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課題・解決手段

改善された熱機関は、−35℃より低い沸点を有する有機冷却剤と、82℃未満の温度を有する熱源と、ヒートシンクと、有機冷却剤のための密閉された閉ループであって、熱源から熱を吸収する高圧帯域及びヒートシンクへ熱を伝達する低圧帯域の両方を有する閉ループと、有機冷却剤がその気相中で高圧帯域から低圧帯域へと連続して流れる圧力勾配を提供する容積型減圧装置であって、圧力勾配から機械的エネルギーを抽出する減圧装置と、有機冷却剤のその液相中で該低圧帯域から該高圧帯域への連続した流れを提供する容積型水圧ポンプであって、該水圧ポンプ及び該減圧装置が約20〜42バールの2つの帯域間の圧力差を維持する容積型水圧ポンプと、を含む。

概要

背景

ランキンサイクルは、熱を仕事へと変換する熱力学サイクルである。熱は、通常、作動流体として水を使用して、外部から閉ループに供給される。このサイクルは、世界中で使用される全電力の約80%を生成し、事実上全ての太陽熱バイオマス石炭、及び原子力発電所で使用されている。その名の由来は、スコトランドのエンジニアであり、物理学者であるWilliam John Macquorn Rankine(1820年7月5日〜1872年12月24日)である。William Thomson(Lord Kelvin)及びRudolf Clausiusは、熱力学の科学の創設貢献者であった。Rankineは、蒸気機関、実際には、熱機関全ての完全な理論を展開した。彼によるエンジニアリング科学及び実践手引書は、1850年代及び1860年代にそれらが発表された後、何十年も使用された。彼は、1840年以降、科学及びエンジニアリングに関する数百もの論文及び草稿を発表しており、彼の興味は、若いは、植物学音楽論、及び数論、円熟期には、科学、数学、及びエンジニアリングという最も主要な学問を含め、非常に多岐にわたっていた。ランキンサイクルは、発電所で最も良く見られる蒸気駆動前方熱機関のモデルについて説明する。石炭、天然ガス、及び石油燃焼、ならびに核分裂は、一般に、ランキンサイクルを用いて発電所に熱を提供する。ランキンサイクル電力系は、典型的に、熱エネルギー電気エネルギー転換する。従来のランキンサイクル電力系は、以下の4つの基本ステップを用いる:(1)ボイラー内で熱エネルギーを使用して、水を蒸気に変え、(2)その蒸気をタービン送り、次いで、発電機を駆動し、(3)その蒸気中に残っている熱エネルギーを環境へ放出することにより、蒸気を凝縮して水に戻し、(4)その凝縮液ポンプボイラーに戻す。理想的なランキンサイクルにおいては、膨張等エントロピーであり、蒸発作用及び凝縮過程等圧である。しかしながら、現実世界における不可逆性の存在が、サイクル効率を低下させる。それらの不可逆性は、主に2つの要因に起因する。

第一に、気体の膨張中、圧力差から回収可能な一部のエネルギーのみが、有用な仕事に転換されるということである。他の部分は熱に変換され、失われる。膨張機効率性は、エントロピーが一定のままである、理論的等エントロピー膨張により実施される仕事のパーセンテージで表される。第二の原因は、良好な熱交換を確実にするが、サイクルから回収可能な電力を低くする、長く屈折した経路に関連した圧力低下によって引き起こされる熱交換器の非効率性である。

ランキンサイクルの効率性は、作動流体の物理的特性関数である。作動流体の超臨界値に達する圧力がない場合、このサイクルが動作することのできる温度範囲は非常に小さい:タービン入口温度は、典型的には565℃(ステンレス鋼クリープ限度)であり、凝縮器温度は30℃付近である。これは、現代石炭火力発電所の42%の実際効率と比較して、約63%の理論的カルノー効率をもたらす。この低いタービン入り口温度(内燃ガスタービンと比較して)こそが、ランキンサイクルが複合サイクルガスタービン発電所においてボトミングサイクルとしてしばしば使用される理由である。ランキンサイクル内の作動流体は、閉ループを辿り、絶えず再利用される。多くの作動流体が、ランキンサイクル内で使用することができ、かつ使用されているが、水は、豊富で安価、非毒性で、一般的に非反応性であり、かつ有利な熱力学的特性を持つことから、通常、一般的に好まれる流体である。有機ランキンサイクルは、産業排熱地熱、太陽池などのより低い温源からのエネルギー回収を可能にするために開発されている。有機ランキンサイクル(ORC)は、それが、液−蒸気相変化、または水−水蒸気相変化よりも低い温度で発生する沸点を有する有機高分子質量流体を使用することから命名されている。ORCを使用して、低温熱を有用な仕事に変換することができ、例えば、電気を生成するために利用することができる。ORCパワー系統原型は、1961年にイスラエルソーラーエンジニア、Harry Zvi Tabor及びLucien Bronickiにより初めて開発及び発表された。

有機ランキンサイクル技術は、多くの可能な用途を有する。その中でも最も普及した有望な分野が以下[1]である:廃熱回収は、ORCにとって最も重要な開発分野である。それは、熱及びパワープラントに、または、有機生成物発酵オーブンもしくは炉からの高温排気煙道ガス凝縮、自動車からの排気ガス圧縮機の中間冷却、及び発電サイクル凝縮器などの産業及び農業プロセスに適用することができる。バイオマスは世界中で利用可能であり、小から中規模の発電所における電気の生産のために使用することができる。蒸気ボイラーなどの機械への高比投資費用の問題は、ORC発電所における低い作動圧力により克服される。ORCプロセスは、効率的なORC発電所がより小さな施設を可能にするため、多くの地域において利用可能な入力燃料量が比較的少ないことを克服することも助ける。

地熱熱源は、50〜350℃の温度で変化する。したがって、ORCは、この種の用途に比類なく適している。しかしながら、低温度地熱源(典型的には100℃未満)の場合、効率性が非常に低く、典型的には周囲温度であるヒートシンク温度に強く依存することに留意することが重要である。

ORCは、通常の蒸気ランキンサイクルの代わりに、ソーラーパラボラトラフ技術において使用することもできる。ORCは、より低い集電器温度、より優れた集電効率(低減した環境損失)、及びそれによるソーラーフィールドのサイズ減少の可能性を可能にする。

適切な作動流体の選択は、低温ランキンサイクルにおいて極めて重要である。低温度のため、熱伝達の非効率性は非常に不利である。これらの非効率性は、流体の熱力学的特性、及び動作条件に非常に強く依存する。低グレード熱源からエネルギーを回収するためには、作動流体は水よりも低い沸点を有しなければならない。冷却剤及び炭化水素は、良く使用される2つの構成要素である。水とは異なり、有機流体は、通常、高温化学劣化及び分解を受ける。最大熱源温度は、このように、作動流体の化学的定性によって制限される。加えて、凝固点は、サイクル内の最も低い温度よりも低くなければならない。高い潜熱及び密度を有する流体は、蒸発器内の源からより多くのエネルギーを吸収し、それ故に、必要とされる流量、設備のサイズ、及びポンプのエネルギー消費量を削減する。有機作動流体にとっての他の重要な特性は、合理的な費用で容易に入手可能であることに加え、低いオゾン層破壊及び低い地球温暖化係数を有すること、非腐食性不燃性、非毒性であることである。

2008年5月29日、ネバダ州カーソンティのElectraTherm,Inc.が、テキサス州ダラスメソジスト大学で、初の商用廃熱発電機の導入に成功したことを発表した。「Green Machine」と称されるこの発電機は、以前は廃棄されていた残留産業熱から電気を作製する。米国エネルギー省は、利用可能な7000兆Btuの廃熱源は、米国における他の全ての再生可能電力源を組み合わせた現在の生産量を超えることを報告している。これには、水力発電、木材、バイオ燃料、地熱、風力、及び太陽光力が含まれる。50〜500kWの計測可能な出力、及び3年未満の助成金なしの資金回収期間で、ElectraThermの創作物は、さらなる石油、ガス、石炭を燃焼することなく、及び汚染や環境への損害なしに、全ての化石燃料燃焼発電所で、非常に低費用で電気の生産を著しく拡大する可能性がある。このプロセスは、摂氏93度という低い温度を有する液体から熱を抽出して、発電機に連結されている二軸式膨張機を動かす。高価な変速装置及び電子装置なしで動作し、タービンの10分の1の速度で動き、タービンよりもはるかに少ない摩擦で動作し、油ポンプ油タンク油ライン、及び油フィルタを必要とせずに潤滑プロセスを利用する、タービンの約10分の1の価格の同社の二軸式膨張機は、Green Machineが、資金回収期間中はkW/時間当たり$0.03〜$0.04、その後はkW/時間当たり$0.01未満の費用で電気を生産することを可能にする。Waste Heat Recovery Generatorと題される、米国特許出願第11/407,555号は、2006年4月19日に発明者のRichard K.Langsonにより出願され、仮特許出願第60/673,543号の出願に基づいた優先日とともに、発電機プロセス及び装置を網羅していたが、この出願は、最終的には、2007年12月に自明性のため却下された。30 Langsonもまた、その後、この発明の特定の態様を網羅し、かつ米国特許第7,637,108号として発行された、Power Compounderと題される関連出願を提出した。

概要

改善された熱機関は、−35℃より低い沸点を有する有機冷却剤と、82℃未満の温度を有する熱源と、ヒートシンクと、有機冷却剤のための密閉された閉ループであって、熱源から熱を吸収する高圧帯域及びヒートシンクへ熱を伝達する低圧帯域の両方を有する閉ループと、有機冷却剤がその気相中で高圧帯域から低圧帯域へと連続して流れる圧力勾配を提供する容積型減圧装置であって、圧力勾配から機械的エネルギーを抽出する減圧装置と、有機冷却剤のその液相中で該低圧帯域から該高圧帯域への連続した流れを提供する容積型水圧ポンプであって、該水圧ポンプ及び該減圧装置が約20〜42バールの2つの帯域間の圧力差を維持する容積型水圧ポンプと、を含む。

目的

石炭、天然ガス、及び石油の燃焼、ならびに核分裂は、一般に、ランキンサイクルを用いて発電所に熱を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

有機ランキンサイクルを用いた熱機関であって、摂氏−35度より低い沸点を有する有機冷却剤と、摂氏82度未満の温度を有する温水熱源と、ヒートシンクと、前記有機冷却剤のための密閉された閉ループ経路であって、前記経路が、前記熱源から熱を吸収し、かつ少なくとも気相中に前記有機冷却剤の第1の部分を含む、高圧帯域と、前記ヒートシンクに熱を伝達し、かつ少なくとも液相中に前記有機冷却剤の第2の部分を含む、低圧帯域と、の両方を有する、密閉された閉ループ経路と、前記有機冷却剤がその気相中で前記高圧帯域から前記低圧帯域へ連続して流れる圧力勾配を提供する容積型減圧装置であって、約20バール〜約42バールのそれらの帯域間の圧力差を維持し、前記圧力勾配から機械的エネルギーを抽出する、容積型減圧装置と、抽出された機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する、前記減圧装置に連結された発電機と、前記有機冷却剤のその液相中での前記低圧帯域から前記高圧帯域への連続した流れを提供するための容積型水圧ポンプと、を備える、前記熱機関。

請求項2

一般的には前記有機冷却剤と非混和性であり、前記閉ループを通って循環し、前記減圧装置内で密閉潤滑機能を実行する、潤滑油をさらに備える、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項3

前記容積型減圧装置が、環状スクロールルーツスターローター、及び二重ローブポンプからなる群から選択される、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項4

前記水圧ポンプが冷却剤を前記低圧帯域から前記高圧帯域へと伝達する際に、流体ハンマーの影響を緩和するために脈動吸収装置として機能する、偏心形状の冷却剤貯蔵タンクをさらに備える、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項5

前記有機冷却剤が、摂氏−40度より低い沸点を有する、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項6

前記有機冷却剤が、摂氏−45度より低い沸点を有する、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項7

冷却剤が前記水圧ポンプに入る際に重力を用いて前記冷却剤のその液体状態での最大密度を確実にする、下向きに先細であり、かつ下向きに減少した断面積垂直配向冷却剤タンクをさらに備える、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項8

前記高圧帯域が、垂直配向管式熱交換器であって、その上部に前記温水熱源からの水用の入口及びその下部に前記熱源からの水用の出口と、その前記下部に冷却剤蒸気用の入口、及びその前記上部に前記冷却剤蒸気用の出口と、を有する、垂直配向管式熱交換器を含み、前記出る冷却剤蒸気が、前記減圧装置の流入口に直接入り、前記管式熱交換器が、重力によって支援されて温度勾配を作成し、これが、前記管式熱交換器を出る冷却剤蒸気が前記温水熱源から最大量の熱を吸収し、かつ最小密度に達することを確実にする、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項9

少なくとも2つの直列に配置された油分離器が、排出する冷却剤蒸気から油を抽出するために用いられる、請求項1に記載の前記熱機関。

請求項10

前記低圧帯域内に設置された少なくとも1つの冷却コイルであって、冷たい加圧された冷却剤を、それが前記熱源から加熱される前に、前記高圧帯域から受容し、それにより前記低圧帯域のサブクール強化を可能にする、少なくとも1つの冷却コイルをさらに備える、請求項1に記載の前記熱機関。

技術分野

0001

本発明は、概して、有機ランキンサイクル系に関し、より具体的には、に関する。

背景技術

0002

ランキンサイクルは、熱を仕事へと変換する熱力学サイクルである。熱は、通常、作動流体として水を使用して、外部から閉ループに供給される。このサイクルは、世界中で使用される全電力の約80%を生成し、事実上全ての太陽熱バイオマス石炭、及び原子力発電所で使用されている。その名の由来は、スコトランドのエンジニアであり、物理学者であるWilliam John Macquorn Rankine(1820年7月5日〜1872年12月24日)である。William Thomson(Lord Kelvin)及びRudolf Clausiusは、熱力学の科学の創設貢献者であった。Rankineは、蒸気機関、実際には、熱機関全ての完全な理論を展開した。彼によるエンジニアリング科学及び実践手引書は、1850年代及び1860年代にそれらが発表された後、何十年も使用された。彼は、1840年以降、科学及びエンジニアリングに関する数百もの論文及び草稿を発表しており、彼の興味は、若いは、植物学音楽論、及び数論、円熟期には、科学、数学、及びエンジニアリングという最も主要な学問を含め、非常に多岐にわたっていた。ランキンサイクルは、発電所で最も良く見られる蒸気駆動前方熱機関のモデルについて説明する。石炭、天然ガス、及び石油燃焼、ならびに核分裂は、一般に、ランキンサイクルを用いて発電所に熱を提供する。ランキンサイクル電力系は、典型的に、熱エネルギー電気エネルギー転換する。従来のランキンサイクル電力系は、以下の4つの基本ステップを用いる:(1)ボイラー内で熱エネルギーを使用して、水を蒸気に変え、(2)その蒸気をタービン送り、次いで、発電機を駆動し、(3)その蒸気中に残っている熱エネルギーを環境へ放出することにより、蒸気を凝縮して水に戻し、(4)その凝縮液ポンプボイラーに戻す。理想的なランキンサイクルにおいては、膨張等エントロピーであり、蒸発作用及び凝縮過程等圧である。しかしながら、現実世界における不可逆性の存在が、サイクル効率を低下させる。それらの不可逆性は、主に2つの要因に起因する。

0003

第一に、気体の膨張中、圧力差から回収可能な一部のエネルギーのみが、有用な仕事に転換されるということである。他の部分は熱に変換され、失われる。膨張機効率性は、エントロピーが一定のままである、理論的等エントロピー膨張により実施される仕事のパーセンテージで表される。第二の原因は、良好な熱交換を確実にするが、サイクルから回収可能な電力を低くする、長く屈折した経路に関連した圧力低下によって引き起こされる熱交換器の非効率性である。

0004

ランキンサイクルの効率性は、作動流体の物理的特性関数である。作動流体の超臨界値に達する圧力がない場合、このサイクルが動作することのできる温度範囲は非常に小さい:タービン入口温度は、典型的には565℃(ステンレス鋼クリープ限度)であり、凝縮器温度は30℃付近である。これは、現代石炭火力発電所の42%の実際効率と比較して、約63%の理論的カルノー効率をもたらす。この低いタービン入り口温度(内燃ガスタービンと比較して)こそが、ランキンサイクルが複合サイクルガスタービン発電所においてボトミングサイクルとしてしばしば使用される理由である。ランキンサイクル内の作動流体は、閉ループを辿り、絶えず再利用される。多くの作動流体が、ランキンサイクル内で使用することができ、かつ使用されているが、水は、豊富で安価、非毒性で、一般的に非反応性であり、かつ有利な熱力学的特性を持つことから、通常、一般的に好まれる流体である。有機ランキンサイクルは、産業排熱地熱、太陽池などのより低い温源からのエネルギー回収を可能にするために開発されている。有機ランキンサイクル(ORC)は、それが、液−蒸気相変化、または水−水蒸気相変化よりも低い温度で発生する沸点を有する有機高分子質量流体を使用することから命名されている。ORCを使用して、低温熱を有用な仕事に変換することができ、例えば、電気を生成するために利用することができる。ORCパワー系統原型は、1961年にイスラエルソーラーエンジニア、Harry Zvi Tabor及びLucien Bronickiにより初めて開発及び発表された。

0005

有機ランキンサイクル技術は、多くの可能な用途を有する。その中でも最も普及した有望な分野が以下[1]である:廃熱回収は、ORCにとって最も重要な開発分野である。それは、熱及びパワープラントに、または、有機生成物発酵オーブンもしくは炉からの高温排気煙道ガス凝縮、自動車からの排気ガス圧縮機の中間冷却、及び発電サイクル凝縮器などの産業及び農業プロセスに適用することができる。バイオマスは世界中で利用可能であり、小から中規模の発電所における電気の生産のために使用することができる。蒸気ボイラーなどの機械への高比投資費用の問題は、ORC発電所における低い作動圧力により克服される。ORCプロセスは、効率的なORC発電所がより小さな施設を可能にするため、多くの地域において利用可能な入力燃料量が比較的少ないことを克服することも助ける。

0006

地熱熱源は、50〜350℃の温度で変化する。したがって、ORCは、この種の用途に比類なく適している。しかしながら、低温度地熱源(典型的には100℃未満)の場合、効率性が非常に低く、典型的には周囲温度であるヒートシンク温度に強く依存することに留意することが重要である。

0007

ORCは、通常の蒸気ランキンサイクルの代わりに、ソーラーパラボラトラフ技術において使用することもできる。ORCは、より低い集電器温度、より優れた集電効率(低減した環境損失)、及びそれによるソーラーフィールドのサイズ減少の可能性を可能にする。

0008

適切な作動流体の選択は、低温ランキンサイクルにおいて極めて重要である。低温度のため、熱伝達の非効率性は非常に不利である。これらの非効率性は、流体の熱力学的特性、及び動作条件に非常に強く依存する。低グレード熱源からエネルギーを回収するためには、作動流体は水よりも低い沸点を有しなければならない。冷却剤及び炭化水素は、良く使用される2つの構成要素である。水とは異なり、有機流体は、通常、高温化学劣化及び分解を受ける。最大熱源温度は、このように、作動流体の化学的定性によって制限される。加えて、凝固点は、サイクル内の最も低い温度よりも低くなければならない。高い潜熱及び密度を有する流体は、蒸発器内の源からより多くのエネルギーを吸収し、それ故に、必要とされる流量、設備のサイズ、及びポンプのエネルギー消費量を削減する。有機作動流体にとっての他の重要な特性は、合理的な費用で容易に入手可能であることに加え、低いオゾン層破壊及び低い地球温暖化係数を有すること、非腐食性不燃性、非毒性であることである。

0009

2008年5月29日、ネバダ州カーソンティのElectraTherm,Inc.が、テキサス州ダラスメソジスト大学で、初の商用廃熱発電機の導入に成功したことを発表した。「Green Machine」と称されるこの発電機は、以前は廃棄されていた残留産業熱から電気を作製する。米国エネルギー省は、利用可能な7000兆Btuの廃熱源は、米国における他の全ての再生可能電力源を組み合わせた現在の生産量を超えることを報告している。これには、水力発電、木材、バイオ燃料、地熱、風力、及び太陽光力が含まれる。50〜500kWの計測可能な出力、及び3年未満の助成金なしの資金回収期間で、ElectraThermの創作物は、さらなる石油、ガス、石炭を燃焼することなく、及び汚染や環境への損害なしに、全ての化石燃料燃焼発電所で、非常に低費用で電気の生産を著しく拡大する可能性がある。このプロセスは、摂氏93度という低い温度を有する液体から熱を抽出して、発電機に連結されている二軸式膨張機を動かす。高価な変速装置及び電子装置なしで動作し、タービンの10分の1の速度で動き、タービンよりもはるかに少ない摩擦で動作し、油ポンプ油タンク油ライン、及び油フィルタを必要とせずに潤滑プロセスを利用する、タービンの約10分の1の価格の同社の二軸式膨張機は、Green Machineが、資金回収期間中はkW/時間当たり$0.03〜$0.04、その後はkW/時間当たり$0.01未満の費用で電気を生産することを可能にする。Waste Heat Recovery Generatorと題される、米国特許出願第11/407,555号は、2006年4月19日に発明者のRichard K.Langsonにより出願され、仮特許出願第60/673,543号の出願に基づいた優先日とともに、発電機プロセス及び装置を網羅していたが、この出願は、最終的には、2007年12月に自明性のため却下された。30 Langsonもまた、その後、この発明の特定の態様を網羅し、かつ米国特許第7,637,108号として発行された、Power Compounderと題される関連出願を提出した。

0010

有機ランキンサイクルを用いた熱機関は、摂氏−35度より低い沸点を有する有機冷却剤と、摂氏82度未満の温度を有する温水熱源と、ヒートシンクと、有機冷却剤のための密閉された閉ループ経路であって、該経路が、熱源から熱を吸収し、かつ少なくとも気相中に有機冷却剤の第1の部分を含む高圧帯域、及びヒートシンクに熱を伝達し、かつ少なくとも液相中に有機冷却剤の第2の部分を含む低圧帯域の両方を有する、密閉された閉ループ経路と、有機冷却剤がその気相中で高圧帯域から低圧帯域へ連続して流れる圧力勾配を提供する容積型減圧装置であって、約20バール〜約42バールのそれらの帯域間の圧力差を維持し、圧力勾配から機械的エネルギーを抽出する、容積型減圧装置と、抽出された機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する、減圧装置に連結された発電機と、有機冷却剤のその液相中での低圧帯域から高圧帯域への連続した流れを提供するための容積型水圧ポンプと、を含む。

0011

改善された減圧熱機関は、容積型減圧装置及び容積型水圧ポンプの両方によって分けられた2つの多重相差圧帯を有するランキンサイクルを利用する。容積型減圧装置は、加熱された有機冷却剤を高圧蒸気状態から低圧蒸気状態に減圧し、それにより機械仕事を作り出す。容積型減圧装置は、圧力が、流れを遮るピストンまたは弁のない連続した流れによって解放されるとき、その最大限の電力ポテンシャルに達する。

0012

従来の有機ランキンサイクル(ORC)と関連してはいるが、改善された有機ランキンサイクル減圧熱機関は、差圧デルタP)エネルギーから派生したエネルギーに主に焦点を当てるため、高いデルタTを有する膨張機を通る高速度質量流量に焦点を当てる従来のORCとは異なる。

0013

改善された熱機関は、摂氏82度未満の温度を有する熱源から電気を生成するために、主に使用される。これまでエネルギーをそのような熱源から経済的に抽出することができなかったため、それらはほとんど無視されていた。熱源は、温泉のような低温の天然地熱、メタン発生器からの廃熱、製造工業、または利用可能な任意の熱源もしくは廃熱源まで及ぶ。

0014

改善された熱機関は、より豊富に入手可能な非常に低い熱エネルギー(摂氏82度より低い)を捕捉し、そのエネルギーを、現在利用可能な技術よりも効率的に、電気に変換する能力を有する。そのようなエネルギーは、超低沸点冷却剤(およそ摂氏−51度で沸騰するR410aなど)を使用すること、及び約20〜42バールの高差圧を、容積型減圧装置を介して電気発生へ転換することにより抽出される。

0015

冷却源は、熱を、豊富な冷たい流れ及び水路、または周囲空気に放つことにより、改善された熱機関内に低圧帯域を提供する。豊富な低熱及び冷却源が、これまでにない熱機関によって利用され、よりクリーン再生可能エネルギーを世界で利用することが可能になるであろう。

0016

従来の有機ランキンサイクル(ORC)と改善された減圧熱機関の簡単な比較を述べる。従来のORCは、熱源及び冷却源を利用して、所与のデルタTで機械仕事を生み出すための熱機関の一種を動作するサイクルである。ORCの高質量流動要件が理由で、それは作動流体/冷却剤の使用が制限される。従来のORCは、作動流体中の比較的低圧力での高速度蒸気相変化を利用して、機械仕事を生み出す。典型的なORC低熱温度(約93℃〜約149℃)で、R245aは蒸気相変化をさっと過ぎる、または通過し、周囲温度(およそ21℃)近くで液相に戻る。この相変化中、圧力差は、冷却側は約12.8℃〜21℃でおよそ0.69バール〜1.38バール、高温側は約93℃〜149℃でおよそ10.9バール〜13.8バールの範囲に及ぶ。機械仕事を達成する力は、膨張機/駆動装置前でおよそ6.9バール〜13.8バールの高い速度/CFM蒸気質量流量である。このように、高CFMでの比較的低い圧力が、ORC熱機関からの機械仕事を達成する。ORC内の作動流体は、高流動する冷却剤/作動流体間の熱を伝達するために熱交換プロセスを高速で流れなければならず、それ故にKW性能に対する過度BTUを要求する。ORC内の原動機は、高質量高速蒸気力に対する耐性を提供するように設計されているが、容積型原動機はその取入口で蒸気を液体に圧縮して駆動装置を遅くすることがあるため、それは容積型ではない。風力タービンブレードと同様、風速度は、ブレード/駆動装置を通り過ぎて、ブレード/駆動装置を回転させるための十分な耐性を提供しなければならない。ORC原動機/膨張機は、低圧力で十分な吹き抜けCFM力を捕捉して機械仕事を達成するために、蒸気が羽根車羽根を通って効率的に広がることを可能にする。ORCは、できる限り高い温度差高デルタT)で最も良く働く。

0017

改善された熱機関が従来のORCに関連があるのは、前者が熱源及び冷却源を利用して、機械仕事を生み出すための一種の熱機関を動作するという点である。2つのサイクルは関連しているものの、改善された熱機関は一意に異なる。改善された熱機関のための減圧装置は、容積型装置であり、低流動/CFM高圧原理を利用する。例として、容積型原動機に入る、65.6℃でおよそ41.4バールの高圧過熱蒸気(作動流体)は、21℃でおよそ13.8バールの低圧蒸気へと減圧され、27.6バール差圧(デルタP)エネルギーを機械仕事に変換する。この差圧エネルギー関数は、逆に動作する冷却剤圧縮機と同様である。105kwの熱を移動させることができる圧縮機は、65.6℃で冷却剤を41.4バールの高圧蒸気に圧縮するためには62kwの電気モーターを必要とし得るが、改善された熱機関は、65.6℃に加熱され圧縮された高圧冷却剤が逆方向に圧縮機プロセスを押し進めているとき、62kw超の電力を生成し得る。例えば、廃熱エネルギーとは、冷たい蒸気/ガスを高温蒸気/ガスに圧縮するための力である電気というより、電気を生成するために逆圧縮機プロセスを駆動するエネルギー力である。

0018

典型的なORCと比較した改善されたORC
超低沸点の高圧冷却剤を使用する際に、圧力差(デルタP)エネルギーに焦点を合わせることにより、より小さなデルタTを使用して、同等の差圧(デルタP)を達成することができる。27.6バールの圧力差で改善されたORCを使用して抽出可能なエネルギーは、9.65バールエネルギーの圧力差で従来のORCを使用して抽出することができるエネルギーよりもはるかに大きい。

図面の簡単な説明

0019

改善された有機ランキンサイクル減圧熱機関の概略図である。

実施例

0020

本出願は、3つの別々の仮特許出願の提出に基づいた優先日を有する。第一に、出願第61/761115号は、2013年2月5日の提出日を有し、HEAT ENGINE DECOMPRESSION CYCLEと題される。第二に、出願第61/817862号は、2013年4月30日の提出日を有し、HIGH−PRESSURE VAPOR ENHANCERと題される。第三に、出願第61/841610号は、2013年7月1日の提出日を有し、SCRLLRIVERACCELERATOR SYSTEMと題される。これら3つの仮特許出願の全ては、これによって、参照により本明細書に完全に組み込まれる。

0021

次に、本発明を、改善された有機ランキンサイクル減圧熱機関100を実装するために必要とされる機器秩序配置を示す図1を参照して説明する。高度に専門化した有機ランキンサイクルを用いた改善された熱機関100は、摂氏−35度より低い沸点を有する有機冷却剤101のための密閉された閉ループ経路を提供する。閉ループ経路の要素は、後で列挙する。改善された熱機関100は、摂氏82度未満の温度を有する低グレード流体熱源103も含む。ほぼ全ての場合において、流体熱源103は、任意の他の一般的な物質よりも高い、水の高比熱(1カロリーグラム℃=4.186ジュール/グラム℃)に起因して、急速な熱伝達が可能であるため、温水熱源であることが好ましい。そのような低グレード熱源は、極めて豊富である。例えば、それらは、地熱水原子炉または工業プロセスからの冷却水、及びこれまでは温度が低すぎるためにエネルギー回収プロセスにおいて有用ではないと考えられていたその他多くの源であり得る。流体熱源103は高温ガスであり得ることも確かに考えられる。しかしながら、そのような場合は、温水源に必要とされるよりもはるかに大きな熱交換器を必要とするであろう。

0022

本発明の改善された熱機関100と、従来の有機ランキンサイクルを用いた以前に開示された熱機関との間の主な違いは、本熱機関における、超低分子量及び超低沸点を有する有機冷却剤の使用である。本質的に、改善された熱機関100は、高効率の容積型減圧装置105の両側で約20〜42バールの比較的高い圧力差を維持することができるため、効果的である。改善された熱機関100の現時点で好ましい実施形態では、デンマークの会社、Danfossで製造された環状スクロール減圧装置が使用されるが、Trane、Copeland、Emerson Electric、及びBristolなど、他の製造業者の環状スクロール圧縮機(減圧装置として使用するために改造される)も使用することができる。加えて、他の種類の容積型減圧装置を、環状スクロール減圧装置の代わりに用いることができる。例えば、ルーツ型ポンプスターローターポンプ、及び二重ローブポンプは、ほぼ確実に首尾よく使用することができる。いずれの場合においても、高効率の容積型減圧装置105の使用により、改善された熱機関100を使用してこれまで無視されてきた低グレード熱源から電力を生成することが可能になる。改善された熱機関100は、周囲温度以下の温度であるヒートシンク107も含む。ヒートシンク107は、理想的には、周囲温度未満の井戸または池からのように、流体冷水源であるが、周囲空気を使用したヒートシンクを用いてもよく、その場合は熱機関100の効率性に低下が生じる。

0023

減圧装置の両側で約20〜42バールの圧力差を維持するために重要である、改善された熱機関100の別の構成要素は、容積型水圧ポンプ109である。第1の電気モーター111によって動作する、水圧ポンプ109の唯一の機能は、液体状態にある冷却剤101を低圧帯域から高圧帯域へ伝達することである。そのような能力において、水圧ポンプ109は、高圧帯域中の圧力に対抗しながら液体冷却剤を移動させなければならない。水圧ポンプ109の出力ポート113から減圧装置105の取入ポート115まで、有機冷却剤101は熱機関100の高圧帯域内を移動する。同様に、減圧装置105の排気ポート117から水圧ポンプ109の入力ポート119まで、有機冷却剤101は、熱機関100の低圧帯域内を移動する。明示上、減圧装置105を表す長方形ブロックの外縁近くの矢印は、排気ポート、ならびにそれらの相対的な位置及び方向を象徴することが言及されるべきである。排気ポート117は、第1の多孔性油分離器121でカバーされていることに留意されたい。

0024

依然として図1を参照すると、水圧ポンプ109の出力ポート113から、有機冷却剤101は、一般的にはその液体状態で、偏心形状の冷たい冷却剤圧力貯蔵タンク123に入る。貯蔵タンク123の形状により、十分な冷却剤蒸気が貯蔵タンク123内に閉じ込められるため、それは、水圧ポンプが冷却剤を低圧帯域から高圧帯域へ伝達するときに流体ハンマーの影響を緩和するための脈動吸収装置として機能することができる。貯蔵タンク123から、冷却剤は、チェック弁125を通って、冷却剤加熱用熱交換器127へ流れる。冷却剤加熱用熱交換器127から、冷却剤は、本質的に、垂直配向管式フィン付管熱交換器である高圧蒸気エンハンサー129へ流れる。温水熱源103からの温水は、温水入力ポート131を通って高圧蒸気エンハンサー129の上部付近に入り、温水出力ポート133を通ってその下部付近を出る一方で、冷却剤は高圧蒸気エンハンサー129の下部に入って、その上部を出ることに留意されたい。高圧蒸気エンハンサー129は、冷却剤101が、そこを通過する際に、減圧装置105の取入ポート115へ移動する状態で過熱蒸気をさっと当てられることを確実にする。配管139は、この高圧蒸気状態を維持するように大きさが決められる。熱源103からの温水が出力ポート133を出た後、それは、冷却剤加熱用熱交換器127の上部付近の温水入口ポート135へ運ばれる。熱は、有機冷却剤に伝達された後、温水出口ポート137を通って冷却剤加熱用熱交換器127を出る。第1のアクチュエータ弁141は、高圧蒸気エンハンサー129を出る過熱冷却剤蒸気のための圧力逃し弁として機能する。そのような圧力制限力において、第1のアクチュエータ弁141は、余熱を低圧帯域へ向け、開始前及び実行後動作のためのバイパス弁としても機能する。第2のアクチュエータ弁143は、減圧装置105に入る過熱冷却剤蒸気の圧力を制御する。

0025

依然として図1を参照すると、減圧装置105は、容積型減圧装置105に機械的に連結される高効率発電機147も収容する原動機外郭145内に位置する。潤滑油149は、いくつかの小さな開口部を有する遮熱材153によって発電機147から分離される貯留層151内に保有され、これが貯留層151へ油を流し出すことを可能にする。貯留層151に保有される潤滑油は、高圧蒸気エンハンサー129の温水入力ポート131で始まり、かつ冷却剤加熱用熱交換器127の温水出口ポート137で終わる、温水ループ153によって加熱される。貯留層151内の潤滑油の温度は、サーモスタット155及び流量制御ソレノイド157によって制御される。潤滑油149は、第2の電気モーター161を動力とする油ポンプ159によって循環され、減圧装置105の取入ポート115に注入される。潤滑油149の主な機能は、注油して、減圧装置105の固定スクロールと環状スクロールとの間の微小間隙の密閉を助け、それにより減圧装置105の効率を高めることである。あるいは、潤滑油149は、容積型減圧装置105の駆動軸内の内部油ポンプによって循環され得る。冷却剤蒸気は、減圧装置105の排気ポート117を脱出した後、低圧帯域に入り、第1の多孔性油分離器121を通過し、これが冷却剤蒸気から大部分の潤滑油を除去する。除去された油は、排気ガスバリアリング165内の開口部163を通過し、次いで遮熱材153を通って油貯留層151へ流れ出る。冷却剤蒸気は次いで、排気管167に入り、第2の多孔性油分離器171を含む蒸気膨張室169へ移動する。油分離器171によって冷却剤蒸気から除去された油は、重力により、戻り管173を通って油貯留層151へ戻る。蒸気膨張室169は、室枠175に延在する出力管174を有し、それにより油が通常の冷却剤脱出経路を通って膨張室169から脱出することをより困難にしているということに留意されたい。原動機外郭145の均圧とともに発電機147の冷却が、アクチュエータ弁177及び原動機外郭145から室枠175の上部への均圧配管179を用いて達成される。

0026

依然として図1を参照すると、蒸気膨張室169から、冷却剤蒸気は、その頂点で均圧配管179にも接続される偏心形状膨張室延長部181へ渡る。膨張室延長部181内に第1のサブクールコイル183が存在することに留意されたい。第1のサブクールコイル183は膨張室延長部中に通気し、ここでコイル183からの脱出ガスが減圧装置105から解放された冷却剤蒸気と合流することにさらに留意されたい。膨張及び冷却の効果により、冷却剤蒸気は凝縮して液体になり始める。冷却剤蒸気が凝縮する性向は、低圧帯域内に維持された液体冷却剤充填量に直接関連することを理解されたい。膨張室延長部181から、凝縮蒸気は冷却剤冷却用熱交換器185へ移動し、ここで冷却剤からの熱は、好ましくは冷水源であるヒートシンク107へ伝達される。冷却剤冷却用熱交換器185から、凝縮冷却剤蒸気は、凝縮冷却剤からいかなる水分及びいかなる固体粒子も除去する濾過乾燥装置187を通過する。濾過/乾燥装置187から、ほぼ凝縮された冷却剤101は、冷却剤101が水圧ポンプ109の入力ポート119に入る際に重力を用いて冷却剤101のその液体状態での最大密度を確実にする、下向きに先細であり、かつ下向きに減少した断面積の垂直配向冷却剤タンク189に入る。垂直配向冷却剤タンク189もまた均圧配管179に接続されることに留意されたい。冷却剤タンク189内に設置される第2のサブクールコイル191を使用して、凝縮された冷却剤を、それが水圧ポンプ109に入る前にさらに冷却し得ることにさらに留意されたい。絞り弁193は、貯蔵タンク123内に格納された、加圧された液体または蒸気のいずれかに対し、圧力降下を提供する。この解放された液体または蒸気は、初めに第2のサブクールコイル191を通過し、続いて第1のサブクールコイル183を通過し、それにより膨張室延長部181内の冷却剤蒸気及び垂直配向冷却剤タンク189内の液体冷却剤の凝縮及び冷却を支援する。

0027

依然として図1を参照すると、機械的圧力逃し弁195は、偶発的または不注意による過圧力の発生から高圧帯域を保護する。解放された蒸気及び/または液体冷却剤は、濾過/乾燥装置187の入力ポート197に解放される。加えて、アクチュエータ弁199は、水圧ポンプ109からのいかなる冷却剤蒸気もパージするために、システム開始前のための制御された圧力解放を可能にする。再度、解放された蒸気及び/または液体冷却剤は、濾過/乾燥装置187の入力ポート197に解放される。

0028

改善された有機ランキンサイクル減圧熱機関の1つの実施形態のみを示し説明してきたが、当業者にとっては、以下特許請求されるような本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、変更及び修正を行ってもよいことは明らかであろう。

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