(57)【要約】  動力システムが、高圧側（２Ａ）と低圧側（２Ｂ）とを有し、作動流体を流すように構成された作動流体回路（２）を備える。作動流体回路（２）は、作動流体を高温流体と熱交換関係で循環させて作動流体を気化させるように構成された加熱器（７）をさらに備える。このシステムは、作動流体回路に流体結合され、その高圧側と低圧側との間に配置される、直列に配置された第１の膨張器（９）および第２の膨張器（１１）をさらに備える。一方の膨張器は負荷（３５）を駆動し、他方の膨張器は低圧側（２Ｂ）と高圧側（２Ａ）との間で作動流体回路（２）に流体結合されたポンプまたは圧縮機（３３）を駆動する。作動流体回路（２）の低圧側（２Ｂ）の作動流体から熱を除去するために、冷却器（２９）がさらに配置され、構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側（２Ａ）と低圧側（２Ｂ）とを有し、作動流体を流すように構成された作動流体回路（２）と、
前記作動流体を高温流体と熱交換関係で循環させて前記作動流体を気化させるように構成された加熱器（７）と、
前記作動流体回路（２）に流体結合され、前記高圧側（２Ａ）と前記低圧側（２Ｂ）との間に配置され、通過する前記作動流体を膨張させて機械的動力を生成するように構成された、直列に配置された第１の膨張器（９）および第２の膨張器（１１）と、
前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）のうちの一方に駆動結合され、前記膨張器（９，１１）によって生成される機械的動力によって、デバイスを駆動するように構成された駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）と、
前記低圧側（２Ｂ）と前記高圧側（２Ａ）との間で前記作動流体回路（２）に流体結合され、前記作動流体回路（２）内の前記作動流体の圧力を上昇させるように構成され、前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）のうちの他方に駆動結合され、それによって動力が供給されるポンプまたは圧縮機（３３）と、
前記作動流体回路（２）の前記低圧側（２Ｂ）の前記作動流体から熱を除去するように配置され構成された冷却器（２９）と
を備える、動力システム。
【請求項２】
前記駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）に駆動結合された前記デバイスが発電機（５、３７）であり、前記駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）が接続された前記膨張器（９，１１）によって生成される機械的動力を電力に変換するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の膨張器（９）と前記第２の膨張器（１１）との間に、前記作動流体回路（２）内に調整バルブ（１９）が配置されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記調整バルブ（１９）が、前記第１の膨張器（９）の背圧を制御するように構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）が、前記第１の膨張器（９）を通って流れる作動流体の質量流量もまた前記第２の膨張器（１１）を通って流れるように構成され配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）のうちの少なくとも一方に、前記作動流体システム内を循環する前記作動流体の少なくとも一部を前記膨張器（９，１１）でバイパスするように構成され制御されるバイパスバルブ（２３）が設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記バイパスバルブ（２３）が、前記駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）に駆動連結された前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）のうちの一方と並列に配置されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の膨張器（９）が、前記熱交換器（７）と前記第２の膨張器（１１）との間に配置され、前記第２の膨張器（１１）が、前記第１の膨張器（９）と前記冷却器（２９）との間に配置され、前記駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）は前記第２の膨張器（１１）に駆動結合されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の膨張器（９）が、前記熱交換器（７）と前記第２の膨張器（１１）との間に配置され、前記第２の膨張器（１１）が、前記第１の膨張器（９）と前記冷却器（２９）との間に配置され、前記駆動軸（３Ａ、９Ａ、１１Ａ）は前記第１の膨張器（９）に駆動結合されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記作動流体が二酸化炭素を含み、前記作動流体回路（２）の少なくとも一部が超臨界状態の二酸化炭素を含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
熱源によって供給される熱から有用な動力を生成するための方法であって、前記方法は、
高圧側（２Ａ）および低圧側（２Ｂ）を有する作動流体回路（２）を介してポンプまたは圧縮機（３３）により作動流体流を循環させるステップであって、前記高圧側（２Ａ）は前記熱源と熱交換関係にあり、前記低圧側（２Ｂ）は冷却器（２９）と熱交換関係にある、ステップと、
前記熱源から前記作動流体に熱エネルギーを伝達するステップと、
第１の膨張器（９）を介して前記作動流体流を高圧から中間圧力まで膨張させ、第１の圧力降下を機械的動力に変換し、第２の膨張器（１１）を介して前記作動流体流を前記中間圧力から低圧まで膨張させ、第２の圧力降下を機械的動力に変換するステップであって、前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）は、互いに直列に配置され、前記作動流体回路（２）に前記高圧側（２Ａ）と前記低圧側（２Ｂ）との間で流体結合されている、ステップと、
前記冷却器（２９）を介して前記作動流体流からの残留低温熱を除去するステップと、
前記第１の膨張器および前記第２の膨張器（１１）のうちの一方によって生成される機械的動力で被駆動デバイスを駆動し、前記第１の膨張器（９）および前記第２の膨張器（１１）のうちの他方によって生成される機械的動力で前記ポンプまたは圧縮機（３３）を駆動するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記中間圧力を調整して、前記第１の膨張器（９）を横切る前記圧力降下および前記第２の膨張器（１１）を横切る前記圧力降下を調節するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記駆動デバイスが、前記第１の膨張器（９）に駆動接続され、前記ポンプまたは圧縮機（３３）が、前記第２の膨張器（１１）に駆動接続されている、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記駆動デバイスが、前記第２の膨張器（１１）に接続され、前記ポンプまたは圧縮機（３３）が、前記第１の膨張器（９）に駆動接続されている、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記駆動デバイスが発電機（５、３７）であり、前記方法が、前記発電機（５、３７）に駆動接続された前記膨張器（９，１１）により生成される機械的動力を、前記発電機（５、３７）によって電力に変換するステップをさらに含む、請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、動力変換システムに関する。本明細書に開示されるいくつかの実施形態は、ランキンサイクルまたはブレイトンサイクルなどの低温熱力学サイクルを使用して、上部の高温熱力学サイクルから廃熱を回収する動力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱は、高温流体の流れからの熱を除去しなければならない工業プロセスの副生成物として生成されることが多い。
【０００３】
廃熱を生成する典型的な工業プロセスには、機械的駆動や発電用途のためのガスタービン、ガスエンジンおよび燃焼器がある。これらのプロセスでは、典型的には、周囲温度よりかなり高い温度で排気燃焼ガスが大気中に放出される。排気ガスは、有用に利用することができる廃熱を含み、例えば、下部の低温熱力学サイクルにおいて追加の機械的動力を生成することができる。排気ガスの廃熱は、下部の低温熱力学サイクルに熱エネルギーを供給し、そこで、流体が周期的な熱力学的変換を行い、より低い温度で環境と熱を交換する。
【０００４】
廃熱は、蒸気ランキンサイクル、有機ランキンまたはブレイトンサイクル、ＣＯ2サイクルまたは他の動力サイクルなどの熱力学サイクルを使用する様々な熱エンジンシステムによって有用な動力に変換されることができる。ランキンサイクル、ブレイトンサイクルおよび類似の熱力学サイクルは、典型的には、タービン、ターボ膨張器などを駆動するための蒸気／ベーパを発生させるために廃熱を回収し利用する蒸気ベースのプロセスである。蒸気またはベーパの圧力および熱エネルギーは、ターボ膨張器、タービンまたは他の動力変換機械で機械的エネルギーに部分的に変換され、最終的に発電機、ポンプ、圧縮機または他の被駆動デバイスや機械などの負荷を駆動するために使用される。
【０００５】
廃熱を有用な機械的動力に変換することは、動力変換システムの全体的な効率を実質的に改善し、燃料消費の低減に寄与し、動力変換プロセスの環境への影響を低減することができる。
【０００６】
したがって、熱出力を有用な機械的または電気的動力に変換するための高効率の方法およびシステムが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４１０２０９８号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本開示の実施形態は、一般に、高圧側と低圧側とを有し、作動流体を流すように構成された作動流体回路を備える動力システムを提供する。動力システムは、作動流体を高温流体と熱交換関係で循環させて作動流体を気化させるように構成された加熱器をさらに備えることができる。いくつかの実施形態では、動力システムはまた、作動流体回路に流体結合され、その高圧側と低圧側との間に配置され、通過する作動流体を膨張させて機械的動力を生成するように構成された、直列に配置された第１の膨張器および第２の膨張器を備える。駆動軸は、第１の膨張器および第２の膨張器のうちの一方に駆動結合され、膨張器によって生成される機械的動力によって、ターボ機械または発電機のような負荷を駆動するように構成され得る。
【０００９】
本明細書に記載の実施形態では、ポンプまたは圧縮機が、低圧側と高圧側との間で作動流体回路に流体結合され、作動流体回路内の作動流体の圧力を上昇させるように構成され、第１の膨張器および第２の膨張器のうちの他方、すなわち負荷に駆動接続されていない膨張器に駆動結合され、それによって動力が供給される。したがって、直列に配置された第１および第２の膨張器は、作動流体圧力を上昇させるためのポンプまたは圧縮機および負荷を選択的に駆動するために使用される。一方の膨張器内で作動流体を膨張させることによって生じる動力の一部は、ポンプまたは圧縮機を駆動し、他方の膨張器内の作動流体を膨張させることによって生じる動力の一部は、有用な動力を生成する。
【００１０】
動力システムは、作動流体回路の低圧側に流体結合され、作動流体回路の低圧側に熱的に連通し、作動流体回路の低圧側の作動流体から熱を除去するように配置され構成された冷却器をさらに備えることができる。
【００１１】
本明細書に開示された実施形態によれば、システムは、第１の膨張器と第２の膨張器との間で、作動流体回路内に配置された調整バルブをさらに備えることができる。調整バルブは、第１の膨張器の背圧を調整するように、すなわち、第１の膨張器と第２の膨張器との間の中間圧力の値を設定するように構成され、第１および第２の膨張器を横切る作動流体の圧力降下を調整する。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、バイパスバルブを、第１の膨張器および第２の膨張器のうちの一方に並列に配置することができる。より詳細には、バイパスバルブを、負荷に駆動接続されている膨張器に並列に配置することができる。利用可能な廃熱が不十分であれば、膨張器をバイパスすることができ、回路の高圧側と低圧側との間の利用可能な圧力降下がポンプまたは圧縮機を駆動するために使用される。
【００１３】
さらなる態様によれば、本明細書に開示されるのは、熱源、特に例えば廃熱源によって供給される熱から有用な動力を生成するための方法であって、この方法は、
高圧側および低圧側を有する作動流体回路を介してポンプまたは圧縮機により作動流体流を循環させるステップであって、高圧側は熱源と熱交換関係にあり、低圧側は冷却器と熱交換関係にある、ステップと、
熱源から作動流体に熱エネルギーを伝達するステップと、
第１の膨張器を介して作動流体流を高圧から中間圧力まで膨張させ、第１の圧力降下を機械的動力に変換し、第２の膨張器を介して作動流体流を中間圧力から低圧まで膨張させ、第２の圧力降下を機械的動力に変換するステップであって、第１の膨張器および第２の膨張器は、互いに直列に配置され、作動流体回路に高圧側と低圧側との間で流体結合されている、ステップと、
冷却器を介して作動流体流からの残留低温熱を除去するステップと、
第１の膨張器および第２の膨張器のうちの一方によって生成される機械的動力で被駆動デバイスを駆動し、第１の膨張器および第２の膨張器のうちの他方によって生成される機械的動力でポンプまたは圧縮機を駆動するステップと
を含む。
【００１４】
特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下に続く詳細な説明がよりよく理解され、技術に対する本発明の貢献がよりよく認識されるように、本発明の様々な実施形態の特徴を説明している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、その応用において、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構造の詳細、および部品の構成に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は他の実施形態も可能であり、様々な方法で実践および実行され得る。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。
【００１５】
このように当業者ならば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、および／またはシステムを設計する基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、そのような均等の構造を含むと見なされることが重要である。
【００１６】
本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示による廃熱回収システムの一実施形態の概略図である。
【図２】本開示による廃熱回収システムの別の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じかまたは同様の要素を表す。なお、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００１９】
本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」または「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所で「一実施形態では」「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態（単数および複数）を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせられてよい。
【００２０】
例示的な実施形態の以下の開示では、上部の高温熱力学サイクルを含む複合ハイブリッド熱力学サイクルが参照され、その低温源は廃熱を下部の低温熱力学サイクルに提供する。しかしながら、他の実施形態によれば、本明細書に開示された動力変換システムを、他の熱源、例えば地熱プロセスなどの他の工業プロセスからの廃熱からの比較的低い温度の熱力を利用するために使用できることが理解されよう。
【００２１】
この変換システムは、作動流体回路の高圧側と低圧側との間に直列に配置された２つの膨張器によって生成される機械的動力が、ポンプまたは圧縮機を直接駆動して、作動流体圧力を熱力学サイクルの低圧から高圧に増加させるように、構成される。膨張器の一方は、ポンプまたは圧縮機のための機械的動力を生成するが、他方は、追加の機械的動力を生成して、作動機械、例えばガス圧縮機などの負荷、または発電機を駆動して機械的動力を電力に変換する。定常状態条件下では、作動流体は、直列に配置された第１の膨張器および第２の膨張器を通って流れる。本明細書の以下でより詳細に説明するように、第１の膨張器と第２の膨張器との間のバルブを設けて、第１の膨張器と第２の膨張器との間のパワーバランスを制御することができる。
【００２２】
図１は、上部の高温熱力学システム１と下部の低温熱力学システム２とを含む複合動力変換システムを概略的に示している。上部の高温熱力学的システムは、ガスタービンエンジン３と、ガスタービンエンジン３によって生成される、ガスタービンエンジン３の出力駆動軸３Ａで利用可能な機械的動力によって駆動される発電機５とを備えることができる。ガスタービンエンジン３は、圧縮機セクション４と、燃焼器セクション６と、タービンセクション８とを備えることができる。
【００２３】
下部の低温熱力学システム２は、高圧側２Ａと低圧側２Ｂとを有する作動流体回路を含む。高圧側は、ガスタービンエンジン３からの排気燃焼ガス流と熱交換関係にある廃熱回収熱交換器７を含む。排気燃焼ガスから下部の低温熱力学システム２の回路を循環する作動流体に、廃熱回収熱交換器７で直接的に熱を交換することができる。他の実施形態では、中間熱伝達ループが設けられてもよく、そこでは、透熱オイルなどのような熱伝達流体が循環して、排気燃焼ガス流と熱交換関係にある第１の熱交換器から廃熱回収熱交換器に熱を伝達する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、下部の低温熱力学システム２を循環する作動流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）であり得る。作動流体によって行われる熱力学サイクルは、超臨界サイクルであり得、すなわち、作動流体は、熱力学システムの少なくとも一部において超臨界状態にあり得る。
【００２５】
本明細書に開示される例示的な実施形態では、低温熱力学システム２の回路の高圧側２Ａと低圧側２Ｂとの間に、第１の膨張器９と第２の膨張器１１が配置される。膨張器９，１１の一方または両方は、一段または多段の膨張器であってもよい。例えば、膨張器９，１１は、一体化された多段膨張器であってもよい。
【００２６】
第１の膨張器９と第２の膨張器１１とは直列に配置され、作動流体は、廃熱回収熱交換器７から第１の膨張器９を通って流れ、第１の圧力から中間圧力まで膨張し、第１の膨張器９からの中間圧力の作動流体の少なくとも一部は、第２の膨張器１１を通って流れ、中間圧力から第２の圧力まで膨張する。
【００２７】
図１において、第１の膨張器９は、ライン１３および第１のバルブ１５を介して廃熱回収熱交換器７の出力に接続されている。ライン１７は、第１の膨張器９を第２の下流側の膨張器１１に接続する。第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間のライン１７上に背圧調整バルブ１９を配置することができる。背圧調整バルブ１９を使用して、第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間の中間圧力を調整し、２つの膨張器９および１１を横切る圧力降下を修正することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、バイパスライン２１は、第２の膨張器１１と並列に配置される。バイパスライン２１に沿ってバイパスバルブ２３を配置することができる。以下でより詳細に説明するように、第１の膨張器からの作動流体の一部または全部を、第２の膨張器１１で膨張させるのではなく、バイパスライン２１に沿って分流することができる。
【００２９】
第２の膨張器１１は復熱器２５の高温側と流体連通しており、その出力は冷却器または凝縮器２９と流体連通している。冷却器２９は、例えば３１で概略的に示されているように、空気または水である冷却流体と熱交換関係にあり、冷却器２９を通って流れる作動流体から熱を除去する。
【００３０】
下部の低温熱力学システム２を循環する作動流体は、昇圧デバイス３３によって低圧側２Ｂから高圧側２Ａに圧送または圧縮される。デバイス３３は、ターボポンプなどのポンプであってもよく、ターボ圧縮機などの圧縮機であってもよい。ポンプまたは圧縮機３３は、第１の膨張器９の出力軸９Ａに駆動接続されることができ、第１の膨張器９の作動流体の膨張によって生成される機械的動力を使用してポンプまたは圧縮機３３を回転させる。
【００３１】
図示の例示的な実施形態では、低温熱力学システムの低圧側２Ｂは、第２の膨張器１１の吐出側とポンプまたは圧縮機３３の吸入側との間に位置する回路の部分である。低温熱力学システム２の高圧側２Ａは、ポンプまたは圧縮機３３の送達側と第１の膨張器９の入口との間に位置する回路の部分である。
【００３２】
いくつかの実施形態によれば、負荷３５は、第２の膨張器１１の出力駆動軸１１Ａに駆動接続され、第２の膨張器１１の作動流体の膨張によって生成される機械的動力によって回転駆動されることができる。いくつかの実施形態では、負荷を、発電機３７で構成することができる。発電機３７は、図１に概略的に示すように、電力を供給される機械、デバイス、もしくは装置に、または配電網Ｇに電気的に接続されることができる。いくつかの実施形態では、発電機３７と配電網Ｇまたは発電機３７によって駆動される機械との間に、可変周波数ドライバ３９を配置することができる。
【００３３】
第２の膨張器１１の出力駆動軸１１Ａと発電機３７との間には、ギヤボックス４１、可変速機械式カップリング、または他の任意の速度操作デバイスを配置することができる。
【００３４】
図１のシステムは以下のように動作する。上部の高温熱力学システム１からの廃熱は、廃熱回収熱交換器７を介して、そこを流れる加圧作動流体、例えば二酸化炭素に伝達される。高温の加圧作動流体は、ライン１３およびバルブ１５を通って流れ、第１の膨張器９内で部分的に膨張する。ライン１７上のバルブ１９を調整して、第１の膨張器９の外側で必要な背圧、すなわち第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間の中間圧力を設定することができる。第１の膨張器９を通る作動流体の、システム２の高圧側の第１の圧力から中間圧力までの圧力降下が、ポンプまたは圧縮機３３を駆動する機械的動力を生成する。
【００３５】
第１の膨張器９を出る部分的に膨張した作動流体は、第２の膨張器１１を通って流れ、中間圧力から動力システム２の低圧側の低圧まで膨張する。圧力降下は機械的動力を生成し、これは発電機３７によって電力に変換される。
【００３６】
第２の膨張器１１から排出された作動流体は、ライン２４、復熱器２５および冷却器２９を通って流れる。復熱器２５では、排出された作動流体は、ポンプまたは圧縮機３３によって供給された冷たい加圧流体と熱交換関係にあり、排出された作動流体に含まれる残留熱を回収することができる。復熱器２５を出る排出された作動流体は、冷却媒体３１との熱交換により冷却器２９内でさらに冷却および／または凝縮され、ポンプまたは圧縮機３３によってライン３０に沿って吸引される。ポンプまたは圧縮機３３によって供給された冷たい加圧作動流体は、ライン３４および復熱器２５の低温側を通って流れ、ライン３６を通って廃熱回収熱交換器７に戻され、そこで回収された廃熱によって作動流体が加熱され、気化される。
【００３７】
下部の低温熱力学システムの回路内の作動流体の少なくとも一部は、超臨界状態にあってもよい。特に、超臨界ＣＯ2は、回路の高圧側に存在することができる。
【００３８】
通常の定常状態では、作動流体流全体が第１の膨張器９と第２の膨張器１１とを介して順に膨張するように、バイパスバルブ２３を閉じることができる。必要に応じて、一部の動作条件では、バイパスライン２１およびバイパスバルブ２３を介して、作動流体の一部または全部を分流することができる。これは、例えば、動力システム２が最初に始動され、負荷３５を駆動するのに利用可能な動力がない場合に可能であり、圧力降下全体が、ポンプまたは圧縮機３３を介して作動流体の圧送または圧縮を開始するために利用される。
【００３９】
背圧調整バルブ１９を使用して、第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間の中間圧力を変更し、第１の膨張器９の出力軸９Ａと第２の膨張器１１の出力駆動軸１１Ａに利用可能な機械的動力の量を調節することができる。
【００４０】
図２は、本開示による動力システムのさらなる例示的な実施形態を示している。同じ参照番号は、図１に示されるものと同じまたは同様の部品または構成要素を示すために使用されている。図２の複合動力変換システムは、ここでも、上部の高温熱力学システム１と下部の低温熱力学システム２とを含む。上部の高温熱力学的システムは、ガスタービンエンジン３と、ガスタービンエンジン３によって生成される、ガスタービンエンジン３の出力駆動軸３Ａで利用可能な機械的動力によって駆動される発電機５とを備えることができる。
【００４１】
下部の低温熱力学システム２は、高圧側２Ａおよび低圧側２Ｂを有する作動流体回路と、廃熱回収熱交換器７と、高圧側２Ａと低圧側２Ｂとの間に直列に配置された第１の膨張器９および第２の膨張器１１とを備える。
【００４２】
図２において、第１の膨張器９は、ライン１３および第１のバルブ１５を介して廃熱回収熱交換器７の出口に接続されている。ライン１７は、第１の膨張器９を第２の下流側の膨張器１１に接続する。第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間のライン１７上に背圧調整バルブ１９を配置することができる。バイパスライン２１は、第１の膨張器９と並列に配置されている。バイパスライン２１に沿ってバイパスバルブ２３を配置することができる。
【００４３】
第２の膨張器１１は復熱器２５の高温側と流体連通しており、その出力は冷却器または凝縮器２９と流体連通している。冷却器２９は、例えば３１で概略的に示されているように、空気または水である冷却流体と熱交換関係にあり、冷却器２９を通って流れる作動流体から熱を除去する。
【００４４】
下部の低温熱力学システム２の回路を循環する作動流体、例えば、二酸化炭素は、ポンプまたは圧縮機３３によって、低圧側２Ｂから高圧側２Ａに圧送または圧縮される。図２の実施形態では、図１の実施形態とは異なり、第２の膨張器１１の出力軸１１Ａにポンプまたは圧縮機３３が駆動接続され、第２の膨張器１１の作動流体の膨張により生成される機械的動力がポンプまたは圧縮機３３を回転させるために使用される。
【００４５】
負荷３５は、第１の膨張器９の出力駆動軸９Ａに駆動接続され、第１の膨張器９の作動流体の膨張によって生成される機械的動力によって回転することができる。図２に示す実施形態では、負荷３５は、可変周波数ドライバ３９を介して配電網Ｇに接続された発電機３７を備えている。ギヤボックス４１を、第１の膨張器９の出力駆動軸９Ａと発電機３７との間に配置することができる。
【００４６】
図２のシステムは以下のように動作する。上部の高温熱力学システム１からの廃熱は、廃熱回収熱交換器７を通って、そこを流れる加圧作動流体、例えば超臨界状態の二酸化炭素に伝達される。高温の加圧作動流体は、ライン１３およびバルブ１５を通って流れ、第１の膨張器９内で部分的に膨張する。ライン１７上のバルブ１９を調整して、第１の膨張器９の出口で必要な背圧、すなわち第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間の中間圧力を設定することができる。第１の膨張器９を介した第１の圧力から中間圧力への作動流体の圧力降下は、機械的動力を生成し、これは、発電機３７によって電力に変換される。
【００４７】
第１の膨張器９を出る部分的に膨張した作動流体は、第２の膨張器１１を通って流れ、中間圧力から動力システム２の低圧側の低圧まで膨張する。圧力降下は、ポンプまたは圧縮機３３を駆動する機械的動力を生成する。
【００４８】
第２の膨張器１１から排出された作動流体は、ライン２４、復熱器２５および冷却器２９を通って流れる。復熱器２５では、排出された作動流体は、ポンプまたは圧縮機３３によって供給された冷たい加圧流体と熱交換関係にあり、排出された低圧の作動流体に含まれる残留熱を回収することができる。復熱器２５を出る排出された作動流体は、冷却媒体３１との熱交換により冷却器２９内でさらに冷却および／または凝縮され、ポンプまたは圧縮機３３によってライン３０に沿って吸引される。ポンプまたは圧縮機３３によって供給された冷たい加圧作動流体は、ライン３４および復熱器２５の低温側を通って流れ、ライン３６を通って廃熱回収熱交換器７に戻され、そこで回収された廃熱によって作動流体が加熱され、気化される。
【００４９】
通常の定常状態では、作動流体流全体が第１の膨張器９と第２の膨張器１１とを介して順に膨張するように、バイパスバルブ２３を閉じることができる。必要に応じて、バイパスライン２１およびバイパスバルブ２３を介して、作動流体流の一部を分流することができる。これは、例えば、動力システム２が最初に始動され、負荷３５を駆動するのに利用可能な動力がない場合に起こる可能性があり、圧力降下全体が、ポンプまたは圧縮機３３を介して作動流体の圧送または圧縮を開始するために利用される。
【００５０】
背圧調整バルブ１９を使用して、第１の膨張器９と第２の膨張器１１との間の中間圧力を調整し、第１の膨張器９の出力駆動軸９Ａと第２の膨張器１１の出力駆動軸１１Ａに利用可能な機械的動力の量を調節することができる。
【００５１】
このようにして、例えば廃熱から有効な機械的動力を効率的に生成する、特に簡単で効率的な動力変換システムが得られる。膨張器の一方によってポンプまたは圧縮機を直接駆動することにより、動力変換ステップおよびシステム内の電気機械の数が削減され、これにより、全体の効率が改善され、コストが削減される。
【００５２】
本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的および詳細に上記で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、工程または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けされる可能性がある。
【符号の説明】
【００５３】
１  高温熱力学システム
２  低温熱力学システム、動力システム、作動流体回路
２Ａ  高圧側
２Ｂ  低圧側
３  ガスタービンエンジン
３Ａ  出力駆動軸
４  圧縮機セクション
５  発電機
６  燃焼器セクション
７  廃熱回収熱交換器、加熱器
８  タービンセクション
９  第１の膨張器
９Ａ  出力軸，出力駆動軸
１１  第２の膨張器
１１Ａ  出力軸，出力駆動軸
１３  ライン
１５  バルブ
１７  ライン
１９  背圧調整バルブ
２１  バイパスライン
２３  バイパスバルブ
２４  ライン
２５  復熱器
２９  冷却器，凝縮器
３０  ライン
３１  冷却媒体
３３  ポンプ，圧縮機，昇圧デバイス
３４  ライン
３５  負荷
３６  ライン
３７  発電機
３９  可変周波数ドライバ
４１  ギヤボックス
Ｇ  配電網
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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