(57)【要約】蒸気タービンシステムの廃熱を機械又は電気エネルギーに復元するカスケーディング閉ループサイクル(CCLC)システム（100)と、スーパーカスケーディング閉ループサイクル(スーパーCCLC)システム。ボイラー(106)や復水器(118)からの廃熱は、プロパン他の軽質炭化水素流体を複数の間接式熱交換器(110、114)内で蒸発させ、該蒸発させたプロパンを有用な動力を発生させるために複数のカスケーディング膨張タービン（１０８、１１６）内で膨張させ、冷却システムを使用して液体に凝縮することによって回復される。次に液体プロパンはポンプ（１０２）で加圧され、間接式熱交換器に戻され、閉鎖型密閉処理において蒸発、膨脹、液化及び加圧サイクルが繰り返される。
2005533972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を供給し；
前記作動流体の圧力を増加させ；
前記作動流体を少なくとも第１流と第２流を含む複数の流れに分割し；
エネルギ源からの第１熱エネルギ量を前記第１流に移し、次に前記第１流から第２熱エネルギ量を前記第２流へ移送し；
前記第１流から第１有用熱エネルギ量を抽出し；
前記第流２から第２有用熱エネルギ量を抽出し；
前記第１流と前記第２流を合流させ；
前記作動流体の周囲温度での蒸気圧にほぼ等しい圧力又は前記蒸気圧未満の圧力である最小圧力に前記第１流及び前記第２流を減圧する、
ことを含んでなるエネルギ発生方法。
【請求項２】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記作動流体は、プロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生方法。
【請求項３】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）であるエネルギ発生方法。
【請求項４】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記周囲温度は約  −45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）であるエネルギ発生方法。
【請求項５】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記エネルギ源は、化石燃料エネルギ、核エネルギ、太陽エネルギ、地熱エネルギ、廃熱、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生方法。
【請求項６】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記第１流からの第２熱エネルギ量を前記第２流へ移送することは、
前記第１流と前記第２流が合流する前に、前記第１流からの前記第２熱エネルギ量の第１部分を前記第２流に移送し；
前記第１流と前記第２流が合流した後に、前記第１流からの前記第２熱エネルギ量の第２部分を前記第２流に移送する；
ことを含んでなるエネルギ発生方法。
【請求項７】
請求項６のエネルギ発生方法であって、前記第１流から第１有用熱エネルギ量を抽出した後に、前記第１流から前記第２熱エネルギ量の前記第１部分を前記第２流に移送することを実行するエネルギ発生方法。
【請求項８】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記第１有用熱エネルギ量と前記第２有用熱エネルギ量の合計は前記第１熱エネルギ量の少なくとも約２０％に等しいエネルギ発生方法。
【請求項９】
請求項１のエネルギ発生方法であって、前記作動流体の前記圧力を増加させることは、前記作動流体の前記圧力を約2068.43絶対KPa乃至約6894.76絶対KPa（約３００psia乃至約１０００psia）に増加させることを含むエネルギ発生方法。
【請求項１０】
内部に作動流体を含むことができる少なくとも第１流体導管、第２流体導管及び結合流体導管を含む複数の流体導管と；
作動可能に前記複数の流体導管に取り付けられ前記作動流体を加圧するポンプと；
エネルギ源と；
作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ、前記エネルギ源から前記第１流体導管内の前記作動流体へ第１熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；
前記第１流体導管に関して前記第１熱交換器の下流に置かれて作動可能に前記第１流体導管及び前記第２流体導管に取り付けられ、前記第１流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体まで第２熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；
作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ、前記第１流体導管内に前記作動流体から第１有用熱エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；
作動可能に第２前記流体導管に取り付けられ、前記第２流体導管内の前記作動流体から第２有用熱エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；
作動可能に前記複数の流体導管の少なくとも１つの導管に取り付けられ、前記作動流体の周囲温度での蒸気圧にほぼ等しい又は前記蒸気圧未満の圧力である最小圧力まで前記作動流体圧を減少させる冷却器と；
を含んでなるエネルギ発生装置であって、
前記第１流体導管と前記第２流体導管は合流点において結合されて前記結合流体導管を形成するエネルギ発生装置。
【請求項１１】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記作動流体は、プロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生装置。
【請求項１２】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）であるエネルギ発生装置。
【請求項１３】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記周囲温度は約−45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）であるエネルギ発生装置。
【請求項１４】
請求項１０の装置であって、前記エネルギ源は、化石燃料バーナー、原子炉、太陽熱集熱器、地熱源、廃熱源、水素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生装置。
【請求項１５】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記第２熱交換器は、
前記第１流体導管に関して前記第１流体エキスパンダと前記合流点の間に配設され作動可能に前記第１流体導管及び前記第２流体導管に取り付けられ、前記第２熱エネルギ量の第１部分を前記第１流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体まで移送する一次第２熱交換器と；
前記結合流体導管に関して前記合流点と前記ポンプの間に配設され作動可能に前記第２流体導管及び前記結合流体導管に取り付けられ、前記第２熱エネルギ量の第２部分を前記結合流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体に移送する第２次熱交換器とを；
含んでなるエネルギ発生装置。
【請求項１６】
請求項１５のエネルギ発生装置であって、前記第２熱交換器は前記第１流体導管に関して前記第１流体エキスパンダの後に配設されるエネルギ発生装置。
【請求項１７】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記第１有用エネルギ量と前記第２有用エネルギ量の合計は前記第１熱エネルギ量の少なくとも約２０％に等しいエネルギ発生装置。
【請求項１８】
請求項１０のエネルギ発生装置であって、前記ポンプは前記作動流体を約2068.43絶対KPa乃至約6894.76絶対KPa（約３００psia乃至約１０００psia）に加圧するエネルギ発生装置。
【請求項１９】
熱を有用なエネルギに変換するエネルギ変換方法であって：
液状の結合流体流を提供し；
前記結合流体流を加圧し；
前記結合流体流を一次流体流と二次流体流に分割し；
熱源から前記一次流体流に熱エネルギを与えて蒸発させ；
前記蒸発した一次流体流を膨脹させて、第１有用エネルギ量を作り出し；
前記蒸発させ膨脹させられた前記一次流体流からの熱を移送して前記蒸発した二次流体流を過熱させ；
前記蒸発した第２流体流を膨脹させて第２有用エネルギ量を作り出し；
前記蒸発させ膨脹させられた一次流体流と前記蒸発させ膨脹させられた二次流体流を混合して結合流体流を形成し；
前記結合流体流からの熱を移送して前記二次流体流を蒸発させ；
前記結合流体流を凝縮して液化する；
ことを含んでなるエネルギ変換方法。
【請求項２０】
請求項１９のエネルギ変換方法であって、前記流体はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ変換方法。
【請求項２１】
請求項１９のエネルギ変換方法であって、前記結合流体流からの熱を移送して前記二次流体流を蒸発させることは、前記結合流体流の圧力を該流体の蒸気圧を超える圧力に維持することをさらに含むエネルギ変換方法。
【請求項２２】
熱を有用なエネルギに変換するエネルギ変換装置であって：
流体流を搬送する結合流体導管と；
作動可能に前記結合流体導管に取り付けられたポンプと；
前記ポンプの下流において作動可能に前記結合流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に一次流体導管及び二次流体導管に取り付けられた流れ分離器と；
前記流れ分離器の下流において作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に熱源に取り付けられた第１熱交換器と；
前記第１熱交換器の下流において作動可能に前記一次流体導管に取り付けられた第１エキスパンダと；
前記第１エキスパンダの下流において作動可能に前記一次流体導管の取り付けられ、かつ、作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた第２熱交換器と；
前記流体分離器の下流において作動可能に前記二次流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に前記結合流体導管に取り付けられた第３熱交換器と；
前記第２熱交換器の下流において作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた第２エキスパンダと；
作動可能に前記結合流体導管に、前記第２熱交換器の下流において前記一次流体導管に、かつ、前記第２エキスパンダの下流において二次流体導管に取り付けられた流れ混合機と；
作動可能に前記流れ混合機と前記ポンプの間において前記結合流体導管に取り付けられた冷却器と；
を含んでなり、前記第３熱交換器は前記結合流体導管に関して前記流れ混合機と前記冷却器の間に配設され、前記第２熱交換器は前記二次流体導管に関して前記第３熱交換器と前記第２エキスパンダの間に配設されているエネルギ変換装置。
【請求項２３】
請求項２２のエネルギ変換装置であって、前記流体流はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ変換装置。
【請求項２４】
請求項２２のエネルギ変換装置であって、前記エネルギ源は化石燃料バーナー、原子炉、太陽熱集熱器、地熱源、廃熱源、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ変換装置。
【請求項２５】
エネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率を改善する効率改善方法であって：
前記冷却システムからカスケーディング閉ループサイクルシステムの第１ループに第１熱エネルギ量を移送し；
前記第１ループから第１有用エネルギ量を抽出し；
前記エネルギ源からカスケーディング閉ループサイクルシステムの第２ループに第２熱エネルギ量を移送し；
前記第２ループから第２有用エネルギ量を抽出すること；
を含んでなる効率改善方法。
【請求項２６】
請求項２５の効率改善方法であって、前記カスケーディング閉ループサイクルシステムはプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択された作動流体を含む効率改善方法。
【請求項２７】
請求項２５の効率改善方法であって、
前記第２ループからの第３熱エネルギ量をカスケーディング閉ループサイクルシステムの第３ループに移送し；
前記第３ループから第３有用エネルギ量を抽出すること；
をさらに含む効率改善方法。
【請求項２８】
請求項２７の効率改善方法であって、前記動力システムは前記エネルギ源から第４熱エネルギ量を受けて第４有用エネルギ量を発生させ、前記第１有用エネルギ量、前記第２有用エネルギ量、前記第３有用エネルギ量及び前記第４有用エネルギ量の合計が前記第４熱エネルギ量の少なくとも約３０％に等しい効率改善方法。
【請求項２９】
エネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率を改善する効率改善方法であって：
作動流体を供給し；
前記作動流体の圧力を増加させ；
前記作動流体を少なくとも第１流と第２流を含む複数の流れに分割し；
前記冷却システムから前記第１流に第１熱エネルギ量を移送し；
前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出し；
前記エネルギ源から第２流に第２熱エネルギ量を移送し；
前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出し；
前記作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力まで前記作動流体を冷却すること；
を含んでなる効率改善方法。
【請求項３０】
請求項２９の効率改善方法であって、前記第２流は一次第２流と二次第２流を含み、
前記エネルギ源から前記第２流に第２熱エネルギ量を移送することは、
前記エネルギ源から一次第２流へ前記第２熱エネルギ量を移送し；
前記一次第２流から二次第２流へ前記第２熱エネルギ量の一部を移送すること；
を含む効率改善方法。
【請求項３１】
請求項３０の効率改善方法であって、前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出することは、
前記一次第２流から前記第２有用エネルギ量の一部を抽出し；
前記二次第２流から前記第２有用エネルギ量の一部を抽出すること；
を含む効率改善方法。
【請求項３２】
請求項２９の効率改善方法であって、前記作動流体はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される効率改善方法。
【請求項３３】
請求項２９の効率改善方法であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）である効率改善方法。
【請求項３４】
請求項２９の効率改善方法であって、前記周囲温度は約−45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）である効率改善方法。
【請求項３５】
請求項２９の効率改善方法であって、前記エネルギ源は化石燃料エネルギ、核エネルギ、太陽エネルギ、地熱エネルギ、廃熱、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される効率改善方法。
【請求項３６】
請求項２９の効率改善方法であって、前記動力システムは蒸気動力発生システムである効率改善方法。
【請求項３７】
請求項２９の効率改善方法であって、前記作動流体の前記圧力を増加させることは、前記作動流体の圧力を約2068.43絶対KPa乃至約6894.76絶対KPa（約３００psia乃至約１０００psia）に加圧することを含む効率改善方法。
【請求項３８】
エネルギを発生させるエネルギ発生方法であって：
第１作動流体を供給し；
前記第１作動流体の圧力を増加させ；
エネルギ源から前記第１作動流体に第１熱エネルギ量を移送し；
前記第１作動流体から第１有用エネルギ量を抽出し；
第２作動流体を供給し；
前記第２作動流体の圧力を増加させ；
前記第２作動流体を少なくとも第１流と第２流を含む複数の流体流に分割し；
前記第１作動流体から前記第１流に第２熱エネルギ量を移送し；
前記第１流から第２有用エネルギ量を抽出し；
前記エネルギ源から前記第２流まで第３熱エネルギ量を移送し；
前記第２流から第３有用エネルギ量を抽出し；
前記前記第２作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力に前記第２作動流体を冷却すること；
を含んでなるエネルギ発生方法。
【請求項３９】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、前記第２流は一次第２流と二次第２流を含み、
前記エネルギ源から前記第２流へ第３熱エネルギ量を移送することは、
前記エネルギ源から前記一次第２流に前記第３熱エネルギ量を移送し；
前記一次第２流から前記二次第２流に前記第３熱エネルギ量の一部を移送すること；
を含むエネルギ発生方法。
【請求項４０】
請求項３９のエネルギ発生方法であって、前記第２流から第３有用エネルギ量を抽出することは、
前記一次第２流から前記第３有用エネルギ量の第１部分を抽出し；
前記二次第２流から前記第３有用エネルギ量の第２部分を抽出すること；
を含むエネルギ発生方法。
【請求項４１】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、前記第１作動流体は水であるエネルギ発生方法。
【請求項４２】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、第２前記作動流体は、プロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生方法。
【請求項４３】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）であるエネルギ発生方法。
【請求項４４】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、前記周囲温度は約−45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）である請求項３８の前記方法。
【請求項４５】
請求項３８のエネルギ発生方法であって、前記エネルギ源は化石燃料エネルギ、核エネルギ、太陽エネルギ、地熱エネルギ、廃熱及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ発生方法
【請求項４６】
エネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率を改善する効率改善方法であって：
作動流体を供給し；
前記作動流体の圧力を増加させ；
前記作動流体を第１流、第２流及び第３流に分割し；
前記冷却システムから第１熱エネルギ量を前記第１流に移送し；
前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出し；
前記エネルギ源から前記第２流に第２熱エネルギ量を移送し；
前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出し；
前記第２流から前記第３流に第３熱エネルギ量を移送し；
前記第３流から第３有用エネルギ量を抽出し；
前記作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力まで前記作動流体を冷却すること；
を含んでなる効率改善方法。
【請求項４７】
請求項４６の効率改善方法であって、
前記エネルギ源から前記第２流に第２熱エネルギ量を移送することは、
前記エネルギ源からの前記第２熱エネルギ量の第１部分を第１熱交換器において前記第２流に移送し；
前記エネルギ源からの前記第２熱エネルギ量の第２部分を第２熱交換器内において前記第２流に移送することを；
含む効率改善方法。
【請求項４８】
請求項４６の効率改善方法であって、
前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出することは第１エキスパンダにおいて前記第１流を膨脹させることを含み；
第２前記流から第２有用エネルギ量を抽出することは第２エキスパンダにおいて前記第２流を膨脹させることを含み；
前記第３流から第３有用エネルギ量を抽出することは第３エキスパンダにおいて前記第３流を膨脹させることを；
含む効率改善方法。
【請求項４９】
請求項４６の効率改善方法であって、前記作動流体はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される効率改善方法。
【請求項５０】
請求項４６の効率改善方法であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）である効率改善方法。
【請求項５１】
前請項４６の効率改善方法であって、前記周囲温度は約−45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）である効率改善方法。
【請求項５２】
請求項４６の効率改善方法であって、前記エネルギ源は化石燃料エネルギ、核エネルギ、太陽エネルギ、地熱エネルギ、廃熱、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される効率改善方法。
【請求項５３】
請求項４６の効率改善方法であって、前記動力システムは蒸気動力発生システムである効率改善方法。
【請求項５４】
エネルギ源及び冷却システムを持つ動力システムから補足エネルギを発生させる補足エネルギ発生装置であって：
作動流体を内部に含むことができる少なくとも第１流体導管、第２流体導管及び結合流体導管を含む複数の流体導管と；
前記複数の流体導管に作動可能に取り付けられ前記作動流体を加圧する１つ以上のポンプと；
作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ前記冷却システムから前記第１流体導管内の前記作動流体に第１熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；
作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ前記第１流体導管内の前記作動流体から第１有用エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；
作動可能に第２前記流体導管に取り付けられ前記エネルギ源から前記第２流体導管内の前記作動流体に第２熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；
作動可能に前記第２流体導管に取り付けられ前記第２流体導管内の前記作動流体から第２有用エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；
前記複数の流体導管の少なくとも１つの導管に動可能に取り付けられた冷却器であって、前記作動流体の周囲温度における蒸気圧のほぼ等しい又は前記蒸気圧未満である最小圧力まで前記流体の圧力を減少させる冷却器と；
を含んでなり、前記第１流体導管と前記第２流体導管は１つ以上の合流点において結合して結合流体導管を形成する補足エネルギ発生装置。
【請求項５５】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記複数の流体導管がさらに第３流体導管を含み、補足エネルギ発生装置は、
作動可能に前記第２流体導管と前記第３流体導管に取り付けられ前記第２流体導管内の前記作動流体から前記第３流体導管内の前記作動流体に第３熱エネルギ量を移送する第３熱交換器と；
作動可能に前記第３流体導管に取り付けられ前記第３流体導管内の前記作動流体から第３有用エネルギ量を抽出する第３流体エキスパンダと；
をさらに含み、前記第３熱交換器は前記第２流体導管に関して前記第２流体エキスパンダの後の配設されている補足エネルギ発生装置
【請求項５６】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、第２前記熱交換器は２つ以上の熱交換器を含む補足エネルギ発生装置。
【請求項５７】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記作動流体はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される補足エネルギ発生装置。
【請求項５８】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対KPa（約２５psia乃至約３００psia）である補足エネルギ発生装置。
【請求項５９】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記周囲温度は約-45.5℃乃至71.1℃（約５０°Ｆ乃至約１６０°Ｆ）である補足エネルギ発生装置。
【請求項６０】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記エネルギ源は化石燃料バーナー、原子炉、太陽熱集熱器、地熱源、廃熱源、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択される補足エネルギ発生装置。
【請求項６１】
請求項５４の補足エネルギ発生装置であって、前記動力システムは前記エネルギ源から第４熱エネルギを受けて第４有用エネルギ量を発生させ、前記第１有用エネルギ量と、前記第２有用エネルギ量と、前記第３有用エネルギ量と、前記第４有用エネルギ量の合計は前記第４熱エネルギ量の少なくとも約３０％に等しい補足エネルギ発生装置。
【請求項６２】
熱エネルギを有用なエネルギに変換するエネルギ変換装置であって：
一次動力システムと、二次動力システムとを含んでなり、
前記一次動力システムは、
エネルギ源と；
一次作動流体を内部に含むことができる一次流体導管と；
作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ前記作動流体を加圧する一次液体ポンプと；
作動可能に前記一次流体導管に取り付けられエネルギ源から前記一次流体導管内の前記一次流体に第１熱エネルギ量を移送する一次流体熱交換器と；
作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ前記一次流体導管内の前記一次作動流体からに第１有用エネルギ量を抽出する一次流体エキスパンダと；
とを含んでなり、
前記二次動力システムは、
内部に二次作動流体を含むことができる第１流体ループ、第２流体ループ及び第３流体ループを含む二次流体導管システムと；
作動可能に前記二次流体導管システムに取り付けられ前記二次作動流体を加圧する１つ以上の二次流体ポンプと；
前記一次流体導管に関して前記一次流体エキスパンダと前記一次流体ポンプの間に配設され作動可能に前記第１流体ループ及び前記一次流体導管に取り付けられた第１熱交換器であって、前記一次作動流体導管内の前記一次流体から前記第１流体ループ内の前記二次作動流体に第２熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；
作動可能に前記第１流体ループに取り付けられ前記第１流体ループ内の前記二次作動流体から第２有用エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；
作動可能に第２前記流体ループに取り付けられ前記第２流体ループ内の前記エネルギ源から前記二次作動流体に第３熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；
作動可能に前記第２流体ループに取り付けられ前記第２流体ループ内の前記二次作動流体から第３有用エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；
前記第２流体ループに関して前記第２流体エキスパンダの後に配設され作動可能に前記第２流体ループ及び前記第３流体ループに取り付けられた第３熱交換器であって、前記第２流体ループ内の前記二次作動流体から前記第３流体ループ内の前記二次作動流体に第４熱エネルギ量を移送する第３熱交換器と；
作動可能に前記第３流体ループに取り付けられ前記第２流体ループ内の前記二次作動流体から第４有用エネルギ量を抽出する第３流体エキスパンダと；
作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた冷却器であって、前記二次作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力に前記二次作動流体の圧力を減少させる冷却器と；
を含んでなるエネルギ変換装置。
【請求項６３】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記一次作動流体は水であるエネルギ変換装置。
【請求項６４】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記二次作動流体はプロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ変換装置。
【請求項６５】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対KPa（約２５psia乃至約３００psia）であるエネルギ変換装置。
【請求項６６】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記周囲温度は約-45.5℃乃至71.1℃（約５０°Ｆ乃至約１６０°Ｆ）であるエネルギ変換装置。
【請求項６７】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記エネルギ源は化石燃料バーナー、原子炉、太陽熱集熱器、地熱源、廃熱源、水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されるエネルギ変換装置。
【請求項６８】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記第１有用エネルギ量と、前記第２有用エネルギ量と、前記第３有用エネルギ量と、前記第４有用エネルギ量の合計は前記第１熱エネルギ量の少なくとも約３０％に等しいエネルギ変換装置。
【請求項６９】
請求項６２のエネルギ変換装置であって、前記１つ以上の二次流体ポンプは前記二次作動流体を約2068.43絶対KPa乃至約6894.76絶対KPa（約３００ psia乃至約１０００psia）に加圧するエネルギ変換装置。
【請求項７０】
カスケーディング閉ループサイクル（CCLC）に基づいて熱を有用なエネルギに変換する方法であって、以下のステップを含むもの：
A）プロパン一次液流を一次間接式熱交換器に供給し、熱源から得られる熱エネルギを利用して前記プロパン一次液流を蒸発させ；
B）前記蒸発したプロパン一次流を一次膨張タービンの中で膨張させて有用なエネルギを創成し；
C）前記一次膨張タービン出る前記蒸発したプロパン一次流を二次間接式熱交換器に導き；
D）蒸発したプロパン二次流を二次間接式熱交換器の中で過熱し；
E）前記過熱されたプロパン二次流を二次膨張タービンの中で膨張させて有用なエネルギを創成し；
F）前記二次間接式熱交換器を出る前記蒸発したプロパン一次流を流れ混合機に導き；
G）前記二次膨張タービンを出る前記蒸発したプロパン二次流を前記流れ混合機に導き；
H）前記流れ混合機内の前記蒸発したプロパン一次流及び二次流を結合し；
I）前記液体プロパン二次流を蒸発させるために前記蒸発したプロパン結合流を三次間接式熱交換器に導き；
J）前記蒸発したプロパン結合流を復水器に導いて冷却して液化し；
K）前記復水器を出る前記液体プロパンの結合流をポンプに導き；
L）前記ポンプの中の前記液体プロパン結合流を加圧し；
M）前記ポンプから放出された前記液体プロパンの加圧された結合流を前記流れ分離器において一次プロパン流と、二次プロパン流に分離し；
N）前記加圧された液体プロパン一次流を蒸発させるために前記液体プロパン一次流をステップAに導き；
O）前記加圧された液体プロパン二次流を蒸発させるために前記液体プロパン二次流をステップIに導く。
【請求項７１】
請求項７０のエネルギ変換方法であって、ORC媒体はプロピレンであるエネルギ変換方法。
【請求項７２】
請求項７０のエネルギ変換方法であって、ORC媒体は軽質炭化水素であるエネルギ変換方法。
【請求項７３】
請求項７０のエネルギ変換方法であって、ORC媒体は軽質炭化水素の混合物であるエネルギ変換方法方法。
【請求項７４】
請求項７０のエネルギ変換方法であって、前記膨張タービンの吐出圧を制御して前記第三間接式熱交換器の吐出圧をORC媒体の蒸気圧を超えるように維持するエネルギ変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギを発生させる装置と方法に関する。特に、本発明は、従来の動力発生過程から有用な付加エネルギ量を抽出するために従来の動力発生システムと組み合わせて使用されうる特定の装置と流体を使用するカスケーディング閉ループサイクルの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
動力発生に使用される一次過程は空気を加熱するために化石燃料を燃焼させることである。この高温空気、即ち、熱エネルギは次にボイラー内の液体動力発生媒体（通常、水）を暖めるために使用されガス（蒸気）を生成し、この蒸気は発電装置を運転する蒸気タービンを横切るように膨張する。熱エネルギの単位は英国熱量単位、即ち、ＢＴＵである。この様に空気及び／又は水を加熱して発電するのに使用される他のエネルギ源は、核反応からの熱；ガスタービンの排気からの熱；焼却装置の廃物か他の可燃材の燃焼からの熱；を含む。
【０００３】
動力発生に使用される蒸気タービンシステムは一般に閉ループシステムであり、そこでは、加圧された水がボイラー又は熱交換器内で蒸発され、動力が発生するのに従って圧力レベルが減少する蒸気タービン内で膨脹され；復水器か冷却器の中で凝縮されて水に戻され；水はポンプで加圧されてボイラーに戻され、サイクルを繰り返す。この閉ループシステムにおいて蒸気を作る過程において、廃エネルギの2つの主要な源がある。第１源は高温燃焼排ガス（通常加熱された空気）の形態としてボイラーを出る廃熱である。これは、燃焼排ガスの有用な熱エネルギ（熱）のすべてをは使用することができないという水−蒸気変換過程固有のデザインと熱学的特性によるものである。第２源は、蒸気を凝縮して水へ戻す処理の間に大気に消散する蒸発潜熱、即ち、水を蒸気に変換するのに必要であるエネルギ量である。
【０００４】
廃熱の第１例では、ボイラー熱源は（高温燃焼排ガスの形態の）熱エネルギを与えなければならない。この熱エネルギは、水を蒸気に変換するための１０００ＢＴＵ／ｌｂを与えるのみではなく、動力を発生させるために蒸気タービンを駆動するのに十分すぎるエネルギを与えるために、蒸気を十分な高エネルギレベルまで過熱することができるものでなければならない。この蒸気サイクルに関する熱学的な要件は、過熱蒸気を生成するために必要な温度差を元の熱源温度と約２０４乃至２６０°Ｃ（約４００乃至５００°Ｆ）との温度差に制限する。この結果として、ボイラーを出る燃焼排ガスの温度は約２０４乃至２６０°Ｃ（約４００乃至５００°Ｆ）となる。燃焼排ガスのエネルギの一部は、例えば、動力プラントの加熱にそのエネルギを使用し、ボイラー水の予熱にそれを使用し又は他の公知の方法を使用することにより回収されるが、回収される有用エネルギ量は限られる。
【０００５】
廃熱の第２例では、液体状態をガスに変えるのに必要な熱形態のエネルギは液体の熱学的特性によって制御される。流体が蒸気になる時の圧力と関連温度はその流体の蒸気圧と定義される。任意の液体に関し、液体が蒸気になる時の圧力と温度には特定の範囲がある。蒸気圧で液体をガスに変えるのに必要なＢＴＵは「気化熱」と定義される。水の気化熱は約１０００ＢＴＵ／ｌｂである。水が蒸気に変わる蒸気圧において、その蒸気中の残存エネルギ量は蒸気の状態を維持するのに必要な量だけであり、「蒸発熱（又は、蒸発潜熱）」と定義される。蒸気圧点において、蒸気が復水器内で冷やされるか、又は圧力が膨張過程を通して減少するならば、蒸気は蒸発熱を放出して気体状態から液状に戻る。即ち、１０００ＢＴＵ／ｌｂを周囲に放出して冷媒の熱エネルギ、即ち、温度を増加させるだろう。そのように、有用なエネルギが存在するとしても、蒸発熱を含むだけである蒸気から有用なエネルギをほとんど抽出することができない。なぜならば、そのような蒸気がすぐにタービン内での膨脹によりすぐさま凝縮し、劇的な非効率性を引き起こし、ことによるとタービンを傷つける。気化熱の物理現象は従来の動力発生サイクルで廃熱を生じさせる。なぜならば、この熱量は、それが有用な気相に変化する前に液状水に伝達されなければならないが、この熱は有用なエネルギとして抽出されることができないからである。媒体がポンプにより必要な圧力となるように媒体を冷やして液体に戻すと、この潜熱は有用なエネルギ形態として回収されずに放出される。したがって、水を液状に戻す冷媒を介して大気に放出される熱エネルギは廃熱である。
【０００６】
燃料コストが上昇し、エネルギ源が使い果たされているので、熱を有用な動力（電力を含む、本明細書及び特許請求の範囲において同じ）に変換し、化石燃料の燃焼においてより効率的に動力を得ることは最高に重要である。加うるに、化石燃料の燃焼から発生する汚染により引き起こされる環境への負の効果は、生成されるエネルギ量の単位量当たりの発生汚染物質を減少させるように動力プラントを設計するように指向させる。これらの要素は、動力プラントの効率、並びに、動力プラントで発生する廃熱、様々な製造工程からの廃熱及び再生可能エネルギ源からの熱エネルギからエネルギを取り戻すことを高揚させる必要性を創成する。
【０００７】
化石燃料を使用可能なエネルギに変換する動力システムの効率を高める様々な方法と過程が使用されている。これらの効率を高めるシステムは、ガスタービン複合サイクルプラント、コジェネレーション（熱併給動力発生）プラント及び廃熱回収システムを含む。コジェネレーションシステムと複合サイクルシステムは、蒸気を発生させる燃焼の熱を使用することによって、ガスタービン排気、又は低品位熱量燃料源を含む他の化石燃料熱源の廃熱から有用なエネルギを発生させる。動力発生の一次媒体として水を使用するシステムでは、熱源(通常、化石燃料の燃焼により生じる高温燃焼排ガス)の温度は水を蒸発させ熱交換器(ボイラー)内で蒸気を発生させることができるくらい高くなければならない。結果として生じる蒸気は蒸気タービン内で膨張して動力を生成する。蒸気ボイラーは一般に、熱源の初期温度と約２６０°Ｃ（約５００°Ｆ）又はそれ以上の温度との温度差に関連する熱エネルギを回収するように制限されている。なぜならば、これが、蒸気を発生させるために水に効率的な熱エネルギ遷移を与えるのに必要な温度であるからである。さらに、エネルギを蒸気に移すための利用可能な熱は、蒸気の蒸気圧対温度特性によって課される温度差制限によって制限され、そして、約２６０°Ｃ（約５００°Ｆ）近くの温度の熱源を使用することは効率の悪い、最小量の蒸気生産を導く。典型的な蒸気動力発生システムでは、別の熱交換器を使用してボイラー供給水を予熱するために、ボイラーを出る熱源の低温排気（最大で２６０°Ｃ）を使用することができる。しかしながら、放出された空気における限られた量の熱だけが回収可能であり、この熱は、一般に、熱源排気ガスの吐出し温度である最大で２６０°Ｃ（５００°Ｆ）の温度と、水の蒸気圧と温度特性による約２０４°Ｃ（約４００°Ｆ）又はそれ以上の温度との温度差に制限されている。この様にボイラー供給水の予熱のために排熱を使用することはシステムの総合効率を増加させ、いくつかの場合、効率を１０％増加させることがある。
【０００８】
いくつかのコジェネレーションシステム及び複合動力発生サイクルシステムはまた、蒸気タービンシステムと組み合わせた有機ランキンサイクル(ORC)システムを組み込んで、熱源の低温排気流がボイラーから出るときに、その排気流から追加の動力出力を得ることを構想する。有用な動力を発生させるためにＯＲＣサイクルを利用する方法は従来技術で知られている。典型的な方法は、例えば、米国特許第5,570、579号及び第5,664、414号に開示されている。これらの米国特許は参照のために、ここに取り入れられる。これらの従来技術のシステムは正のペンタン、イソペンタン、トルエン、ふっ素化炭化水素その他の冷却剤といった従来のORC媒体を使用する。これらの従来のＯＲＣ媒体は圧力及び温度限界を有し、各媒体の自己点火温度及び蒸気圧対温度特性により高温に耐えることができない。例えば、冷却剤又はトルエンを利用する従来技術のＯＲＣシステムは、ＯＲＣ媒体が昇温状態ではエネルギを吸収することができないため、加熱水を使用する運転に制限される。他の従来技術のＯＲＣ法は、大気圧に近い蒸気圧が効果的であるＯＲＣ媒体を必要とする。他の従来技術のシステムは特定の動力出力範囲に制限され、その他のものは、効率的運転のために、流体ORC媒体を熱交換器に塗布することを必要とする。これらの制限はそれらのORC媒体の有効性と効率を減少させ、その結果、それらが使用される機会を制限し、それらから得ることができる有用なエネルギ出力を制限する。
【０００９】
さらに、大多数のエネルギは、上で説明したシステムなどのように、閉ループシステム(すなわち、水/蒸気などの動力発生媒体が絶えず再循環するシステム)を使用することで生成されるが、動力を発生させる他の方法は動力発生媒体の一定の補給を必要とする開ループ動力源を利用するように開発されてきた。例えば、軽質炭化水素を消費者に送る前に、石油化学プラント又はガスパイプラインに供給される軽質炭化水素の圧力を減少しなければならないところでは、弁内のガス圧を下げること（この場合、エネルギは回収されない）よりもむしろ、電気的動力発生装置、ポンプ又はコンプレッサーを操作する膨張タービン内で高圧ガスを膨張させることにより有用な動力を生成することが知られている。このタイプの技術に関する例は米国特許第4,711、093号及び第4,677、827号において提供されている。これらの米国特許は参照のために、ここに組み込まれる。これらの技術のシステムは動力発生媒体の一定の補給を必要とする開ループシステムであり、プロセス設計の圧力レベルに依存する。
【発明の開示】
【００１０】
第１の実施の形態において、本発明はエネルギ発生方法を提供する。この方法は作動流体を供給し；作動流体の圧力を増加させ；作動流体を少なくとも第１流と第２流を含む複数の流れに分割し；エネルギ源から第１流に第１熱エネルギ量を移送し；次に第１流から第２流に第２熱エネルギ量を移送し；第１流から第１有用エネルギ量を抽出し；第２流から第２有用エネルギ量を抽出し；第１流を第２流に合流させ；第１流と第２流を最小圧力に減圧する；ステップを含む。最小圧力は、作動流体の周囲温度でのほぼ蒸気圧又は該蒸気圧未満である。
【００１１】
この実施の形態では、第１流から第２流に第２熱エネルギ量を移送するステップは、第１流を第２流に合流させる前に第１流から第２流に第２熱エネルギ量の第１部分を移送し；第１流を第２流に合流させた後に第１流から第２流に第２熱エネルギ量の第２部分を移送するステップを含んでもよい。この実施の形態でもまた、第１流から第２流に第２熱エネルギ量の第１部分を移送するステップを第１流から第１有用エネルギ量を抽出するステップの後に実行することとしてもよい。また、さらにこの実施の形態では、第１有用エネルギ量と第２有用エネルギ量の合計は第１熱エネルギ量の少なくとも約２０％に等しくてもよい。
【００１２】
発明のこの実施の形態及び他の実施の形態では、作動流体は、プロパン、プロピレン、軽質炭化水素及びそれらの組み合わせから成る群から選択されてもよい。最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対kPa（約２５psia乃至約３００psia）であってもよく、周囲温度は約−45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°F乃至約１６０°F）であってもよく、エネルギ源は化石燃料エネルギ、核エネルギ、太陽エネルギ、地熱エネルギ、廃熱エネルギ、水素及びこれらの組み合わせから成る群から選択されてもよい。この実施の形態及び他の実施の形態では、作動流体をポンプで約2068.43絶対KPa乃至約6894.76絶対KPa（約３００psia乃至約１０００psia）に加圧することとしてもよい。
【００１３】
別の実施の形態において、本発明はエネルギ発生装置を提供する。この装置は、内部に作動流体を含むことができる少なくとも第１流体導管、第２流体の導管及び結合流体導管を含む複数の流体導管と；作動可能に前記複数の流体導管に取り付けられ前記作動流体を加圧するポンプと；エネルギ源と；作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ、前記エネルギ源から前記第１流体導管内の前記作動流体へ第１熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；前記第１流体導管に関して前記第１熱交換器の下流に置かれて作動可能に前記第１流体導管及び前記第２流体導管に取り付けられ、前記第１流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体まで第２熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ、前記第１流体導管内に前記作動流体から第１有用熱エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；作動可能に第２前記流体導管に取り付けられ、前記第２流体導管内の前記作動流体から第２有用熱エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；作動可能に前記複数の流体導管の少なくとも１つの導管に取り付けられ、前記作動流体の周囲温度での蒸気圧にほぼ等しい又は前記蒸気圧未満の圧力である最小圧力まで前記作動流体圧を減少させる冷却器と；を有する。前記第１流体導管と前記第２流体導管は合流点において結合されて前記結合流体導管を形成する。
【００１４】
この第２の実施の形態において、前記第２熱交換器は、前記第１流体導管に関して前記第１流体エキスパンダと前記合流点の間に配設され作動可能に前記第１流体導管及び前記第２流体導管に取り付けられ、前記第２熱エネルギ量の第１部分を前記第１流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体まで移送する一次第２熱交換器と；前記結合流体導管に関して前記合流点と前記ポンプの間に配設され作動可能に前記第２流体導管及び前記結合流体導管に取り付けられ、前記第２熱エネルギ量の第２部分を前記結合流体導管内の前記作動流体から前記第２流体導管内の前記作動流体に移送する二次第２熱交換器とを含むことができる。前記第２熱交換器は前記第１流体導管に関して前記第１流体エキスパンダの後に配設されてもよい。また、この実施の態様において、前記第１有用エネルギ量と前記第２有用エネルギ量の合計は前記第１熱エネルギ量の少なくとも約２０％に等しくてもよい。
【００１５】
さらに別の実施の形態では、本発明は、熱を有用なエネルギに変換するエネルギ変換方法であって：液状の結合流体流を提供し；前記結合流体流を加圧し；前記結合流体流を一次流体流と二次流体流に分割し；熱源から前記一次流体流に熱エネルギを与えて蒸発させ；前記蒸発した一次流体流を膨脹させて、第１有用エネルギ量を作り出し；前記蒸発させ膨脹させられた前記一次流体流からの熱を移送して前記蒸発した二次流体流を過熱させ；前記蒸発した第２流体流を膨脹させて第２有用エネルギ量を作り出し；前記蒸発させ膨脹させられた一次流体流と前記蒸発させ膨脹させられた二次流体流を混合して結合流体流を形成し；前記結合流体流からの熱を移送して前記二次流体流を蒸発させ；前記結合流体流を凝縮して液状にする；ことを含んでなるエネルギ変換方法を提供する。
【００１６】
この実施の形態では、また、前記結合流体流からの熱を移送して前記二次流体流を蒸発させるステップは、前記結合流体流の圧力を該流体の蒸気圧を超える圧力に維持することをさらに含むこととしてもよい。
【００１７】
さらにまた別の実施の形態では、本発明は熱を有用なエネルギに変換する装置を提供する。この装置は、流体流を搬送する結合流体導管と；作動可能に前記結合流体導管に取り付けられたポンプと；前記ポンプの下流において作動可能に前記結合流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に一次流体導管及び二次流体導管に取り付けられた流れ分離器と；前記流れ分離器の下流において作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に熱源に取り付けられた第１熱交換器と；前記第１熱交換器の下流において作動可能に前記一次流体導管に取り付けられた第１エキスパンダと；前記第１エキスパンダの下流において作動可能に前記一次流体導管の取り付けられ、かつ、作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた第２熱交換器と；前記流体分離器の下流において作動可能に前記二次流体導管に取り付けられ、かつ、作動可能に前記結合流体導管に取り付けられた第３熱交換器と；前記第２熱交換器の下流において作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた第２エキスパンダと；作動可能に前記結合流体導管に、前記第２熱交換器の下流において前記一次流体導管に、かつ、前記第２エキスパンダの下流において二次流体導管に取り付けられた流れ混合機と；作動可能に前記流れ混合機と前記ポンプの間において前記結合流体導管に取り付けられた冷却器と；を含んでなる。前記第３熱交換器は前記結合流体導管に関して前記流れ混合機と前記冷却器の間に配設され、前記第２熱交換器は前記二次流体導管に関して前記第３熱交換器と前記第２エキスパンダの間に配設されている。
【００１８】
また別の実施の形態では、本発明は、エネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率を改善する効率改善方法を提供する。該効率改善方法は、冷却システムからカスケーディング閉ループサイクルシステムの第１ループに第１熱エネルギ量を移送し；前記第１ループから第１有用エネルギ量を抽出し；前記エネルギ源からカスケーディング閉ループサイクルシステムの第２ループに第２熱エネルギ量を移送し；前記第２ループから第２有用エネルギ量を抽出すること；を含む。
【００１９】
この実施の形態では、該効率改善方法は、前記第２ループからの第３熱エネルギ量をカスケーディング閉ループサイクルシステムの第３ループに移送し；前記第３ループから第３有用エネルギ量を抽出する；ステップをさらに含むことができる。この実施の形態においてまた、前記動力システムは前記エネルギ源から第４熱エネルギ量を受けて第４有用エネルギ量を発生させることとしてもよい。前記第１有用エネルギ量、前記第２有用エネルギ量、前記第３有用エネルギ量及び前記第４有用エネルギ量の合計を前記第４熱エネルギ量の少なくとも約３０％に等しくすることができる。
【００２０】
別の実施の形態では、本発明はエネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率改善法を提供する。該効率改善法は、作動流体を供給し；前記作動流体の圧力を増加させ；前記作動流体を、少なくとも第１流と第２流を含む複数の流れに分割し；前記冷却システムから前記第１流に第１熱エネルギ量を移送し；前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出し；前記エネルギ源から第２流に第２熱エネルギ量を移送し；前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出し；前記作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力まで前記作動流体を冷却すること；を含んでなる。この実施の形態においてまた、前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出することは、前記一次第２流から前記第２有用エネルギ量の一部を抽出し；前記二次第２流から前記第２有用エネルギ量の一部を抽出すること；を含んでもよい。この実施の形態では、動力システムは蒸気動力発生システムであってもよい。
【００２１】
また別の実施の形態では、本発明はエネルギ発生方法を提供する。この実施の形態では、該エネルギ発生方法は、第１作動流体を供給し；前記第１作動流体の圧力を増加させ；エネルギ源から前記第１作動流体に第１熱エネルギ量を移送し；前記第１作動流体から第１有用エネルギ量を抽出し；第２作動流体を供給し；前記第２作動流体の圧力を増加させ；前記第２作動流体を少なくとも第１流と第２流を含む複数の流体流に分割し；前記第１作動流体から前記第１流に第２熱エネルギ量を移送し；前記第１流から第２有用エネルギ量を抽出し；前記エネルギ源から前記第２流まで第３熱エネルギ量を移送し；前記第２流から第３有用エネルギ量を抽出し；前記前記第２作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力に前記第２作動流体を冷却すること；を含んでなる。この実施の形態では、前記第２流は一次第２流と二次第２流を含み、前記エネルギ源から前記第２流へ第３熱エネルギ量を移送することは、前記エネルギ源から前記一次第２流に前記第３熱エネルギ量を移送し；前記一次第２流から前記二次第２流に前記第３熱エネルギ量を移送すること；を含むこととしてもよい。さらに、この実施の形態において前記第２流から第３有用エネルギ量を抽出することは、前記一次第２流から前記第３有用エネルギ量の第１部分を抽出し；前記二次第２流から前記第３有用エネルギ量の第２部分を抽出すること；を含むこととしてもよい。この実施の形態では、第１作動流体は水であってもよい。
【００２２】
また、さらに別の実施の形態では、本発明はエネルギ源と冷却システムを有する動力システムの効率改善法を提供する。この実施の形態の該効率改善法は、作動流体を供給し；前記作動流体の圧力を増加させ；前記作動流体を第１流、第２流及び第３流に分割し；前記冷却システムから第１熱エネルギ量を前記第１流に移送し；前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出し；前記エネルギ源から前記第２流に第２熱エネルギ量を移送し；前記第２流から第２有用エネルギ量を抽出し；前記第２流から前記第３流に第３熱エネルギ量を移送し；前記第３流から第３有用エネルギ量を抽出し；前記作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満である最小圧力まで前記作動流体を冷却すること；を含んでなる。この実施の形態では、エネルギ源から第２流まで第２熱エネルギ量を移送するステップは第１熱交換器でエネルギ源から第２流に第２熱エネルギ量の第１部分を移送して、第２熱交換器でエネルギ源から第２流に第２熱エネルギ量の第２部分を移送することを含んでもよい。この実施の形態では、また、前記第１流から第１有用エネルギ量を抽出することは第１エキスパンダにおいて前記第１流を膨脹させることを含み；第２前記流から第２有用エネルギ量を抽出することは第２エキスパンダにおいて前記第２流を膨脹させることを含み；前記第３流から第３有用エネルギ量を抽出することは第３エキスパンダにおいて前記第３流を膨脹させることを含むこととしてもよい。この実施の形態では、動力システムは蒸気動力発生システムであってもよい。
【００２３】
さらに別の実施の形態において、本発明はエネルギ源と冷却システムを有する動力システムから補足エネルギを発生させる補足エネルギ発生装置を提供する。この実施の形態の該補足エネルギ発生装置は、作動流体を内部に含むことができる少なくとも第１流体導管、第２流体導管及び結合流体導管を含む複数の流体導管と；前記複数の流体導管に作動可能に取り付けられ前記作動流体を加圧する１つ以上のポンプと；作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ前記冷却システムから前記第１流体導管内の前記作動流体に第１熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；作動可能に前記第１流体導管に取り付けられ前記第１流体導管内の前記作動流体から第１有用エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；作動可能に第２前記流体導管に取り付けられ前記エネルギ源から前記第２流体導管内の前記作動流体に第２熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；作動可能に前記第２流体導管に取り付けられ前記第２流体導管内の前記作動流体から第２有用エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；前記複数の流体導管の少なくとも１つの導管に作動可能に取り付けられた冷却器であって、前記作動流体の周囲温度における蒸気圧のほぼ等しい又は前記蒸気圧未満である最小圧力まで前記流体の圧力を減少させる冷却器と；を含んでなる。前記第１流体導管と前記第２流体導管は１つ以上の合流点において結合して結合流体導管を形成する。この実施の形態では、前記複数の流体導管がさらに第３流体導管を含み、補足エネルギ発生装置は、作動可能に前記第２流体導管と前記第３流体導管に取り付けられ、前記第２流体導管内の前記作動流体から前記第３流体導管内の前記作動流体に第３熱エネルギ量を移送する第３熱交換器と；作動可能に前記第３流体導管に取り付けられ前記第３流体導管内の前記作動流体から第３有用エネルギ量を抽出する第３流体エキスパンダと；をさらに含むこととしてもよく、また、前記第３熱交換器を前記第２流体導管に関して前記第２流体エキスパンダの後に配設することとしてもよい。この実施の形態ではまた、第２熱交換器を２個の熱交換器とすることとしてもよい。この実施の形態では、動力システムは、さらに、エネルギ源から第4熱エネルギを受けて第4有用エネルギ量を発生させてもよい。第１有用エネルギ量、第２有用エネルギ量、第３有用エネルギ量及び第4有用エネルギ量の合計は第4熱エネルギ量の少なくとも約３０％に等しくすることができる。
【００２４】
また別の実施の形態では、本発明は熱エネルギを有用なエネルギに変換するエネルギ変換装置を提供する。該エネルギ変換装置は、一次動力システムと二次動力装置を含み、一次動力システムは、エネルギ源と；一次作動流体を中に含むことができる一次流体導管と；作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ前記一次作動流体を加圧する一次流体ポンプと；作動可能に前記一次流体導管に取り付けられ前記エネルギ源から前記一次流体導管内に含まれる前記一次流体に第１熱エネルギ量を移送する一次流体熱交換器と；作動可能に前記一次流体導管に取り付けられて前記一次流体導管内の前記一次作動流体から第１有用なエネルギ量を抽出する一次流体エキスパンダと；を含んでなり、二次動力システムは、第１流体ループ、第２流体ループ及び第３流体ループを含む二次流体導管システムであって、二次作動流体を中に含むことができる二次流体導管システムと；作動可能に前記二次流体導管に取り付けられ前記二次作動流体を加圧する１つ以上の二次流体ポンプと；前記一次流体導管に関して前記一次流体エキスパンダと前記一次流体ポンプの間に配設され作動可能に前記第１流体ループ及び前記一次流体導管に取り付けられた第１熱交換器であって、前記一次作動流体導管内の前記一次流体から前記第１流体ループ内の前記二次作動流体に第２熱エネルギ量を移送する第１熱交換器と；作動可能に前記第１流体ループに取り付けられ前記第１流体ループ内の前記二次作動流体から第２有用エネルギ量を抽出する第１流体エキスパンダと；作動可能に前記第２流体ループに取り付けられ前記第２流体ループ内の前記エネルギ源から前記二次作動流体に第３熱エネルギ量を移送する第２熱交換器と；作動可能に前記第２流体ループに取り付けられ前記第２流体ループにおいて前記二次作動流体から第３有用エネルギ量を抽出する第２流体エキスパンダと；前記第２流体ループに関して前記第２流体エキスパンダの後に配設され作動可能に第２前記流体ループ及び前記第３流体ループに取り付けられた第３熱交換器であって、前記第２流体ループ内の前記二次作動流体から前記第３流体ループ内の前記二次作動流体に第４熱エネルギ量を移送する第３熱交換器と；作動可能に前記第３流体ループに取り付けられて前記第２流体ループ内の前記二次作動流体から第４有用エネルギ量を抽出する第３流体エキスパンダと；作動可能に前記二次流体導管に取り付けられた冷却器であって、前記二次作動流体の周囲温度における蒸気圧にほぼ等しい又は該蒸気圧未満の圧力である最小圧力に前記二次作動流体の圧力を減少させる冷却器と；を含んでなる。この実施の形態では、一次作動流体は水であってもよい。この実施の形態ではまた、第１有用エネルギ量、第２有用エネルギ量、第３有用エネルギ量及び第4有用エネルギ量の合計は第１熱エネルギ量の少なくとも約３０％と等しくてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
添付図面の参照することにより本発明をより容易に解釈することができるであろう。
【００２６】
エネルギ源が使い果たされてきており、また、化石燃料の燃焼から発生する汚染は環境に害を及ぼし続けるので、より効率的に電源を開発することは最高に重要である。本発明のカスケーディング閉ループサイクルは、一次動力源として使用できる閉ループ動力発生システムを提供する。ＣＣＬＣと共に、効率改良は、動力発生媒体の蒸発熱を克服するためにエネルギ損失量を減少させ、かつ、利用可能な熱源から熱をより効果的に捕らえて、この熱を有用なエネルギに変換することによって提供される。本発明のスーパー・カスケーディング閉ループサイクル(超CCLC又はスーパーCCLC)は、蒸気タービン他の従来の動力システムを使用して動力を発生させる過程において失われる熱から有用なエネルギを発生させることによって動力発生効率を良くするために、従来の動力システムと関連して使用することができる二次動力源を提供する。超ＣＣＬＣでは、効率改良は、発明の背景欄に記載したように、２つの廃熱源からエネルギを回収することからくる。第１源はボイラーを出る廃熱の回収であり、第２源は凝縮処理の間に放出される廃熱の回収である。
【００２７】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いて熱エネルギを機械的エネルギに特にうまく変換できることを熱学的に示すことができる。超ＣＣＬＣシステムは蒸気タービン動力を発生させる過程において失われる熱を変換するように設計されたＯＲＣである。2002年7月22日に出願された米国特許出願No.10/199,257（この出願の内容は参照のために、ここに組み込まれる）は、カスケーディング閉ループサイクル(CCLC)における流体媒体のようなプロパン、プロピレン又は同等若しくは同様の軽質炭化水素媒体を使用することで有用な動力を発生させるためにORCサイクルを利用する方法を説明する。ここで（本明細書、特許請求の範囲を含む）で使用されるように、用語「流体」は液状、ガス状及び/又は蒸気の状態の材料を意味する。一般に、ここで「流体」として記述される材料は液体、ガス、及び/又は蒸気の状態にいつも残るが、そのような流体はなんらかの情況の下では固化するかもしれないことが理解されるであろうが、ここで説明される発明の操作の間は固化することない。本発明はさらに、蒸気ボイラー（又は他の熱源）から出る廃熱及び蒸気凝縮処理（又は同様の処理）から生じる廃熱を同時に回収する複数の統合ＣＣＬＣシステムを使用することを考案する。
【００２８】
ここで、添付図面を参照して本発明の様々な好ましい実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
1実施の形態では、本発明はエネルギ源から更なる能率を抽出するためにカスケーディング閉ループサイクル(CCLC)を操作するためのユニークな構成と方法を利用する。カスケーディング閉ループサイクル(CCLC)は密閉シールされた閉ループ処理である。図1に示すように、このCCLC100は一次流体流A、二次流体流B及び結合流体流Cを持っている。結合流体流Cは本質的に動力発生媒体の全供給を含み、動力発生媒体は、望ましくは、軽質炭化水素材料、より望ましくは、プロピレン、プロパン又はこれらの材料の組み合わせを含む。一次流体流Aと二次流体流Bは流れ分離器104によって分割された結合流体流Cの一部を含む。
【００３０】
CCLC100は液状の結合流体流Cを必要な初期圧に高める高圧ポンプ102で開始される。(このサイクルはサイクルが絶えず再循環する閉ループシステムであるので、技術的には実際にシステムの「開始」点はなく、この開始点は任意に、かつ、唯一説明を明白にするために選択されたものである。)この点において、結合流体流Cは、ここで状態C1と定義づけられるある物理的性質(圧力、温度及び質量流量)を有する。状態C1と、過程における様々な点における流体流の他の状態は本明細書の他のところで詳細に説明される。次に結合流体流Cは、流れ分離器104によって分割され、状態A1の一次流体流Aと、状態B1の二次流体流Bになる。ここで説明される様々な状態は近似的なものであり、装置の一部はただ一つの状態を持つように役目を与えられるが、その状態においては、摩擦、局部加熱若しくは冷却、流体運動等により温度、圧力等が変化するかもしれない。
【００３１】
一次流体流Aは一次間接式熱交換器106に送られ、そこでは、一次流体流Aは熱源かエネルギ源に露されて蒸発する。熱源かエネルギ源は、化石燃料又は水素の燃焼、核反応、太陽熱、燃料電池、地熱エネルギ、廃熱等の如何なる使用可能な熱源とすることができる。さらに、熱源は他の産業的運転から生じた余熱とすることができる。そのような熱源に関する非制限的な例は、製錬工場、化学処理及び精製システム、乾燥システム、キルン及びオーブン、ボイラー、加熱器、炉、ガスタービン等からの熱である。一次流体流に移送される熱はQ106として識別される。図1では、熱源は化石燃料を燃焼させることによって加熱された空気流(燃焼排ガス)であり、一般に、文字Hによって表示される。燃焼排ガスHは状態Ｈlで一次間接式熱交換器106内に流入し、状態H2でそこから出る。一次間接式熱交換器106を出た燃焼排ガスHを煙道その他同様のものを介して大気に解放してもよい。もちろん、一次間接式熱交換器106としてどんなタイプの熱交換装置も使用することができ、即ち、ここで説明する他の熱交換器、冷却器、凝縮器等も使用できる。特定の熱交換装置の選択は使用される熱源のタイプに依存するかもしれない。例えば、様々な実施の形態では、熱交換装置は空気から液体へ変化する熱交換器、水管ボイラー、シェル（煙管ボイラー）その他同等物とすることができる。そのような装置の選択及び使用法は従来技術で知られている。
【００３２】
いったん蒸発すると、一次流体流Aは状態A2にある。一次流体流は次に状態A3に達するまで一次膨張タービン108(望ましくはターボエキスパンダ)内で膨張させられて有用な第１供給エネルギW108を生成する。一度膨脹させられると、一次流体流Aは二次間接式熱交換器110に送られ、そこでは、一次流体流Aは二次流体流Bに熱を加え、状態A4で出る。一次流体流と二次流体流間の熱伝達はQ110として識別される。最終的に、一次流体流Aは流れ混合機112に排出され、そこで二次流体流Bに結合される。結合した一次及び二次流体流は、状態C2の結合流体流Cになる。
【００３３】
二次間接式熱交換器110は、一次流体流Aの蒸発した流体が一次膨張タービン108を出た後に該一次流体流Aの蒸発した流体に残っている熱を使用することによって、二次流体流Bを過熱する。二次流体流Bは状態B2で二次間接式熱交換器110に入り、状態B3で出る。そして、状態B3を持つ二次流体流Bは第２有用エネルギ供給W116を発生させるために二次膨張タービン116に向けられる。二次流体流は、二次膨張タービン116を通るときに状態B4に変化する。次に二次流体流Bは混合機112の中で一次流体流Aに合流され、以前に説明したように結合流体流Cを形成する。そして、結合流体流Cは三次間接式熱交換器114に向けられ、そこでは結合流体流Cの熱が二次流体流Bに伝達され二次流体Ｂを状態B1から状態B2に変化させ、かつ、結合流体流を状態C2から状態C3に変化させる。結合流体流から二次流体流へ移送される熱はQ114として識別される。結合流体流Cは三次間接式熱交換器114を出た後に凝縮器（復水器）118に向けられ、そこでは、結合流体流Cは状態C4を持つ液体に凝縮される。凝縮器118によって結合流体流Cから熱量Q114が抽出され、水か空気のような適当な冷媒によっても吸収される。結合流体流Cの流体は、いったん凝縮され液状に戻されると、高圧ポンプ102に指向されて、新たなサイクルを開始する。ポンプ102は結合流体流Cを必要な状態C1に加圧する動力量P102を必要とする。
【００３４】
一次膨張タービン108と二次膨張タービン116を、機械エネルギ又は電気エネルギを生産するために速度変化手段を使用するエネルギ発生装置に直列又は並列に接続することができる。代わりに、一方又は両方の膨張タービンを、コンプレッサー、ポンプ、動力発生装置、又は追加の有用エネルギ又は仕事を提供するために使用することができる他の装置に取り付けてもよい。その上、図１のＣＣＬＣは、基本的な考えの範囲内で、追加の熱交換器、復水器、ポンプ又は膨張タービンを含むように変更されてもよい。ポンプ、流れ分離器、熱交換器、膨張タービン、ターボエキスパンダ、復水器及び同等物、並びに、代替装置は従来技術において公知である。その上、これらの様々な装置を取り付けるための技術及び装置もまた従来技術において知られている。
【００３５】
本発明のカスケーディング閉ループサイクルをさらに図2に関して説明する。図2はCCLC動力発生サイクルのモリエ線図(すなわち、圧力対エントロピ線図)である。図2において、縦軸250は圧力を示し、横軸252はエントロピ(すなわち、1ポンドあたりのBTU)を示し、また、作動流体の飽和曲線256と共に多数の等温線254を示している。望ましくは、図2の実施の形態における作動流体はプロパンである。図2でも、図1の結合流体流Cは二重線Cで描かれ、一次流体流Aは単線Aで描かれ、二次流体流Bは破線Bで描かれている。見やすくするために、流体流を表示する（複数の）線は、ある位置において互いに明確に区別できるように分離されている。これもまた見やすくするために、図2のそれぞれのポイントは、図1に関して上で説明した1つ以上の状態(例えば、状態C1、状態C2、状態A1、状態B1など)の温度と圧力を象徴的に表す。見やすくするために単点が使用されるが、当業者であれば、これらの各点で表される様々な状態は実際では、互いに離れた位置にあるかもしれないことを認識することができるであろう。
【００３６】
図2のCCLCは、この議論の目的のために、ポイント（点）201(状態A1、B1、及びC1に相当する)で始まる。このポイントにおいて、結合流体流Cは高圧ポンプ102によって加圧され、別々の流れに分割される。状態C1、A1及びB1はほとんど同じであり、いくつかの差違はポンプ損失、摩擦等に起因する差違である。第１流体流Aと第２流体流Bは、ポイント201から始まって、別々の径路に沿って処理される。第１流体流Aは、一次間接式熱交換器106内の燃焼排ガスHからの熱を吸収することによって、ほとんど一定の圧力でポイント202(状態A2)まで加熱される。第１流体流Aは次に、本質的に一定のエントロピ線(図示省略)に沿ってポイント203(状態A3)に達するまで一次膨脹タービン108内で膨張する。次に、第１流体流Aは、二次間接式熱交換器110内の二次流体流Bに放熱することで、ほぼ一定圧力下でポイント204(状態A4)まで冷やされる。このポイントにおいて、一次流体流Aは二次流体流Bに混ぜられ、もう一度結合流体流Cになる。
【００３７】
二次流体流Bもポイント201(状態B1を表す)で始まり、三次間接式熱交換器114内の結合流体流Cから熱を吸収することによって、ほぼ一定圧力下でポイント205(状態B2)まで加熱される。次に、二次流体流Bは二次間接式熱交換器110内の一次流体流Aから熱を吸収することによって、ほぼ一定圧力下でポイント206(状態B3)まで加熱される。二次流体流Bは次に、ポイント204(状態B4)に達するまで本質的に一定のエントロピ線(図示省略)に沿って二次膨脹タービン116内で膨張し、該ポイント204において、一次流体流Aに混合されて結合流体流Cを形成する。
【００３８】
結合流体流Cは、一端結合されると、上述したように第三間接式熱交換器114内の二次流体流Bに放熱することで、ほぼ一定圧力下でポイント207(状態C3)まで冷やされる。結合流体流Cはさらに凝縮器118によってポイント208(状態C4)に達するまで冷やされる。ここでも、点２０７から点２０８までの冷却は比較的一定圧力下で起こる。結合流体流が液状に冷やされた後に、高圧ポンプ102はそれを比較的一定の温度でポイント201(状態C1)へ圧送し、新たなサイクルが始まる。
【００３９】
流体流の様々な状態を慎重に選択し制御することによって、本発明は、従来の蒸気動力発生システムと比べると、非常に効率的な動力発生を提供するために使用されうる。下の表1は、図1で識別される様々な状態の好ましい実施の形態に関する近似値と、該好ましい実施の形態の操作に関連する他のデータとを提供する。表1における作動流体はプロパンである。表１及び明細書の他の箇所に示すデータは発明の好ましい実施の形態を表すが、これらの値を、発明の範囲及び技術的思想を逸脱することなく、変更し、あるいは、特定の運転システム又は運転要件に適合させてもよいことが理解される。
【表１】
2005533972.tif 000003
【００４０】
表１に提示されるＣＣＬＣの実施の形態の効率は、正味動力（Ｗ１０８＋Ｗ１１６−Ｐ１０２）を熱源（Ｑ１０６）からシステムに入る熱で除すことによって計算される。本発明の効率は従来の動力システムの効率をはるかに超えることが判明した。このより大きな効率を利用して動力出力を増加させ又はリソース消費を抑えることができ、また、その大きな効率を容易に利用して重要な環境的利点を、放出低減（汚染物質の量と、高温排気によって引き起こされる熱公害の両方の低減）及びリソース保護の増加という２つの形態として提供することができる。この効率改良の他の恩恵は記載することができないくらい多数ある。しかし、これらの恩恵は当業者であれば容易に理解できるであろう。好ましい実施の形態では、ＣＣＬＣの効率は少なくとも約１７％、より望ましくは、少なくとも約２０％である。その上、表１に見られるように、本発明の好ましい１実施の形態における効率はほぼ２２％であることがわかった。この効率は、比較的費用のかかる複雑な従来技術の蒸気動力発生システムによって得られる効率よりもかなり大きい。そのような従来技術の蒸気動力発生システムの１例を図３に示す。
【００４１】
図3の従来技術の蒸気システム300では、文字Sで示す水流体の流れ（水流体流）はシステム300を通して循環する。ポンプ202は水流体流を状態S1に加圧する。ポンプ２０２は、水を加圧するために、ある動力量Ｐ２０２を必要とする。加圧水は次に、燃焼排ガス２２０他の従来の熱源によって間接的熱交換器２０４で加熱されて状態Ｓ２を有する蒸気に気化される。燃焼排ガス220は状態H1で間接式熱交換器204に入り、状態H2で出て、水流体流Sに熱量Q204を伝達する。蒸気は次に膨脹タービン206に指向され、そこで、状態S3まで膨脹させられ、有用エネルギ供給W206を生成する。蒸気は、状態S4を持つ液体になるまで凝縮器208又は他のタイプの冷却器内で冷やされる。この冷却過程の間、蒸気を液体に凝縮するために蒸気から熱量Ｑ２０８を取り除かなければならない。表２は、図３の従来技術の蒸気システム３００の様々な状態と他の変数に関する典型的な最適化された近似値を示す。
【表２】
2005533972.tif 000004
【００４２】
表２に示すように、従来技術の蒸気サイクルは、図１、２及び表１で説明したＣＣＬＣと同じ熱入力を受ける。両方のシステムは熱源として399℃（７５０°Ｆ）、170.3絶対KPa（２４.７psia）の燃焼排ガスの供給を378,205Kg/h（８３３,３００lb／h）の割合で受ける。しかしながら、従来技術の蒸気サイクルは１６.０％の効率（（Ｗ２０６−Ｐｌ０２）／Ｑ２０４）を有する。これに比べ、ＣＣＬＣでは２１.９％の効率であるので、ＣＣＬＣは従来技術の蒸気システムよりも約３３％アップした効率を提供する。若干圧縮性を有する液体プロパンか同等な軽質炭化水素によりＣＣＬＣシステムが必要とする追加ポンピングエネルギにもかかわらず、このより高い効率は提供される。
【００４３】
本発明は、作動流体として水よりむしろプロパン他の軽質炭化水素を使用して作動するという部分的理由により、この顕著な効率増加を供給することができる。プロパンは、動力発生サイクルに使用されたときに水よりも多数の長所を提供するという特性を有することが発見された。どんな動力発生サイクルでも、作動流体(通常水)は、液体のときにポンプで加圧され、加熱されて気化され、さらに加熱されて蒸気に大きなエネルギを与え、有用なエネルギを得るために膨張(減圧)され、冷却され液化されてサイクルにポンプで圧送されなければならない。明細書の別の箇所で留意したように、流体を液体から気体に変えるのに必要なエネルギ量は有用なエネルギに変換されないで本質的には失われる。プロパンは有利なことに比較的低い蒸発熱(水の約1/7)を有するで、液体プロパンをガス状プロパンに変えるのにより少ないエネルギしか要しない。このため、従来技術の蒸気ベースの動力システムに比べ、エネルギをかなり節約することができる。
【００４４】
本発明はまた、比較的高い効率を得るのに貢献する他の特徴を有する。例えば、プロパンを約1379絶対KPa（約２００psia）の最小圧力に維持することによって、高温動力発生システムにおいてプロパンを実際に使用することができることが発見された。この圧力はプロパンが室温（すなわち、プロパンの蒸気圧）で凝縮する大体の圧力である。最小圧力を作動流体の蒸気圧以下に保つことによって、作動流体を液体に凝縮するために活動的冷却(すなわち、冷凍)を必要とすることなく、システムを典型的な気候条件で操作することができる。実際には、与えられた周囲温度に関して、最小圧力を作動流体のほぼ蒸気圧にすることで十分であろう。当業者にとって明白であるように、周囲温度での予期される変動又は予期されない変動に対応してシステムの総合効率を最大にするため又は他の理由により、最小圧力の何らかの変化を許容してもよい。プロパンの最大圧力もまた、望ましくは、調整される。ポンプを出るプロパンの圧力を変化させて、熱源からの利用可能なエネルギと、流体を特定の圧力までポンプで加圧するのに必要な仕事とに関するターボエキスパンダの膨張比を最適化することとしてもよい。好ましい実施の形態では、プロパンの最大圧力は約2068．43絶対Kpa乃至約6894.76絶対Kpa（約３００psia乃至約１０００psia）であるが、情況によって他の圧力を使用することとしてもよい。当業者であれは、この目的又は他の目的を得るためにプロパン圧を最適化することができるであろう。
【００４５】
プロパンの水よりも低い蒸発熱によって与えられるプロパンの別の有利な特性は、タービン内で膨脹するためのより多くの余剰エネルギを生産するために、プロパンを37.8℃乃至537.8℃（100°F乃至1000°F）の温度範囲に過熱することができる(すなわち、より多くの熱を回収することができる)ということである。実際、プロパンは、標準周囲温度に近い温度において、利用可能な熱を回収することができ、低温熱源から動力を発生させることにCCLCを使用することができるようになる。そのように、本発明のＣＣＬＣを、蒸気システム他の高温システムに代えて、あるいは、低温ＯＲＣシステムに代えて使用することができる。
【００４６】
本発明の高効率はまた、連続する複数のタービンが1つの流体流から次の流体流へと熱源から得られるエネルギを「カスケード」することによって操作されるというユニークなカスケーディングタービン構成によって部分的に提供される。さらに、本発明の高効率は、二次流体流を予熱するユニークな三次間接式熱交換器構成によって部分的に提供され、より大きな効率増加が与えられる。
【００４７】
ＣＣＬＣは、効率の増加に加え、従来技術の蒸気システムに追加的な性能の利点を提供する。例えば、CCLCの効率は熱源(熱源がプロパンを蒸発させることができるくらいの温度のものであるとき)の圧力の変化又は圧力の高度位置の変化によって悪影響を受けることがない。なぜならば、作動流体はそれ自身の環境内に密封されているからである。もちろん、ＣＣＬＣを作動させる熱源は前記高度による悪影響を受け、それに対応して動力出力の減少に通じることとなってもよいが、ＣＣＬＣの効率は実質的に同じままで残っているであろう。
【００４８】
さらに、ＣＣＬＣの動力出力は、周囲温度が低下するのに従って増加する。なぜならば、周囲温度が低下するのに従って、凝縮が始まる圧力がまた低下するためである。そのように、より低温環境で作動するとき、プロパン圧の下限を下げることができると共に、同じレベルでのプロパンの残圧を維持することができる。これがなされるので、プロパンの圧力差は増大し、ターボエキスパンダの膨張比も、このより広い圧力範囲に渡って利用可能な追加エネルギ量を利用して増大することができる。この長所はまた、周囲空気よりも冷たい凝縮媒体を使用することによって実現されてもよい。例えば、冷水（例えば、4.4℃（４０°Ｆ）のもの）がプロパンを液体に凝縮する冷媒として使用されるならば、プロパンが対応する低圧で凝縮するという事実を利用して低い背圧でターボエキスパンダを操作するようにシステムを変更することとしてもよい。対照的に、従来技術の蒸気システムは温度から主に独立している。この特徴はＣＣＬＣシステムをより寒い気候において使用することをさらに望ましくする。周囲温度の広範囲の変化なしで使用されると本発明は効率的であるだろうと予期されるが、プロパン（又は他の媒体）の最小圧力を動力発生設備の特定の周囲温度におけるほぼ蒸気圧以下に変更することが望ましいかもしれない。望ましくは、周囲温度は約-45.5℃乃至約71.1℃（約−５０°Ｆ乃至約１６０°Ｆ）の間であり、最小圧力は約172.37絶対KPa乃至約2068.43絶対KPa（約２５psia乃至約３００psia）に可調整である。もちろん、これらの範囲限定は制限的なものではなく、そして、システムのために期待される特定の作動条件を利用してこれらの範囲未満又はその範囲を超える圧力を有するように本発明を容易に変更することができる。
【００４９】
本発明のＣＣＬＣはまだ他の長所を提供している。例えば、本発明のＣＣＬＣシステムを従来の蒸気動力発生システムの費用と同じ費用又はそれよりも安い費用で構築することができる。これは高価な蒸気タービンよりむしろ比較的安価なターボエキスパンダを使用することでプロパンを膨張させることができるからである。しかしながら、万が一、ＣＣＬＣの工事費が従来の動力システムのものを超えたとしても、ＣＣＬＣのより高い効率はまた、より低い運転経費及び／又はより高い動力出力のため、いかなる過剰製造コストを取り戻すことができる。本発明と共に使用されてもよい典型的なターボエキスパンダは、ＧＥパワースシステムズ（GE Power Systems）, ＡＢＢアルストム（ABB Alstom）, アトラス・コプコ（Atlas Copco）, マフィ・トレンチ（Mafi Trench）、ＧＨＨボルシグ（GHH-Borsig）から商業的に利用可能なものを含む。これらのターボエキスパンダはどんなデザインのものであってもよく、１実施の形態では、ターボエキスパンダは遠心力タイプのエキスパンダである。
【００５０】
ＣＣＬＣはまた多数の動作上の利益を提供する。従来の蒸気システムは、水の中の鉱物によって引き起こされる水垢の蓄積を防止又は低減するために周期的な掃除及び化学処理を必要とする。蒸気システムを、蒸気が大気に比べて真空（低圧）となるように運転することができ、その場合、空気他の汚染物質がシステムに入ることを許し、効率を減少させる。典型的な蒸気システムでは、水は汚染物質を取り除くために排出されかつシステムを維持するために一定の間隔で取り替えられなければならない。これは貴重な水資源の大消費をもたらす。対照的に、ＣＣＬＣシステムは比較的純粋なプロパンに関して密封され、掃除や維持がほとんど必要とされない。さらに、CCLCは、蒸気システム(すなわち、状態S3の温度)よりも低廃熱吐出し温度(すなわち、状態C3の温度)で作動し、このことは、湖や川などの自然水源によってCCLCを冷やすことを可能にすると共に、熱汚染生成を最小限にする。ＣＣＬＣはまた大気圧を超えて全体的に作動し、汚染物質がシステム内に入り込む可能性を排除し、かつ、システム維持するために水資源を消費するという必要性を排除する。ＣＣＬＣもまた従来のシステムと同じ圧力範囲で作動するので、従来の建設手法と配管技術を使用することで作ることができる。
【００５１】
別の１実施の形態では、従来の蒸気システム他の熱源と関連して本発明を使用することができる。この実施の形態では、本発明は、廃熱を使用可能な動力に変換するスーパー・カスケーディング閉ループサイクル(超CCLC)を含む。１実施の形態では、この超ＣＣＬＣシステムは、ボイラー排気からの廃熱と、凝縮処理からの廃熱を、これらの熱源の温度がプロパンを蒸発させるほど高い限り、有用な出力に変換することによって、プロパン又は同等な軽質炭化水素媒体を使用するカスケーディング膨張タービンおいて動力を精製する。本発明は1つ又は２つ以上の間接的熱交換器、膨張タービン、流れ混合機、凝縮ユニット、ポンプ、及び蒸気ボイラーと蒸気タービンと関連して作動する流れ分離器から成る。蒸気タービンが真空設計である場合、蒸気タービンは、望ましくは、背圧が約172.4絶対KPa（約２５絶対psi）に制御された背圧蒸気タービンとして運転されるように変更され、真空凝縮システムは変更され、排除され又は迂回される。蒸気が水に凝縮するときに蒸気の蒸発熱を吸収するために真空復水器に代えて、プロパンを気化させる熱交換器がインストールされるだろう。
【００５２】
蒸気ボイラーからの空気排気は空気プロパン（空気からプロパンへ熱を伝達する）熱交換器に向けられ、蒸気タービンからの排気は蒸気プロパン（蒸気からプロパンへ熱を伝達する）復水器に向けられる。蒸気ボイラーを出る廃熱は、１個以上のポンプを使用することで加圧されたプロパンを蒸発させる。蒸気タービン排気からの熱は、１個以上のポンプを使用することで加圧された液体プロパン流を蒸発させる。加圧された液体プロパン流は複数の間接的熱交換器内で蒸発し、かつ、複数のターボエキスパンダの中で膨張する。プロパンからプロパンへ熱伝達する熱交換器を使用して追加熱を回収するのにターボエキスパンダからの排気熱を使用することができる。これらのターボエキスパンダを、ゼネレータ、ポンプ、又は変速手段を用いるコンプレッサーなどの複数の動力発生装置に直列又は並列に接続することができる。発電機のような発電装置と、それらの装置をターボエキスパンダ、タービン等に取り付けるのに使用する装置などは当該技術分野においてよく知られている。
【００５３】
超ＣＣＬＣシステムの１実施の形態を図４に概略的に示す。図4の超CCLCシステム400は、二重線によって示されかつ文字Sで示される蒸気ループと、単線によって示されかつ文字A乃至Eで示されるマルチループCCLCシステムを含む。図4の超CCLC 400は蒸気ループに関して作動するように示されるが、本発明の超CCLC構成をまた他のタイプの動力発生システムと熱源で作動させることとしてもよい。実際に、超ＣＣＬＣの様々な実施の形態は、上で説明された熱源又は他の熱源を含むいろいろな装置又はシステムによって発生する廃熱から動力を発生させるように適合されうる。その上、本発明の超ＣＣＬＣ（又は、ＣＣＬＣ）の実施の形態は様々な異なったサイズを有するように作られてもよく、また、機器のためにかなりの動力発生を提供することができるくらい大きく、又は携帯用発電装置として作用し若しくは自動車、トラック、列車、船、航空機等に原動力及び／又は補助動力を提供するようにコンパクトに作られてもよい。
【００５４】
図4の蒸気ループの操作は、ウォータポンプ402が水流Sを状態S1に加圧するときに始まる。ウォータポンプ402は水流Sを加圧するために、ある量の動力P402を必要とする。加圧された水流Sはボイラー404内で、燃焼排ガスなど(文字Hによって指定される)のよう熱源であって、ボイラーに状態H1で入り、そこから状態H2で出る熱源により状態S1から状態S2に加熱される。水流Ｓによって吸収される熱はここではＱ４０４として指定される。次に水流S(状態S2の過熱蒸気である)は次に蒸気タービン406に指向され、そこでは、水流Ｓは状態S3に膨張し、プロセスにおいて有用エネルギ量W406を発生させる。水蒸気Sは次に一次間接式熱交換器408に通され、そこでは、熱Q408が(以下で説明されるように)超CCLCシステム400のCCLC部分の第１ループ流Cに移送される。望ましくは、一次間接式熱交換器408内の水流Sからの熱伝達は水流Sを部分的又は完全に凝縮させて気相(状態S3)から液体状態S4にする。しかしながら、より少ないの熱伝達量を使用してもよい。補足凝縮器(図示省略)を一次間接式熱交換器408の後に供給することができ、水流Sをさらに冷却してそれをより完全に液体に凝縮することができる。このポイントにおいて、水流Ｓはウォータポンプ４０２に戻されて新たなサイクルが始まる。
【００５５】
発明の1実施の形態では、前記蒸気ループにそれが従来の蒸気動力システムとして操作されるようにするバイパスシステムを設けることとしてもよい。これは、例えば、システムのＣＣＬＣ部分をアップデートし、変更し又は修理することが必要であるときに、望ましい。そのような実施の形態では、1つ以上の迂回バルブ434を設けて、水流を一次間接式熱交換器408よりむしろ凝縮器408'を通るように向け直し、次にウォータポンプ402に向けてサイクルを再び開始することができる。そのような実施の形態において、復水器408’は水から熱Ｑ４０８’を抽出してそれを状態Ｓ４’にする。当業者であれば理解できるように、もちろん他の弁（図示省略）を用いて水流Ｓのルートを完全に変えることができる。この迂回ルートをまたＣＣＬＣの初期スタートの間に使用することができる。
【００５６】
超CCLCシステム400のマルチループCCLC部分は、主結合流体流A又は複数の結合した流れから発する3つのループを含む。好ましい実施の形態では、流体流を含む作動流体はプロパンか別の軽質炭化水素である。主結合流体流Aは二次結合流体流Bと第１ループ流Cに分割される。二次結合流体流Bは、さらに、第２ループ流Dと第３ループ流Eに分割される。有用なエネルギは第１、第２及び第３ループ流(C、D及びE)のそれぞれから抽出され、これらの流れは再結合して再び主結合流体流Aを形成して新たなプロセスを始める。それらの流れが結合されるときに、ループ流の流体を混ぜ合わせることが好ましいが、ループ流(又は発明の他の実施の形態の様々な流れ)を代わりに互いからいつも隔離することとしてもよいことが理解され、その場合、それぞれの流体流に対して別々のポンプが必要である。第１、第２及び第３ループ流が有用なエネルギを生成するプロセスを以下に詳細に説明する。
【００５７】
第１ループ流Cは状態C1で始まり、そのポイントでは、望ましくは、第１ループ流Cは液体である。第１ループ流Cは、第１高圧ポンプ414により状態C2に圧縮される。このポンピングプロセスは、ある仕事量P4l4の入力を必要とする。第１ループ流Cは次に第１間接式熱交換器408に指向され、ここでエネルギ量Q408を吸収して状態C3の蒸気になる。第１ループ流Cは次に第１ターボエキスパンダ416に入り、そこで膨脹して状態C4になり、ターボエキスパンダ416を駆動してそれに有用なエネルギW416を生成させる。膨脹させられた第１ループ流Cは次に混合機418において第２及び第３ループ流(D、E)に混入される。第２及び第３ループ流は、以下に説明するように、それぞれ各サイクルの終わりにあり、主結合流体流Aを形成するところである。図4からわかるように、第１ループ流Cは蒸気ループSからの廃熱Q408から主として熱を受ける。この熱は通常いかなる有用な仕事を成すことなく完全に失われるが、超CCLCにおいては、それは有用なエネルギに部分的に変換されるので、その変更されていないシステムの効率を改善する。
【００５８】
図4の実施の形態では、二次結合流体流Bは、第２高圧力ポンプ420により状態B1から状態B2に加圧される。このプロセスはある仕事量P420の入力を必要とする。二次結合流体流Bは、加圧された後に、第２流れ分離器422によって第２ループ流Dと、第３ループ流Eとに分割される。図示の構成を使用して、第２及び第３ループ流の両方を加圧するのに単一のポンプを使用することができる。他の実施の形態では、第２及び第３ループ流を別々に加圧することとしてもよいし、第１、第２及び第３ループ流がそれぞれのループ流に分割される前に、第１、第２及び第３ループ流を単一のポンプ又は1セットのポンプによって加圧することとしてもよい。もちろん、他のポンプ構成を使用してもよい。理想的には、ポンプ構成は、流体をポンプで加圧するのに必要な仕事量を最小にし、かつ、システムの総費用を削減するように選択される。ポンプ構成は、流れの必要な流量、様々な容量のポンプのポンプ効率、及び様々な容量のポンプのコストといった要素に基づくこととしてもよい。ポンプ構成は様々なループ流の必要な圧力（流れは同一のポンプ又は１セットのポンプによって加圧された同一又は同様の必要な圧力を有する）によって影響を受けるかもしれない。当業者であれば、過度の実験を行うことなく、本発明の様々な実施の形態に関してこの最適化を実施することができるであろう。
【００５９】
第２ループ流Dは、望ましくは加圧された流体として流れ分離器422から出て来て状態D1で始まる。図4に示すように、第２ループ流Dは、蒸気ループボイラー404を出た燃焼排ガスH(又は他の熱源)によって加熱される。以前に留意したように、従来技術のシステムでは、燃焼排ガスに含まれるエネルギは、通常、燃焼排ガスから実質的にいかなる利益を受け取ることなく失われる。しかしながら、超CCLCにおいては、1つ以上の熱交換器を使用して燃焼排ガスHから第２ループ流Dまで熱が伝達される。図4の実施の形態では、２つの熱交換器が使用される。第２ループ流Dは第１間接式熱交換器428で予熱され、そこで燃焼排ガスHから熱量Q428を吸収するので状態D1から状態D2に変化する。この熱伝達は、燃焼排ガスHを状態H3から状態H4に冷やす。第２ループ流Dは第３間接式熱交換器430内で燃焼排ガスHによってさらに加熱され、そこで熱量Q430を受けて状態D3で出る。この熱交換器換は、燃焼排ガスＨを状態H3から状態H2に冷やす。次に、第２ループ流Dは第２ターボエキスパンダ432に指向され、そこで状態D4に膨脹して有用なエネルギW432を生成する。膨脹した第２ループ流Dは第４間接式熱交換器424を通り、そこで第３ループ流Eに熱を伝達して、状態D4から状態D5に冷やされる。最終的に、第２ループ流Dは流れ混合機418内で第１及び第３ループ流(CとE)に混ぜられる。
【００６０】
第３ループ流Eは流れ分離器422から状態E1で出て来る。第３ループ流Eは第4間接式熱交換器424を通り、ここで第２ループ流Dから熱量Q424を吸収する。この熱交換器換は第３ループ流Eを蒸発させてそれを状態E2にする。第３ループ流Eは、一度蒸発すると、第３ターボエキスパンダ426に指向され、そこで状態E3に膨脹して有用なエネルギW426を生成する。最終的に、第３ループ流Eは流れ混合機418で第１及び第２ループ流(CとD)に混ぜられる。
【００６１】
図4に示すように、第１、第２及び第３ループ流(C、D、及びE)はそれぞれの状態(C4、D5、及びE3の状態)で結合され一次結合流体流Aを形成する。一次結合流体流Aは状態A1として均質化される。一次結合流体流Aは凝縮器410に通されて適当な冷媒に熱量Q410を放出して状態A2に変化する。状態A2は望ましくはポンプ加圧を容易にする液体状態である。一次結合流体流Aは、凝縮器410で冷却された後、状態B1である二次結合流体流Bと、状態C1である第１ループ流Cに分割される。ここから、プロセスは新たに始まる。以前に留意したように、本発明に様々な異なるポンプ構成を使用してもよく、また、これらの異なるポンプ構成に流れを供給するその他の流れ分離器を使用することとしても良い。
【００６２】
１つ以上のターボエキスパンダ４１６，４２６，４３２と、蒸気タービン４０６を、ゼネレータ、ポンプ又は速度変更手段を使用するコンプレッサーなどの複数の動力発生装置に直列又は並列に接続することができる。発電機のような動力発生装置と、それをターボエキスパンダ、タービン等に取り付けるのに使用する装置は当該技術において公知である。
【００６３】
ここで図５と６について言及して超ＣＣＬＣプロセスを詳細に説明する。図５と６はそれぞれ超ＣＣＬＣの蒸気部分とＣＣＬＣ部分のモリエ線図である。図５において、縦軸５５０に圧力を表し、横軸５５２にエントロピを表し、そして多数の等温線５５４を水の飽和曲線５５６と共に示す。同様に、図６において、縦軸６５０に圧力を表し、横軸６５２にエントロピを表し、そして多数の等温線６５４をプロパンの飽和曲線６５６と共に示す。図5において、図4の水流Sを線Sとして描いている。図6において、図4の一次結合流体流Aを三重線Aとして描き、二次結合流体流Bを二重破線Bとして描き、第１ループ流Cを実線Cとして描き、第２ループ流Dを破線Dとして描き、第３ループ流Eを破線Eとして描いている。図面を見やすくするために、流体流を表す（複数の線）をある位置において互に離間させて区別可能にしている。これもまた図面を見やすくするために、図5と6のそれぞれの点（ポイント）は図4に関して上で説明した1つ以上の状態(例えば、状態A1、状態B1等)の温度と圧力を象徴的に表す。図を見やすくするために、これらの図において単点を用いるかもしれないが、当業者であれば、各点によって表される様々な状態が実際には離間して位置されるものであることを理解できるであろう。
【００６４】
図4の超CCLCは、この議論の目的のために、ポイント501(状態A1、B1、及びC1に対応している)で始まり、このポイントにおいて、水流Sはウォータポンプ402によって状態S1に加圧されている。水流Sは、ボイラー404内の燃焼排ガスHから熱Q404を吸収することによって、ほぼ一定の圧力下で、ポイント502(状態S2)まで加熱される。ここから、水流Sは蒸気タービン406内で本質的に一定エントロピ(図示省略)の線に沿ってポイント503(状態S3)まで膨脹させられて有用なエネルギW406を生成する。水流Sは次に比較的一定の圧力下でポイント504(状態S4)まで冷やされ、この間に水の流は気相から液状へと凝縮する。この冷却ステップの間に、水流Sのエントロピは、図4で示されるように、エントロピ(熱)を水流SからシステムのCCLC部分の第１ループ流まで移送することにより減少する。一度冷やされと、ウォータポンプ402は比較的一定の温度で水流Sをポイント501(状態S1)まで加圧し、新たなサイクルが始まる。図5で示される蒸気サイクルは、ポイント503からポイント504に冷却する間に水流Sから熱Q408を抽出する媒体が主として異なることを除き、従来の蒸気動力システムの蒸気サイクルと同様である。
【００６５】
超CCLCのCCLC部分は、この議論の目的のために、ポイント601(状態A2、B1及びC1に相当する)で始まり、このポイントにおいて、一次結合流体流Aが初めに二次結合流体流Bと第１ループ流Cに分割される。これらのすべての流体流は液体状態である。第１高圧のポンプ414は、比較的一定の温度で、第１ループ流Cをポイント602(状態C2)まで加圧する。第１ループ流Cは次に、第１間接式熱交換器408からの熱Q408を吸収することによって、ポイント603(状態C3)までほぼ一定の圧力で加熱されて蒸発する。第１ループ流Cは、一度蒸発すると、ターボエキスパンダ416内で一定のエントロピ線(図示省略)に沿ってポイント604(状態C4)まで膨脹し、有用なエネルギW4l6を発生させる。ポイント604から、第１ループ流Cは他のループ流に混ぜられてポイント605(状態A1)で一次結合流体流Aを形成する。
【００６６】
その間、第２高圧ポンプ420は、比較的一定の温度で二次結合流体流Bをポイント606(状態B2、D1、及びE1に相当する)まで圧縮する。このポイント606で、二次結合流体流Bは第２ループ流Dと第３ループ流Eに、それぞれ状態D1とE1で、分割される。ここから、第２及び第３ループ流(DとE)は別々の径路に沿って処理される。第２ループ流Dは、最初に、第２間接式熱交換器428内でほとんど一定の圧力下で燃焼排ガスHによってポイント607(状態D2)まで加熱される。第２ループ流Dは次に、ここでもほぼ一定の圧力下で、第３間接式熱交換器430の中の燃焼排ガスHによって、さらにポイント608(状態D3)の蒸気になるまで加熱される。次に、第２ループ流Dは、第２ターボエキスパンダ内でそれがポイント609(状態D4)に達するまで、本質的に一定のエントロピ線(図示省略)に沿って膨脹させられて、有用なエネルギW432を生成する。図6からわかるように、ポイント609において、第２ループ流Dは、その比較的高いエントロピ値によって示されるように、比較的多量の内部エネルギをまだ含んでいる。このエネルギは第4間接式熱交換器424内の第３ループ流Eに放出され、第２ループ流Dを比較的一定の圧力下でポイント610(状態D5)まで冷やす。ここから、第２ループ流Dは他のループ流に混ぜられてポイント605(状態A1)で一次結合流体流Aを形成する。
【００６７】
第３ループ流Eは、ポイント606から始まり、ポイント611(状態E2)に達するまでほとんど一定の圧力下で第4間接式熱交換器424内の第２ループ流Dにより加熱される。ポイント611では、第３ループ流Eの状態は蒸気である。ここから、第３ループ流Eは第３ターボエキスパンダ426内で本質的に一定のエントロピ線(図示省略)に沿って膨脹させられて、有用なエネルギW426を生成する。第３ループ流Eはポイント612(状態E3)で第３ターボエキスパンダ426を出て、次に他のループ流に混ぜられて、ポイント605(状態A1)で一次流体流Aを形成する。
【００６８】
3つのループ流が結合されてポイント605(状態A1)で一次流体流Aを形成した後に、一次流体流Aは、それがポイント601(状態A2)で完全に液化されるまで、比較的一定の圧力下で、凝縮器410内で冷やされる。このポイント601でプロセスは新たに始まる。
【００６９】
流体流の様々な状態を慎重に選択し制御することによって、本発明は如何なる従来技術の動力システム(核動力システム、蒸気動力システムその他の動力システムを含む)又はその変形システムの効率を高めるために使用しうる。表3は図4-6で識別される様々な状態の好ましい態様に関する近似値を該態様の操作に関連する他のデータと共に提供する。この態様における作動流体はプロパンである。これらの値は、表１において与えられるデータと同様に、特定の作動情若しくは要件又は他の理由のために実質的に変えられてもよく、そのような変更は本発明の範囲内である。
【表３】
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【００７０】
表３に表される超ＣＣＬＣの実施の形態の効率は、正味動力（Ｗ４０６＋Ｗ４１６＋Ｗ４２６＋Ｗ４３２−Ｐ４０２−Ｐ４１４−Ｐ４２０）を、熱源（Ｑ４０４）から蒸気システムに入った熱量で除すことで計算される。好ましい実施の形態では、超ＣＣＬＣの効率は少なくとも約２５％であり、より望ましくは、３０％である。その上、表３に示されるように、１好ましい実施の形態の効率は約３３.５％であり、これは、通常の蒸気動力発生システムとして運転されたならば、そのシステムに対して約１００％の増加である。蒸気システムへのＣＣＬＣ部分の追加は、あるケースにおいては、蒸気タービン４０６で発生する動力を減少させるかもしれないが、この動力損失はターボエキスパンダ４１６、４２６及び４３２で発生する追加動力によって克服される。また、蒸気システムを発明の超ＣＣＬＣシステムに変更又は設計するとき、システムの蒸気部分を背圧システムとして（すなわち、水流は蒸気タービンの出口において正圧を有するように）運転することが好ましく、そして、少なくとも172.4KPa（約２５絶対psi）の背圧で運転することが望ましい。この背圧は、十分な熱がシステムのCCLC部分の第１ループサイクルCに伝達されることを確実にして第１ターボエキスパンダにより意義のある動力発生を提供し総合効率の改良を助ける。
【００７１】
本発明は上に提示された実施の形態に制限されない。発明の範囲及び技術思想の範囲内で本発明を追加の熱交換器、復水器、ポンプ、ターボエキスパンダ、混合機又は流れ分離器を含むように変更することができる。また代替構成を使用してポンプ、コンプレッサー、発電機等を接続して、それらを駆動することもできる。当業者であれば、発明の範囲と技術思想から逸脱することなく、本明細書で説明された様々な装置を変更し、あるいは、同等な装置に取り替えてもよく、また、装置の数を増やしたり減らしたりすることとしても良いことを理解するだろう。好ましい実施の形態に関して提供されたデータもまた発明を制限する意図ではなく、当業者であれば容易に理解できるように、添付した表の中のこれらの変数に関して示された値及び添付図面に示されるそれらの相対的な関係は、様々な運転条件、運転要件等を受け入れることができるように、いろいろな理由で変更されてもよい。明細書において説明した好ましい実施の形態は単に例示的なものであり、いかなる場合でも発明の範囲を限定することを意図するものではなく、発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のカスケーディングの閉ループサイクル(CCLC)動力発生システムの実施の形態に関する概略図である。
【図２】図１のＣＣＬＣの動力発生サイクルのモリエ線図である。
【図３】典型的な従来技術の蒸気動力発生システムの概要図である。
【図４】本発明の最高のカスケーディング閉ループサイクル(超CCLC)動力発生システムの実施の形態に関する概略図である。
【図５】図４の超ＣＣＬＣの蒸気部分の動力発生サイクルのモリエ線図である。
【図６】図４の超ＣＣＬＣのＣＣＬＣ部分の動力発生サイクルのモリエ線図である。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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