(57)【要約】  廃熱回収システムが提供される。廃熱回収システムは、作用流体を循環させるためのランキンサイクルシステムを含む。ランキンサイクルシステムは、熱源から作用流体に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーを含む。ランキンサイクルシステムはまた、少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーから加熱された作用流体を受け取るように構成された第１のエキスパンダを含む。さらにランキンサイクルは、少なくとも１つの発電機に結合された第２のエキスパンダと、第３のエキスパンダとを含む。廃熱回収システムはまた、冷却するために第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダから低圧で作用流体を受け取るように構成されたコンデンサと、コンデンサから作用流体の冷却され凝縮された流れを受け取るためにコンデンサに接続されたポンプとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から作用流体（１４）に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）と、
前記少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）から前記加熱された作用流体（１４）を受け取るように構成された第１のエキスパンダ（１８）と、
少なくとも１つの発電機（２４）に結合された第２のエキスパンダ（２０）および第３のエキスパンダ（２２）と
を備える、作用流体（１４）を循環させるためのランキンサイクルシステム（１２）と、
冷却するために前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）から低圧で前記作用流体（１４）を受け取るように構成されたコンデンサ（２６）と、
前記コンデンサ（２６）から前記作用流体（１４）の冷却され凝縮された流れを受け取るために前記コンデンサ（２６）に接続されたポンプ（２８）であって、前記ポンプが、前記第１の廃熱回収ボイラー（１６）に流れ込む前記作用流体（１４）の一次流れ（３０）、前記第２のエキスパンダ（２０）に流れ込む前記作用流体（１４）の二次流れ（３２）および前記第３のエキスパンダ（２２）に流れ込む前記作用流体（１４）の三次流れ（３４）に前記凝縮した作用流体（１４）を注入するように構成されるポンプ（２８）と
を備える廃熱回収システム（１０）。
【請求項２】
前記作用流体（１４）が二酸化炭素である、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項３】
前記第１の廃熱回収ボイラー（１６）が、高温ガスの第１のストリームまたは排煙ガスの第１の流れ（１７）から前記第１のエキスパンダ（１８）に入る前記作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）に熱を移動させるように構成された熱交換器セクションを含む、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項４】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記第１のエキスパンダ（１８）を出る前記作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）から前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前の前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）に熱を移動させるように構成された第１の伝熱式熱交換器（３６）を備える、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項５】
前記第１の伝熱式熱交換器（３６）が、中間温度伝熱式熱交換器である、請求項４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項６】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前に前記第１の伝熱式熱交換器（３６）を出る前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）を加熱するように構成された１つの第２の廃熱回収ボイラー（２１）を備える、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項７】
前記１つの第２の廃熱回収ボイラー（２１）が、高温ガスの第２のストリームまたは排煙ガスの第２の流れ（１９）から前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前の前記第１の伝熱式熱交換器（３６）を出る前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）に熱を移動させるように構成された熱交換器セクションを備える、請求項６に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項８】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記第２のエキスパンダ（２０）を出る前記作用流体（１４）の二次流れ（３２）から前記第３のエキスパンダ（２２）に入る前の前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）に熱を移動させるように構成された第２の伝熱式熱交換器（３８）を備える、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項９】
前記第２の伝熱式熱交換器（３８）が低温伝熱式熱交換器である、請求項５に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１０】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記コンデンサ（２６）に入る前に前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）をそれぞれ出た後の作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）と、作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）と、前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）とを組み合わせた流れを事前に冷却するための補助冷却器（４０）を備える、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１１】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）からそれぞれ出る前記作用流体（１４）の一次流れ（３０）と、作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）と、前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）とを組み合わせた流れの事前冷却作用より外部工程のために熱を提供するための熱電気複合利用（ＣＨＰ）システムを備える、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１２】
前記熱電気複合利用（ＣＨＰ）システムが、前記廃熱回収ボイラー（１６）に入る前に事前加熱するために事前冷却作用から得た熱を作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）に移動させるように構成される、請求項１１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１３】
前記コンデンサ（２６）が前記作用流体（１４）を冷却し、前記ポンプ（２８）が液体を注入するというより冷却されたガスを圧縮する、請求項１に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１４】
高温ガスまたは排煙ガスのストリームから作用流体（１４）に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）と、
前記少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）から前記加熱された作用流体（１４）を受け取るように構成された第１のエキスパンダ（１８）と、
少なくとも１つの発電機（２４）に結合された第２のエキスパンダ（２０）および第３のエキスパンダ（２２）と
を備える、作用流体（１４）を循環させるためのランキンサイクルシステム（１２）と、
冷却するために前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）から低圧で前記作用流体（１４）を受け取るように構成されたコンデンサ（２６）と、
前記コンデンサ（２６）から前記作用流体（１４）の冷却された流れを受け取るために前記コンデンサ（２６）に接続されたポンプ（２８）であって、前記ポンプが、前記第１の廃熱回収ボイラー（１６）に流れ込む前記作用流体（１４）の一次流れ（３０）、第１の伝熱式熱交換器（３６）を介して前記第２のエキスパンダ（２０）に流れ込む前記作用流体（１４）の二次流れ（３２）、および第２の伝熱式熱交換器（３８）を介して前記第３のエキスパンダ（２２）に流れ込む前記作用流体（１４）の三次流れ（３４）に前記作用流体（１４）を注入するように構成されるポンプ（２８）と、
前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前に前記第１の伝熱式熱交換器（３６）を出る前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）を加熱するように構成された少なくとも１つの第２の廃熱回収ボイラー（２１）と
を備える廃熱回収システム（１０）。
【請求項１５】
前記作用流体（１４）が二酸化炭素である、請求項１４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）または前記少なくとも１つの第２の廃熱回収ボイラー（２１）が、高温ガスまたは排煙ガスのストリームから前記第１のエキスパンダ（１８）に入る前記作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）または前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）に熱を移動させるように構成される、請求項１４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１７】
前記第１の伝熱式熱交換器（３６）が、前記第１のエキスパンダ（１８）を出る前記作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）から前記第２のエキスパンダ（２０）に入る前の前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３４）に熱を移動させるように構成された中間温度伝熱式熱交換器である、請求項１４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１８】
前記第２の伝熱式熱交換器（３８）が、前記第２のエキスパンダ（２０）を出る前記作用流体（１４）の二次流れ（３２）から前記第３のエキスパンダ（２２）に入る前の前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）に熱を移動させるように構成された低温伝熱式熱交換器である、請求項１４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項１９】
前記ランキンサイクルシステム（１２）が、前記コンデンサ（２６）に入る前に前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）をそれぞれ出た後、作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）と、作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）と、前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）とを組み合わせた流れを事前冷却するために補助冷却または熱電気複合利用（ＣＨＰ）システム（４０）を備える、請求項１４に記載の廃熱回収システム（１０）。
【請求項２０】
ランキンサイクル（１２）において作用流体（１４）を利用して発電するために廃熱を回収する方法であって、
高温ガスまたは排煙ガスのストリームから前記作用流体（１４）に熱を移動させるために少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー（１６）を介して前記作用流体（１４）の一次流れ（３０）を注入するステップと、
第１のエキスパンダ（１８）を介して前記作用流体（１４）の前記加熱された一次流れ（３０）を膨張させるステップと、
第２のエキスパンダ（２０）を介して前記一次流れ（３０）から前記作用流体（１４）の二次流れ（３２）を逸らすステップと、
第３のエキスパンダ（２２）を介して前記一次流れ（３０）から前記作用流体（１４）の三次流れ（３４）を逸らすステップと
前記第１のエキスパンダ（１８）、前記第２のエキスパンダ（２０）および前記第３のエキスパンダ（２２）をそれぞれ出る前記作用流体（１４）の前記一次流れ（３０）と、前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）と、前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）とを組み合わせたものを補助冷却器（４０）およびコンデンサ（２６）を通るようにすることで前記作用流体（１４）の前記組み合わせたものを凝縮し、前記作用流体（１４）をさらにポンプ（２８）に誘導するステップとを含む方法。
【請求項２１】
前記第２のエキスパンダ（２０）へと送達する前に事前加熱するために前記作用流体（１４）の前記二次流れ（３２）を第１の中間温度伝熱式熱交換器（３６）を通過させるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２のエキスパンダ（２０）へと送達する前に前記第１の伝熱式熱交換器（３６）を出る前記二次流れ（３２）を第２の廃熱回収ボイラー（２１）へと通すステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）を前記第３のエキスパンダ（２２）へと送達する前に事前加熱するために、前記作用流体（１４）の前記三次流れ（３４）に第２の低温伝熱式熱交換器（３８）を通過させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に発電に関し、より詳細には電気の生成を目的として異なる温度を有する複数の熱源から廃熱を回収するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業電力要件は、最小限の環境への影響で電気または機械的動力を提供し、既存の電力網に容易に統合される、あるいはスタンドアローンユニットとして迅速に据えらることができる発電システムから利益を得ることができる。ガスタービンまたは大型の往復機関などの燃焼機関は、工業用途における発電に適しているが、ますますコストがかさみつつある燃料に依拠しており、また排気および廃熱を発生させる。廃熱の排出を増やさずに、かつ追加の燃料を必要とせずに燃焼機関の廃熱から電気を生成するための１つの方法はボトミングサイクルを適用することである。ボトミングサイクルは、例えばエンジンなどの熱源から廃熱を利用し、その熱エネルギーを電気に変換する。大型の燃焼機関用のボトミングサイクルとしてランキンサイクルが適用されることが多い。ランキンサイクルはまた、地熱または工業用の熱源から電力を生成するのも利用される。基本的なランキンサイクルには、ターボ発電機、ボイラー、コンデンサおよび給水ポンプが含まれる。
【０００３】
廃熱から電気を生成するために提供される１つの従来式のシステムにおいて、作用流体として二酸化炭素を使用するランキンサイクルシステムが伝熱式熱交換器と併せて使用される。しかしながら廃熱源から回収することができる熱の量は、作用流体のボイラー入口温度が伝熱式熱交換器を通過した後上昇するために制限される。ボイラーの効率は低下し、熱の投入ならびに電力の出力が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０７４９４０号パンフレット
【発明の概要】
【０００５】
したがって、最大の廃熱を利用し、増大した正味電力を生成するランキンサイクルシステムに対する要望がある。
【０００６】
本発明の一実施形態によって、廃熱回収システムが提供される。廃熱回収システムは、作用流体を循環させるためのランキンサイクルシステムを含む。ランキンサイクルシステムは、熱源から作用流体に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーを含む。ランキンサイクルシステムはまた、少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーから加熱された作用流体を受け取るように構成された第１のエキスパンダを含む。さらにランキンサイクルシステムは、少なくとも１つの発電機に結合された第２のエキスパンダと、第３のエキスパンダとを含む。廃熱回収システムはまた、冷却するために第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダから低圧で作用流体を受け取るように構成されたコンデンサと、コンデンサから作用流体の冷却され凝縮された作用流体の流れを受け取るためにコンデンサに接続されたポンプとを含んでおり、ポンプは、第１の廃熱回収ボイラーに流れ込む作用流体の一次流れ、第２のエキスパンダに流れ込む作用流体の二次流れ、第３のエキスパンダに流れ込む作用流体の三次流れに凝縮した作用流体を注入するように構成される。
【０００７】
本発明の一実施形態によって、廃熱回収システムが提供される。廃熱回収システムは、作用流体を循環させるためのランキンサイクルシステムを含む。ランキンサイクルシステムは、高温ガスまたは排煙ガスのストリームから作用流体に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーを含む。ランキンサイクルシステムはまた、少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーから加熱された作用流体を受け取るように構成された第１のエキスパンダを含む。さらにランキンサイクルシステムは、第１のエキスパンダに結合された第２のエキスパンダと、第２のエキスパンダに結合された第３のエキスパンダとを含むことで、第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダが、互いに直列に直接または間接的に結合され、さらに発電機に結合される。廃熱回収システムはまた、冷却するために第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダから低圧で作用流体を受け取るように構成されたコンデンサを含む。さらに廃熱回収システムは、コンデンサから作用流体の冷却され凝縮された流れを受け取るためにコンデンサに接続されたポンプを含んでおり、ポンプは、第１の廃熱回収ボイラーに流れ込む作用流体の一次流れ、第１の伝熱式熱交換器を介して第２のエキスパンダに流れ込む作用流体の二次流れ、第２の伝熱式熱交換器を介して第３のエキスパンダに流れ込む作用流体の三次流れに凝縮した作用流体を注入するように構成される。さらに廃熱回収システムは、第２のエキスパンダに入る前に第１の伝熱式熱交換器を出る作用流体の二次流れを加熱するように構成された少なくとも１つの第２の廃熱回収ボイラーを含む。
【０００８】
本発明の一実施形態によって、ランキンサイクルにおいて作用流体を利用して発電するために廃熱を回収する方法が提供される。方法は、作用流体の高温ガスまたは排煙ガスのストリームから作用流体に熱を移動させるために少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーを介して作用流体の一次流れを注入するステップを含む。方法はまた、第１のエキスパンダを介して作用流体の加熱された一次流れを膨張させるステップを含む。さらに方法は、第２のエキスパンダを介して作用流体の二次流れを注入するステップと、第３のエキスパンダを介して作用流体の三次流れを注入するステップとを含む。最後に方法は、第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダをそれぞれ出る作用流体の一次流れと、作用流体の二次流れと、作用流体の三次流れとを組み合わせたものを補助冷却器およびコンデンサをそれぞれ通るようにすることで作用流体を組み合わせたものを凝縮し、さらにポンプへと通過させるステップとを含む。
【０００９】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な記載を添付の図面を参照して読むことでよりよく理解されるであろう。この図面において同様の特徴は、図面全体を通して同様の部品を指している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による回復式の廃熱回収システムのサイクルを略図化した図である。
【図２】本発明の一実施形態による温度−エントロピー図によって表される際の図１に示されるサイクルの例示の図である。
【図３】本発明の別の実施形態による回復式の廃熱回収システムのサイクルを略図化した図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるランキンサイクルにおいて作用流体を使用して発電するために廃熱を回収する方法に含まれる一例のステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の種々の実施形態の要素を取り上げる際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図されている。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包括的であり、記載される要素以外の追加の要素がある可能性があることを意味することが意図されている。作動パラメータのいずれの例も、開示される実施形態の他のパラメータを除外するものではない。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による回復式の廃熱回収システム１０のサイクルの略図化した図である。廃熱回収システム１０は、作用流体１４を循環させるためのランキンサイクルシステム１２を含む。一実施形態において、作用流体は、超臨界の二酸化炭素である。ランキンサイクルシステム１２は、熱源から作用流体１４に熱を移動させるように構成された少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー１６を含む。ランキンサイクルシステム１２はまた、少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラー１６から加熱された作用流体１４を受け取るように構成された第１のエキスパンダ１８を含む。さらにランキンサイクルシステム１２は、第１のエキスパンダ１８に結合された第２のエキスパンダ２０を含む。さらにランキンサイクルシステム１２は、第２のエキスパンダ２０に結合された第３のエキスパンダ２２を含むことで、第１のエキスパンダ１８、第２のエキスパンダ２０および第３のエキスパンダ２２が直列に互いに直接または間接的に結合され、さらに発電機２４に結合される。エキスパンダ１８、２０、２２の非制限的な例にはガスタービンが含まれる。一実施形態において、第１のエキスパンダ１８または第２のエキスパンダ２０または第３のエキスパンダ２２の各々は、異なる発電機に独立して結合される場合もある。別の実施形態において、第１のエキスパンダ１８、第２のエキスパンダ２０、および第３のエキスパンダ２２は、変速機を介して結合される場合もある。廃熱回収システム１０はまた、第１のエキスパンダ１８、第２のエキスパンダ２０、および第３のエキスパンダ２２から低圧段６において作用流体１４を受け取るように構成されたコンデンサ２６を含む。一実施形態において、コンデンサ２６は、作用流体１４を冷却するために低温流体の流れ２７を利用する。さらに廃熱回収システムは、コンデンサ２６から冷却され凝縮された作用流体１４の流れを受け取るためにコンデンサ２６に接続されたポンプ２８を含む。ポンプ２８は、第１の廃熱回収ボイラー１６に流れ込む作用流体１４の一次流れ（矢印３０によって示される）、第２のエキスパンダ２０に流れ込む作用流体１４の二次流れ（矢印３２によって示される）、第３のエキスパンダ２２に流れ込む作用流体１４の三次流れ（矢印３４によって示される）に凝縮した作用流体１４を注入するように構成される。作用流体である二酸化炭素は、かなり低い臨界温度を有するため、通常のランキンサイクルでのような凝縮は、暖かい周辺条件の下では達成できない場合がある。このシステムにおいてコンデンサ２６は、作用流体を液体状態に完全に凝縮する装置に厳密に制限されるべきではないが、単に気体を濃度の高い超臨界状態に冷却し得る装置である場合もあることを理解する必要がある。同様にポンプ２８は、単に液体を注入するだけではなく、コンデンサ２６から出て行く気体を移動させ加圧することもできる。
【００１３】
一実施形態において、第１の廃熱回収ボイラー１６は、高温ガスの第１のストリームまたは排煙ガスの第１の流れ１７から第１のエキスパンダ１８に入る作用流体１４の一次流れ（矢印３０によって示される）に熱を移動させるように構成された熱交換器セクションを含む。図１に示されるようにランキンサイクルシステム１２はまた、第１のエキスパンダ１８を出る作用流体１４の一次流れ３０から第２のエキスパンダ２０に入る前の作用流体１４の二次流れ３２に熱を移動させるように構成された第１の伝熱式熱交換器３６を含む。一実施形態において、第１の伝熱式熱交換器３６は、中間温度伝熱式熱交換器である。さらに、ランキンサイクルシステム１２は、第２のエキスパンダ２０を出る作用流体の二次流れ３２から第３のエキスパンダ２２に入る前の作用流体１４の三次流れ３４に熱を移動させるように構成された第２の伝熱式熱交換器３８を含む。一実施形態において、第２の伝熱式熱交換器３８は低温伝熱式熱交換器である。
【００１４】
さらに一実施形態において、ランキンサイクルシステム１２は、コンデンサ２６に入る前に第１のエキスパンダ１８、第２のエキスパンダ２０および第３のエキスパンダ２２をそれぞれ出た後の作用流体１４の一次流れ３０と、作用流体１４の二次流れ３２と、作用流体１４の三次流れ３４とを組み合わせた流れを事前に冷却するための補助冷却器４０を含む。熱電気複合利用（ＣＨＰ）システムにおいて、事前冷却作用より補助冷却器４０において得られる熱は、外部工程のために使用される場合がある。一実施形態において、補助冷却器４０は、廃熱回収ボイラー１６に入る前に事前加熱するために作用流体１４の一次流れ３０に熱を移動させることによってランキンサイクルシステム１２における事前冷却作用から得られた熱を利用する。
【００１５】
図１に示されるように、廃熱回収システム１０のサイクルは、段１、２、３Ｈ、４Ｈ、５Ｈおよび６によって示される１つのメインループサイクル４２を含む。廃熱回収システム１０はまた、メインループサイクル４２に平行な第２のループサイクル４４および第３のループサイクル４６を含む。このような第２および第３のループサイクル４４、４６のカスケード接続は、第１の伝熱式熱交換器および第２の伝熱式熱交換器を利用して、第１および第２のエキスパンダ１８、２０において膨張した後の膨張した二酸化炭素（作用流体１４）からの付加的な残存する過熱量を有効に利用する。図１に示されるように第２のループサイクル４４は、段１、２、３Ｉ、４Ｉ、５Ｉおよび６によって示されており、第３のループサイクル４６は、段１、２、３Ｌ、４Ｌ、６によって示されている。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態による温度−エントロピーズ図によって表される際の図１に示される廃熱回収システム１０のサイクルの例示の図である。温度（セ氏温度）が、垂直方向のＹ軸上に示され、エントロピー（ケルビン当たりのキロジュール）が水平方向のＸ軸上に示されている。温度−エントロピー図５０は、メインループサイクル４２（段１−２−３Ｈ−４Ｈ−５Ｈ−６−１によって示される）、第２のループサイクル４４（段１−２−３Ｉ−４Ｉ−５Ｉ−６−１によって示される）および第３のループサイクル４６（段１−２−３Ｌ−４Ｌ−６−１によって示される）を明確に示している。メインループサイクル４２において、コンデンサ２６から来る液体作用流体１４（図１に示される）は、段２において極めて高い圧力（例えば３００バール）まで注入され、その後廃熱回収ボイラー１６内で加熱される。廃熱源の温度に近い温度まで加熱された後、作用流体１４は、第１のエキスパンダ１８（図１に示される）内で電力を生成する。作用流体１４は、膨張プロセスを受け、この間作用流体１４の温度および圧力は段３Ｈから４Ｈに降下する。さらに第１のエキスパンダ１８を出る低圧の作用流体１４は、第１の伝熱式熱交換器３６（図１に示される）において冷却され、この場合作用流体は、ポンプの後に作用流体１４の一次流れ３０から逸れる作用流体１４の二次流れ３２（図１に示されるように）に熱を移動させる。この二次流れ３２もまた、第２のエキスパンダ２０（段３Ｉから４Ｉ）において膨張し、この第２のエキスパンダはより低温で作動し、第２の伝熱式熱交換器３８において同様の方法で作用流体の三次流れ３４（図１に示される）を加熱するが、この場合温度はさらに段４Ｉから５Ｉまで降下する。一実施形態において、二次流れ３２は任意選択で、廃熱回収ボイラー内の追加の熱交換器セクションにおいて、より高い温度まで、すなわち第１のストリームとできるだけ同じくらい高い温度までさらに加熱することができる。作用流体１４の三次流れ３４（図１に示される）はまた、ポンプの後、および第２の伝熱式熱交換器３８（図１に示される）において二次流れ３２によって加熱された後、高圧線（一次流れ３０）から逸れ、段３Ｌから４Ｌまで第３のエキスパンダ２２内で膨張し、その後段６において低圧で一次流れ３０および二次流れ３２と組み合わされる。一実施形態において、作用流体１４の組み合わされた流れは、冷却され凝縮される前に、作用流体の他の流れ３０、３２または３４の１つを加熱することによってＣＨＰ冷却器または伝熱式熱交換器においてさらに冷却することができる。凝縮に関して、二酸化炭素作用流体１４は、３０℃の臨界温度を下回るように冷却され、そうでない場合、給水ポンプに供給すべき冷却され濃度が高い気体がコンデンサ２６内に形成される。
【００１７】
図３は、本発明の別の実施形態による回復式の廃熱回収システム７０のサイクルの略図化した図式的な図である。廃熱回収システム７０は、廃熱回収システム７０が第２の廃熱回収ボイラー２１を含むことを除いて図１に示される廃熱回収システム１０と同様である。この実施形態において、第２のループサイクル４４は、第１の伝熱式熱交換器３６において最初に加熱された後、作用流体１４の二次流れ３２を第１の廃熱回収ボイラー１６において作用流体の一次流れ３０に等しい温度までさらに加熱するために高温の排煙ガスまたは流体１９を利用する第２の廃熱回収ボイラー２１を含む。第２の廃熱回収ボイラー２１における作用流体１４の二次流れ３２の加熱作用は、廃熱回収システム７０のより低いピーク温度においてより高い効率を可能にする熱力学的な利点につながる可能性がある。
【００１８】
図４は、ランキンサイクルにおいて作用流体を使用して発電するために廃熱を回収する方法１００に含まれるステップを例示するフローチャートである。ステップ１０２において、方法は、高温ガスまたは排煙ガスのストリームから作用流体に熱を移動させるために少なくとも１つの第１の廃熱回収ボイラーを介して作用流体の一次流れを注入するステップを含む。ステップ１０４において、方法は第１のエキスパンダを介して作用流体の加熱された一次流れを膨張させるステップを含む。さらにステップ１０６において、方法は、第２のエキスパンダを介して一次流れから作用流体の二次流れを逸らすステップを含む。ステップ１０８において、方法は、第３のエキスパンダを介して一次流れから作用流体の三次流れを逸らすステップを含む。最後にステップ１１０において、方法は、第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダをそれぞれ出る作用流体の一次流れと、作用流体の二次流れと、作用流体の三次流れとを組み合わせたものを、補助事前冷却器およびコンデンサを通るようにすることで作用流体を組み合わせたものを凝縮し、凝縮された作用流体をポンプに誘導するステップを含む。
【００１９】
有利には、本発明は、作用流体として極めて高い温度まで加熱することことができる二酸化炭素を利用することで廃熱回収システムの高い効率につながる。また二酸化炭素は、無毒であり、熱的に安定した作用流体である。３つのエキスパンダを使用し、カスケード接続された伝熱式熱交換器を備える３重の膨張プロセスを利用する本システムおよび方法は、本システム内に誘導される利用可能な廃熱から最大限の電力を引き出す。さらに第２の廃熱回収ボイラーにおける作用流体の二次流れの加熱作用は、廃熱回収システムのより低温のピーク温度でより高い効率を可能にする熱力学的な利点につながる可能性がある。
【００２０】
さらに当業者は、種々の実施形態からの様々な特徴の互換性を認識するであろう。同様に、記載される種々の方法ステップおよび特徴ならびにこのような方法および特徴に関する他の既知の等価物は、本開示の原理に従ってさらなるシステムおよび技術を構築するために当業者によって組み合わされ適合させることができる。当然のことながら、上記に記載されるこのような目的や利点が全て特定の実施形態によって達成され得ることを理解すべきである。よって例えば当業者は、本明細書に記載されるシステムおよび技術は、本明細書で教示されたり提示され得る他の目的や利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点または利点の一群を達成するまたは最適化するような方法で具現化する、または実施され得ることを理解するであろう。
【００２１】
本発明の特定の特徴のみが本明細書に例示され記載されているが、当業者は多くの修正および変更を思い付くであろう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内になる全てのこのような修正および変形を包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００２２】
１、２、３Ｈ、３Ｉ、３Ｌ、４Ｈ、４Ｉ、４Ｌ、５Ｈ、５Ｉ、６  段
１０、７０  廃熱回収システム
１２  ランキンサイクルシステム
１４  作用流体
１６  廃熱回収ボイラー
１７  高温ガスの第１の流れ
１８  第１のエキスパンダ
１９  高温の排煙ガスまたは流体
２０  第２のエキスパンダ
２１  第２の廃熱回収ボイラー
２２  第３のエキスパンダ
２４  発電機
２６  コンデンサ
２７  低温流体の流れ
２８  ポンプ
３０  作用流体の一次流れ
３２  作用流体の二次流れ
３４  作用流体の三次流れ
３６  第１の伝熱式熱交換器
３８  第２の伝熱式熱交換器
４０  補助の事前冷却器
４２  メインループサイクル
４４  第２のループサイクル
４６  第３のループサイクル
５０  温度−エントロピー図
１００  ランキンサイクルにおいて作用流体を使用して発電するために廃熱を回収する方法
１０２  高温ガスまたは排煙ガスのストリームから作用流体に熱を移動させるために少なくとも１つの廃熱回収ボイラーを介して作用流体の一次流れを注入するステップ
１０４  第１のエキスパンダを介して作用流体の加熱された一次流れを膨張させるステップ
１０６  第２のエキスパンダを介して一次流れから作用流体の二次流れを逸らすステップ１０８  第３のエキスパンダを介して一次流れから作用流体の三次流れを逸らすステップ１１０  第１のエキスパンダ、第２のエキスパンダおよび第３のエキスパンダからそれぞれ出る作用流体の一次流れと、作用流体の二次流れと、作用流体の三次流れとを組み合わせたものを、補助事前冷却器およびコンデンサを通るようにすることで作用流体を組み合わせたものを凝縮し、凝縮された作用流体をさらにポンプに誘導するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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