(57)【要約】  熱効率の有意な損失を伴うことなく超臨界二酸化炭素の変化する熱特性に対処することが可能な、ビードを充填した切替式タンク群により作動流体の２つの流れの熱エネルギーを蓄積回収するための交替型復熱方法および復熱装置を用いる、超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システムおよび方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）であって、
作動流体を加熱するための熱源（１８）、
当該熱源（１８）から出る当該作動流体と流体連通関係にあり、当該熱源からの当該作動流体の入口と、当該作動流体の出口とを有するタービン（２２）、
当該タービン（２２）の出口と流体連通関係にあり、当該タービンからの当該作動流体の入口と、当該熱源（１８）と流体連通関係にあって、当該作動流体を当該熱源に還流させる出口とを有する圧縮機（２８）、ならびに
複数のタンク（２４、２６）がそれぞれ熱を吸収し、保持し、伝達する材料から作られた表面積の大きな固体充填材（４８、５０）であるビードを含み、当該タンクが当該圧縮機（２８）と当該タービン（２２）との間で弁装置により並列に接続され、当該弁装置は当該タンクのうちの少なくとも一部のタンクの入口を当該タービンの出口に接続し、当該タンクのうちの当該一部のタンクの出口を当該圧縮機の入口に接続し、当該タンクのうちのそれ以外のタンクの一部の出口を当該熱源の入口に接続し、当該タンクのうちの当該それ以外のタンクの一部の入口を当該圧縮機の出口に接続して、当該タンクのうちの当該一部のタンクを通り抜ける流れが当該タンクのうちの当該それ以外のタンクの一部を通り抜ける流れと向流関係になるようにし、当該一部のタンクと当該それ以外のタンクの一部との間の向流関係を維持しながらそれらの流れを交互に逆転させるように動作可能であることを特徴とする改良型ピンチポイント回避復熱装置
を具備する超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム。
【請求項２】
前記固体充填材が砂（４８）から成る、請求項１の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項３】
前記固体充填材がセラミック（５０）から成る、請求項１の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項４】
前記圧縮機（２８）が前記作動流体を７２．９ａｔｍまたは７．３９ＭＰａ以上の圧力に圧縮する、請求項１の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項５】
前記熱源（１８）が前記作動流体を３０４．２５°Ｋ以上の温度に加熱する、請求項１の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項６】
前記タンクのうち前記少なくとも一部のタンク（２４）または前記それ以外のタンクの一部（２６）と流体連通関係にあって、前記作動流体を前記圧縮機（２８）に排出するヒートシンク（３０）を具備し、前記作動流体は前記圧縮機に入る前に当該ヒートシンクを通り抜けることを特徴とする、請求項１の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項７】
前記ヒートシンク（３０）が、前記作動流体の温度を前記圧縮機に入る前に１００〜１４０°Ｆの幅で引き下げることを特徴とする、請求項６の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル発電システム（１０）。
【請求項８】
超臨界二酸化炭素をブレイトンサイクル発電システム（１０）の作動流体として使用する方法であって、当該ブレイトンサイクル発電システムは当該作動流体を加熱するための熱源（１８）と、当該熱源（１８）から出る当該作動流体と流体連通関係にあり、当該熱源からの当該作動流体の入口と、当該作動流体の出口とを有するタービン（２２）と、当該タービン（２２）の出口と流体連通関係にあり、当該タービンからの当該作動流体の入口と、当該熱源（１８）と流体連通関係にあって、当該作動流体を当該熱源に還流させる出口とを有する圧縮機（２８）と、複数のタンク（２４、２６）がそれぞれ熱を吸収し、保持し、伝達する材料から作られた表面積の大きな固体充填材（４８、５０）であるビードを含み、当該タンクが当該圧縮機（２８）と当該タービン（２２）との間で弁装置により並列に接続され、当該弁装置は当該タンクのうちの少なくとも一部のタンクの入口を当該タービンの出口に接続し、当該タンクのうちの当該一部のタンクの出口を当該圧縮機の入口に接続し、当該タンクのうちのそれ以外のタンクの一部の出口を当該熱源の入口に接続し、当該タンクのうちの当該それ以外のタンクの一部の入口を当該圧縮機の出口に接続して、当該タンクのうちの当該一部のタンクを通り抜ける流れが当該タンクのうちの当該それ以外のタンクの一部を通り抜ける流れと向流関係になるようにし、当該一部のタンクと当該それ以外のタンクの一部との間の向流関係を維持しながらそれらの流れを交互に逆転させるように動作可能であることを特徴とする改良型ピンチポイント回避復熱装置とから成り、
当該方法は、
当該熱源（１６）によって当該作動流体を加熱し、
当該作動流体を当該タービン（２２）の入口へ送入し、
当該作動流体を当該タービン（２２）で膨張させ、
当該タービン（２２）の出口からの当該作動流体を、当該改良型ピンチポイント回避復熱装置の当該タンク（２４、２６）のうちの当該一部のタンクの入口へ運び、
当該改良型ピンチポイント回避復熱装置の当該タンク（２４、２６）のうちの当該一部のタンクの出口からの当該作動流体を当該圧縮機（２８）の入口へ運び、
当該作動流体を当該圧縮機（２８）で圧縮し、
当該圧縮機（２８）の出口からの当該作動流体を、当該改良型ピンチポイント回避復熱装置の当該タンク（２６、２４）のうちの当該それ以外のタンクの一部の入口へ差し向け、
当該改良型ピンチポイント回避復熱装置の当該タンク（２６、２４）のうちの当該それ以外のタンクの一部の出口からの当該作動流体を当該熱源（１６）へ還流させることより成る、
超臨界二酸化炭素をブレイトンサイクル発電システムの作動流体として使用する方法。
【請求項９】
当該システムは、前記タンク（２４、２６）のうちの前記少なくとも一部のタンクまたは前記タンク（２６、２４）のうちの前記それ以外のタンクの一部と流体連通関係にあって、前記作動流体を前記圧縮機（２８）に排出するヒートシンク（３０）を含み、当該方法はさらに、前記作動流体が前記圧縮機（２８）の入口に入る前に前記作動流体を当該ヒートシンク（３０）で冷却することを含む、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記タンク（２４、２６）のうちの前記一部のタンクを通り抜ける流れと前記タンク（２６、２４）のうちの前記それ以外のタンクの一部を通り抜ける流れとの向流関係を定期的に逆転するように、所定期間の経過後に弁装置（３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６）を再構成するステップを含む、請求項８の方法。
【請求項１１】
前記所定期間は、タンク充填材を通過する前記作動流体と当該タンク充填材とが熱平衡に達する時間より短い、請求項１０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年３月２５日に提出された「ＶｅｒｓａｔｉｌｅＰｉｎｃｈ Ｐｏｉｎｔ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｐｏｗｅｒ ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ」と題する米国仮特許出願第６２／１３７，８４８号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は概してブレイトンサイクルを用いた発電システムに関し、具体的には、作動流体としての超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ２）の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
超臨界ＣＯ２を作動流体とするブレイトンサイクル発電に関する研究が現在、進行中である。超臨界二酸化炭素は、温度および圧力がそれぞれ臨界温度および臨界圧力かそれ以上に保たれた流動性の二酸化炭素である。二酸化炭素は通常、標準温度・圧力の空気中では気体として振る舞い、冷凍されるとドライアイスと呼ばれる固体になる。二酸化炭素の温度および圧力がともに、標準温度・圧力から臨界点以上に引き上げられると、気体と液体の中間的な性質を示すことがある。具体的には、超臨界二酸化炭素は、臨界温度（３０４．２５°Ｋ）および臨界圧力（７２．９ａｔｍまたは７．３９ＭＰａ）を超えると超臨界流体として振る舞い、気体のように膨張して容器に充満するが、液体のような密度を有する。
【０００４】
ブレイトンサイクルは、等圧加熱および等圧排熱を用いる熱力学的サイクルである。燃料と圧縮機を用いて、作動流体である気体を加熱し加圧する。気体が膨張してタービンブレードを回転させるが、このタービンに発電機が接続されていれば発電が起こる。超臨界ＣＯ２ブレイトンサイクルシステムによる発電は、低圧の流れから高圧の流れへ熱を伝達する復熱装置が必要である。復熱装置は、専用の向流式エネルギー回収熱交換器が常用され、気体処理システムの供給もしくは排気ラインに、または産業プロセスの排気ラインに設置されて廃熱を回収する。この向流式熱交換器による単純な復熱はｓＣＯ２ブレイトンサイクルシステムでは効率が低いが、その理由は、２つの流れ（タービンから圧縮機への還流と、圧縮機から熱源への還流）のｓＣＯ２の熱特性が変化するためである。この２つの流れの熱容量のずれは温度によって変化するため、ミスマッチが存在し、復熱装置に大きな温度差が発生する。これが熱効率低下の原因である。複数の復熱装置と複数の圧縮機を用いて低温の流れを分割する様々な対応策が存在するが、それらはいずれもシステムが複雑で、熱効率の損失をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【０００６】
【図１】ｓＣＯ２を作動流体とするブレイトン発電サイクルの一実施態様と、本発明の復熱装置の一実施態様を示す概略図である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、熱効率の有意な損失を伴うことなくｓＣＯ２の変化する熱特性に対処することが可能な、ビードを充填した切替式タンク群により作動流体の２つの流れの熱エネルギーを蓄積回収するための交替型復熱方法および復熱装置を提供する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、好ましい一実施態様としての、超臨界ＣＯ２を作動流体とするブレイトンサイクル１０を略示する。原子炉のような熱源１２は、従来型の熱交換器１８を有する閉ループ１６中をポンプ１４によって圧送され、第２の閉ループ２０を循環するｓＣＯ２作動流体と熱交換関係にある液体ナトリウムのような熱伝達液を加熱する。加熱された作動流体は、タービン２２に送られ、当該タービンを回転させて有用な仕事をする。作動流体は、タービン２２から、タンク２４、２６のうちのいずれか一方を介して、ヒートシンク３０および圧縮機２８を有する閉ループ２０の低温部に運ばれる。ヒートシンクは、作動流体が圧縮機に入る前に当該作動流体の温度を引き下げる。熱交換器３０は、閉じたブレイトンサイクル低温部からヒートシンク（例えば大気）への排熱を可能にする。圧縮機２８から出た作動流体は、タンク２４、２６のうちのもう一方のタンクを通って熱交換器１８に還流し、回路が完成する。
【０００９】
図１に例示する実施態様において、熱伝達ループ１６の熱源１２からの熱伝達液は、温度約１０３６°Ｆ（８３１°Ｋ）、圧力約１４５ｐｓｉａ（１ＭＰａ）であり、熱交換器１８の一次側を通される。熱交換器１８の一次側を出る熱伝達液は、温度約９３２°Ｆ（７７３°Ｋ）、圧力１４５ｐｓｉａ（１ＭＰａ）であり、循環ポンプ１４により熱源１２に還流する。熱交換器１８の二次側を出る作動流体は、温度約１０２２°Ｆ（８２３°Ｋ）、圧力約２９００ｐｓｉａ（２０ＭＰａ）であり、タービン２２に流入すると、温度が約８１５°Ｆ（７０８°Ｋ）、圧力が約１１１５ｐｓｉａ（８ＭＰａ）に低下する。作動流体は、タンク２４、２６のうちのいずれか一方を通り抜けてヒートシンクの入口に達した時、温度がさらに約２１２°Ｆ（３７３°Ｋ）に低下しているが、圧力は１１１５ｐｓｉａ（８ＭＰａ）で変わらない。ヒートシンク３０を通過すると、温度はさらに低下して約９０°Ｆ（３０５°Κ）になるが、圧力は約１１１５ｐｓｉａ（８ＭＰａ）で変わらない。圧縮機２８およびタンク２４、２６のうちのもう一方のタンクを通り抜けた作動流体は、温度約７５０°Ｆ（６７２°Ｋ）、圧力約２９００ｐｓｉａ（２０ＭＰａ）で、熱交換器１８の二次側に還流する。上述の説明は、熱伝達ループ１６の熱伝達液の質量流量が約５０００ｌｂ．／ｓ（２２６８ｋｇ／ｓ）、また、作動流体の質量流量が、タンクの上流および圧縮機と熱交換器１８との間で約５２９０ｌｂ．／ｓ（２４００ｋｇ／ｓ）、タンクと圧縮機入口との間で約５２９０ｌｂ．／ｓ（２４００ｋｇ／ｓ）との想定に基づく。これらの値はあくまでも例示的なものであり、本願の特許請求の範囲から逸脱することなく変動する可能性がある。
【００１０】
好ましい実施態様では、蓄熱媒体４８を充填した、好ましくは細長い形状のタンクを複数個（２つ以上）使用する。当該蓄熱媒体は、砂、ビード、または表面積と熱容量の大きい他の任意の多孔質媒体（セラミック材など）の形態をとることができる。表面積の大きい固体充填材４８は、作動流体から熱を吸収保持し、また、その熱を作動流体に伝達する。いずれのタンクも同じ充填材を使用するのが好ましい。これらのタンクには、各タンクが圧縮機２８から出る流れを加熱し、また、タービンから出る流れを冷却するべくそれぞれの流れに別個に接続できるように、弁３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６が接続されている。冷却される流れは、タンク２４または２６のうちの一方の概して冷温の充填材を含むタンクに差し向けられ、同時に、加熱される流れは、タンク２４、２６のうちのもう一方の概して高温の充填材を含むタンクに差し向けられる。これらの流れは、熱エネルギーを徐々にタンク充填材へ、また、タンク充填材から伝達する。タンク充填材が熱平衡に達する前で、かつタンクの排出温度が有意に変化する直前に、当初の流れが遮断され、もう一方の流れが当該タンクに、それまでの流れとは逆向きに流れるように、差し向けられる。もう一方のタンクも同様である。これにより、第１の流れによって充填材に蓄えられた熱エネルギーが第２の流れに伝達される。各タンクの内容物が蓄熱容量に達すると流れが切り替えられ、最適な性能を得るに必要な２つの流れの交互の入れ替えが周期的に行われる。もちろん、３つ以上のタンクを使用して、どの時点でも全タンクの約半分がそれぞれの流れに接続されるようにしてもよい。奇数のタンクを持ち回りで使用して、それぞれの流れが順次通過するようにしてもよい。熱交換器３０は、作動流体が圧縮機２８に入る前に作動流体を除熱するためのヒートシンクである。原子力以外の熱源を用いる別の実施態様では、熱伝達液ループ１６を完全に省略し、例えば天然ガスの火炎のような熱源を熱交換器１８に直接つないで、熱エネルギーをＣＯ２ブレイトンサイクルに供給することができる。
【００１１】
かくして、本発明は、中間蓄熱媒体を使用することにより、熱交換器のピンチポイント、すなわち温度差が最小の点に関連する問題を回避する。本発明は、流れの方向を交互に変化させて蓄熱媒体中の急な温度勾配を維持し、タンク群を切り替えることにより疑似連続運転を可能にする。ここで使用する熱交換器の構成は、従来型に比べ、非常に安価で、コンパクトで、閉塞が起こりにくい。超臨界ＣＯ２は、非常に有望な発電サイクルであるが、ブレイトンサイクルの低温側における作動流体の熱特性、すなわち熱容量と熱伝達が、この設計の採用にあたり障害になっている。本発明は、これらの問題に対して簡単かつ安価な解決策を提供する。
【００１２】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明したが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替を想到できるであろう。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
2018512537.tif 000003
【国際調査報告】
2018512537.tif 000004
2018512537.tif 000005