装備しているPRO/IIを試設計に使う。

サイズは検討の便宜上屋上型と同じとした。

フロー

合成潤滑油を作動流体に混入し20年の耐用年数を確保する。アンモニアは伝熱係数が高く、理想的な作動流体だが銅系の素材がつかえないため、熱交換器はステンレス製となろう。

設計諸元と出力、熱効率

空気冷却のケースと同じく、集熱器の面積として40m²とし、26.95kWの熱の供給を受けるとした。

外部から供給される熱源としての温水温度：98-54.86^oC（平均76.43^oC）、気化温度：97-47.56^oC

ヒートシンクとなる海水温度：20-28.74^oC（平均24.37^oC） 、凝縮温度：36.84-26.21^oC

海水冷却のランキン・サイクルのTH線図

温水循環量：29.91kgmol/h、 （539kg/h）

冷却水量：128kgmol/h、 （2,306kg/h）

作動流体：6.17kgmol/h、 （106kg/h）、アンモニア90mol%、水10mol%として最適化はしていない

最高圧力：35.13atm

膨張比：35.12/9.13=3.85

気化器熱負荷：26.95kW、面積：2.44m²、平均温度差:3.17^oC、熱交換器総括伝熱係数：3,000kcal/h/ C、圧力損失：0.007atm

コンデンサー熱負荷：24.13kW、面積：2.12m²、熱交換器総括伝熱係数：2,000kcal/h/ C、平均温度差:4.9^oC、圧力損失：0.002atm

熱交換器熱負荷：2.8kW、面積：0.065m²、熱交換器総括伝熱係数：3,000kcal/h/ C、平均温度差:12.7^oC、圧力損失：0.001atm

タービン出力：3.005kW、断熱効率：80%

冷却水ポンプ消費電力：0.049kW、断熱効率：70%

作動流体ポンプ消費電力：0.176kW、断熱効率：70%

温水循環ポンプ消費動力：0.011kW、断熱効率：70%

正味出力：2.769kW

システム熱効率：2.769/26.95=10.3%

カルノー効率

本サイクルのカルノー効率は

h=1-T_L/T_H=1-(273+24.37)/(273+76.43)=14.9%

実サイクル効率10.3%はカルノー効率の

10.3/14.9=69%

建設単価

正午の最大出力1.92kWの出力となるため、別勘定の集熱器を除き1式100万円以下で製造できれば建設単価は約521円/kWとなる。実際はどうかというと熱交換器の伝熱面積合計が5.6m²である。化学装置誌2010/1号掲載の通常の化学プラント向けTEMA型ステンレス製熱交換器は124万円程度となる。市販されている膨張機といえば神戸製鋼のスクリュウ膨張機しかないのでこれをつかい、ポンプ 、冷水塔などの費用を入れれば250万円位になりそう。建設単価は約1,389円/Wとなる。

キャパシティー・ファクター=0.3162、ウエザー・ファクター=0.4、利用率=0.9として、１kW相当出力の年間発電量は997kWhとなる。均等化経費率=11.98%/yとすれば発電単価は166円/kWhとなる。

モデル化のポイント

作動流体組成は20^oC海水冷却のため、海水温度差発電で採用されている10mol%でよしとした。

熱交換器は全て向流。相変化のあるところはゾーン分割する。

集熱器の性能にあわせ気化器を小さくすべく、温水循環量を最適化した。

コンデンサーの空気量はファン消費動力とコンデンサー面積の間の最適化問題となる。

平均温度差は1^oCにすることも可能だが4-5^oCが最適のようだ。

膨張比は試行錯誤で少し最適化した。

クローズドループはオープンサイクルとして扱う。

エネルギー単位系は便宜上kW表示とした。

February 11, 2010

Rev. February 13, 2010