(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の廃熱含有ストリーム（１６）から第１の作動流体ストリーム（２０）に熱を移送して、第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）と第２の廃熱含有ストリーム（１７）とを作り出すように構成される第１の加熱器（３２）、
（ｂ）前記第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）を受容して、それから機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）とを作り出すように構成される第１の膨張機（３４）、
（ｃ）前記膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）から第１の凝縮した作動流体ストリーム（２４）に熱を移送して、それから第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）を作り出すように構成される第１の熱交換器（３６）、
（ｄ）前記第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）を受容して、それから機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）とを作り出すように構成される第２の膨張機（３５）、
（ｅ）前記膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）から第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）に熱を移送して、それから前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム（２９）を作り出すように構成される第２の熱交換器（３７）、
（ｆ）廃熱含有ストリーム（１７）から第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送して、前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム（３１）を作り出すように構成される第２の加熱器（３３）、および、
（ｇ）前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第１のストリーム（２９）を前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第２のストリーム（３１）と混合して、前記第１の作動流体ストリーム（２０）を作り出すように構成される作動流体ストリーム混合器（４９）、
を含む、ランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記第２の加熱器（３３）は、前記第２の廃熱含有ストリーム（１７）から前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送するように構成される、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記第２の加熱器（３３）は、熱が減損した第２の廃熱含有ストリーム（１８）から前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送するように構成される、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記第２の加熱器（３３）は、熱的に強化された第２の廃熱含有ストリーム（１９）から前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送するように構成される、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
発電機（４２）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記第１の膨張機（３４）および前記第２の膨張機（３５）に機械式に連結された発電機（４２）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項７】
単一の作動流体を適応させるためにシステムが設定される、請求項１から６のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項８】
前記作動流体は、二酸化炭素である、請求項７に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項９】
前記システムは、超臨界の二酸化炭素を適合させるように構成される、請求項１から８のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１０】
前記第２の廃熱含有ストリーム（１７）を加熱するように構成される少なくとも１つのダクト型加熱器（４４）をさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１１】
前記システムは、共通の凝縮した作動流体ストリーム（６４）から、前記第１の凝縮した作動流体ストリーム（２４）と、前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）と、前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）とを作り出すように構成される、請求項１から１０のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１２】
第１の熱交換器（３６）および第２の熱交換器（３７）からの熱が減損したストリーム（５６、５７）を混合したストリーム（５８）を凝縮して前記共通の凝縮した作動流体ストリーム（６４）を作り出すように構成された作動流体凝縮器（６０）をさらに含む、請求項１１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１３】
前記システムは、単一の作動流体凝縮器（６０）を含む、請求項１２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１４】
前記第１の熱交換器（３６）からの熱が減損したストリーム（５７）から、前記第１のストリーム（２９）に熱を移送するように構成される第３の熱交換器（３８）をさらに含む、請求項１から１３のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１５】
（ａ）第１の廃熱含有ストリーム（１６）から第１の作動流体ストリーム（２０）に熱を移送して、第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）と第２の廃熱含有ストリーム（１７）とを作り出すように構成される第１の加熱器（３２）、
（ｂ）前記第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）を受容して、それから機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）とを作り出すように構成される第１の膨張機（３４）、
（ｃ）前記膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）から第１の凝縮した作動流体ストリーム（２４）に熱を移送して、それから第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）と第１の熱が減損した作動流体ストリーム（５７）とを作り出すように構成される第１の熱交換器（３６）、
（ｄ）前記第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）を受容して、それから機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）とを作り出すように構成される第２の膨張機（３５）、
（ｅ）前記膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）から第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）に熱を移送して、それから前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム（２９）と第２の熱が減損した作動流体ストリーム（５６）を作り出すように構成される第２の熱交換器（３７）、
（ｆ）前記第１の熱が減損した作動流体ストリーム（５７）を前記第２の熱が減損した作動流体ストリーム（５６）と混合して、それから統合した熱が減損した作動流体ストリーム（５８）を作り出すように構成される第１の作動流体ストリーム混合器（４９）、
（ｇ）前記統合した熱が減損した作動流体ストリーム（５８）を受容して、それから第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６１）を作り出すように構成される凝縮器（６０）、
（ｈ）前記第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６１）を加圧して、それによって第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６４）を作り出すように構成される作動流体ポンプ（６２）、
（ｉ）前記第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６４）を少なくとも３つの凝縮した作動流体ストリーム（２４、２７、２８）に分配するように構成される少なくとも１つの作動流体ストリーム分配器（４８）、
（ｊ）廃熱含有ストリーム（１７）から第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送して、それから前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム（３１）を作り出すように構成される第２の加熱器（３３）、および、
（ｋ）前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第１のストリーム（２９）を前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第２のストリーム（３１）と混合して、それから前記第１の作動流体ストリーム（２０）を作り出すように構成される第２の作動流体ストリーム混合器（４９）、
を含む、ランキンサイクルシステム。
【請求項１６】
前記作動流体ストリーム分配器（４８）は、前記第１の凝縮した作動流体ストリーム（２４）、前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）、および、前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）を提供する、請求項１５に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１７】
前記第１の膨張機（３４）および前記第２の膨張機（３５）のうちの少なくとも一方に機械式に連結された発電機（４２）をさらに含む、請求項１５または１６に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１８】
前記第２の廃熱含有ストリーム（１７）を加熱するように構成されるダクト型加熱器（４４）をさらに含む、請求項１５から１７のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１９】
前記第１の熱が減損した作動流体ストリーム（５７）から、前記第１のストリーム（２９）に熱を移送するように構成される第３の熱交換器（３８）をさらに含む、請求項１５から１７のいずれかに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項２０】
（ａ）第１の廃熱含有ストリーム（１６）から第１の作動流体ストリーム（２０）に熱を移送して、それにより第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）と第２の廃熱含有ストリーム（１７）とを作り出すステップ、
（ｂ）前記第１の蒸発した作動流体ストリーム（２１）を膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）とを作り出すステップ、
（ｃ）前記膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム（２２）から第１の凝縮した作動流体ストリーム（２４）に熱を移送して、それにより第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）と第１の熱が減損した作動流体ストリーム（５７）とを作り出すステップ、
（ｄ）前記第２の蒸発した作動流体ストリーム（２５）を膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）とを作り出すステップ、
（ｅ）前記膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム（２６）から第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）に熱を移送して、それにより前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム（２９）と第２の熱が減損した作動流体ストリーム（５６）とを作り出すステップ、
（ｆ）廃熱含有ストリーム（１６／１７／１８／１９）から第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）に熱を移送して、それにより前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム（３１）を作り出すステップ、および、
（ｇ）前記第２の凝縮した作動流体ストリーム（２８）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第１のストリーム（２９）を前記第３の凝縮した作動流体ストリーム（２７）よりも大きなエンタルピーを有する前記作動流体の前記第２のストリーム（３１）と混合して、それにより前記第１の作動流体ストリーム（２０）を作り出すステップ、
を含む、ランキンサイクルシステムを使用する熱エネルギーを回収する方法。
【請求項２１】
前記第１の熱が減損した作動流体ストリーム（５７）を前記第２の熱が減損した作動流体ストリーム（５６）と混合して、これにより統合した熱が減損した作動流体ストリーム（５８）を作り出すステップ（ｈ）をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記統合した熱が減損した作動流体ストリーム（５８）を凝縮して、これにより第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６１）を作り出すステップ（ｉ）をさらに含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６１）を加圧して、これにより第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６４）を作り出すステップ（ｊ）をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム（６４）を分割して、これにより少なくとも３つの凝縮した作動流体ストリーム（２４、２７、２８）を作り出すステップ（ｋ）をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記作動流体は、少なくとも１つの方法ステップのうちの少なくとも一部の間、超臨界状態の二酸化炭素である、請求項２０から２４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を消費する人間活動で発生した廃熱からエネルギーを回収するためのシステムおよび方法を取り扱う。特に、本発明は、燃焼タービンの排気ガスなどの十分に利用していない廃熱源から熱エネルギーを回収することに関する。
【背景技術】
【０００２】
幾世紀にもわたる人間が燃料を消費する活動は、文明の発達とその継続の双方において中心的な特徴である。しかしながら、燃料の燃焼時に発生するエネルギーの多くは有用な仕事のために形成することがたいしてできず、廃棄エネルギーたとえば廃熱として失われるので、燃料をエネルギーに変換し得る効率は、長く未解決の問題のままである。
【０００３】
ランキンおよび他の熱回収のサイクルは、燃料の燃焼で生じた廃熱に存在するエネルギーの少なくともいくらかを回収するために革新的に使用され、現在までに大きな進歩を遂げてきた。過去の実績にもかかわらず、ランキンサイクル廃熱回収システムおよび方法についてさらなる向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２３４５７９３号公報
【発明の概要】
【０００５】
１つの実施形態では、本発明は、（ａ）第１の廃熱含有ストリームから第１の作動流体ストリームに熱を移送して、第１の蒸発した作動流体ストリームと第２の廃熱含有ストリームとを作り出すように構成される第１の加熱器、（ｂ）第１の蒸発した作動流体ストリームを受容して、それから機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すように構成される第１の膨張機、（ｃ）膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームから第１の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それから第２の蒸発した作動流体ストリームを作り出すように構成される第１の熱交換器、（ｄ）第２の蒸発した作動流体ストリームを受容して、それから機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すように構成される第２の膨張機、（ｅ）膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームから第２の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それから第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームを作り出すように構成される第２の熱交換器、（ｆ）廃熱含有ストリームから第３の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームを作り出すように構成される第２の加熱器、および、（ｇ）第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームを第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームと混合して、第１の作動流体ストリームを作り出すように構成される作動流体ストリーム混合器、を含むランキンサイクルシステムを提供する。
【０００６】
代替の実施形態では、本発明は、（ａ）第１の廃熱含有ストリームから第１の作動流体ストリームに熱を移送して、第１の蒸発した作動流体ストリームと第２の廃熱含有ストリームとを作り出すように構成される第１の加熱器、（ｂ）第１の蒸発した作動流体ストリームを受容して、それから機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すように構成される第１の膨張機、（ｃ）膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームから第１の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それから第２の蒸発した作動流体ストリームと第１の熱が減損した作動流体ストリームとを作り出すように構成される第１の熱交換器、（ｄ）第２の蒸発した作動流体ストリームを受容して、それから機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すように構成される第２の膨張機、（ｅ）膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームから第２の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それから第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームと第２の熱が減損した作動流体ストリームを作り出すように構成される第２の熱交換器、（ｆ）第１の熱が減損した作動流体ストリームを第２の熱が減損した作動流体ストリームと混合して、それから統合した熱が減損した作動流体ストリームを作り出すように構成される第１の作動流体ストリーム混合器、（ｇ）統合した熱が減損した作動流体ストリームを受容して、それから第１の統合した凝縮した作動流体ストリームを作り出すように構成される凝縮器、（ｈ）第１の統合した凝縮した作動流体ストリームを加圧して、それによって第２の統合した凝縮した作動流体ストリームを作り出すように構成される作動流体ポンプ、（ｉ）第２の統合した凝縮した作動流体ストリームを少なくとも３つの凝縮した作動流体ストリームに分配するように構成される少なくとも１つの作動流体ストリーム分配器、（ｊ）廃熱含有ストリームから第３の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それから第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームを作り出すように構成される第２の加熱器、および、（ｋ）第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームを第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームと混合して、それから第１の作動流体ストリームを作り出すように構成される第２の作動流体ストリーム混合器、を含むランキンサイクルシステムを提供する。
【０００７】
さらに別の実施形態では、本発明は、（ａ）第１の廃熱含有ストリームから第１の作動流体ストリームに熱を移送して、それにより第１の蒸発した作動流体ストリームと第２の廃熱含有ストリームとを作り出すステップ、（ｂ）第１の蒸発した作動流体ストリームを膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すステップ、（ｃ）膨張した第１の蒸発した作動流体ストリームから第１の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それにより第２の蒸発した作動流体ストリームと第１の熱が減損した作動流体ストリームとを作り出すステップ、（ｄ）第２の蒸発した作動流体ストリームを膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームとを作り出すステップ、（ｅ）膨張した第２の蒸発した作動流体ストリームから第２の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それにより第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームと第２の熱が減損した作動流体ストリームとを作り出すステップ、（ｆ）廃熱含有ストリームから第３の凝縮した作動流体ストリームに熱を移送して、それにより第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームを作り出すステップ、および、（ｇ）第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリームを第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリームと混合して、それにより第１の作動流体ストリームを作り出すステップ、を含むランキンサイクルシステムを使用する熱エネルギーを回収する方法を提供する。
【０００８】
本発明の様々な特徴、態様、および利点は、同一の符合が全図を通じて同一の部品を指す場合がある添付図面に関して後述する詳細な説明を読むときに良好に理解されよう。別段の表示がない限り、本明細書で提供される図は、本発明の重要な進歩的な特徴を示すことを意味する。これらの重要な進歩的な特徴は、本発明の１つまたは複数の実施形態を含む幅広い多様なシステムに適用可能であると思われる。そのように、図は、本発明の実施に必要とされる当業者に公知の従来の特徴をすべて含むことを意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の第６の実施形態を示す図である。
【図７】代替的に構成されたランキンサイクルシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の明細書および請求項では、いくつかの用語について説明され、次のような意味を有することになろう。
【００１１】
単数形の「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈上別に規定することが明らかな場合を除いて複数の対象を含む。
【００１２】
「随意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「随意的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後に記載される事象もしくは事件が起き得るかまたは起き得ないこと、および、その記載がその事象の起きる場合と起きない場合とを含むことを意味する。
【００１３】
本明細書および請求項の全体にわたり使用されているように、近似させる語法は、それが関連する基本機能の変更を招くことなく、許容し得る変更が可能であるどの数量的な表示でも修正するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの１つまたは複数の用語によって修正される値は、その指示された数値に厳格に限定されるべきものではない。少なくともいくつかの場合、近似させる語法は、値を測定する機器の精度に対応することができる。本明細書および請求項のここおよび全体にわたって、範囲の限定は、結合および／または交換を行うことができ、そのような範囲は、文脈上や言語上別に規定する場合を除いて同一視されると共に、その中に含まれる部分範囲のすべてを含む。
【００１４】
本明細書に使用されているように、表現「ように構成され（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｔｏ）」は、特定の結果を実現するのに要するランキンサイクルシステムの２つ以上の構成要素の物理的な配置構成を示す。したがって、この表現「ように構成され（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｔｏ）」は、表現「のように配置構成され（ａｒｒａｎｇｅｄ  ｓｕｃｈ  ｔｈａｔ）」と交換可能に使用することが可能であり、本開示物を読み終えた当業者は、詳述した結果の特性に基づいて意図されるランキンサイクルシステムの構成要素の様々な配置構成を理解するであろう。ランキンサイクルシステムの作動流体に関連して表現「適応させるように構成され（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｔｏ  ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅ）」は、ランキンサイクルシステムが、組合せ時に動作中の作動流体を安全に封じ込めることのできる構成要素で構築されること、を意味する。
【００１５】
述べたように、一実施形態では、本発明は、廃熱源、たとえば、燃焼タービンからの熱まじりの排気ガス、からエネルギーを回収するのに有用なランキンサイクルシステムを提供する。ランキンサイクルシステムは、廃熱源の中に存在する熱エネルギーの少なくとも一部を、様々なやり方で使用することのできる機械エネルギーに変換する。たとえば、廃熱から生じた機械エネルギーは、発電機、交流機、または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し得る他の適切な装置を駆動するために使用することができる。１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムは、ランキンサイクルシステムによって生じる機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される複数の装置、たとえば、２つ以上の発電機を含むランキンサイクルシステム、または、発電機および交流機を含むランキンサイクルシステム、を含む。代替の実施形態では、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムは、作動流体に含有される潜在エネルギーを機械エネルギーに変換し、システムの構成要素、たとえば、作動流体を加圧するために使用されるポンプ、に動力を供給するために、生じる機械エネルギーの少なくとも一部を採用する。
【００１６】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムは、第１の蒸発した作動流体ストリームと第２の廃熱含有ストリームとを生じさせるために、第１の廃熱含有ストリームから第１の作動流体ストリームに熱を移送するように構成された加熱器を含む。廃熱含有ストリームは、任意の廃熱含有ガス、液体、流動化した固体、または、熱をそれから回収し得る多面的な流体、にすることができる。本明細書に使用されているように、用語「加熱器（ｈｅａｔｅｒ）」は、廃熱含有ストリームなどの廃熱源をランキンサイクルシステムの作動流体に熱接触させる装置を示しており、したがって、熱は、廃熱源を作動流体に直接接触させずに、すなわち、廃熱源が作動流体と混合せずに、廃熱源から作動流体に移送される。そのような加熱器は、市販されており、当業者に公知である。たとえば、加熱器は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２００９年１１月２４日出願の米国特許出願第２０１１−０１２０１２９Ａ１号に開示されたものなどの、廃熱含有ストリームがその中を通過し得るダクトにすることが可能である。作動流体は、ダクト内にチューブを配設して、廃熱含有ストリームに直接接触せずに作動流体がその中を通過する導管を設けることにより、廃熱含有ストリームと熱接触させることができる。流れている作動流体は、第１の作動流体温度でダクト内のチューブに進入し、ダクトを貫流する廃熱含有ストリームから熱を受容し、そして、第１の作動流体温度よりも高い第２の作動流体温度でダクト内のチューブから退出する。廃熱含有ストリームは、第１の廃熱含有ストリーム温度でダクトに進入し、その熱エネルギーの少なくとも一部を作動流体に移送したところで、第１の廃熱含有ストリーム温度よりも低い第２の廃熱含有ストリーム温度でダクトから退出する。
【００１７】
本明細書に使用されているように、用語「加熱器」は、廃熱含有ストリームなどの廃熱源から作動流体に熱を移送するように構成される装置が予定されているが、第１の作動流体ストリームと第２の作動流体ストリームとの間で熱を交換するようには構成されていない。加熱器は、本明細書中では、第１の作動流体ストリームと第２の作動流体ストリームとの間で熱を交換可能にするように構成される熱交換器から区別される。この区別は、加熱器３２および３３が廃熱含有ストリームすなわち廃熱含有ストリーム１６および１８のそれぞれから作動流体ストリーム２０および２７のそれぞれに熱を移送する、本開示の図５に示されている。図５の番号付きシステム構成要素３６および３７ならびに図６の番号付きシステム構成要素３８が、第１の作動流体ストリームと第２の作動流体ストリームとの間で熱を交換するように構成され、本明細書に規定したような熱交換器として適しており、本明細書に規定したような加熱器として適しておらず、熱交換器３６が、廃熱含有ストリーム１９（図５および図６）および膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２の双方から第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に熱を移送するように構成されるという事実にもかかわらずそうであるということを当業者は理解するであろう。
【００１８】
本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用することのできる適切な加熱器は、述べたようなダクト型加熱器、流動層加熱器、シェルアンドチューブ型加熱器、プレート型加熱器、フィンプレート型加熱器およびフィンチューブ型加熱器を含む。
【００１９】
本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用することのできる適切な熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器、印刷回路熱交換器、プレートフィン熱交換器および成形プレート熱交換器を含む。本発明の１つまたは複数の実施形態では、ランキンサイクルシステムは、印刷回路型の熱交換器を少なくとも１つ含む。
【００２０】
本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用される作動流体は、ランキンサイクルシステムで使用するのに適した任意の作動流体たとえば二酸化炭素にすることができる。追加の適切な作動流体は、水、窒素、シクロペンタンなどの炭化水素、有機ハロゲン化合物およびＳＦ6などの安定した無機流体を含む。一実施形態では、作動流体は、ランキンサイクルシステム内の１つまたは複数の位置で超臨界状態になることのできる二酸化炭素である。
【００２１】
ランキンサイクルシステムは基本的に、作動流体が様々に加熱、膨張、凝縮、および加圧される閉ループであるが、ランキンサイクルシステムの全体構成を特定する手段として、作動流体が様々な作動流体ストリームで構成されていると考えることは有用である。したがって、第１の作動流体ストリームは、廃熱源から廃熱を取り出す加熱器に進入して、第１の作動流体ストリームから第１の蒸発した作動流体ストリームに変容される。
【００２２】
５１８ｋＰａで−５６℃の沸点を有する二酸化炭素などの高揮発性の作動流体に適用した場合の表現「蒸発した作動流体（ｖａｐｏｒｉｚｅｄ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）」は、加熱器または熱交換器を通過する前のものよりも高温であるガス状の作動流体を単に意味する。要するに、本明細書に使用されているような用語蒸発したは、液体状態からガス状態への作動流体の変容を意味する必要がないということである。蒸発した作動流体ストリームは、本発明で提供されるランキンサイクルシステムの加熱器および／または熱交換器を通過することによって生じる場合に超臨界状態になることができる。
【００２３】
同様に、作動流体に適用した場合の用語「凝縮した（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ）」は、液体状態の作動流体を意味する必要がない。二酸化炭素などの作動流体の文脈では、凝縮した作動流体は、作動流体凝縮器として本明細書で時々引用される凝縮器ユニットを通過した作動流体ストリームを単に意味する。したがって、用語「凝縮した作動流体（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）」は、いくつかの実施形態では、ガス状態または超臨界状態の作動流体を実質的に指す場合がある。本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用することのできる適切な凝縮または冷却のユニットは、フィンチューブ凝縮器およびプレートフィン凝縮器／冷却器を含む。１つまたは複数の実施形態では、本発明は、単一の作動流体凝縮器を含むランキンサイクルシステムを提供する。別のセットの実施形態では、本発明は、複数の作動流体凝縮器を含むランキンサイクルシステムを提供する。
【００２４】
作動流体に適用した場合の用語「膨張した（ｅｘｐａｎｄｅｄ）」は、膨張機を通過した後の作動流体ストリームの状態を示す。当業者が理解するように、蒸発した作動流体の中に含有されるエネルギーのいくらかは、膨張機をそれが通過する際に機械エネルギーに変換される。本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用することのできる適切な膨張機は、軸型および放射型の膨張機を含む。
【００２５】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムは、膨張機の中に生じた機械エネルギーを用いて駆動することのできる発電機または交流機などの機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される装置をさらに含む。１つまたは複数の代替の実施形態では、ランキンサイクルシステムは、膨張機の中に生じた機械エネルギーを電力に変換するように構成される複数の装置を含む。歯車箱は、拡張装置を発電機／交流機に連結するために使用することができる。さらに、変圧器および逆変換器は、発電機／交流機によって生じる電流を調整するために使用することができる。
【００２６】
ここで図を参照すると、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムの本質的な特徴が図に示されている。様々な流れの線は、ランキンサイクルシステムの様々な構成要素を通る廃熱含有ストリームおよび作動流体ストリームの流れの方向を示す。当業者が理解するように、廃熱含有ストリームおよび作動流体ストリームは、ランキンサイクルシステムの中に適切に閉じ込められる。したがって、たとえば、作動流体の流れの方向を示している個々の線は、ランキンサイクルシステムに組み込まれた導管を代表している。同様に、廃熱含有ストリームの流れを示している大形の矢印は、適切な導管（図示せず）の中を流れるストリームを表示することを意味する。作動流体として二酸化炭素を使用するように構成されたランキンサイクルシステムでは、導管および機器は、当技術分野において公知であるランキンサイクルシステムの構成要素を使用する超臨界の二酸化炭素を安全に利用するために選択することができる。
【００２７】
図１を参照すると、図は、本発明によって提供されるランキンサイクルシステム１０の重要な構成要素を示し、このシステムの顕著な特徴は、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８、および、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７という３つの別個の凝縮した作動流体ストリームが存在することである。示された実施形態では、第１の作動流体ストリーム２０は、第１の加熱器３２に導入され、そこでは、第１の廃熱含有ストリーム１６と熱接触される。第１の作動流体ストリーム２０は、より高温の第１の廃熱含有ストリーム１６から熱を獲得し、加熱器を通過することによって、その後に第１の膨張機３４に渡される第１の蒸発した作動流体ストリーム２１に変容される。第１の廃熱含有ストリーム１６は同様に、第２の加熱器３３に向けられるより低いエネルギーの第２の廃熱含有ストリーム１７に変容され、第２の加熱器３３は、第２の廃熱含有ストリーム１７を第３の凝縮した作動流体ストリーム２７と熱接触させるように構成されている。第１の蒸発した作動流体ストリーム２１に含有されたエネルギーの少なくとも一部は、膨張機の中の機械エネルギーに変換される。第１の膨張機から退出する膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２は、その後に第１の熱交換器３６に導入され、そこでは、残留熱が、膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２から、ランキンサイクルシステム１０の他のところで作り出された第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に移送される。膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２は、熱交換器３６の中で、第１の熱が減損した作動流体ストリーム５７に変容される。
【００２８】
依然として図１を参照すると、作動流体ストリーム２２から熱を獲得した第１の凝縮した作動流体ストリーム２４は、熱交換器３６の中で、第２の蒸発した作動流体ストリーム２５に変容される。１つまたは複数の実施形態では、第２の蒸発した作動流体ストリーム２５は、第１の蒸発した作動流体ストリーム２１の温度よりも低い温度を特徴とする。第２の蒸発した作動流体ストリーム２５は、その後に機械エネルギーを作り出すために第２の膨張機３５に渡されて、第２の膨張機３５を通過することの結果として、膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６に変容される。第２の熱交換器３７は、膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６を受容するように構成され、そこでは、作動流体ストリーム２６に含有される残留熱が、ランキンサイクルシステムの他のところで作り出された第２の凝縮した作動流体ストリーム２８に移送される。第２の凝縮した作動流体ストリーム２８は、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８よりも大きなエンタルピーを有する作動流体ストリーム２９に変容される。膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６は、第２の熱交換器３７の中で、第２の熱が減損した作動流体ストリーム５６に変容される。本発明の１つまたは複数の実施形態では、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４および第２の凝縮した作動流体ストリーム２８は、ランキンサイクルシステム内で作り出される共通の凝縮した作動流体ストリームから作り出される。
【００２９】
依然として図１を参照すると、第２の廃熱含有ストリーム１７は、第２の加熱器３３に向けられ、そこでは、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７に熱が引き渡される。第３の凝縮した作動流体ストリーム２７は、廃熱含有ストリーム１７から熱を獲得するので、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７よりも大きなエンタルピーを特徴とする作動流体ストリーム３１に変容される。同様に、少なくともいくらかのその熱が第３の凝縮した作動流体ストリーム２７に移送された第２の廃熱含有ストリーム１７は、第２の加熱器３３の中で、熱が減損した第２の廃熱含有ストリーム１８に変容される。本明細書で時々、作動流体２９および３１は、それぞれ「第２の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム」および「第３の凝縮した作動流体ストリームよりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム」として引用される。
【００３０】
依然として図１を参照すると、作動流体ストリーム３１は、作動流体ストリーム混合器４９で作動流体ストリーム２９と混合されて、第１の加熱器３２に渡される第１の作動流体ストリーム２０が作り出され、これにより、廃熱回収サイクルが完結し、追加のサイクルのための段階が設定される。
【００３１】
図２を参照すると、図は本発明によって提供され図１のように構成されるランキンサイクルシステム１０を示すが、膨張機３４および３５の一方または双方によって作り出される機械エネルギーを利用するように構成される発電機４２が追加されている。
【００３２】
図３を参照すると、図は本発明によって提供され図１および図２のように構成されるランキンサイクルシステム１０を示すが、共通の駆動軸４６を介して膨張機３４および３５の双方に機械式に連結された発電機４２が追加されている。
【００３３】
図４を参照すると、図は本発明によって提供され図１のように構成されるランキンサイクルシステム１０を示し、さらに、第１、第２および第３の凝縮した作動流体ストリーム２４、２８および２７に変容される、統合した熱が減損したストリーム５８に、熱が減損したストリーム５７および５６を統合することを示している。したがって、熱が減損したストリーム５７および５６は、第１の作動流体ストリーム混合器４９で混合されて、統合した作動流体ストリーム５８が提供され、これは、凝縮器／冷却器６０の作用によって、第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム６１に変容され、作動流体ポンプ６２によって加圧されて、第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム６４が提供される。作動流体ストリーム６４は、その後に作動流体ストリーム分配器４８に渡され、そこで、ストリーム６４は、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８、および、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７に変換される。
【００３４】
図５を参照すると、図は本発明によって提供されるランキンサイクルシステム１０を示す。システムは、図３および図４に示す実施形態と共通する構成要素を含むが、第２の廃熱含有ストリーム１７を熱的に強化された第２の廃熱含有ストリーム１９に変容させるために使用することのできるダクト型加熱器４４をさらに含む。示した実施形態では、廃熱含有ストリーム１９は、ダクト型加熱器４４から第１の熱交換器３６に向けられ、そこでは、廃熱含有ストリーム１９の中に含有された熱の少なくとも一部が、第２の蒸発した作動流体ストリーム２５を作り出すために、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に移送される。膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２によって追加の熱が提供される。ダクト型加熱器４４が存在することにより、ランキンサイクルシステムを使用する上でさらなる自由度がもたらされる。たとえば、ダクト加熱器により、ストリームの温度を、加熱器の下流側で連結される第２のストリームの温度と等しくなるまで上昇させることが可能となる。ストリームの温度をこのやり方で変えることにより、異なる温度を有する２つ以上のストリームを接続することに起因するエネルギー損失が最小化される。
【００３５】
依然として図５を参照すると、図は、第１の蒸発した作動流体ストリーム２１および第２の排気ガスストリーム１７を作り出すために第１の加熱器３２の中で第１の排気ガスストリーム１６と熱接触する第１の作動流体ストリーム２０を示す。第１の蒸発した作動流体ストリーム２１は、共通の駆動軸４６によって第２の膨張機３５および発電機４２の双方に結合される第１の膨張機３４の中で膨張される。膨張した作動流体ストリーム２２および熱的に強化された第２の廃熱含有ストリーム１９は、第１の熱交換器３６に導入され、そこでは、熱が第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に移送され、これにより、第２の蒸発した作動流体ストリーム２５、熱が減損した第２の廃熱含有ストリーム１８、および、「第１の熱が減損した作動流体ストリーム５７」として本明細書で時々引用される熱が減損した作動流体ストリーム５７が作り出される。示された実施形態では、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８、および、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７は、凝縮した作動流体ストリーム６４から次のように作り出される。凝縮した作動流体ストリーム６４は、単一の作動流体ストリーム分配器４８に渡され、そこで、凝縮した作動流体ストリーム６４は、３つの別々の凝縮した作動流体ストリーム（２４、２８および２７）に分配される。代替の実施形態（図示せず）では、ストリーム６４は、第１の作動流体ストリーム分配器に渡され、そこで、作動流体ストリーム６４は、第１の凝縮した作動流体ストリーム２４および中間の凝縮した作動流体ストリームに変容される。中間の凝縮した作動流体ストリームは、その後に第２の作動流体ストリーム分配器４８に渡され、中間の凝縮した作動流体ストリームは、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８および第３の凝縮した作動流体ストリーム２７に分配される。凝縮した作動流体ストリーム２７は、第２の加熱器３３に導入され、そこでは、熱が減損した第２の廃熱含有ストリーム１８から熱を獲得して、より高いエンタルピーの作動流体ストリーム３１に変容される。熱が減損したストリーム１８は、加熱器３３を通過することによりさらに冷却され、さらに熱が減損したストリーム１８ａとして加熱器から退出する。作動流体ストリーム２９および３１は、第１の作動流体ストリーム２０を提供するために第２の作動流体ストリーム混合器４９で混合される。
【００３６】
依然として図５を参照すると、膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６は、第２の熱交換器３７に導入され、そこでは、作動流体ストリーム分配器４８で、統合した凝縮した作動流体ストリーム６４からそれ自体が作り出される、第２の凝縮した作動流体ストリーム２８に熱が移送される。第２の熱交換器３７を退出する作動流体ストリーム２９は、第２の作動流体ストリーム混合器４９で作動流体ストリーム３１と混合することによって能動的に変容される。本明細書で使用されているように、用語「能動的に変容され」は、廃熱含有ストリーム、あるいは、２つ以上のストリームに分配、１つまたは複数のストリームと混合、加熱、蒸発、膨張、凝縮、加圧、冷却、または、前述の変容のある操作のうちの２つ以上の組合せのいくつかを受けるというステップに従った作動流体ストリームを指す。第２の凝縮した作動流体ストリーム２８に熱が移送されたので、作動流体ストリーム２６は、第２の熱が減損した作動流体ストリーム５６として第２の熱交換器３７から出現する。
【００３７】
図６を参照すると、図は図５のように構成される本発明によって提供されるランキンサイクルシステムを示すが、第１の熱が減損した作動流体ストリーム５７に存在する残留熱を獲得するために使用される第３の熱交換器３８をさらに含む。示された実施形態では、熱が減損したストリーム５７は、バルブ８０に渡され、バルブ８０は、第３の熱交換器３８を作動流体ストリーム５７の全部または作動流体ストリーム５７の一部が通過できるようにあるいは作動流体ストリーム５７が少しも通過できないように作動することができる。第２のバルブ８２は、さらに熱が減損した作動流体ストリーム５７ａのみが通過できるように、ストリーム５７および５７ａの組合せが通過できるように、または、ストリーム５７のみが通過できるように、作動することができる。便宜上、バルブ８２の下流であるが作動流体ストリーム混合器４９の上流の作動流体ストリームは、ストリーム５７／５７ａとして引用される。
【００３８】
様々なシステム構成要素、たとえば、作動流体ストリーム分配器、作動流体ストリーム混合器、作動流体ポンプ、および、作動流体凝縮器は、当業者に公知であり、市販されている。
【００３９】
ランキンサイクルシステムを提供することに加えて、本発明は、ランキンサイクルシステムを使用する熱エネルギーを回収する方法を提供する。本方法の１つまたは複数の実施形態は、図１〜６によって示される。したがって、１つの実施形態では、この方法は、（ａ）第１の廃熱含有ストリーム１６から第１の作動流体ストリーム２０に熱を移送して、それにより第１の蒸発した作動流体ストリーム２１と第２の廃熱含有ストリーム１７とを作り出すステップ、（ｂ）第１の蒸発した作動流体ストリームを膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２とを作り出すステップ、（ｃ）膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム２２から第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に熱を移送して、それにより第２の蒸発した作動流体ストリーム２５と第１の熱が減損した作動流体ストリーム５７とを作り出すステップ、（ｄ）第２の蒸発した作動流体ストリーム２５を膨張させて、それにより機械エネルギーと膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６とを作り出すステップこと、（ｅ）膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム２６から第２の凝縮した作動流体ストリーム２８に熱を移送して、それにより第２の凝縮した作動流体ストリーム２８よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム２９と第２の熱が減損した作動流体ストリーム５６とを作り出すステップ、（ｆ）廃熱含有ストリーム（たとえば、１６、１７、１８または１９）から第３の凝縮した作動流体ストリーム２７に熱を移送して、それにより第３の凝縮した作動流体ストリーム２７よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム３１を作り出すステップ、および、（ｇ）第２の凝縮した作動流体ストリーム２８よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第１のストリーム２９を第３の凝縮した作動流体ストリーム２７よりも大きなエンタルピーを有する作動流体の第２のストリーム３１と混合して、それにより第１の作動流体ストリーム２０を作り出すステップ、を含む。
【００４０】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法は、第１の熱が減損した作動流体ストリーム５７を第２の熱が減損した作動流体ストリーム５６と混合し、それから、統合した熱が減損した作動流体ストリーム５８を作り出すステップ（ｈ）をさらに含む。
【００４１】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法は、統合した熱が減損した作動流体ストリーム５８を凝縮し、それから、第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム６１を作り出すステップ（ｉ）をさらに含む。
【００４２】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法は、第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム６１を加圧し、これにより第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム６４を作り出すステップ（ｊ）をさらに含む。
【００４３】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法は、第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム６４を分割し、これにより少なくとも３つの凝縮した作動流体ストリームを作り出すステップ（ｋ）をさらに含む。
【００４４】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法は、作動流体として二酸化炭素を利用し、二酸化炭素は、少なくとも１つの方法ステップのうちの少なくとも一部の間、超臨界状態である。
【００４５】
１つまたは複数の実施形態では、本発明によって提供される方法およびシステムは、燃焼タービンによって作り出された排気ガスストリームである廃熱含有ストリームから熱を獲得および利用するために使用することができる。
【００４６】
実験の抜粋
実験室規模のランキンサイクルシステムは、超臨界の二酸化炭素ランキンサイクルシステムの実施可能性の双方を実証して製造業者の提案するランキンサイクルシステムの個々の構成要素の性能特性、たとえば、印刷回路熱交換器の実効性を検証するために、構築されて検査された。実験用のランキンサイクルシステムは、第１の膨張機３４および第２の膨張機３５が膨張弁で置き換えられ、ストリーム６１が分割されて第１の作動流体ポンプおよび第２の作動流体ポンプに送られ、これにより第１の凝縮した作動流体ストリーム２４と第２の凝縮した作動流体ストリーム２８のそれぞれが提供される、ということを除いて図４のように構成された。実験室のシステムは、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７または第２の加熱器３３を備えていなかった。なお、ランキンサイクルシステムは、第１の廃熱含有ストリーム１６を採用せずに、その代わりに、第１の作動流体ストリーム２０を加熱するために電気加熱要素に依存した。作動流体は、二酸化炭素であった。第２の廃熱含有ストリーム１７または熱的に強化された第２の廃熱含有ストリーム１９のいずれかから第１の熱交換器３６に熱を移送することの追加の効果は、熱交換器３６に加熱要素を加えることによって概算することができる。実験用のシステムは、後述する追加のシミュレーション研究のための枠組を提供した。特に、実験で得られたデータは、本発明の実施形態の予測性能を確認および／または洗練するために使用することが可能である。
【００４７】
本発明によって提供されるランキンサイクルシステムの性能を予測するために、２つのソフトウエアモデルが採用された。これらのＦ−Ｃｈａｒｔ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ（Ｍａｄｉｓｏｎ、Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）から入手可能なソフトウエアモデル「ＥＥＳ」（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｅｑｕａｔｉｏｎ  Ｓｏｌｖｅｒ）のうちの最初のものは、最良の全体性能のためのシステム状態点で明示されるようなランキンサイクルシステムの動作条件の予測的な最適化を可能にした方程式に基づく計算システム（ｅｑｕａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）である。ＡｓｐｅｎＴｅｃｈから入手可能な総合的プロセスモデル化体系（ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）のＡｓｐｅｎ  ＨＹＳＹＳを用いて、ランキンサイクルシステムを動作させる最良のやり方についてのさらなる見識が得られた。
【００４８】
本発明によって提供され図４のように構成されるランキンサイクルシステムは、二酸化炭素のための状態のＳｐａｎｎ−Ｗａｇｎｅｒ式を使用するＥＥＳソフトウエアモデルを使用して評価された（例１）。例１のランキンサイクルシステムは、３つの他のランキンサイクルシステムと比較された。最初のもの（比較例１）は、簡単なランキンサイクルシステムであって、単一の膨張機および単一の熱交換器を含むが、例１ならびに比較例２および３との意味のある比較ができるように適切な規模にすることができた。第２の比較（比較例２）は、図７のように構成されたランキンサイクルシステムに対してであった。比較例２のランキンサイクルシステムは、第２の加熱器３３を含んでいないし、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７を提供してもいなかった。さらに、比較例２のランキンサイクルシステムは、第２の統合した作動流体ストリーム６４が第２の熱交換器３７に渡され、その後に、第２の熱交換器３７から退出する作動流体ストリーム２９が作動流体ストリーム分配器４８によって第１の作動流体ストリーム２０および第１の凝縮した作動流体ストリーム２４に変容されるように構成された。第３の比較（比較例３）は、作動流体ストリーム分配器４８が第１の凝縮した作動流体ストリーム２４および第２の凝縮した作動流体ストリーム２８のみを作り出し、第３の凝縮した作動流体ストリーム２７がなく、したがって、第２の加熱器３３がなく、作動流体ストリーム３１がなく、ストリーム２９および３１を混合するように構成された作動流体ストリーム混合器４９がない、ということを除いて、図４のように構成されたランキンサイクルシステムに対して行われた。表１に提示されたデータは、代替のランキンサイクルシステムの構成に対する本発明によって提供されるランキンサイクルシステムの利点を示す。
【００４９】
例１および比較例１〜３のランキンサイクルシステムは、１セットの１６個の異なる安定状態の条件の下でモデル化され、個々の安定状態は、第１の安定状態の約１０℃から第１６の安定状態の約５０℃まで変化する最低のシステムＣＯ2作動流体温度を特徴とした。ランキンサイクルシステムの予測性能は、周囲温度に依存し、約１３０℃のシステムから退出するときの廃熱含有ストリームのための最低許容温度にも左右された。この低い方の温度限界は、ガスタービンなどの燃焼機関の排気ストリームから廃熱を回収するための典型的な設計指針に従っており、排気ダクト内の腐食性の酸性ガスの凝縮を阻止するのに役立っている。モデルのランキンサイクルシステムの動力出力（ｐｏｗｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ）は、コンピュータ模擬実験ツールのための入力として実験室規模のランキンサイクルシステムを使用する実験的に測定した状態点を使用して評価することも可能であった。観察したランキンサイクルシステムの個々の動力出力は、最低のシステムＣＯ2作動流体温度が上昇するにつれて着実に下降した。
【００５０】
下記の表１には、本発明によって提供されるランキンサイクルシステムの動力出力（例１）を、従来のランキンサイクルシステム（比較例１）および同様の複雑さの２つの代替の構成のランキンサイクルシステム（比較例２〜３）と比較するデータが提示される。
【００５１】
【表１】
0006416889.tif 000002
表１に提示されたデータは、基礎の標準のランキンサイクルの構成（比較例１）および同様の複雑さの代替の構成のランキンサイクルシステム（比較例２〜３）に対する本発明によって提供されるランキンサイクルシステムの動力出力における無視できない改善を表している。
【００５２】
前述した例は、本発明のいくつかの特徴のみを示すのに役立っている単なる例証である。添付の請求項は、着想されたものと同じくらい広く本発明を請求することを目的とし、本明細書に提示された例は、すべての可能な実施形態の集合から選択した実施形態の例証である。したがって、出願人の意図することは、添付の請求項が本発明の特徴を示すために利用される例の選択によって限定されるべきでないということである。請求項で使用されているように、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」およびその文法上の変異形は論理的にも、たとえば、それに限定されないが、「から本質的に構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」および「から構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などの様々の異なった範囲のフレーズの限界を定めかつそれを含む。範囲が与えられている場合に必要に応じて、それらの範囲はその間のすべての部分範囲を包括する。それらの範囲の変異形が、本技術分野の通常の技量を有する実務家にそれら自体を提案し、既に公共の用に供せられている場合でなければ、それらの変異形が可能な限り添付の請求項によってカバーされるように解釈されるべきである、ということが期待される。また、科学および技術の進歩は、言葉が不正確であるという理由で現在熟慮されない同等物および代用物を受け入れ可能にし、それらの変異形も可能な限り、添付の請求項によってカバーされるように解釈されるべきである、ということが期待される。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ランキンサイクルシステム
１６  第１の廃熱含有ストリーム
１７  （第２の）廃熱含有ストリーム
１８  （熱が減損した第２の）廃熱含有ストリーム
１９  熱的に強化された第２の廃熱含有ストリーム
２０  第１の作動流体ストリーム
２１  第１の蒸発した作動流体ストリーム
２２  膨張した第１の蒸発した作動流体ストリーム
２４  第１の凝縮した作動流体ストリーム
２５  第２の蒸発した作動流体ストリーム
２６  膨張した第２の蒸発した作動流体ストリーム
２７  第３の凝縮した作動流体ストリーム
２８  第２の凝縮した作動流体ストリーム
２９  作動流体の第１のストリーム
３１  作動流体の第２のストリーム
３２  第１の加熱器
３３  第２の加熱器
３４  第１の膨張機
３５  第２の膨張機
３６  第１の熱交換器
３７  第２の熱交換器
３８  第３の熱交換器
４２  発電機
４４  ダクト型加熱器
４８  作動流体ストリーム分配器
４９  第１／第２の作動流体ストリーム混合器
５６  第２の熱が減損した作動流体ストリーム
５７  第１の熱が減損した作動流体ストリーム
５８  統合した熱が減損した作動流体ストリーム
６０  （作動流体）凝縮器
６１  第１の統合した凝縮した作動流体ストリーム
６２  作動流体ポンプ
６４  第２の統合した凝縮した作動流体ストリーム
【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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【図７】
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