(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点を有する成分と、より高い沸点を有する成分とを含む作動流を外部熱源で加熱して、加熱された気体状作動流を形成し、
該加熱された気体状作動流を第１の分離器で分離させて、前記低沸点成分が比較的多量に含まれる加熱された気体状のリッチな流れと、前記低沸点成分が比較的少量しか含まれないリーンな流れとを形成し、
前記加熱された気体状のリッチな流れを膨脹させて、該流れのエネルギーを有用なエネルギー形態に変換し、かつ膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを形成し、
前記リーンな流れと前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとを合流させて前記作動流を形成する、
各工程を有してなる熱力学的サイクルを実行する方法において、
前記合流後でかつ前記外部熱源による加熱の以前において、前記作動流が、第１の熱交換器において熱を低温源に移転させることによって凝縮され、その後前記作動流がより高い圧力にポンピングされ、
前記作動流が凝縮されるのに先立って、第２の熱交換器において、その作動流から、前記より高い圧力にポンピングされた後のかつ前記外部熱源で加熱される以前の作動流に対し、熱を移転させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記膨脹が、第１の膨脹工程と第２の膨脹工程とにおいて発生し、
前記加熱された気体状のリッチな流れが、前記第１の膨脹工程において不十分に膨脹せしめられて、不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを形成し、
さらに、前記不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを第１の部分と第２の部分とに分岐し、
前記第１の部分が前記第２の膨脹工程において膨脹せしめられて、前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを形成し、
さらに、前記リーンな流れと前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとを合流させる以前に、前記第２の部分を前記リーンな流れと合流させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
第３の熱交換器において、前記より高い圧力にポンピングされた後のかつ前記外部熱源で加熱される以前の前記作動流に対し、前記リーンな流れから熱を移転させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
低沸点を有する成分と、より高い沸点を有する成分とを含む作動流を外部熱源で加熱して、加熱された気体状作動流を形成し、
該加熱された気体状作動流を第１の分離器で分離させて、前記低沸点成分が比較的多量に含まれる加熱された気体状のリッチな流れと、前記低沸点成分が比較的少量しか含まれないリーンな流れとを形成し、
前記加熱された気体状のリッチな流れを膨脹させて、該流れのエネルギーを有用なエネルギー形態に変換し、かつ膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを形成し、
前記リーンな流れと前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとを合流させて前記作動流を形成する、
各工程を有してなる熱力学的サイクルを実行する方法において、
前記合流後でかつ前記外部熱源による加熱の以前において、前記作動流が、第１の熱交換器において熱を低温源に移転させることによって凝縮され、その後前記作動流がより高い圧力にポンピングされ、
前記ポンピング後のかつ前記外部熱源で加熱される以前の前記作動流を、第１の作動支流と第２の作動支流とに分岐させ、前記外部熱源による加熱が、前記第１の作動支流を前記外部熱源で加熱して、加熱された第１の作動支流を形成することを含み、その後、該加熱された第１の作動支流を前記第２の作動支流に合流させて、前記加熱された気体状作動流を形成することを特徴とする方法。
【請求項５】
第４の熱交換器において、前記リーンな流れから前記第２の作動支流に熱を移転させることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記外部熱源による加熱が第５の熱交換器において行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記分岐が、前記不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを、蒸気部分と液体部分とに分離することを含み、前記第１の部分が、前記蒸気部分の少なくとも一部を含み、前記第２の部分が前記液体部分を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記蒸気部分の一部を前記液体部分に合流させて前記第２の部分を形成することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
熱交換器において、前記外部熱源で加熱される以前の前記作動流に対し、前記第２の部分を伴う前記リーンな流れから熱を移転させることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１０】
低沸点を有する成分と、より高い沸点を有する成分とを含む作動流を外部熱源で加熱して、加熱された気体状作動流を形成する加熱器と、
前記加熱された気体状作動流を受け取り、かつ前記低沸点成分が比較的多量に含まれる加熱された気体状のリッチな流れと、前記低沸点成分が比較的少量しか含まれないリーンな流れとを出力するように接続された第１の分離器と、
前記加熱された気体状のリッチな流れを受け取って該流れのエネルギーを有用なエネルギー形態に変換し、かつ膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを出力するように接続された膨脹器と、
前記リーンな流れと前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとを合流させるように接続されて前記作動流を出力し、該出力が前記加熱器の入力側に接続された第１の流れ混合器と、
を備えてなる熱力学的サイクルを実行するための装置において、
前記第１の流れ混合器と前記加熱器との間に接続された第１の熱交換器およびポンプを備え、前記第１の熱交換器は、熱を低温源に移転させることによって前記作動流を凝縮させ、その後前記ポンプが前記作動流をより高い圧力にポンピングし、
前記作動流が凝縮されるのに先立って、その作動流から、前記ポンプにおいて前記より高い圧力にポンピングされた後のかつ前記加熱器において前記外部熱源で加熱される以前の作動流に対し、熱を移転させるように接続された第２の熱交換器をさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記膨脹器が第１の膨脹段と第２の膨脹段とを含み、
前記第１の膨脹段が、前記加熱された気体状のリッチな流れを受け取り、かつ不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを出力するように接続され、
さらに、不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを受け取り、かつそれを第１の部分と第２の部分とに分岐させるように接続された流れ分岐器を備え、
前記第２の膨脹段が、前記第１の部分を受け取るように接続され、該第１の部分を膨脹させて前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを形成し、
さらに、前記リーンな流れが前記第１の流れ混合器において前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れに合流される以前に、前記第２の部分を前記リーンな流れに合流させるように接続された第２の流れ混合器を備えていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記リーンな流れからの熱を、前記ポンプにおいて前記より高い圧力にポンピングされた後のかつ前記加熱器において前記外部熱源で加熱される以前の前記作動流に移転させるように接続された第３の熱交換器をさらに備えていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
低沸点を有する成分と、より高い沸点を有する成分とを含む作動流を外部熱源で加熱して、加熱された気体状作動流を形成する加熱器と、
前記加熱された気体状作動流を受け取り、かつ前記低沸点成分が比較的多量に含まれる加熱された気体状のリッチな流れと、前記低沸点成分が比較的少量しか含まれないリーンな流れとを出力するように接続された第１の分離器と、
前記加熱された気体状のリッチな流れを受け取って該流れのエネルギーを有用なエネルギー形態に変換し、かつ膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを出力するように接続された膨脹器と、
前記リーンな流れと前記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとを合流させるように接続されて前記作動流を出力し、該出力が前記加熱器の入力側に接続された第１の流れ混合器と、
を備えてなる熱力学的サイクルを実行するための装置において、
前記第１の流れ混合器と前記加熱器との間に接続された第１の熱交換器およびポンプを備え、前記第１の熱交換器は、熱を低温源に移転させることによって前記作動流を凝縮させ、その後前記ポンプが前記作動流をより高い圧力にポンピングし、
前記ポンプにおける前記ポンピングの後でかつ前記加熱器における前記外部熱源による加熱の以前に、前記作動流を第１の作動支流と第２の作動支流とに分岐させる流れ分岐器を備え、前記加熱器が前記第１の作動支流を加熱して、加熱された第１の作動支流を形成するように構成され、
さらに、前記加熱された第１の作動支流を前記第２の作動支流に合流させて、前記加熱された気体状作動流を形成するように接続された第３の流れ混合器を備えていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記リーンな流れから熱を前記第２の作動支流に移転させるように接続された第４の熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記加熱器が第５の熱交換器であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１６】
前記流れ分岐器が、前記不十分に膨脹せしめられたリッチな流れを受け取り、これを蒸気部分と液体部分とに分離するように接続された第２の分離器を含み、前記第１の部分が、前記蒸気部分の少なくとも一部を含み、前記第２の部分が前記液体部分を含むことを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記流れ分岐器が、前記第２の分離器からの蒸気部分の一部を前記第２の分離器からの前記液体部分に合流させて前記第２の部分を形成することを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の部分を伴う前記リーンな流れから、前記加熱器における前記外部熱源で加熱される以前の前記作動流に熱を移転させるように接続された熱交換器をさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を有用な形態に変換する熱力学的サイクルの実行に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーは、機械的エネルギに、次いで電気的エネルギーに効率的に変換可能である。低い温度の熱源の熱エネルギーを電力に変換する方法は、エネルギー発生の重要な領域を形成する。かかる低い温度の熱を電力に変換する場合、効率を高めることが要求される。
【０００３】
熱源からの熱エネルギーは、熱力学的サイクルで動作する閉じた系内で膨脹され再生される作動流体を用いて機械的エネルギーに、次いで電気的エネルギーに変換可能である。上記作動流体は異なる沸点を有する成分を含んでもよく、この作動流体の組成は、運転効率を改善するために系内の部位によって変えてもよい。低い温度の熱を電力に変換するシステムは、アレキサンダー  アイ  カリーナの米国特許第４,３４６,５６１号、第４,４８９,５６３号、第４,９８２,５６８号および第５,０２９,４４４号に記載されている。さらに、多成分作動流体を用いるシステムは、ここに引用するアレキサンダー  アイ  カリーナの米国特許第４,５４８,０４３号、第４,５８６,３４０号、第４,６０４,８６７号、第４,７３２,００５号、第４,７６３,４８０号、第４,８９９,５４５号、第５,０９５,７０８号、第５,４４０,８８２号、第５,５７２,８７１号および第５,６４９,４２６号に記載されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一般に、熱力学的サイクルを実行するための方法およびシステムを特徴とするものである。低沸点を有する成分と、より高い沸点を有する成分とを含む作動流は、外部熱源（例えば低い温度の熱源）で加熱されて、加熱された気体状作動流を形成する。この加熱された気体状作動流は第１の分離器において分離されて、上記低沸点成分が比較的多量に含まれる加熱された気体状のリッチな流れと、上記低沸点成分が比較的少量しか含まれないリーンな流れとを形成する。上記加熱された気体状のリッチな流れは膨脹せしめられて、この流れのエネルギーを有用なエネルギー形態に変換し、かつ膨脹せしめられ消費されたリッチな流れを形成する。次に、上記リーンな流れと上記膨脹せしめられ消費されたリッチな流れとは合流されて上記作動流を形成する。
【０００５】
本発明の特色ある実施の形態は下記の特徴部分の一つまたはそれ以上を含む。作動流は、第１の熱交換器において熱を低温源に移転させることによって凝縮され、その後、より高い圧力にポンピングされる。上記膨脹は、第１の膨脹段と第２の膨脹段とにおいて発生し、不十分に膨脹せしめられた流体の流れは、段間で抽出され、リーンな流れに合流される。膨脹段間の分離器は、不十分に膨脹せしめられた流体を蒸気部分と液体部分とに分離し、蒸気部分の一部または全部が第２段に供給され、蒸気部分の一部は液体部分に合流され、次いでリッチな流れに合流される。
【０００６】
第２の熱交換器は、より高い圧力の凝縮された多成分作動流に対し、再構築された多成分作動流から（凝縮に先立って）熱を再生的に移転させる。第３の熱交換器は、第２の熱交換器の後でリーンな流れから作動流に熱を移転させる。作動流は、２本の支流に分岐され、２本のうちの支流の一方は外部の熱で加熱され、他方は第４の熱交換器においてリーンな流れからの熱で加熱され、これら２本の流れは合流されて、分離器で分離される加熱された気体状作動流を形成する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の実施の形態は下記の利点の１つまたはそれ以上を備えている。本発明の実施の形態によれば、低い温度の熱を電力に変換する場合に、標準的なランキン・サイクルの効率を上回る高い効率を得ることができる。
【０００８】
本発明のその他の利点および特徴は、下記の特色ある実施の形態の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１を参照すると、外部熱源から有用なエネルギー（例えば機械的エネルギー、次いで電気的エネルギー）を得る熱力学的サイクルを実行するためのシステムが示されている。ここに記載された実施の形態において、外部熱源は、点２５〜２６で表される経路で熱交換器ＨＥ−５を通って流れて、閉じた熱力学的サイクルの作動流１１７〜１７を加熱する低い温度の廃水流である。表１は、図１に示された番号の点における条件を表す。このシステムからの典型的な出力は表５に表されている。
【００１１】
図１のシステムの作動流は、低沸点成分と高沸点成分とを含む多成分作動流である。かかる好ましい作動流は、アンモニアと水との混合物、２種類またはそれ以上の炭化水素、２種類またはそれ以上のフレオン、炭化水素とフレオンの混合物等である。一般に作動流は、好ましい熱力学的特性と溶解性とを備えたあらゆる種類の化合物の混合物でよい。特に好ましい実施の形態においては、アンモニアと水との混合物が用いられている。図１に示されたシステムでは、点１３から１９まで同じ組成を有する。
【００１２】
図１のシステムの説明をタービンＴの出口において始めると、点３４における流れは、膨脹せしめられ消費されたリッチな流れと呼ばれる。この流れは、沸点の低い方の成分に関して「リッチ」と見なされる。それは低圧であり、点１２におけるようなパラメータを有する、よりリーンな吸収流と混合されて、点１３におけるようなパラメータを有する中間的組成を有する作動流を生成する。点１２における流れは、より低い沸点を有する成分に関して「リーン」と見なされる。
【００１３】
任意の温度において、点１３における（中間的組成の）作動流は、点３４における、よりリッチ流れよりも低い圧力で凝縮することができる。これにより、より多くの出力を上記タービンＴから取り出すことができ、かつ工程の効率を向上させる。
【００１４】
点１３における作動流は不十分に凝縮されている。この作動流は熱交換器ＨＥ−２に入り、そこで冷却され、点２９におけるようなパラメータを備えて熱交換器ＨＥ−２を出る。依然として作動流は、完全でなく不十分に凝縮されている。ここで作動流は熱交換器ＨＥ−１に入り、そこで冷水流２３〜２４によって冷却されて、完全に凝縮され、点１４におけるようなパラメータを得る。点１４におけるようなパラメータを有する作動流は次により高い圧力にポンピングされて、点２１におけるようなパラメータを得る。点２１における作動流は、次に熱交換器ＨＥ−２に入り、そこで点１３〜２９（上述）における作動流によって、点１５におけるようなパラメータを有する点まで再び加熱される。点１５におけるようなパラメータを有する作動流は熱交換器ＨＥ−３に入り、そこで加熱され、点１６におけるようなパラメータを得る。典型的な構成では、点１６は精密に沸点とされるが、それは必ずしも必要でない。点１６における作動流は、２本の支流、すなわち第１の作動支流１１７と第２の作動支流１１８とに分岐される。点１１７におけるようなパラメータを有する第１の作動支流は、熱交換器ＨＥ−５内に送られて、点１７におけるようなパラメータを備えたものとなる。この第１の作動支流は外部熱源、すなわち流れ２５〜２６によって加熱される。他方の支流、すなわち第２の作動支流１１８は、熱交換器ＨＥ−４に入り、そこで再加熱されて点１８におけるようなパラメータを得る。熱交換器ＨＥ−４およびＨＥ−５で加熱された２本の作動支流１７および１８は合流されて、点１９におけるようなパラメータを有する、加熱された気体状作動流を形成する。
【００１５】
この作動流は、不十分な、もしくは多分完全な気化状態にある。好ましい実施の形態においては、点１９は不十分な気化状態にある。点１９における作動流は、点１３で生じ、点１４で完全に凝縮され、点２１で高圧にポンピングされ、点１５および１６に予熱された中間的な組成と同じ組成を有する。この作動流は分離器Ｓに入り、ここで「加熱された気体状のリッチな流れ」と呼ばれかつ点３０におけるようなパラメータを有するリッチな飽和蒸気と、「リーンな流れ」と呼ばれかつ点７におけるようなパラメータを有するリーンな飽和液体とに分離される。点７におけるリーンな流れ（飽和液体）は、熱交換器ＨＥ−４に入り、そこで作動流れ１１８〜１８（上述）を加熱しながら冷却される。この点７におけるリーンな流れは、熱交換器ＨＥ−４を出て点８におけるようなパラメータを備える。この流れは絞り弁Ｔｈ−２で適当な所定の圧力に絞られて、点９におけるようなパラメータを得る。
【００１６】
ここで点３０に戻ると、加熱された気体状のリッチな流れ（飽和蒸気）は、分離器Ｓを出る。この流れはタービンＴに入り、そこでより低い圧力に膨脹せしめられ、電力発生用のタービンＴに対し有用な機械的エネルギーを与える。点３２におけるようなパラメータを有する不十分に膨脹せしめられた流れは、中間的な圧力（ほぼ点９における圧力）をもってタービンＴから抽出され、この抽出された流れ３２（不十分に膨脹せしめられた気体状のリッチな流れの「第２の部分」とも呼び、「第１の部分」はさらに膨脹せしめられている）は、点９におけるリーンな流れに混合されて、点１０におけるようなパラメータを有する合流された流れを生じる。、点９におけるようなパラメータを有するリーンな流れは、抽出された流れ３２に対する吸収流としての役目を果たす。その結果生じた点１０におけるような流れ（リーンな流れと第２の部分）は熱交換器ＨＥ−３に入り、ここで作動流１５〜１６を加熱しながら冷却されて、点１１におけるようなパラメータを得る。点１１におけるようなパラメータを有する流れは、絞り弁Ｔｈ−１で点３４の圧力に絞られて、点１２におけるようなパラメータを得る。
【００１７】
タービンＴに戻ると、タービンＴに流入した流れのすべてが点３２において不十分な膨脹状態で抽出されたのではない。第１の部分と呼ばれる残りは、適当な所定の低い圧力に膨脹せしめられて、点３４でタービンＴを出る。この系は閉じられている。
【００１８】
図１に示された実施の形態においては、点３２における抽出物は、点３０および３４における流れと同じ組成を有する。図２に示された実施の形態においては、タービンが第１のタービン段Ｔ−１と第２のタービン段Ｔ−２として示され、不十分に膨脹せしめられた流れが点３１で高圧側のタービン段Ｔ−１を出る。図２において番号の付された点の条件は表２に表されている。図２のシステムからの典型的な出力は表６に表されている。
【００１９】
図２を参照すると、第１のタービン段Ｔ−１からの不十分に膨脹せしめられたリッチな流れは、低圧側の第２のタービン段Ｔ−２においてさらに膨脹せしめられる点３３における第１の部分と、点９においてリーンな流れに合流される点３２における第２の部分とに分岐される。上記不十分に膨脹せしめられたリッチな流れは、分離器Ｓ−２に入り、そこで蒸気部分と液体部分とに分離される。点３２における第２の部分の組成は、それが点９における流れと混合されたときに効果を最大にするように選択されるのがよい。分離器Ｓ−２は、流れ３２が、この分離器Ｓ−２内で得られる圧力および温度において飽和液体のようにリーンになるのを可能にし、その場合、流れ３３は、分離器Ｓ−２内で得られる条件において飽和蒸気となるであろう。流れ１３３における混合量の選択によって、流れ３２における飽和液体および飽和蒸気の量は変更可能である。
【００２０】
図３を参照すると、この実施の形態は、熱交換器ＨＥ−４が省略され、かつタービン段からの不十分に膨脹せしめられた流れの抽出がない点で図１の実施の形態とは異なる。図３の実施の形態においては、分離器Ｓを出る高温の流れは直接熱交換器ＨＥ−３に入るのを許容される。図３において番号の付された点の条件は表３に表されている。このシステムからの典型的な出力は表７に表されている。
【００２１】
図４を参照すると、この実施の形態は、熱交換器ＨＥ−２が省略されている点で図３の実施の形態とは異なる。図４において番号の付された点の条件は表４に表されている。このシステムからの典型的な出力は表８に表されている。熱交換器ＨＥ−２が省略されて、工程の効率は低下しているが、出力の上昇はあきらめても熱交換器の価格を下げたいという周囲の事情においては経済的に推奨できる。
【００２２】
一般に、本発明の方法の実施には標準的な機器が利用できる。したがって、本発明の方法の達成には、典型的なランキン・サイクルで用いられる形式の熱交換器、タンク、ポンプ、タービン、弁および取付け金具のような機器が使用可能である。
【００２３】
上述した本発明の実施の形態においては、作動流体が膨脹せしめられて、通常の形式のタービンを駆動している。しかしながら、高圧レベルから消費された低圧レベルにされてエネルギーを放出する作動流体の膨脹は、当業者にとって周知のあらゆる適当な通常の手段によって達成可能である。放出されたエネルギーは、当業者にとって周知のあらゆる通常の方法を用いて貯めることができる。
【００２４】
上述した実施の形態の分離器には、通常のフラッシュタンクのような重力分離器を用いることができる。単一の流れから、異なる組成を有する２つまたはそれ以上の流れを形成するのに用いられる従来のいかなる装置も、流体の作動流からリーンな流れとリッチにされた流れとを形成するのに用いることができる。
【００２５】
コンデンサは、公知のいかなる形式の熱排除装置であってよい。例えば、水冷システムまたはその他のコンデンサ装置のような熱交換器の形式のものを採用することができる。
【００２６】
本発明のサイクルの駆動には種々の形式の熱源を用いることができる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
【表３】
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【００３０】
【表４】
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【００３１】
【表５】
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【００３２】
【表６】
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【００３３】
【表７】
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【００３４】
【表８】
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【図面の簡単な説明】
【図１】低い温度の熱源からの熱を有用なエネルギー形態に変換するための本発明の熱力学的システムの実施の形態を示す図
【図２】抽出された流れと完全に消費された流れとが、高圧にされた流れとは異なる組成を有するのを許容する図１のシステムの他の実施の形態の図
【図３】抽出流のない簡略化された実施の形態を示す図
【図４】さらに簡略化された実施の形態を示す図
【符号の説明】
ＨＥ−１〜ＨＥ−５    熱交換器
Ｔ，Ｔ−１，Ｔ−２    タービン
Ｓ    分離器
Ｐ    ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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