(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱器、膨張機、復熱器、第１作動流体凝縮器、脱着器、第１作動流体ポンプ、並びにＣＯ2を含む第１作動流体を含む、ランキンサイクル第１作動流体循環ループと、
前記第１作動流体循環ループに統合された吸収式チラーサイクルであって、蒸発器、吸収器、第２作動流体ポンプ、脱着器、第２作動流体凝縮器、並びに冷媒を含む第２作動流体を含む、第２作動流体循環ループを含む吸収式チラーサイクルと、を含む発電システムであって、
前記ランキンサイクルと前記吸収式チラーサイクルとが、前記脱着器で統合されていて、脱着器内で前記ランキンサイクルの第１作動流体が前記吸収式チラーサイクルの第２作動流体と熱交換され、
前記ランキンサイクルの前記第１作動流体凝縮器が、前記吸収式チラーサイクルの前記蒸発器として機能する、発電システム。
【請求項２】
前記ランキンサイクル第１作動流体循環ループが更に冷却器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記吸収式チラーサイクルが更に、少なくとも１つの熱交換器を含む、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記吸収式チラーサイクルが更に、溶媒中に冷媒を含む溶液を前記脱着器と前記吸収器との間で移送する別の流体ループを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
吸収式チラーサイクルを構成する第２のループに統合される、一重膨張復熱式二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを構成する第１のループを含む発電システムであって、
前記第１のループが、
液体ＣＯ2流を受け取って高熱化液体ＣＯ2流を生成するように構成された復熱器を含み、
前記高熱化液体ＣＯ2流を受け取って気化ＣＯ2流を生成するように構成された廃熱回収ボイラを含み、
前記気化ＣＯ2流を受け取って膨張ＣＯ2流を生成するように構成された第１の膨張機を含み、
前記復熱器は更に、前記膨張ＣＯ2流を受け取って低温ＣＯ2流を生成するように構成されており、
前記低温ＣＯ2流を受け取って前記低温ＣＯ2流の温度を更に低下させるように構成された脱着器を含み、
前記脱着器で冷却されたＣＯ2流を受け取って３５℃〜５５℃の範囲の温度を有する更に低温のＣＯ2流を生成するように構成された冷却器を含み、
前記冷却器で冷却されたＣＯ2流を受け取って、ＣＯ2ポンプを用いて前記復熱器に返送可能な液体ＣＯ2流を生成するように構成されたＣＯ2凝縮器であって、吸収式チラーサイクルの蒸発器に統合されたＣＯ2凝縮器を含み、
前記第２のループが、
実質的に液状の冷媒を受け取って気化冷媒を生成するように構成された前記吸収式チラーサイクルの前記蒸発器を含み、
前記気化冷媒を受け取って前記冷媒と溶媒との第１の溶液を生成するように構成された吸収器であって、前記冷媒と前記溶媒との第２の溶液を収容する吸収器を含み、
前記第１の溶液を受け取って前記第１の溶液の圧力を増大させるように構成された冷媒ポンプを含み、
前記脱着器が更に、圧力が増大した前記第１の溶液を受け取って気化冷媒と前記第２の溶液とを生成するように構成されており、前記第１の溶液中の前記冷媒の濃度は、前記第２の溶液中の前記冷媒の濃度よりも高く、
前記気化冷媒を受け取って液状冷媒を生成するように構成された冷媒凝縮器を含み、
前記液状冷媒を受け取って、前記蒸発器で前記液状冷媒を受け取れるように前記液状冷媒の圧力を低下させるように構成された減圧装置を含み、
前記吸収式チラーサイクルの前記蒸発器で、前記気化冷媒を前記吸収器に返送することができる、発電システム。
【請求項６】
前記吸収式チラーサイクルが更に、前記蒸発器から前記気化冷媒を受け取って前記吸収器に高熱化気化冷媒を供給するように構成された熱交換器を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
吸収式チラーサイクルを構成する第２のループに統合された二重膨張復熱式二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを構成する第１のループを含む発電システムであって、
前記第１のループが、
液体ＣＯ2流の第１部分を受け取って前記ＣＯ2流の加熱第１部分を生成するように構成された廃熱回収ボイラと、
前記ＣＯ2流の前記加熱第１部分を受け取って前記ＣＯ2流の膨張第１部分を生成するように構成された第１の膨張機と、
前記ＣＯ2流の前記膨張第１部分を受け取って前記ＣＯ2流の低温第１部分を生成するように構成された復熱器であって、更に液体ＣＯ2流の第２部分を受け取って前記ＣＯ2流の高熱化第２部分を生成するように構成された復熱器と、
前記ＣＯ2流の前記高熱化第２部分を受け取って前記ＣＯ2流の膨張第２部分を生成するように構成された第２の膨張機と、
前記ＣＯ2流の前記膨張第２部分を受け取って前記ＣＯ2流の低温第２部分を生成するように構成された脱着器と、
前記ＣＯ2流の前記低温第１部分と前記ＣＯ2流の前記低温第２部分とを受け取って、３５℃〜５５℃の範囲の温度を有する更に低温のＣＯ2流を生成するように構成された冷却器と、
前記冷却器で冷却されたＣＯ2流を受け取るように構成され、吸収式チラーサイクルの蒸発器に統合された、液体ＣＯ2流を生成可能な第１作動流体凝縮器であって、前記液体ＣＯ2流が、ＣＯ2ポンプを用いて前記液体ＣＯ2流の前記第１部分と前記第２部分として返送可能な第１作動流体凝縮器と、を含み、
前記第２のループが、
実質的に液状の冷媒を受け取って気化冷媒を生成するように構成された前記吸収式チラーサイクルの前記蒸発器と、
前記気化冷媒を受け取って前記冷媒と溶媒との第１の溶液を生成するように構成された吸収器であって、冷媒と溶媒との第２の溶液を収容する吸収器と、
前記第１の溶液を受け取って前記第１の溶液の圧力を増大させるように構成された第２作動流体ポンプと、を含み、
前記脱着器は更に、圧力が増大した前記第１の溶液を受け取って気化冷媒と前記第２の溶液とを生成するように構成されており、
前記第１の溶液中の前記冷媒の濃度は、前記第２の溶液中の前記冷媒の濃度よりも高く、
前記気化冷媒を受け取って液状冷媒を生成するように構成された冷媒凝縮器を含み、
前記液状冷媒を受け取って、前記液状冷媒を前記蒸発器で受け取れるように前記液状冷媒の圧力を低下させるように構成された減圧装置を含み、
前記吸収式チラーサイクルの前記蒸発器は、前記気化冷媒を前記吸収器に返送可能な、発電システム。
【請求項８】
導管又は容器が前記膨張後のＣＯ2の余剰熱を取り込み、前記熱を前記脱着器に移動可能な、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記述のシステム及び技術には、廃熱を用いた発電に関する実施形態が含まれる。特に、本開示は、閉ループ式の統合二酸化炭素（ＣＯ2）ランキンサイクルを用いた発電システムに関する。これらのシステムには、ランキンサイクルに統合された閉ループ式の吸水式チラーサイクルに関する実施形態も含まれる。本発明は更に、発電システムの効率を高めるための廃熱利用に関する実施形態を含む。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ2は、ランキンサイクルの超臨界作動流体として有機流体を上回る利点を有することが知られている。これらの利点には、高い安定性に加えて、燃焼性の低下又は最小化、並びに、例えばほぼ無毒である特性等の環境的に適合可能な性質が含まれる。しかし、発電用ＣＯ2ランキンサイクルは、特に夏季に周囲温度が摂氏３０度の臨界温度に近付くと性能が低下し得るという欠点を有する。ＣＯ2が一般に使用されないのは、他の流体のようにサイクルの低温側で容易に液化させることができないためである。その原因は、ＣＯ2の臨界温度が高過ぎて、暖かい周囲条件下、即ち摂氏約１５度〜摂氏約２５度の温度では凝縮できないことである。凝縮器を摂氏３０度未満に冷却するためには、摂氏３０度を大幅に下回る温度の冷却媒体が必要になる。この特性は、摂氏３０度未満に冷却することで、ＣＯ2を凝縮させることと、その後に液体状態のＣＯ2をポンプにより高圧に加圧することが容易になるため、重要である。
【０００３】
普通の周囲温度（摂氏約２０度〜摂氏約２５度）では、空気又は水を用いてＣＯ2を摂氏３０度未満に冷却することは不可能に近い。その代わりに、冷却システムを採用して凝縮器を冷却し、周囲温度よりも高い凝縮熱を放散させることができる。機械的な蒸気圧縮冷却システムを用いてもよい。これらの冷却システムは、予想される温度条件において比較的高い効率で動作する。しかし、凝縮器の冷却に、例えばウォータチラー等のチラーが必要になる場合がある。チラーで必要な冷却及び凝縮を行うには、ＣＯ2１キログラムあたり約１０キロワット〜約２０キロワット／秒程度の電力が必要である。ランキンサイクルにおける単位発電電力量毎のＣＯ2の質量流量が高いことを考えると、この寄生負荷は深刻な性能低下を意味し、システム全体が非効率的になり、コスト効果的でなくなる可能性がある。
【０００４】
ＣＯ2固有の利点を生かした廃熱回収用ランキンサイクルシステムを商品化するためには、摂氏２０度を超える周囲温度で動作する凝縮器冷却システムが必要になる。他のシステムと違って、このシステムは、吸収サイクルを用いる点で、性能に大きな影響を及ぼすことがない。このシステムにより、電力を割増価格で販売できるピーク需要時と一致する、比較的高温の期間中に、より多くの電力を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１７０２６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの検討事項に鑑みて、新規なＣＯ2冷却及び凝縮プロセスが、当該技術分野において歓迎されるであろう。また、この新規なプロセスは、経済的に実施可能で、その他の発電システムに適合可能であるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態では、発電システムを提供する。このシステムは、吸収式チラーサイクルに統合された二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを含む。このランキンサイクルは、凝縮器と脱着器を含む。ランキンサイクルの凝縮器は、吸収式チラーサイクルの蒸発器として機能する。ランキンサイクルと吸収式チラーサイクルは、脱着器で統合される。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、発電システムに関する。このシステムは、加熱器、膨張機、復熱器、第１作動流体凝縮器、脱着器、第１作動流体ポンプ、並びにＣＯ2を含む第１作動流体を含む、ランキンサイクル第１作動流体循環ループを含む。ランキンサイクルは、第２作動流体循環ループを含む吸収式チラーサイクルに統合される。吸収式チラーサイクルは、蒸発器、吸収器、第２作動流体ポンプ、脱着器、第２作動流体凝縮器、並びに冷媒を含む第２作動流体を含む。ランキンサイクルと吸収式チラーサイクルは、脱着器で統合される。ランキンサイクルの凝縮器は、吸収式チラーサイクルの蒸発器として機能可能である。
【０００９】
本発明のまた別の実施形態は、発電システムに関する。このシステムは、吸収式チラーサイクルを構成する第２のループに統合された、一重膨張復熱式二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを構成する第１のループを含む。第１のループは、液体ＣＯ2流を受け取って加熱液体ＣＯ2流を生成するように構成された復熱器と、加熱液体ＣＯ2流を受け取って気化ＣＯ2流を生成するように構成された廃熱回収ボイラと、気化ＣＯ2流を受け取って膨張ＣＯ2流を生成するように構成された第１の膨張機とを含む。復熱器は更に、膨張ＣＯ2流を受け取って低温ＣＯ2流を生成するように構成される。このシステムは更に、低温ＣＯ2流を受け取って更に低温のＣＯ2流を生成するように構成された脱着器も含む。冷却器は、冷却されたＣＯ2流を受け取って、摂氏約３５度〜摂氏約５５度の範囲の温度を有する更に低温のＣＯ2流を生成するように構成される。付随するＣＯ2凝縮器が、冷却されたＣＯ2流を受け取るように構成され、このＣＯ2流はＣＯ2ポンプを用いて復熱器に返送可能である。凝縮器は、吸収式チラーサイクルの蒸発器に統合される。第２のループは、実質的に液状の冷媒を受け取って気化冷媒を生成するように構成された吸収式チラーサイクルの蒸発器と、気化冷媒を受け取って冷媒と溶媒との第１の溶液を生成するように構成された吸収器とを含み、冷媒と溶媒との第２の溶液が、この吸収器内に収容される。このシステムは更に、第１の溶液を受け取ってこの第１の溶液の圧力を増大させるように構成された冷媒ポンプも含む。上記の脱着器は更に、この比較的高圧の第１の溶液を受け取って気化冷媒と第２の溶液とを生成するように構成される。第１の溶液中の冷媒の濃度は、第２の溶液中の冷媒の濃度よりも高い。付随する冷媒凝縮器が、気化冷媒を受け取って液状冷媒を生成するように構成され、減圧装置が、液状冷媒を受け取ってこの液状冷媒の圧力を低下させ、これを蒸発器内に送り込むように構成される。吸収式チラーサイクルの蒸発器は、気化冷媒を吸収器に返送可能である。
【００１０】
本発明の更なる実施形態は、別の発電システムに関する。このシステムは、吸収式チラーサイクルを構成する第２のループに統合された、二重膨張復熱式二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを構成する第１のループを含む。第１のループは、液体ＣＯ2流の第１部分を受け取ってＣＯ2流の加熱第１部分を生成するように構成された廃熱回収ボイラと、ＣＯ2流の加熱第１部分を受け取ってＣＯ2流の膨張第１部分を生成するように構成された第１の膨張機と、ＣＯ2流の膨張第１部分を受け取ってＣＯ2流の低温第１部分を生成するように構成された復熱器であって、更に液体ＣＯ2流の第２部分を受け取ってＣＯ2流の高熱化（即ち加熱）第２部分を生成するように構成された復熱器と、ＣＯ2流の高熱化第２部分を受け取ってＣＯ2流の膨張第２部分を生成するように構成された第２の膨張機と、ＣＯ2流の膨張第２部分を受け取ってＣＯ2流の低温第２部分を生成するように構成された脱着器と、ＣＯ2流の冷却された第１及び第２部分を受け取って摂氏約３５度〜摂氏約５５度の範囲の温度を有する更に低温のＣＯ2流を生成するように構成された冷却器と、この冷却されたＣＯ2流を受け取るように構成され、吸収式チラーサイクルの蒸発器に統合された第１の作動流体凝縮器とを含む。蒸発器は、液体ＣＯ2流を生成可能であり、この液体ＣＯ2流は、ＣＯ2ポンプを用いてＣＯ2流の第１部分及び第２部分として返送される。第２のループは、実質的に液状の冷媒を受け取って気化冷媒を生成するように構成された、吸収式チラーサイクルの蒸発器と、気化冷媒を受け取って冷媒と溶媒との第１の溶液を生成するように構成された吸収器であって、冷媒と溶媒との第２の溶液を収容する吸収器と、冷媒と溶媒との第１の溶液を受け取って圧力が増大された第１の溶液を生成するように構成された第２の作動流体ポンプと、を含む。上記の脱着器は更に、この圧力を増大された第１の溶液を受け取って気化冷媒と第２の溶液とを生成するように構成され、第１の溶液中の冷媒の濃度は、第２の溶液中の冷媒の濃度よりも高い。第２のループは更に、気化冷媒を受け取って液状冷媒を生成するように構成された冷媒凝縮器と、液状冷媒を受け取ってこの液状冷媒の圧力を低下させ、これを蒸発器に送り込むように構成された減圧装置とを含む。吸収式チラーサイクルの蒸発器は、気化冷媒を吸収器に返送可能である。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、吸収式チラーサイクルに統合された二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを含む発電システムに関する。このシステムは、ランキンサイクル凝縮器とチラーサイクル蒸発器との複合装置を含む。
【００１２】
添付図面を参照しながら下記の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＣＯ2の冷却及び凝縮を行う例示的なプロセスのステップを示す、プロセスブロックの流れ図である。
【図２】ＣＯ2の冷却及び凝縮を行う別の例示的なプロセスにおける、プロセスブロックの流れ図である。
【図３】ＣＯ2の冷却及び凝縮を行うまた別の例示的なプロセスにおける、プロセスブロックの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書及び請求項を通じて用いられる近似を表す言葉で、関係する基本的な機能が変化しない範囲で任意の変動可能な数量的表現を修飾することがある。このため、「約」等の用語で修飾された値が、明記された精密な値に限定されることはない。場合によっては、近似を表すその言葉が、その値を計測する機器の精度に対応している。同様に、或る用語と一緒に「〜を含まない」を用いることがあるが、その場合は、「〜を含まない」で修飾された用語が指すものを含まない場合も考えられるが、「〜を含まない」で修飾された用語が指すものを僅かな数だけ又は微量含んでいることもある。
【００１５】
本明細書において「よい」「できる」といった用語は、或る特定の特性、特徴、又は機能の保有のような、或る一連の状況において生じる可能性を示している。これらの用語はまた、修飾する動詞について、能力、性能、又は可能性の１つ以上を表すことにより、別の動詞も修飾することがある。したがって、「よい」「できる」の使用は、場合によっては、これに修飾される用語が、提示した能力、機能、又は用法に適していないか、これらを果たすことができないか、或いはこれらに相応しくないこともあることを考慮しつつ、これによって修飾される用語が、提示した能力、機能、又は用法に適しているか、これらを果たすことができるか、或いはこれらに相応しいと思われることを示す。例えば、或る事象又は性能が、場合によっては生じないことがあるものの、期待できることもあり、その違いが、「よい」「できる」といった用語によって捉えられている。
【００１６】
本発明の１つ以上の具体的な実施形態を以下に記述する。これらの実施形態の説明を簡潔にするため、本明細書では、実際の実施における特徴の全てを記述しているわけではない。いかなる実際の実施形態の開発においても、いかなる工学的又は設計上の計画においても、実施形態ごとに異なるシステム上及びビジネス上の制約に合わせるといった、開発者の特定の目的を達成するために多くの選択が必要であることは、理解できよう。また、このような開発努力は、煩雑で時間がかかるものとなり得るが、本開示による利益を享受する当業者にとっては、日常的な設計、製作、製造上の仕事であることも理解できよう。
【００１７】
本発明の様々な実施形態の要素を説明するにあたり、単数名詞は、その要素が１つ以上存在し得ることを意図している。「備える」「含む」「有する」といった表現は、包括的な意味で、列挙した要素以外にも追加の要素が存在し得ることを意図している。また、「第１」「第２」等の表現は、本明細書においてはいかなる順序、数量、重要性も示すものではなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられる。
【００１８】
本明細書で開示する範囲は全て、その端点も含み、端点どうしを組み合わせることができる。「第１」「第２」等の表現は、本明細書においてはいかなる順序、数量、重要性も示すものではなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられる。本発明を記述する文脈において（特に添付の特許請求の範囲の文脈において）単数名詞及び同様の記載は、本明細書において別途明記しない限り又は文脈上矛盾しない限り、単数形と複数形の両方を包含するものと解釈されたい。
【００１９】
本明細書に記載の本発明の実施形態は、先行技術の上記の欠点に対処するものである。これらの実施形態では、改良されたＣＯ2の冷却及び凝縮を行うシステムを有利に達成する。本明細書に記載の冷却システムは、吸収式チラーサイクルに統合されたランキンサイクルを用いることにより、上記の要求を満たす。このシステムは、ランキンサイクル凝縮器とチラーサイクル蒸発器との複合装置を含む。本発明は、ＣＯ2の冷却及び凝縮を可能にする吸収冷却技術に基づくシステムであって、主に膨張後のＣＯ2ランキンサイクルからの低品位廃熱により駆動されるシステムを提供する。本明細書に記載の発電システムを用いることにより、高い周囲温度での運転に伴う性能低下を最小限に抑えること、或いはこれを解消することさえ可能になる。このＣＯ2ランキンサイクルでは、十分な熱を適切な温度で提供でき、適宜の吸収式チラーを一体的に統合可能である。
【００２０】
本発明の一実施形態では、発電システムを提供する。このシステムは、吸収式チラーサイクルに統合された二酸化炭素廃熱回収ランキンサイクルを含む。ランキンサイクルは、凝縮器と脱着器を含む。ランキンサイクルの凝縮器は、吸収式チラーサイクルの蒸発器として機能する。ランキンサイクルと吸収式チラーサイクルとは、脱着器において統合される。本明細書で用いる場合、「統合」という用語は、発電システムの或る特定の要素がランキンサイクルと吸収式チラーサイクルとの両方に結合されること、又はこれらの両方に共通することを指す。本明細書に記載のように、いずれのループも共通の脱着器を用いる。単一の装置又はユニットが、ランキンサイクルの凝縮器として、且つ吸収式チラーサイクルの蒸発器として機能する。換言すると、吸収式チラーサイクルの冷媒を構成する第２作動流体の蒸発が、単一の装置の一部分であるランキンサイクルの第１作動流体の凝縮と引き換えに行われる。
【００２１】
凝縮器は、一般には物質を冷却することによって凝縮し、気体状から液状にするために用いられる装置又はユニットである。本明細書に記載のランキンサイクルの凝縮器は、例えば二酸化炭素等の第１作動流体を凝縮して液体二酸化炭素にするために用いられる。その際、結果的に生じる熱が二酸化炭素から放出され、凝縮器において二酸化炭素の冷却に用いる冷媒に伝達される。凝縮器において二酸化炭素の冷却に用いる冷媒は、吸収式チラーサイクルの作動流体である。この冷媒は、凝縮器で冷却される二酸化炭素から潜熱を吸収し、気化する。このため、上述したように、ランキンサイクルの凝縮器は、吸収式チラーサイクルの蒸発器としても機能する。
【００２２】
本明細書で用いる場合、「ランキンサイクル」とは、熱を仕事に変換するサイクルである。熱は、通常は水を使用する閉ループに外部から供給される。全世界で使用される電力の殆どが、こうしたサイクルによって生成されている。通常、ランキンサイクルには、４つのプロセスがある。第１ステップにおいて、作動流体がポンプにより低圧から高圧に加圧される。この段階では作動流体は液状であり、ポンプは入力エネルギーを殆ど必要としない。第２ステップにおいて、高圧の液体がボイラに流入し、一定の圧力で外部熱源により加熱され、蒸気になる。第３ステップにおいて、この蒸気がタービンを通って膨張し、動力を発生させる。これにより、蒸気の温度と圧力が低下する。第４ステップにおいて、蒸気が次いで凝縮器に流入し、一定の圧力で凝縮されて飽和液体となる。その後、このプロセスは、第１ステップから再開する。
【００２３】
復熱器は一般に、閉鎖プロセスにおいて同様の流体流から熱を回収又は再生して、これを再利用する役割を果たす向流式エネルギー回収熱交換器である。復熱器は、例えば化学工業及び加工工業において、或る特定の流体を用いるランキンサイクルを含む様々な熱力学サイクル及び吸収冷却サイクルで用いられる。適当なタイプの復熱器には、シェルアンドチューブ式熱交換器とプレート式熱交換器が含まれる。
【００２４】
脱着器が、冷媒を熱劣化させることなく溶液から除去するために用いられる。使用可能な適当なタイプの脱着器には、精留塔に結合されるシェルアンドチューブ式熱交換器とリボイラが含まれる。
【００２５】
凝縮器は、蒸気を凝縮させて液体にするために用いられる熱伝達装置又はユニットである。一実施形態において、使用される凝縮器にはシェルアンドチューブ式熱交換器が含まれる。
【００２６】
冷却器は、液体又は蒸気の温度を低下させるために用いられる熱伝達装置又はユニットである。一実施形態において、使用される冷却器は、フィン付管を備えた空冷式熱交換器である。
【００２７】
当業者には、本明細書に記載の復熱器、凝縮器、冷却器、及び脱着器が、個別に又は集合的に熱交換器を含み得ることが理解できよう。
【００２８】
本明細書で用いる場合、「実質的に液状の冷媒」という表現は通常、比較的大きい液相質量分率を有する気液二相混合冷媒を指す。例えば、気相成分の質量分率は、全質量の約２０重量パーセントであってよい。
【００２９】
図１を参照して、本発明の幾つかの実施形態に基づく発電システム１００を示す。システム１００は、第１のサイクル又は「ループ」１０２を含む。第１のループ１０２は、廃熱回収用の一重膨張復熱式二酸化炭素サイクルの一例である。第１のループ１０２は、第２のサイクル又はループ１０４に統合される。第２のループ１０４は、吸収式チラーサイクルである。第１のループ１０２は、ポンプ１１０から始まると考えてよい。通常は１０℃〜３０℃の温度を有する液体ＣＯ2流１１２が、ポンプ１１０を介して中温復熱器１１４へとポンプ送りされ、１００℃〜２００℃の範囲の温度を有する高熱化液体ＣＯ2流１１６が生成される。本明細書で用いる場合、「高熱化」という用語は、流体又は液体が特定のシステム要素又は段に流入した時の温度よりも高温を有することを指す。
【００３０】
次に、高熱化ＣＯ2流１１６が廃熱回収ボイラ１１８を通過して、３５０℃〜５００℃の範囲の温度を有する気化ＣＯ2流１２０が生成される。一部の実施形態において、廃熱回収ボイラは、例えばガスタービンに由来する熱等の外部熱源の供給を受ける。その場合、熱源が比較的高温で廃熱回収ボイラ１１８に流入し（白抜き矢印１１７で示す）、その後、比較的低温で廃熱回収ボイラ１１８から流出する（白抜き矢印１１９で示す）。気化ＣＯ2流１２０は次に、膨張機１２２を通る。気化ＣＯ2流の温度及び圧力は、膨張プロセスで減じられ、通常は６０バール〜１００バールの範囲の圧力と通常は２５０℃〜３５０℃の範囲の温度を有するＣＯ2流１２４が生成される。
【００３１】
膨張機１２２は、シャフト（図示せず）を介して発電機に接続されている。低温ＣＯ2流１２４は次に、中温復熱器１１４を通る。この復熱器内で、ＣＯ2流１２４が更に冷却されて、通常は１５０℃〜２５０℃の範囲の温度を有する冷却ＣＯ2流１２６が生成される。液体ＣＯ2流１１２（復熱器１１４にポンプ送りされる）は、復熱器１１４を通過する時にＣＯ2流１２４から顕熱を吸収する。その際、液体ＣＯ2流１１２の温度が上昇して、高熱化ＣＯ2流１１６、即ちＣＯ2流１１２よりも高温のＣＯ2流となる。
【００３２】
ＣＯ2流１２６はその後、通常は脱着器１２８を通り、一般に７０℃〜１２０℃の範囲の温度を有する低温ＣＯ2流１３０となる。ＣＯ2流１３０を次に、冷却器１３２に通して、更に低温のＣＯ2流１３４を生成してもよい。ＣＯ2流１３４は通常（必ずではない）、３５℃〜５５℃の温度を有する。一部の実施形態において、冷却器１３２は、水又は周囲空気等の外部冷却手段の供給を受ける。この冷却源は、比較的低温で冷却器１３２に流入し（白抜き矢印１３１で示す）、比較的高温で冷却器１３２から流出する（白抜き矢印１３３で示す）。冷却されたＣＯ2流１３４を次に、凝縮器１３６に通して液体ＣＯ2流１３８を生成した後、このＣＯ2流１３８を、ポンプ（例えばポンプ１１０を用いること）により復熱器１１４に返送してもよい。こうして、ＣＯ2ランキンサイクルの第１のループ１０２は終了する。
【００３３】
上述したように、吸収式チラーサイクル１０４が第１のループ１０２に統合される。第１のループの凝縮器１３６は、実質的に液状の冷媒流１６０（例えば水又はアンモニア）を用いて冷却される。その際、冷媒流１６０が凝縮器１３６内で気化して、気化冷媒流１４０が生成される。このように、一実施形態では、第１のループ１０２の凝縮器１３６は、第２のループ１０４の蒸発器１３６として機能する。気化冷媒流１４０はその後、吸収器１４２内へと送られる。
【００３４】
溶媒中に冷媒を含む第２の溶液（図１には図示せず）が、一般的には吸収器１４２内に収容される。（一部の実施形態では、例えば空気又は水等の従来の冷却手段によって吸収器の温度を低下させる。吸収器の温度は、第２の溶液を液体状態に保つことができるレベルに維持される。）気化冷媒流１４０は通常、第２の溶液中に溶解されて、比較的低い圧力、例えば選択される個々の冷媒に応じて０．１バール〜１０バールの圧力を有する、溶媒中に冷媒を含む第１の溶液１４４が生成される。第１の溶液の温度は、通常は２０℃〜２５℃の範囲であり、第１の溶液の例えば圧力に依存する（この圧力は、所定の溶液に関して所望の温度が得られるように調節可能である）。吸収器１４２内の溶媒中への溶解時に気化冷媒流１４０により吸収される熱は、上述したように、吸収器をより低温に維持するために用いる手段によって周囲大気中に放出可能である。
【００３５】
第１の溶液１４４は次に、通常は冷媒ポンプ１４６を通り、圧力が増大した第１の溶液１４８となる。この圧力は、１１バール〜２０バールの範囲である。第１の溶液１４８はその後、脱着器１２８に送られる。ＣＯ2流１２６の熱は、脱着器において第１の溶液１４８に伝達される。そうすることで、ＣＯ2流１２６は、比較的低温のＣＯ2流１３０として脱着器１２８から流出する。このプロセスにおいて、第１の溶液１４８中の冷媒が気化して大部分が溶媒から分離され、第２の溶液が生成される。気化した冷媒１５４は次に、脱着器１２８から冷媒凝縮器１５０へと送られる。溶媒中に冷媒を含む第２の溶液は、通常は脱着器１２８内に維持される。（この第２の溶液は、冷媒が第１の溶液１４８から気化する時にできる。）
追加のループ（以下に説明する図３に示す「溶液ループ」とも称する）を用いて、第２の溶液を脱着器から吸収器に移送してもよい。この追加のループは、更に追加の熱交換器と弁を含み、第２の溶液が脱着器から吸収器に移送される時に第２の溶液の温度と圧力を維持することができる。冷媒凝縮器１５０は、凝縮された液状冷媒１５６を供給する。一部の実施形態では、冷媒凝縮器１５０は、例えば水又は周囲空気を用いる等、外部冷却機構を備えてよい。このタイプの冷却材流は、比較的低温１４９で冷媒凝縮器１５０に流入し、比較的高温１５１で冷媒凝縮器１５０から流出する。（この場合も、図の白抜き矢印は異なる温度レベルの流体流を表す。）
液状冷媒流１５６はその後、減圧装置１５８を通り、圧力を例えば７バール〜９バールの範囲に減じる。減圧装置１５８は、例えば絞り弁又は膨張機等の様々な装置により構成可能である。減圧装置１５８を通過することにより、冷媒流１５６は、比較的冷温の冷媒流１６０となる。その後、冷媒流１６０を用いて、蒸発器１３６に流入するＣＯ2流１３４を凝縮して液体ＣＯ2流１３８を生成する。その際、冷媒流１６０が熱交換器１３６内で気化して、気化冷媒流１４０が形成される。気化冷媒流１４０はその後、再び吸収器１４２を通って第１の溶液１４４となり、これを以ってループ１０４は終了する。第１の溶液中の冷媒の濃度は、通常は第２の溶液中の冷媒の濃度よりも高い。
【００３６】
一部の実施形態では、追加の熱交換器を設けることで、ＣＯ2流を所要の温度に加熱する。当業者には、熱交換器を第２のループの所要の位置に設けることで、ループのヒートバランスを維持できることが理解できよう。一実施形態では、追加の熱交換器を、凝縮器／蒸発器１３６と吸収器１４２との間に設ける。この位置に配置される熱交換器は、気化冷媒１４０の温度を調節する（例えば増加させる）役割を果たす。
【００３７】
一実施形態において、このシステムは、膨張機で膨張した後の作動流体の余剰熱を用いて脱着器を加熱する。しかし、ランキンサイクルの構成により十分な熱を得ることができない実施形態又は温度レベルが所要の温度レベルよりも低い実施形態では、追加の熱源を用いてもよい。適当な追加の熱源には、例えばＣＯ2ボイラから生じる残余廃熱又は補助燃焼ボイラにより得られる熱が含まれる。
【００３８】
一部の実施形態では、脱着器から流出する高圧冷媒蒸気及び溶液混合物１５４を、精留塔に通し、残存冷媒の大部分を溶液から分離させる。精留塔から流出する冷媒蒸気はその後、冷媒凝縮器１５０を通る。
【００３９】
冷媒は通常、水又はアンモニアである。別段の指示がない限り、アンモニアの場合の圧力値（例えば７バール〜９バール）を示す。（水等のその他の種類の冷媒の場合は、圧力値が更に低くなり得ることを理解されたい。）溶媒は、アンモニアの場合、水又は臭化リチウム水溶液のいずれかである。
【００４０】
図２を参照して、本発明の幾つかの実施形態に基づく発電システム２００を提供する。システム２００は、第１のループ２０２を含む。第１のループ２０２は、廃熱回収用の二重膨張復熱式二酸化炭素サイクルの一例である。第１のループ２０２は、第２のループ２０４に統合される。第２のループ２０４は、吸収式チラーサイクルである。第１のループ２０２は、通常はポンプ２１０から始まる。１０℃〜３０℃の温度の液体ＣＯ2流２１２が、ポンプ２１０を介して廃熱回収ボイラ２１４へとポンプ送りされる。一部の実施形態では、廃熱回収ボイラ２１４は、例えばガスタービンに由来する熱等の外部熱源の供給を受ける。この熱源は、比較的高温２１７で廃熱回収ボイラ２１４に流入し、比較的低温２１６で廃熱回収ボイラ２１４から流出する（白抜き矢印で示す）。
【００４１】
ＣＯ2流２１２が加熱され、通常は３５０℃〜５００℃の範囲の温度の気化ＣＯ2流２１８となる。気化ＣＯ2流２１８は次に、第１の膨張機２２０を通り、低温ＣＯ2流２２６が生成される。気化ＣＯ2流２１８の温度及び圧力は、多くの場合、膨張プロセスにおいて６０バール〜１００バールの範囲の圧力及び２５０℃〜３５０℃の温度に減じられ、低温ＣＯ2流２２６が生成される。第１の膨張機２２０は、シャフト２２２を介して発電機２２４に接続されている。低温ＣＯ2流２２６は次に、中温復熱器２２８へ送られる。ＣＯ2流２２６は、復熱器２２８を通過時に更に冷却され、通常は５０℃〜１００℃の範囲の温度の更に低温のＣＯ2流２３０が生成される。この冷却されたＣＯ2流２３０はその後、混合合流点２３２へ送られる。
【００４２】
液体ＣＯ2流の第１部分２１２の送給と並行して（場合によってはそれと同時に）、液体ＣＯ2流の第２部分２３４が、ポンプ２１０を用いて復熱器２２８にポンプ送りされる。復熱器を通過するＣＯ2流２２６の熱が、液体ＣＯ2流の第２部分２３４に伝達され、通常は２４０℃〜３４０℃の範囲の温度の、熱気化ＣＯ2流２３６が生成される。この気化ＣＯ2流２３６は次に、第２の膨張機２３８を通る。膨張機２３８は、通常はシャフト２４０の一部分を介して発電機２２４に接続される。通常は１５０℃〜２００℃の範囲の温度を有する低温ＣＯ2流２４２（即ち、気化ＣＯ2流２３６よりも低温）は、第２の膨張機２３８から流出した後、脱着器２４４を通過して、比較的低温のＣＯ2流２４６となる。ＣＯ2流２４６は、７０℃〜１２０℃の範囲の温度を有してよい。ＣＯ2流２４６は次に、混合合流点２３２を通る。２つのＣＯ2流２３０及び２４６は、合流点２３２で混合された後、冷却器２４８を通る。一部の実施形態では、冷却器２４８は、別の実施形態に関して説明したような外部冷却機構を備える。一例として、冷却源を比較的低温２５０で冷却器２４８に流入させ、比較的高温２５１で冷却器２４８から流出させてよい。通常は３０℃〜５５℃の範囲の温度を有する冷却ＣＯ2流２５２はその後、凝縮器２５４を通り、通常は２０℃〜３０℃の範囲の温度の液体ＣＯ2流２５６が生成され、これを以って第１のループ２０２が終了する。
【００４３】
吸収式チラーシステム２０４は、第１のループ２０２に統合される。第１のループの凝縮器２５４は、通常は実質的に液状の冷媒流２７８（例えば水又はアンモニア）を用いて冷却される。すると、冷媒流２７８は、通常は凝縮器２５４内で気化して、気化冷媒流２５８が生成される。このように、一実施形態では、第１のループ２０２の凝縮器２５４は第２のループ２０４の蒸発器２５４として機能する。
【００４４】
気化冷媒流２５８は、吸収器２６０内に送られる。吸収器２６０内には通常、溶媒中に冷媒を含む第２の溶液（図示せず）がある。気化冷媒流２５８は、この第２の溶液中に溶解して、７バール〜９バールの範囲の圧力と２０℃〜２５℃の範囲の温度を有する、溶媒中に冷媒を含む第１の溶液２６２が生成される。（上記の実施形態に関して説明したように、温度及び圧力は、与えられた状況及び冷媒に応じて変動可能で、通常は互いに無関係である。）吸収器２６０により気化冷媒流２５８から吸収された熱は、図１に関する説明で上述したように、周囲大気中に放出される。
【００４５】
その後、第１の溶液２６２が冷媒ポンプ２６４を通り、その圧力が増大する。比較的高圧の第１の溶液２６６は次に、脱着器２４４を通る。脱着器２４４内において、ＣＯ2流２４２の熱が第１の溶液２６６に伝達される。すると、ＣＯ2流２４２は、低温ＣＯ2流２４６に変化し、脱着器２４４から流出する。このプロセスにおいて、第１の溶液２６６中の冷媒が気化し、この気化冷媒２７２が脱着器２４４から冷媒凝縮器２６８へと送られる。脱着器２４４内には、溶媒中に冷媒を含む第２の溶液（図示せず）が維持される。（この第２の溶液は、通常は冷媒が第１の溶液２６６から気化する時にできる。）以下に図３に関して述べる追加のループを用いて、脱着器から吸収器に第２の溶液を移送してもよい。この追加のループは更に、追加の熱交換器と弁を含み、これによって、第２の冷媒溶液が脱着器から吸収器に移送される時に第２の冷媒溶液の温度と圧力とを維持する。冷媒凝縮器２６８により、凝縮液状冷媒２７４が得られる。一部の実施形態において、冷媒凝縮器２６８は、既に述べたように外部冷却機構を備えてよい。これにより、冷却源は、一般的には低温２６９で冷媒凝縮器２６８に流入し、比較的高温２７０で冷媒凝縮器から流出する。
【００４６】
液状冷媒流２７４をその後、減圧装置２７６に通し、通常は１５℃〜２０℃の範囲の温度、７バール〜９バールの範囲の圧力に減少させてもよい。減圧装置２７６を通ることにより、冷媒流は比較的低温の気液二相混合冷媒流２７８となる。その後、冷媒流２７８を用いて、凝縮器２５４に流入するＣＯ2流２５２が凝縮されて、液体ＣＯ2流２５６が生成される。その際、冷媒流２７８が蒸発器２５４内で気化されて、気化冷媒流２５８が生成される。蒸発器２５４は、気化冷媒を吸収器２６０に返送可能である。上述したように、溶媒の含有量に基づくと、第１の冷媒溶液中の冷媒の濃度は通常、第２の冷媒溶液中の冷媒の濃度よりも高い。
【００４７】
図３を参照して、幾つかの実施形態に従った発電システム３００を示す。システム３００は、図１（適宜同じ参照符号を用いている）を参照して大まかに上述したように、第１のループ１０２と第２のループ１０４とを含む。システム３００は更に、追加のループ３０６を含んでよい。追加のループ３０６は、上述したように、第２の溶液３６２を脱着器１２８から吸収器１４２に移送する。追加のループ３０６は更に、追加の熱交換器３６４と減圧装置３６６を含み、これによって、第２の溶液３６２が脱着器１２８から吸収器１４２に移送される時に第２の溶液３６２の温度及び圧力を維持する。
【００４８】
一実施形態において、本発明は、同様又は同一の環境条件下で、ＣＯ2ランキンサイクルに対し、吸収式チラーに統合されないサイクルと比べて約１０パーセントの正味電力利益をもたらす。周囲温度が高くなると、この利益は大きくなり、吸収式チラーを用いなくても凝縮が可能な冷温の周囲温度においては、この利益は小さくなる。この凝縮システムは、新規な廃熱回収ＣＯ2ランキンサイクルに多大な利益をもたらし、摂氏約２０度を超える周囲温度における高効率での運転を可能にする。
【００４９】
本発明を、多数の実施形態に関連して詳説したが、こうした開示の実施形態に本発明が限定されることはない。むしろ、本発明を改変して、上記していない変化、調整、置換、又は等価の構造を幾つでも組み込むことができるが、これらも本発明の範囲内に相当する。また、本発明の様々な実施形態を記述したが、本発明の態様が、記述した実施形態の一部を含むのみであってもよい。したがって、本発明は、上記の記述により限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００５０】
１００  発電システム
１０２  第１のループ
１０４  第２のループ
１１０  ポンプ
１１２  液体ＣＯ2流
１１４  中温復熱器
１１６  高熱化液体ＣＯ2流
１１７  白抜き矢印
１１８  廃熱回収ボイラ
１１９  白抜き矢印
１２０  気化ＣＯ2流
１２２  膨張機
１２４  ＣＯ2流
１２６  ＣＯ2流
１２８  脱着器
１３０  ＣＯ2流
１３１  白抜き矢印
１３２  冷却器
１３３  白抜き矢印
１３６  凝縮器
１３８  液体ＣＯ2流
１４０  気化冷媒流
１４２  吸収器
１４４  溶媒
１４６  冷媒ポンプ
１４８  溶液
１４９  比較的低温の冷却材流
１５０  冷媒凝縮器
１５１  比較的高温の冷却材流
１５４  溶液混合物
１５６  液状冷媒流
１５８  減圧装置
１６０  冷媒流
２００  発電システム
２０２  第１のループ
２０４  第２のループ
２１０  ポンプ
２１２  液体ＣＯ2流
２１４  廃熱回収ボイラ
２１６  比較的低温の熱源
２１７  比較的高温の熱源
２１８  気化ＣＯ2流
２２０  第１の膨張機
２２２  シャフト
２２４  発電機
２２６  低温ＣＯ2流
２２８  復熱器
２３０  低温ＣＯ2流
２３２  混合合流点
２３４  液体ＣＯ2流
２３６  熱気化ＣＯ2流
２４０  シャフト
２４２  低温ＣＯ2流
２４４  脱着器
２４６  比較的低温のＣＯ2流
２４８  冷却器
２５０  比較的低温の冷却源
２５１  比較的高温の冷却源
２５２  冷却ＣＯ2流
２５４  凝縮器
２５６  液体ＣＯ2流
２５８  気化冷媒流
２６０  吸収器
２６２  溶媒
２６４  冷媒ポンプ
２６６  第１の溶液
２６８  冷媒凝縮器
２６９  比較的低温の冷却源
２７０  比較的高温の冷却源
２７２  気化冷媒
２７４  凝縮液状冷媒
２７６  減圧装置
２７８  冷媒流
３００  発電システム
３０６  別のループ
３６２  第２の溶液
３６４  追加の熱交換器
３６６  減圧装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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