過熱蒸気噴出孔の利用 逐次発電タイプ ボイラー室冷却型

ボイラー室冷却型過熱蒸気噴出孔は500℃の蒸気を噴出する間欠泉。噴出する物質が蒸気なので熱容量が4.179と大きいことに加え、温度も500℃と間欠泉の中でもトップクラスに大きい熱量を持っています。上手く飼いならすことが出来れば電力源として優秀であり、熱を発電に使い切った後も水としても利用できるので至れり尽くせりなあったら嬉しい間欠泉です。

しかしながら噴出する蒸気の温度が500度と高いことから、安易に利用しようとすると宇宙素材無しでは設備のオーバーヒート間違いなし。丁寧なアプローチが必要です。

この記事で紹介するのは

「発電タイミングの制御をして発電に利用してみたい」

「自動化制御もお手の物」

「ガスエレベータかっちょいい」

という人向けの中級者向けです。構成や注意点などを書いていきます。

 

＜動作説明＞

①間欠泉から蒸気噴出

②ガスエレベータにて上部に蒸気を吸い出す

③前段のドアポンプで蒸気を貯蔵

④ボイラー室内の気圧が20kg以下の時、後段のドアポンプでボイラー室へ蒸気を流入

⑤ボイラー室の気圧が18kgのとき蒸気タービンにて発電(温度センサーによりドアで吸気量を制御)+気圧が10kg以下で停止

⑥蒸気タービンの排水はボイラー室が180℃以上でボイラー室へ送り冷却、180℃以下で外部へ搬送

⑦蒸気タービンの排熱およびガスエレベータでの石油の過熱分を液体クーラーにて熱を奪う

⑧液体クーラーの熱はボイラー室で発散

メリット

・蒸気タービンを800W前後の高い効率で稼働できる

・逐次発電に対応のため、電力使用状況に合わせて稼働できる

・噴出量が8kg程度までの間欠泉でも圧力超過を回避できる

デメリット

・設備のスペースが大きい

・構築が大変

＜押さえておきたいツボ＞

・圧力超過回避

逐次発電に対応するために蒸気は一時的に貯めこみそこから適宜抽出する構成が望ましいです。しかし過熱蒸気噴出孔には5kgで圧力超過となってしまう仕様があるので間欠泉とは別のスペースへの隔離が必要です。噴出量は低くても2kg前後あることから最大限の蒸気を得るには大量且つスムーズに隔離しなければなりません。噴出する蒸気は500℃ということもあり設備のオーバーヒートの問題にも注意が必要です。

気体の移送には様々な方法がありますが、それぞれ移送出来る量は異なるので噴出量に合わせた選択が必要です。構成にもよりますが、目安としては下記の通り。

吸気ポンプ

　インチキ度無。対応できる噴出量は500g×台数分

ドアポンプ

　インチキ度小。対応できる噴出量～4kg

ガスエレベータ

　インチキ度中。対応できる噴出量～8kg

斜めポンプ

　インチキ度大。対応できる噴出量はおそらく全対応(12kgまでは確認)

今回はガスエレベータを採用してみました。ガスエレベータは１マス１元素の仕様を利用しているテクニックです。「縦長の１マスの狭い空間を液体が落下したときに液体と気体が入れ替わる」ことを利用して気体を上へと吸い上げます。詳細は下記動画。

Oxygen Not Included – Using a Gas Elevator to Quickly Pump Gas - YouTube

ガスエレベータを利用する際の注意点としては「液体の選定」「液体の流量」「排水溝の数」の3点です。

①液体の選定

ガイスエレベータでは液体と気体は熱交換が行われるのでその際に凝固・又は蒸発しない液体を選ばなければなりません。蒸気の温度は最大500℃なので水(沸点100℃)ではもちろんダメです。原油では400℃で石油に変化しますが液体のままのためガスエレベータとしては機能しますが、石油と原油が混ざってしまうのでループ構造が少しややこしい。そこで石油を選択しています。

②液体の流量

ポンプ代を節約するためになるべく吸い上げる量は最小限にしたいところ。空間に液体が存在するには10g必要で、それ以下では消失してしまいます(気体は1g以下でも存在可能)。よって流体バルブで10gに絞っています。実際の消費電力はどれくらいかというと稼働率は0.4%程度なので実質0.96W。ないも同然！

③排水溝の数

ガスエレベータは液体と気体の入れ替わりを利用している仕組みであるため、液体の量を増やしても吸い上げる速度が変わるわけではありません。吸い上げる量を上げるには高頻度で液体と気体が入れ替わる必要があります。排水溝の排出する頻度を増やしたいところですが、パイプ内の液体は１秒間に１マスしか移動できず、これを増やすことはできません。そのため排水溝を縦に並べることで排水頻度を上げています。縦に二連で概ね4kg、さらに左右に展開することで8kg程度の噴出量の間欠泉に対応できます。

・ガスエレベータの液体をループさせる構造

ガスエレベータは仕組み的に液体を垂らし続けないといけません。液体を消費するわけではないので垂らした液体を再度汲み上げて利用することで持続的な運用が出来ます。今回の場合では500度の蒸気を相手にするので石油も500℃近くになります。例えばこれを下記画像のようにそのまま吸い上げる構成だと、熱が石油を伝わりポンプは高熱に曝されてしまいます。

これではいけない。ということで熱交換を少なくするために少し工夫をします。下記画像のように石油が垂れてくる地点から２マスほど下げた位置にポンプを設置し、ポンプがある部屋は真空にします。

石油が液体ロックの役割を果たします。そのため蒸気は右側には漏れてこず、ポンプ部屋は真空なので左側の石油の熱は右側に直接伝わらず、ポンプの元へ溢れ流れてくる石油の分だけ熱が伝わります。（ガスエレベータで垂らしている10g/s×4=40g分/s）。ポンプが安全に稼働させるためにこの熱だけ冷却すれば済みます。

仮に40gの500℃まで温まった石油を再度90℃に冷却するのに必要な熱量は

40g x 1.76shc x (773.15K - 363.15K)/1s =28,864 DTU/s

水を使った液体クーラーで換算すると冷却に必要な電力は約30Wです。無視できるほどではないけれど発電量から考えれば許容できる範囲だと思います。（参考：石油発電機の発熱量は20kDTU/s）

ポンプのオーバーヒートを超える温度の高温の液体でも汲み上げられるマグマポンプでも良いのですが、必要な液体の量は少ないのでこちらの方が電力は少なく済みます。

・蒸気の貯蔵スペースからボイラー室への熱の遮断

逐次発電するためは必要なときに少量だけ熱と蒸気を取り出せることが望ましいです。機械式ドア1枚でこれを制御しようとすると蒸気の流れは制限することが出来るのですが、熱は機械式ドアを伝わり常にボイラー室へ移ってしまいます。

そこで機械式ドアを3枚並べてすべて閉じた後で真ん中だけ開くようにします。こうすることで真ん中の空間は真空となり、熱も遮断することが出来ます。

自動化制御は下図にて。ドアを閉じるときに3枚のドアを同時に閉じると一部の蒸気は消滅してしまうので順次閉めていくドアポンプの形になっています。

・蒸気の貯蔵スペースからボイラー室への蒸気の流量の制限

逐次発電のため、必要なときに少量だけ熱と蒸気を取り出せることが望ましいですが、ボイラー室に気圧センサーをおき、それのみで制御をする場合をどうなるか。

画像の上側が気圧センサーのみでドアを制御した場合。気圧センサーがOFFになるまではドアは開きっぱなしです。蒸気の貯蔵部屋の気圧が10000kgを超えるような超高圧な状況の場合ですと、気圧センサーが「気圧足りないからドア開けるぞい！」といってドアを開けてから「もう十分だ！」と反応するまでの間はドアは開いた状態なので一気に大量の蒸気が流れ込んできてしまいます。

画像の下側はメモリスイッチとフィルターゲートを使ってドアの開放時間を制御しています。気圧センサーが「気圧足りないからドア開けるぞい！」といってGO!GO!とON信号を送り始めます。そしてこのON信号はフィルターゲートにも入力されており、指定時間後にはメモリスイッチのリセットポートをたたき、気圧センサーがON信号を出し続けていても最終の出力信号はOFFにしてドアを閉じることが出来ます。無通電の機械式ドアの開放時間は3sなので、フィルターゲートを3.1sに設定すればドアの空いている時間は0.1sとなるので非常に少量の蒸気だけ流入させることが出来ます。

しかしこの構成では１つ問題があります。リセットポートがONの場合は動作ポートに何を入力してもOFF信号が出力される状態になります。通常は新しい蒸気を取り込んで気圧は上昇し、気圧センサーは「もう十分ボイラー室に蒸気があるからドアを閉じてヨシ！」となってOFF信号が出力され、リセットポートはOFFになり、次のドア開放も受け付ける状態になります。しかし貯蔵部屋とボイラー室の気圧差が近いときには新しい蒸気を取り込んだが、気圧センサーが「十分な気圧です！」とならない場合、リセットポートがONのままなので最終出力もOFFのままです。「ドアを開けろー！」と気圧センサーがON信号を出し続けますが無視し続ける状況になってしまいます。蒸気が足りないということは間欠泉が休眠期で蒸気が足りないということなのでこのときは動かなくなってもいいわけですが、活動期になって蒸気が十分にある状態でも止まったままになってしまうのです。

この状況を防ぐために下図のようにANDゲートとサイクルセンサーを使いOFF信号割り込む仕組みを入れます。

気圧センサーの信号とサイクルセンサーの信号をANDゲートに入力する構成です。定期的にサイクルセンサーがOFFとなったとき、フィルターゲートはOFFになり、メモリスイッチをリセットできます。サイクルセンサーがONになった後、気圧センサーがONの場合は再び最終出がON信号を出せますし、サイクルセンサーがONになった後、気圧センサーがOFFの場合は最終出力はOFF信号のままなのでサイクルセンサーの信号は邪魔しません。

気圧センサーの設定が50kgとか100kgとか設定出来れば「蒸気貯蔵部屋の圧力状態を監視してドアポンプの開閉の有無を制御する」という単純な構成で済むのですが出来ないものはしょうがない。

＜補足＞

今回組み込まなかったor組み込めなかった改善案や機能など自分用のメモも兼ねて。

・タービンを増やす

熱蒸気噴出孔の平均噴出量は500～1000g/sで最大の1kgの場合は蒸気タービンが常時2台か稼働できちゃうという結構な熱量なので、稼働率が少ない場合は蒸気を消化しきれない場合が出てきます。そのため３台はあった方がいいかも。蒸気を貯めすぎたなーって場合にも消化が早いです。

・蒸気の貯蔵部屋を拡張

貯蔵部屋からボイラー室への移送は基本的には気圧差によるもの。2つの部屋の差があるほど流量は多くなります。ドアの開閉時間で制御できるものの、貯蔵部屋の気圧差が大きすぎるとあまり宜しくないので安定させるためにはある程度のスペースを取っておきたいところ。

・蒸気の貯蔵部屋を削除

ガスエレベータで蒸気を吸い上げてから貯蔵部屋へドアポンプで移しているのはガスエレベータの動作には排出口の1000kgという気圧の制限があるためです。わざわざ貯蔵部屋を作らなくてもそれだけ貯めこめるのならそもそも隔離しなくてもいいんじゃないかというお話。

・ガスエレベータの液体に原油を使い石油への精製機能も追加

この機能も備えられると非常に魅力的な設備になり、ガスエレベータを採用する価値が鰻上りなのですが、構造がかなり複雑になりそうです。

問題点の1つ目は原油余石油が入り混じってしまうこと。活動期でも待機状態のときには原油と石油が入り混じってしまいます。活動期では再び蒸気が噴出されれば石油になるのでまだいいですが、休眠期にはずっと原油のままになってしまいます。そして原油は400℃で石油になりますが、石油は400℃を下回っても原油にはならないので液体ロックみたいになって非常に面倒。ガスエレベータでどんどん原油は溜まってしまいます。（石油のプールに原油が混じらないようにも出来ますが、原油が溜まるのは変わらず。。。）

混ざったものを分ける構造をわざわざ入れたりするもの面倒。そもそも今回のガスエレベータで使用している液体の量は10g/s×4=40g/sなので１サイクルでも24kg程度です。非常に少ない。もちろんガスエレベータに流す液体の量を増やせば生成量も増えますが、その分熱を奪うことになるので代わりに発電量が減ります。そこで石油の熱をボイラー室へ移せばトータルの熱量は維持できますが、そもそも組み上げるのにポンプのオーバーヒート温度以下まで冷却しなければならず、そこまで熱を奪うと発電量も大分目減りしてしまいます。気圧センサーや液体元素センサー、温度センサーを使って休眠期を検知してガスエレベータの動作を止めればいいかな？と思いましたがガスエレベータは止めてしまうと上へと逃がした蒸気が戻ってきてしまい、間欠泉の圧力超過が非常に発生しやすいです。そのため再度活動期になってもそれを検知できず、動作させるときの切り替えが困難になり、これを対策するには・・・などなど。結局実入りが少ないのにそこまでやる必要があるのかな？と考えると別の設備でやった方が良いんじゃないかとなってしまいました。

・蒸気の貯蔵部屋で蒸気を消滅させる

あまりに大量の蒸気をため込んで手を出せなくなるのが一番宜しくない状態です。機械式ドアを貯蔵部屋に敷き詰めて、手動スイッチでガッチャンと蒸気を消滅させてしまう仕組みもあった方が良いかもと思いました。使わないなら使わないで邪魔にはならないですしね！

＜あとがき＞

今回は蒸気を蒸気タービンにて扱える温度まで排水を利用して冷やす構造でしたが、蒸気を冷却しないでそのまま蒸気タービンで吸ってしまうこともできます。それはまた別の記事にて。