(57)【要約】  本発明は、向流交換を利用して２つ以上の外部熱源流から効率的な方法で熱を取得するために多成分作動流を利用する閉ループ熱力学サイクルを実施するシステムおよび方法に関するものである。液体の多成分作動流は、第１熱交換機で第１外部熱源流によって加熱され、かつ、その後、第１副流と第２副流とに分けられる。第１副流は第２熱交換機での第２外部熱源流で第１作動流によって加熱される。第２副流は第３熱交換機での第２作動流によって加熱される。第１副流と第２副流とは、次に、単一の作動流に再結合される。再結合作動流は、第４熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。
2007500315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学サイクルを実施するための方法において、
多成分ガス状作動流を膨張させてそのエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに使用済み流を生成する工程と、
前記使用済み流を凝縮させて凝縮流を生成する工程と、
前記凝縮流を加圧するとともに作動流を生成する工程と、
複数の外部熱源流を利用して前記作動流を加熱する工程と、
を備えてなる、熱力学サイクルの実施方法。
【請求項２】
前記複数の外部熱源流は、相異なる温度を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の外部熱源流の２つ以上が同一温度領域を共有している、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記作動流を加熱する工程は、２つ以上の外部熱源流から熱を取得する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記作動流を第１副流と第２副流とに分ける工程をさらに備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１副流は、少なくとも第１外部熱源流を利用して加熱される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２副流は、少なくとも第２外部熱源流を利用して加熱される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
熱力学サイクルを実施するための方法において、
ガス状多成分作動流からのエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに使用済み流を生成する工程と、
前記使用済み流を凝縮させて流体作動流を生成する工程と、
前記液体作動流を沸点まで加熱する工程と、
前記沸点領域での熱容量を増大させるために、複数の外部熱源流の重なり合う同一温度領域を利用して作動流を沸点から少なくとも沸点領域まで加熱する工程と、
加熱済みガス状作動流を作り出すために前記作動流を前記沸点の上まで加熱する工程と、
を備えてなる、熱力学サイクルの実施方法。
【請求項９】
前記使用済み流を凝縮させて液体作動流を生成する工程は、凝縮流を形成するために前記使用済み流を凝縮するとともに液体作動流を生成するために前記凝縮流を加圧することからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記液体作動流を加熱する工程は、熱交換機で行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記液体作動流を加熱する工程は、エコノマイザー予熱機を含む熱交換機で行われる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記液体作動流を第１副流と第２副流とに分ける工程をさらに備えている、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１副流は、第１外部熱源流の重なり合う同一温度領域を利用して加熱される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２副流は、第２外部熱源流の重なり合う同一温度領域を利用して加熱される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の外部熱源流は、２つ以上の外部熱源流からなっている、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の外部熱源流は、２つよりも多くの外部熱源流からなっている、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
熱力学サイクルを実施するための方法において、
多成分ガス状作動流を膨張させてそのエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに使用済み流を生成する工程と、
前記使用済み流を凝縮させるとともに凝縮流を生成する工程と、
前記凝縮流を加圧するとともに液体作動流を生成する工程と、
前記液体作動流を第１副流と第２副流とに分ける工程と、
少なくとも第１外部熱源流を利用して前記第１副流を加熱するとともに、少なくとも第２外部熱源流を利用して前記第２副流を加熱する工程と、
を備えてなる、熱力学サイクルの実施方法。
【請求項１８】
前記第１副流は、第１熱回収蒸気生成機で加熱される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２副流は、第２熱回収蒸気生成機で加熱される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２副流は、前記第１副流よりも大きい加圧状態で加圧される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１副流と前記第２副流とは、再結合されることなく膨張される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１副流と前記第２副流とは、再結合された後に膨張される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１副流と前記第２副流とは、単一の蒸気回収生成機で加熱される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第２副流が分けられて付加的副流が作り出され、前記第２副流の前記付加的副流は、第１および第２の外部熱源流によって加熱され、かつ、前記第１副流は、第３外部熱源流を利用して第１熱回収生成機で加熱される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１副流は、前記第２副流の前記副流よりも低い加圧状態で加圧される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
熱力学サイクルを実施するための装置において、
多成分ガス状作動流を収容するために接続されており、かつ、前記多成分ガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに予備凝縮流を生成するようになっている、膨張器と、
前記予備凝縮流を凝縮させて流体作動流を生成するようになっている凝縮器と、
作動流を生成するために前記凝縮流を加圧するように構成されたポンプと、
複数の外部熱源流を利用して前記作動流を加熱するように構成された熱交換機と、
を備えてなる、熱力学サイクルの実施装置。
【請求項２７】
前記膨張器は、タービンを含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記タービンは、第１構成要素と第２構成要素とを含んでいる、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記膨張器は、第１タービンと第２タービンとを含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記凝縮器は、蒸留／凝縮副次系を含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
前記熱交換機は、複数の熱交換機を含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項３２】
第１熱交換機が、前記液体作動流を沸点の近傍まで加熱するエコノマイザー予熱機を含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
少なくとも第２熱交換機が、前記作動流を沸点領域内に加熱する、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
少なくとも第３熱交換機が、前記作動流を加熱済みガス状作動流へ過熱する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
熱力学サイクルを実施するための装置において、
多成分ガス状作動流を収容するために接続されており、かつ、前記多成分ガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに予備凝縮流を生成するようになっている膨張器と、
前記予備凝縮流を凝縮させて液体作動流を生成するようになっている凝縮器と、
作動流を生成するために前記凝縮流を加圧するように構成されたポンプと、
複数の外部熱源流を利用して作動流へ熱を移送するための手段と、
を備えてなる、熱力学サイクルの実施装置。
【請求項３６】
前記熱を移送するための手段は、熱交換機を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
熱力学サイクルを実施するための装置において、
多成分ガス状作動流を膨張させてそのエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに使用済み流を生成するようになっている膨張器と、
凝縮流を生成するために前記使用済み流を変換する凝縮器と、
作動流を生成するために凝縮流を加圧するポンプと、
第１外部熱源流を利用して前記作動流を加熱する第１熱交換機と、
作動流から第１副流と第２副流とを形成する配分器と、
前記第１外部熱源流を利用して前記第１副流を加熱する第２熱交換機と、
第２外部熱源流を利用して前記第２副流を加熱する第３熱交換機と、
前記第１副流と前記第２副流とから再結合流を形成する再結合器と、
加熱済みガス状作動流を形成するために前記再結合流を加熱する第４熱交換機と、
を備えてなる熱力学サイクルの実施装置。
【請求項３８】
熱力学サイクルを実施するための方法において、
多成分ガス状作動流を膨張させてそのエネルギーを利用可能な形態に変換するとともに使用済み流を生成する工程と、
前記使用済み流を凝縮させて凝縮流を生成する工程と、
前記凝縮流を加圧するとともに作動流を生成する工程と、
第１外部熱源流を利用して前記作動流を加熱する工程と、
第１副流と第２副流とを形成するために前記作動流を分ける工程と、
前記第１外部熱源流を利用して前記第１副流を加熱する工程と、
第２外部熱源流を利用して前記第２副流を加熱する工程と、
再結合流を形成するために前記第１副流と前記第２副流とを再結合する工程と、
加熱済みガス状作動流を形成するために前記再結合流を加熱する工程と
を備えてなる、熱力学サイクルの実施方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、向流熱交換を利用する熱力学サイクルの実施に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、複数の外部熱源流から熱を取得するために多成分作動流を利用する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーは、機械的形態に、そしてその後、電気的形態に有効に変換することができる。低温および高温の熱源の熱エネルギーを電力に変換する方法は、エネルギー生成の重要な領域を提供する。このような低温の熱を電力に変換する効率を増大する必要性が存在している。
【０００３】
熱源からの熱エネルギーは、熱力学サイクルにおいて作用する閉鎖系で膨張されかつ再生される作動流を使用して、機械的形態に、そしてその後、電気的形態に変換することができる。作動流は相異なる沸点の成分を含有することができ、作動流の組成は、エネルギー変換作業の効率を改善するためにその系の内部における相異なる箇所で変更することができる。
【０００４】
典型的には、多成分作動流には低沸点成分と高沸点成分とが含有されている。低沸点成分と高沸点成分との結合を利用することで、産業廃熱のような外部熱源流を電力生産のためにいっそう有効に利用することができる。電力生産のために入手することのできる２つ以上の熱源が存在する応用分野では、多成分作動流は熱取得および電力生産の効率を改善するためにさらに利用することができる。２つ以上の熱源は、低沸点成分を加熱して低沸点成分を液体状態から蒸気状態へ変換するために利用することができる。低沸点成分を蒸気状態へ加熱することによって、外部熱源流からの熱エネルギーは、電力のような有効エネルギーへいっそう容易に変換することのできる運動エネルギーに変換される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明は、向流交換を利用して２つ以上の外部熱源流から効率的な方法で熱を取得するために多成分作動流を利用する閉ループ熱力学サイクルを実施するためのシステムおよび方法に関するものである。典型的には、多成分作動流には低沸点成分と高沸点成分とが含有されている。２つ以上の外部熱源流を利用して多成分作動流が加熱される場合には、熱取得プロセスは電力生産を改善するためにさらに最適化することができる。一つの実施形態では、熱取得プロセスは、低沸点成分と高沸点成分との両方を蒸気状態に変換するために利用される。
【０００６】
外部熱源流の温度が低沸点成分と高沸点成分との両方を蒸気状態に変換するために充分である場合には、外部熱源流からの熱エネルギーは高エネルギー状態と低エネルギー状態との両方に最適に変換することができる。例えば、外部熱源流がより低い温度にあるときには、低沸点成分が蒸気状態に変換され得る。外部熱源流がより高い温度にあるときには、高沸点成分が蒸気状態に変換され得る。エネルギーの外部供給源の温度が高沸点成分を蒸気状態に変換するために必要とされる温度を超えるときには、外部熱源流は蒸気作動流を過熱するために利用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の一つの実施形態によれば、液体の多成分作動流が、第１熱交換機で第１外部熱源流によって加熱され、かつ、その後、第１熱交換機と直列に配置されている第２熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。別の実施形態では、液体の多成分作動流は、第１熱交換機で第１外部熱源流によって加熱され、かつ、その後、第１副流と第２副流とに分けられる。第１副流は第２熱交換機で第１外部熱源流によって加熱される。第２副流は第３熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。第１副流と第２副流とは、次に、再結合作動流に再結合される。再結合作動流は、加熱済みガス状作動流を形成するために、第４熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。この発明の一つの実施形態によれば、第４熱交換機で加熱された後に、加熱済みガス状作動流は、加熱済みガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するために膨張される。加熱済みガス状作動流を膨張させると、それは、使用済み流に変換されて、その使用済み流を凝縮流に変換させるために蒸留／凝縮副次系へ送られる。
【０００８】
この発明の一つの実施形態によれば、第１外部熱源流は第２外部熱源流と温度が異なっているものである。一つの実施形態では、第１外部熱源流と第２外部熱源流とは、重なり合う同一温度領域を有している。一つの実施形態では、液体作動流が、より高い加圧状態へポンプ加圧された後、過冷液体を含んでいる。この実施形態では、作動流は、第１熱交換機の中で沸点あるいはその近傍まで加熱される。分けられた後に、第１副流と第２副流とは露点の近傍まで加熱される。第１副流と第２副流とが再結合された後に、再結合された作動流は加熱済みガス状作動流に過熱される。
【０００９】
別の実施形態では、作動流を加熱するために２つよりも多くの熱源が利用される。例えば、一つの実施形態では、作動流を加熱するために３つの外部熱源流が利用される。一つの実施形態では、個々の膨張タービンを有しているか或いは第１ステージおよび第２ステージのある膨張タービンを有している２つ以上の熱回収蒸気生成機（ＨＲＶＧ）が、加熱済みガス状作動流からエネルギーを変換するために利用される。別の実施形態では、一方の外部熱源流は低温源であり、他方の外部熱源流は高温源である。一つの実施形態では、低温源と高温源とは重なり合う同一温度領域を有している。別の実施形態では、低温源と高温源とは重なり合う同一温度領域を有していない。
【００１０】
この発明のこれらの対象および特徴は、以下の記載および添付の特許請求の範囲からいっそう充分に明らかになるであろうし、あるいは、以下に説明される本発明の実施によって理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の上記および他の利点および特徴をさらに明らかにするために、この発明のいっそう詳しい説明が、添付図面に示されたその特定の実施形態を参照して表現される。これらの図面は、この発明の典型的な実施形態だけを描いており、従って、その範囲を制限するものであるとみなすべきではない。この発明は、添付図面の使用によって、付加的な特異性と細部とともに説明されかつ表現される。
【００１２】
この発明は、向流交換を利用して２つ以上の外部熱源流から効率的な方法で熱を取得するために多成分作動流を利用する閉ループ熱力学サイクルを実施するシステムおよび方法に関するものである。典型的には、多成分作動流には低沸点成分と高沸点成分とが含有されている。２つ以上の外部熱源流を利用して多成分作動流が加熱される場合には、熱変換は、低沸点成分と高沸点成分との両方をいっそう効率的なエネルギー変換のための蒸気状態に変換するために、最適化することができる。
【００１３】
外部熱源流の温度が低沸点成分と高沸点成分との両方を蒸気状態に変換するために充分である場合には、外部熱源流からの熱エネルギーは高エネルギー状態と低エネルギー状態との両方に最適に変換することができる。例えば、外部熱源流がより低い温度にあるときには、低沸点成分が蒸気状態に変換され得る。外部熱源流がより高い温度にあるときには、高沸点成分が蒸気状態に変換され得る。エネルギーの外部供給源の温度が高沸点成分を蒸気状態に変換するために必要とされる温度を超えるときには、外部熱源流は蒸気作動流を過熱するために利用することができる。
【００１４】
この発明の一つの実施形態によれば、液体の多成分作動流が、第１熱交換機で第１外部熱源流によって加熱され、かつ、その後、第１熱交換機と直列に配置されている第２熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。別の実施形態では、液体の多成分作動流は、第１熱交換機で第１外部熱源流によって加熱され、かつ、その後、第１副流と第２副流とに分けられる。第１副流は第２熱交換機で第１外部熱源流によって加熱される。第２副流は第３熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。第１副流と第２副流とは、次に、再結合作動流に再結合される。再結合作動流は、加熱済みガス状作動流を形成するために、第４熱交換機で第２外部熱源流によって加熱される。この発明の一つの実施形態によれば、第４熱交換機で加熱された後に、加熱済みガス状作動流は、加熱済みガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するために膨張される。加熱済みガス状作動流を膨張させると、それは、使用済み流に変換されて、その使用済み流を凝縮流に変換させるために蒸留／凝縮副次系へ送られる。
【００１５】
この発明の一つの実施形態によれば、第２部分作動流と結合された後に、部分加熱済みガス状作動流は、部分加熱済みガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するために膨張される。加熱済みガス状作動流を膨張させると、それは、使用済み流に変換されて、その使用済み流を凝縮流に変換させるために蒸留／凝縮副次系へ送られる。
【００１６】
この発明の一つの実施形態によれば、第１外部熱源流は第２外部熱源流と温度が異なっているものである。一つの実施形態では、第１外部熱源流と第２外部熱源流とは、重なり合う同一温度領域を有している。一つの実施形態では、液体作動流は、より高い加圧状態へ膨張された後に、過冷液体を含んでいる。この実施形態では、作動流は、第１熱交換機の中で沸点あるいはその近傍まで加熱される。分けられた後に、第１副流と第２副流とは露点の近傍まで加熱される。第１副流と第２副流とが再結合された後に、再結合された作動流は加熱済みガス状作動流に過熱される。
【００１７】
別の実施形態では、作動流を加熱するために２つよりも多くの熱源が利用される。例えば、一つの実施形態では、作動流を加熱するために３つの外部熱源流が利用される。一つの実施形態では、個々の膨張タービンを有しているか或いは第１ステージおよび第２ステージのある膨張タービンを有している２つ以上の熱回収蒸気生成機（ＨＲＶＧ）が、加熱済みガス状作動流からエネルギーを変換するために利用される。別の実施形態では、一方の外部熱源流は低温源であり、他方の外部熱源流は高温源である。一つの実施形態では、低温源と高温源とは重なり合う同一温度領域を有している。別の実施形態では、低温源と高温源とは重なり合う同一温度領域を有していない。
【００１８】
図１は、この発明の一つの実施形態による、第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。図示された実施形態では、使用済み流３８は、蒸留／凝縮副次系１０において、凝縮流１４を形成するために凝縮される。凝縮流１４は、液体作動流２１を形成するためにポンプＰによって加圧される。液体作動流２１は、低沸点成分と高沸点成分とからなり、２つ以上の外部熱源流で加熱されて加熱済みガス状作動流を生成するように構成されている。この発明の一つの実施形態では、液体作動流２１はまだ過冷状態にある。
【００１９】
相異なる種類および形態のいくつかの多成分作動流を、この発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。例えば、一つの実施形態では、作動流はアンモニア−水混合物からなっている。別の実施形態では、作動流は、２種以上の炭化水素、２種以上のフレオン、炭化水素とフレオンとの混合物からなる群から、あるいは低沸点成分と高沸点成分とを有している他の多成分作動流から選択される。さらに別の実施形態では、多成分作動流は、好適な熱力学特性と溶解性とがある任意数の化合物の混合物である。当業者であれば分かるように、相異なる種類および形態のさまざまな蒸留／凝縮副次系は、当該分野で知られているとともに、この発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。
【００２０】
第１外部熱源流４３−４６によって、流路４５−４６における熱交換機ＨＥ−１の中の液体作動流２２−４２が加熱される。液体作動流２２−４２の加熱によって、流路４５−４６における第１外部熱源流の温度と釣り合った液体作動流２２−４２の温度が増大する。この発明の一つの実施形態では、箇所４２での作動流の温度は低沸点成分の沸点に近い。箇所４２での作動流の温度が沸点よりも低いときには、その作動流は、低沸点成分と高沸点成分との両方が液体状態にある液体作動流からなっている。
【００２１】
当業者であれば分かるように、相異なる種類および形態のさまざまな外部熱源流をこの発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。例えば、一つの実施形態では、少なくとも１つの外部熱源流は液体流からなっている。別の実施形態では、少なくとも１つの外部熱源流はガス流からなっている。さらに別の実施形態では、少なくとも１つの外部熱源流は、結合された液体・ガス流からなっている。一つの実施形態では、流路４５−４６における外部熱源流は低温余熱水からなっている。別の実施形態では、熱交換機ＨＥ−１はエコノマイザー予熱機からなっている。
【００２２】
箇所４２における作動流は、第１副流６１と第２副流６０とに配分される。この発明の一つの実施形態では、作動流は、それぞれの熱源から流れる熱にほぼ比例した割合で副流６１と副流６０とに分けられる。別の実施形態では、第１副流６１と第２副流６０とは、沸点にあり、また、流量を除いて実質的に類似したパラメーターを有している。第１外部熱源流は、箇所４３から箇所４４へ流れて、熱交換機ＨＥ−２の中の第１副流６１−６５を加熱する。流路４３−４４における第１外部熱源流の温度は、熱交換機ＨＥ−２において生じる熱交換のために、流路４５−４６における第１外部熱源流の温度よりも高い。流路４３−４４における第１外部熱源流の高い温度によって、第１副流６１−６５が、流路４５−４６における第１外部熱源流で加熱される作動流２２−４２よりも高い温度まで加熱される。一つの実施形態では、第１副流は、低沸点成分の沸点領域を超えるが高沸点成分の沸点領域よりも低い温度まで加熱される。この実施形態では、第１副流は、部分的に気化されており、蒸気部分と液体部分とを含んでいる。
【００２３】
第２外部熱源流２５−２６は、箇所５３から箇所５４へ流れて、熱交換機ＨＥ−３の中の第２副流６０−６４を加熱する。図示された実施形態では、流路５３−５４における第２外部熱源流は、流路４３−４４における第１外部熱源流と同一温度領域を共有している。その結果、流路５３−５４における第２外部熱源流の温度と流路４３−４４における第１外部熱源流との温度とは、ほぼ同じである。同様に、熱交換機ＨＥ−２と熱交換機ＨＥ−３とにおいて生じる熱交換は、流路５３−５４における第２外部熱源流の温度と流路４３−４４における第１外部熱源流との温度とが類似しているため、類似している。その結果、第２副流６０−６４は第１副流６１−６５の温度に近い。第２副流６０−６４は作動流２２−４２よりも高い温度まで加熱される。一つの実施形態では、第２副流は、低沸点成分の沸点領域を超えるが高沸点成分の沸点領域よりも低い温度まで加熱される。この実施形態では、第２副流は、部分的に気化されており、蒸気部分と液体部分とを含んでいる。
【００２４】
第１副流６５と第２副流６４とは再結合作動流６３に再結合される。第１副流６５と第２副流６４とが低沸点成分の沸点を超えるが高沸点成分の沸点よりも低い温度まで加熱されるときには、再結合作動流は部分的に気化されて、蒸気部分と液体部分とを含んでいる。第２外部熱源流は、流路２５−５２を流れて、熱交換機ＨＥ−４の中の再結合作動流６２−３０を加熱する。
【００２５】
流路２５−５２における第２外部熱源流の温度は、熱交換機ＨＥ−４の中で生じる熱交換のために、流路５３−５４における第２外部熱源流の温度よりも高い。流路２５−５２における第２外部熱源流のより高い温度によって、再結合作動流６２−３０が再結合作動流６３よりも高い温度まで加熱される。一つの実施形態では、再結合作動流６２−３０が低沸点成分の沸点と高沸点成分の沸点との両方の沸点領域を超える温度まで加熱されて、加熱済みガス状作動流３１が形成される。この実施形態では、加熱済みガス状作動流３１は、全体的に気化されており、蒸気部分だけを含んでいる。別の実施形態では、加熱済みガス状作動流３１は、全体的な気化を受けておらず、蒸気部分と液体部分とを含んでいる。
【００２６】
第１外部熱源流と第２外部熱源流との重なり合う同一温度領域に対して第１副流と第２副流とを利用することで、２つの熱源が個々の生成系において使用される場合よりも多くの出力を生成することができるように熱力学系の出力生産能力を増大させる有効な方法で、作動流沸点領域の増大した熱的要件が移され得る。この発明の一つの実施形態では、熱交換機ＨＥ−１、熱交換機ＨＥ−２、熱交換機ＨＥ−３、および熱交換機ＨＥ−４は、熱回収蒸気生成機（ＨＲＶＧ）を含んでいる。ＨＲＶＧの機能は、作動流を高圧で過冷液体から過熱蒸気まで加熱して、廃熱源（典型的には熱いガスあるいは液体）から熱を取得することである。過熱された蒸気は、蒸気を有用なエネルギーへ変換するために発電タービンの中へ入れられる。
【００２７】
検討中の作動流の種類については、目的に適った熱取得の範囲には、沸点まで過冷された液体と露点まで過熱された蒸気とが含まれる。この作動流には、温度に関して相対的にほとんど変化しない熱容量がある。換言すれば、それぞれの領域において、作動流は、等しい量の入熱について同一温度量を取得し、その温度取得量は液体における場合よりも蒸気における場合の方がいくぶん多い。沸点と露点との間には、多成分作動流が温度の範囲を広げるための沸点領域がある。この領域では、かなり多くの熱が作動流温度取得のそれぞれのユニットについて利用され、その量は変動することができる。当業者であれば分かるように、利用される作動流の種類、それが加熱される程度、および気化の量は、この発明の範囲および精神から逸脱することなく、変えることができる。例えば、一つの実施形態では、作動流のパラメーターは、利用される外部熱源流の種類および温度に依存している。別の実施形態では、作動流のパラメーターは、ＨＲＶＧの構成要素の形態および並列性に依存している。
【００２８】
一つの実施形態では、作動流は、箇所２１での高圧過冷液体である。この流れは、配管損失および制御バルブ損失のためにわずかに低い圧力であるかもしれない箇所２２まで続く。この実施形態では、第１外部熱源流４３−４６は低温源からなっており、第２外部熱源流は高温外部熱源流からなっている。箇所２２では、液体作動流は低温源４５−４６の低温部によって加熱される熱交換機ＨＥ−１へ入り、まだわずかに過冷されている箇所４２から現れる。（機構的検討によって、作動流４２は、その蒸気割合が充分に小さくて作動流が６０／６１分岐部を通ってまだ滑らかに流れる限り、沸点よりもいくぶん高温になるということも可能である。別の実施形態では、両方の熱源流の存在においてだけ沸点に達し始めることが好ましいかもしれない。）
図示された実施形態では、作動流４２は、第１外部熱源流と第２外部熱源流とからの熱流にほぼ比例した割合で、副流６０，６１に分けられる。副流６０，６１は、沸点にあり、流量を除いて実質的に同じであるパラメーターを有している。副流６１−６５，６０−６４は、高温外部熱源流と低温外部熱源流とからそれぞれ熱を吸収して箇所６３で流れが再結合される箇所６４，６５においてより温かくかつ好ましくは類似したパラメーターを獲得する熱交換機ＨＥ−２，ＨＥ−３を通って流れ続ける。再結合された作動流の過熱は、ＨＥ−４において、高温熱源流から加熱され箇所３０のパラメーターを獲得することによって、終わる。
【００２９】
加熱済みガス状作動流３０が熱交換機ＨＥ−４を出ると、それはタービンＴへ移される。タービンＴは、加熱済みガス状作動流のエネルギーを利用可能な形態に変換するために、加熱済みガス状作動流を膨張させる。加熱済みガス状作動流が膨張されると、それは、電力あるいは他の有用なエネルギーを発生させるためにタービンＴへ有用な機械的エネルギーを提供するより低い圧力へ移され、使用済み流を生成する。このサイクルは閉じられているので、使用済み流は蒸留／凝縮副次系へ移され、そこで、膨張された使用済み流は、ポンプＰによってより高い圧力へ膨張させるために凝縮流へ凝縮される。
【００３０】
図２は、この発明の一つの実施形態による、重なり合う温度領域を有している第１外部熱源流４３−４５と第２外部熱源流２５−２６とから熱を取得する熱力学系を示している。図示された実施形態では、液体作動流２２は、熱交換機ＨＥ−１（図１を参照）で加熱されるのではなく、第１副流６１と第２副流６０とを形成するために分けられる。その結果、液体作動流２２は、熱交換機ＨＥ−２および熱交換機ＨＥ−３を利用して、過冷液体から沸点を超えて加熱される。第１副流６１−６５は熱交換機ＨＥ−２の中で加熱される。第２副流６０−６４は熱交換機ＨＥ−３の中で加熱される。第１副流６１−６５と第２副流６０−６４とは、箇所６３で再結合流に再結合される。この再結合流は熱交換機ＨＥ−４で過熱される。
【００３１】
当業者であれば分かるように、閉鎖ループ状熱力学系の相異なる構成は、この発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。付加的な熱交換機の使用によれば、外部熱源流から取得することのできる熱交換の量を最大限にするために、その系の内部における熱伝達を最適化することができる。しかしながら、付加的な構成要素によって、不要な最適化とともに、系の中に付加的なコストと複雑性とが加わることがある。
【００３２】
外部熱源流の温度が作動流の所望温度を生成するのに充分であるときには、そのような最適化は必要ないであろう。これに対して、作動流の所望温度が最適化の必要がないほど充分低いときには、系には付加的な熱交換機は必要ないであろう。例えば、予想されるいくつかの熱源では、高温源（第２外部熱源流２５−２６）の温度は、燃焼排ガスの酸露点の腐食要件のために、周囲よりもかなり高いにちがいない。このような系では、熱交換機ＨＥ−１の使用によってもたらされた最適化が必要であるかもしれない。このような制約がないときには、図示された実施形態のように、熱交換機ＨＥ−１の包含に関連した付加的コストは必要でないかもしれない。
【００３３】
図３は、この発明の一つの実施形態による、重なり合わない温度領域を有している第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。図示された実施形態では、液体作動流は箇所２２から熱交換機ＨＥ−１へ移される。液体作動流６０−６３は、熱交換機ＨＥ−１で第１外部熱源流４３−４５によって加熱される。箇所６３から作動流は熱交換機ＨＥ−３へ移される。作動流６２−３０は、熱交換機ＨＥ−３で第２外部熱源流２５−２６によって加熱される。
【００３４】
図示された実施形態では、多成分作動流は、その多成分作動流を第１副流と第２副流とに分けることなく、加熱される。第１外部熱源流４３−４５と第２外部熱源流２５−２６とは、重なり合う同一温度領域を共有していない。第１外部熱源流４３−４５は低温源からなっており、第２外部熱源流２５−２６は高温源からなっている。図示された系は、箇所２６の温度が箇所４３の温度をそれほど超えない値であるにちがいないときに利用することができる。熱交換機ＨＥ−２によって必要とされた最適化が必要でないとき、あるいは熱交換機ＨＥ−２の使用が経済的でないときには、図３に示されたように直列に配置された２つの熱交換機を利用することができる。直列に配置する２つの熱交換機の使用は、第１熱源流と第２熱源流とが比較できるほどのものであるときに好ましいと思われる。
【００３５】
当業者であれば分かるように、この発明の範囲および精神から逸脱することなく、さまざまな種類および構成の複数の熱交換機を直列に配置して利用することができる。例えば、一つの実施形態では、第３熱交換機を直列に配置して利用することができる。別の実施形態では、４つ以上の熱交換機をこの発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。
【００３６】
当業者であれば分かるように、さまざまな型および形態の複数の熱交換機を、この発明の範囲および精神から逸脱することなく、この発明の熱力学系とともに利用することができる。例えば、一つの実施形態では、複数の熱交換機の１つ以上はボイラーからなっていてもよい。別の実施形態では、複数の熱交換機の１つ以上は蒸発器からなっていてもよい。別の実施形態では、複数の熱交換機の１つ以上はエコノマイザー予熱機からなっていてもよい。別の実施形態では、外部熱源流から作動流へ熱を移送することのできる別の型の熱交換機が利用される。さらに別の実施形態では、利用される熱交換機の型は系におけるその配置および／または機能によって決定される。その熱交換機は熱を作動流へ移送するための手段の一例である。
【００３７】
図４は、重なり合う温度領域を有しているとともに第１外部熱源流が高温源からなっている第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。この実施形態では、作動流２２−４０は、熱交換機ＨＥ−１の中の流路４５−４６における第１外部熱源流４３−４６によって加熱される。作動流４０は第１副流６１と第２副流６０とに分けられる。第１副流６１−６５は、熱交換機ＨＥ−２の中で流路４２−４４における第１外部熱源流４３−４６によって加熱される。第２副流６０−６４は、熱交換機ＨＥ−３の中で第２外部熱源流２５−２６によって加熱される。
【００３８】
熱交換機ＨＥ−２および熱交換機ＨＥ−３の中での加熱の後に、第１副流と第２副流とは再結合流６３に再結合される。再結合流６３−３０は、熱を流路６３−３０における第１外部熱源流４３−４６から移送するために、熱交換機ＨＥ−５の中で加熱される。箇所４３での第１外部熱源流４３−４６の温度が箇所２５での第２熱源２５−２６の温度よりも高いときには、作動流６３−３０の過熱は、流路４３−４１における熱交換機ＨＥ−５で第１外部熱源流４３−４６によって達成される。この実施形態では、第２熱源流２５−２６が、熱を沸点領域に付加するために、主に使用される。
【００３９】
この実施形態では、第１および第２の外部熱源流からの熱は、第１外部熱源流が高温源であるときであってもこれらの外部熱源流の重なり合う同一温度領域を利用して最適化される。第１外部熱源流は、液体作動流を予熱するためと沸点領域に熱を供給するのに加えて再結合作動流を過熱するためとの両方に利用される。当業者であれば分かるように、２つの作動流を利用して単一のＨＲＶＧにおける多成分作動流を加熱するためのさまざまな種類および形態の方法および装置は、この発明の範囲および精神から逸脱することなく利用することができる。
【００４０】
図５は、この発明の一つの実施形態による、第１熱回収蒸気生成機を使用して第１熱源から、また、第２熱回収蒸気生成機を使用して第２熱源から熱を取得する熱力学系を示している。図示された実施形態では、凝縮流１４が、ポンプＰ１でより高い加圧状態までポンプ加圧されて液体作動流２１を形成する。この液体作動流は、箇所２９で第１副流６６と第２副流３２とに分けられる。第１副流６６−６５は、熱交換機ＨＥ−１の中で第１外部熱源流４３−４５によって加熱される。第１副流が熱交換機ＨＥ−１の中で加熱されると、それは、第２副流と再結合されることなく中間圧力タービンＩＰＴへ送られる加熱済みガス状作動流６５に変換される。第２副流３２はポンプＰ２でさらにより高い加圧状態までポンプ加圧される。より高い加圧状態までポンプ加圧された後に、作動流２２−３０は、熱交換機ＨＥ−３の中で第２熱源２５−２６によって加熱されて、加熱済みガス状作動流３０になる。加熱済みガス状作動流３０は、高圧で膨張される高圧タービンＨＰＴへ送られて流れ４４を形成するために流れ６７と再結合される。図示された実施形態では、第１外部熱源流４３−４５は低温源からなっており、第２外部熱源流２５−２６は高温源からなっている。加えて、これらの副流のそれぞれは、単一のＨＲＶＧ系の内部での流れに再結合されるのではなく、個々のＨＲＶＧの内部で加熱される。
【００４１】
この実施形態では、箇所６５での作動流パラメーターには、多くの非気化液体が含有されているため、タービンＨＰＴの入口のために必要な圧力で実際に搬送することができない。従って、作動流６６−６７および関連した熱交換機ＨＥ−１は低加圧状態に加圧され、作動流２２−３０および関連した熱交換機ＨＥ−３は第２ポンプＰ２で高加圧状態に加圧される。２つの個々の作動流６５は、その後の適切なステージで二次タービンあるいは同じタービンの二次構成要素へ入れられる。図示された構成は、２つの熱源を並列に使用する利点の大部分を保持している。
【００４２】
図６は、この発明の一つの実施形態による、２つよりも多くの外部熱源流から熱を取得する熱力学系を示している。図示された実施形態では、図１の系の特徴と図５の系の特徴とが組み合わせて利用される。第１熱源２５−２６と第２熱源４３−４６とが、図１に示されたものに類似した系における第１ＨＲＶＧにおいて利用される。第３外部熱源流８５−８８が、第２ＨＲＶＧの中における熱源ＨＥ−６での流路６８−６７における第１作動流６９−６６を図５に示されたものに類似したより低い加圧状態で加熱するために利用される。当業者であれば分かるように、この発明の相異なる実施形態の特徴は、この発明の範囲および精神から逸脱することなく組み合わせることができる。
【００４３】
この発明は、その精神あるいは基本的な特性から逸脱することなく他の特定の形態に具体化することができる。この発明の範囲は、従って、先に述べた説明によるよりもむしろ、添付の特許請求の範囲によって示されている。特許請求の範囲における等価物の意味および範囲に入るすべての変更がそれらの範囲の内部に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一つの実施形態による、第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。
【図２】本発明の一つの実施形態による、重なり合う温度領域を有している第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。
【図３】本発明の一つの実施形態による、直列に配置された第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。
【図４】重なり合う同一温度領域を有しているとともに第１外部熱源流が高温源からなっている第１外部熱源流と第２外部熱源流とから熱を取得する熱力学系を示している。
【図５】本発明の一つの実施形態による、第１熱回収蒸気生成機を使用して高い作動流圧力で第１外部熱源流から、そして、第２熱回収蒸気生成機を使用して低い作動流圧力で第２外部熱源流から熱を取得する熱力学系を示している。
【図６】本発明の一つの実施形態による、２つよりも多くの外部熱源流から熱を取得する熱力学系を示している。
【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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