JP2006516700A

JP2006516700A - 中温および低温の熱源を利用する動力サイクルおよびシステム

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Publication number: JP2006516700A
Application number: JP2006503278A
Authority: JP
Inventors: カリーナ，アレクサンダー，アイ．
Original assignee: カレックスエルエルシー
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: IS7953A; BRPI0407136B1; EP1590553B1; MXPA05008120A; CA2514280C; RS52092B; US20050183418A1; JP4495146B2; US6910334B2; EP1590553A1; US7065969B2; BRPI0407136A; RS20050584A; NZ541501A; CA2514280A1; WO2004070173A1; US20040182084A1

Abstract

【課題】低温から中温の熱源流から熱エネルギーを抽出する方法を提供する。
【解決手段】高圧回路および低圧回路を含み、低温流の外部熱源から、低沸点成分および高沸点成分の混合物を含む作動流体を用いて使用可能なエネルギーまで、エネルギーを転換するための新しい熱力学サイクルが開示される。このサイクルは、冷却に先立って液体流の一部分を再循環することにより、エネルギーを抽出するプロセスの効率を改善するように設計されている。これらの効率を改善するための新しい熱力学のプロセスおよびシステムは、低温地熱源からの流れに対して特に適している。

Description

本発明は、地熱廃熱源または他の同様の熱源等の中温から低温の初期温度を有する熱源を利用するシステムおよび方法に関する。
特に、本発明は、地熱廃熱源または他の同様の熱源等の中温から低温の初期温度を有する熱源の利用のためのシステムおよび方法であって、エネルギー抽出のために最終的に完全に気化される作動流体をリッチにするための多段階の加熱プロセスおよび少なくとも１つの分離ステップを含んでいるシステムおよび方法に関する。

本出願は、２００３年２月３日出願の米国特許出願第１０／３５７，３２８号の一部継続出願である２００３年９月２３日出願の米国特許出願第１０／６６９，１３４号の一部継続出願である。
下記特許文献１において、作動流体は、異なる沸点を有する少なくとも２つの構成成分の混合物である。この作動流体が気化する高い圧力、およびこの作動流体が凝縮する使用済みの作動流体（タービン中での膨張の後）の圧力を、凝縮の初期温度が沸騰の初期温度より高くなるような方法で選択する。したがって、使用済みの作動流体の凝縮のプロセスで解放された熱を回収することにより、この作動流体の初期の沸騰を達成できるようになる。
米国特許第４，９８２，５６８号明細書

しかし使用される熱源の初期温度が中温または低温である場合には、その熱源の温度範囲は狭くなり、そのためこの種の熱回収できる沸騰−凝縮の可能な範囲は著しく減じられることになり、先行技術中に記述されているシステムの効率は低いものとなる。
したがって、エネルギー利用および転換を高度化するために、このような考えに基づいた、新規な熱力学サイクルおよびシステム用の技術が求められている。

本発明は、低温から中温の熱源流から熱エネルギーを抽出する方法を提供する。この方法は、完全に気化した沸騰流から使用可能なエネルギー形態へと熱エネルギーを転換して、より低い圧力の使用済みの流れを生成するステップを含んでいる。この完全に気化した沸騰流は、外部熱源流から沸騰流へと熱エネルギーを伝達して、完全に気化した沸騰流および冷却された外部熱源流を生成することによって、生成される。本発明の方法は、また、使用済みの流れから、加熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第１の部分へと熱エネルギーを伝達し、部分的に凝縮した使用済みの流れおよび第１の予熱されたより高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、冷却された外部熱源流から、加熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第２の部分へと熱エネルギーを伝達して、第２の加熱されたより高い圧力のベース作動流体流および使用済みの外部熱源流を生成するステップとを含んでいる。本発明の方法は、また、第１および第２の予熱されたより高い圧力のベース作動流体流を混合して、予熱されたより高い圧力のベース作動流体流の混合物を生成するステップと、部分的に凝縮した使用済みの流れを分離された蒸気流および分離された液体流に分離するステップとを含んでいる。本発明の方法は、また、この分離された液体流の第１の部分を、混合され予熱されたより高い圧力のベース作動流体流の圧力と等しい圧力まで加圧して、加圧された液体流を生成するステップと、加圧された液体流を混合され予熱されたより高い圧力のベース作動流体流と混合して沸騰流を生成するステップとを含んでいる。本発明の方法は、また、分離された液体流の第２の部分を分離された蒸気流と混合して、より低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、より低い圧力のベース作動流体流から、より高い圧力のベース作動流体流へと熱エネルギーを伝達し、前記加熱されたより高い圧力のベース作動流体流および冷却されたより低い圧力のベース作動流体流を生成するステップとを含んでいる。本発明の方法は、また、冷却されたより低い圧力のベース作動流体流から外部冷却媒体流へと熱エネルギーを伝達して、使用済みの冷却媒体流および完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、この完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を、より高い圧力のベース作動流体流に加圧するステップとを含んでいる。

本発明のさらに効率的な実施形態においては、本発明の方法は、沸騰流を蒸気流および液体流に分離する付加的なステップと、この液体流の一部分とこの蒸気流とを混合して、外部熱源流に接する小さな熱交換器を通過させ、この沸騰流を完全に気化させ、かつ過熱する付加的なステップを提供する。この液体流の第２の部分は、使用済みの流れの圧力と等しい圧力に減圧される。

本発明のさらに効率的な実施形態においては、本方法は、［０００４］段落中に記述した付加的なステップに加えて、［０００４］段落の液体流中の減圧された第２の部分を分離して蒸気流および液体流とし、この蒸気流が点９のパラメータを有する加圧された液体流と混合され、点８のパラメータを有する流れと混合される前に再加圧されるステップを提供する。そこで、この液体流が、点１８のパラメータを有する使用済みの流れの圧力と等しい圧力に減圧される。

本発明はまた、２サイクルの熱力学的方法を提供する。すなわち、この方法では、第１の沸騰組成物を加熱し、気化させ、あるタービン中で膨張させて電気エネルギー等の使用するのにより便利なエネルギー量を抽出して、凝縮させるサイクルと、再循環組成物を加熱し、部分的に気化させ、同じタービン中で膨張させて電気エネルギー等の使用するのにより便利なエネルギー量を抽出して、凝縮させるサイクルとの２つのサイクルによって、エネルギー転換システムの全体的効率を改善する。

本発明は、本発明の方法を実行するために適合している図１Ａないし図１Ｄおよび図２中で記述するシステムを提供する。
本発明者等は、新しい熱力学的なサイクル（システムおよびプロセス）を、少なくとも２つの構成成分の混合物を含む作動流体を使用して実行できることを見いだした。この好ましい作動流体は水−アンモニア混合物であるが、炭化水素類および／またはフロン類の混合物等の他の混合物も使用可能であり、実際に同じ結果をもたらす。本発明のシステムおよび方法によれば、地熱源流体等の比較的低温の流体からの熱を、より効率的に、有用な形態のエネルギーに転換することができる。本システムでは、多成分系のベース作動流体を使用して、１つ以上（少なくとも１つ）の熱交換器または熱交換ゾーン中で、１つ以上（少なくとも１つ）の地熱源流からのエネルギーを抽出する。ベース作動流体で交換された熱は、次いでその獲得した熱エネルギーをタービン（もしくは蒸気流から熱エネルギーを抽出し、その熱エネルギーを機械的および／または電気的なエネルギーに転換するための他のシステム）に伝達し、このタービンは獲得した熱エネルギーを機械的エネルギーおよび／または電気的なエネルギーに転換する。本システムはまた、システム中のある点で流れの圧力を増大させるポンプと、ベース作動流体を冷却された流れと熱交換する熱交換器とを含んでいる。本発明のシステムおよび方法のある新規な特徴および本システムの効率を高める特徴のうちの１つは、分離した２つの回路（サーキット）設計を使用する結果としてもたらされるものである。この回路設計は高圧力回路および低圧力回路を有しており、使用済みの蒸気のためにこの高圧力回路から分離された使用済みの液体を含む流れが、使用済みのより低い圧力流の圧力で、凝縮に先立って、この使用済みのより低い圧力流を含む流れと混合されて初期的に完全に凝縮された液体流を生成するが、この混合流は初期の完全に凝縮された液体流よりリーンになる。本システムは、３メガワットから５メガワットの発電施設等の小型および中型に設計された電源装置に好適である。

本発明のシステム中で使用される作動流体は、多成分系流体であるのが好ましく、より低い沸点成分の流体（低沸点成分）と、より高い沸点の成分（高沸点成分）とを含んでいる。好ましい作動流体としては、アンモニア−水混合物、２つ以上の炭化水素類の混合物、２つ以上のフロンの混合物、炭化水素類およびフロンの混合物等が挙げられる。一般に、この流体は、好ましい熱力学の特性および溶解度を有する化合物の任意の数の混合物を含むことができる。特に好ましい実施形態において、この流体は、水およびアンモニアの混合物を含んでいる。

１つの流れが２つ以上の副次流へ分流される本発明のシステム中の点において、この種の流れの分割の機能を果たすバルブ類は当該技術中でよく知られており、この分流操作が効率的に望ましく行えるように手動で調整可能か、または力学的に調整可能であることを、当業者であれば理解できよう。
図１Ａに、本発明のシステムの好ましい実施形態を、全体を１００として示す。本システム１００について、流れを用いた操作（動作）、システム中の各点の条件、および装置の面から記述する。点１の（点１における）パラメータを有する周囲温度に近い温度で完全に凝縮する作動流体流がフィードポンプＰ１に入り、ある高い圧力までポンプ加圧され、点２のパラメータを得る。点２のパラメータを有する作動流体流の組成は、以下「ベース組成」または「ベース溶液」と称することにする。点２のパラメータを有する作動流体流は、次いで、復熱式の予熱器または熱交換器ＨＥ２を通過し、下記のベース溶液のリターン流によって向流で加熱され、点３のパラメータを得る。点３でのベース作動溶液の状態は、飽和しているか、またはわずかにサブクール液体の状態に相当する。

その後、点３のパラメータを有するベース溶液の流れは、点４および５のパラメータを有する２つの副次流にそれぞれ分割される。次いで、点４のパラメータを有する副次流は、熱交換器ＨＥ４を通過し、そこで下記の点４２のパラメータを有する熱源流体（たとえば地熱の塩水流）の流れによって加熱されて部分的に気化し、点６のパラメータを得る。一方、点５のパラメータを有するベース溶液の流れが熱交換器ＨＥ３を通過し、そこで点２０のパラメータを有する凝縮流によって下記の凝縮プロセス２０から２１において加熱されて部分的に気化し、点７のパラメータを得る。その後、点６および７のパラメータを有するこの副次流が混合され、点８のパラメータを有する混合流を生成する。次いで、点８のパラメータを有するベース溶液の流れが、下記の点２９のパラメータを有する再循環溶液の流れと混合され、点１０のパラメータを有する沸騰溶液の流れを生成する。点２９のパラメータを有する流れはサブクール液体の状態であり、したがって点８および２９のパラメータを有する流れが混合されると、その結果、蒸気がかなり吸収され、温度が大幅に上昇する。したがって、点１０のパラメータを有する流れの温度は、点８のパラメータを有する流れより、通常は著しく高くなる。点１０のパラメータを有する流れの組成物は、ここに「沸騰溶液」と称することとする。

点１０のパラメータを有するこの沸騰溶液の流れは、次いで熱交換器ＨＥ５を通過し、そこで点４１のパラメータを有する熱源流体の流れによって加熱され気化する。ここで、熱交換器ＨＥ５を出る気化した流れは、点１１のパラメータを有している。次に、点１１のパラメータを有する流れは、重力セパレータＳ２に入り、そこで点１３のパラメータを有する蒸気流と、点１２のパラメータを有する液体流とへ分離される。次いで、点１２のパラメータを有する液体流は、それぞれ点１４および１５のパラメータを有する２つの副次流に分割される。点１４のパラメータを有するこの副次流は、通常は液体流の合計の非常に少量の一部分であり、下記の点１３のパラメータを有する蒸気流と混合され、点１６のパラメータを有する作動溶液の流れを生成する。次いで、点１６のパラメータを有する作動溶液の流れが、熱交換器ＨＥ６（小さな熱交換器であり、時には蒸気乾燥装置と称され、この熱交換器を出る流れの状態は過熱蒸気となる。）を通過し、点４０のパラメータを有する熱源流体の流れによってさらに加熱され、点１７のパラメータを有する、完全に気化し、わずかに過熱された流れを生成する。その後、点１７のパラメータを有する作動溶液の流れは、タービンＴ１を通過し、そこで膨張して、有用な動力を生じ（熱エネルギーが機械的および電気的なエネルギーへ変換され）て、点１８のパラメータを有する流れを生成する。

上述の点１５のパラメータを有する再循環液体は、スロットルバルブＴＶ１を通過し、そこでその圧力が中間圧力まで減圧されて点１９のパラメータを有する流れを生成する。スロットリングが行われた結果、点１９で流れのパラメータは、気液混合体の状態になる。点１９のパラメータを有する流れは、次いで重力セパレータＳ３に入り、そこで点３０のパラメータを有する蒸気流と点３１のパラメータを有する液体流とに分離される。点３１のパラメータを有する液体流は、第２のスロットルバルブＴＶ２を通過し、その圧力がさらに点３２のパラメータを有する流れを生成する圧力まで減圧されるが、ここでは点３２のパラメータを有する流れの圧力は、上述の点１８のパラメータを有する流れの圧力に等しくなる。その後、点３２のパラメータを有する流れ、および点１８のパラメータを有する流れが混合され、点２０のパラメータを有する凝縮溶液の流れを生成する。点２０のパラメータを有する流れは、冷却プロセス５〜７の中で、点５のパラメータを有する流れに対して向流で熱交換器ＨＥ３を通過する。熱交換器ＨＥ３を通過した後、点２０のパラメータを有するこの流れは、部分的に凝縮し、上述の加熱プロセス２０〜２１のための熱を放出して点２１のパラメータを得る。

点２１のパラメータを有する流れは、次いで重力セパレータＳ１に入り、ここで、点２２のパラメータを有する蒸気流、および点２３のパラメータを有する液体流へ分離される。点２３のパラメータを有する液体流は、次いで、それぞれ点２５および２４のパラメータを有する２つの副次流に分割される。点２５のパラメータを有する液体副次流は、次いで、点２２のパラメータを有する蒸気流と混合され、点２６のパラメータを有するベース溶液の流れを生成する。

点２４のパラメータを有する液体の副次流が循環ポンプＰ２に入り、ここでその圧力は、重力セパレータＳ３の中の圧力と等しい圧力、すなわち上述の点３０のパラメータを有する蒸気流の圧力まで加圧され、点９のパラメータを得る。点９のパラメータを有する液体流はサブクール液体の状態である。次いで、点９のパラメータを有する液体流は、上述の点３０のパラメータを有する蒸気流と混合される。点９のパラメータを有するこのサブクール液体が、点３０のパラメータを有する蒸気流をすべて完全に吸収するように、点９および３０のパラメータを有する流れの圧力が選択され、点２８のパラメータを有する液体流を生成する。点２８のパラメータを有する液体流は飽和状態か、サブクール液体の状態である。その後、点２８のパラメータを有する流れは循環ポンプＰ３に入り、点８のパラメータを有する流れの圧力と等しい圧力まで加圧され、上述の点２９のパラメータを得る。次いで、点２９のパラメータを有する流れは、点８のパラメータを有するベース溶液の流れと混合され、上述の点１０のパラメータを有する沸騰溶液の流れを生成する。

点２６のパラメータを有するベース溶液の流れは、熱交換器ＨＥ２に入り、ここで部分的に凝縮して上述の加熱プロセス２から３のための熱を放出し、点２７のパラメータを得る。その後、点２７のパラメータを有するベース溶液の流れは、凝縮器ＨＥ１に入り、ここで下記の点５１のパラメータを有する空気または水の流れによって冷却されて完全に凝縮され、点１のパラメータを得る。

点５０のパラメータを有する空気（または水）の流れは、点５１のパラメータを有する空気流を生じるための空気ファンＡＦ（または水の場合は圧縮機）に入り、熱交換器ＨＥ１へ入る空気流を点５１のパラメータを有するようにし、ここで冷却プロセス２７〜１中のベース作動流体の流れを冷却し、点５２のパラメータを得る。
点４０のパラメータを有する熱源流体の流れは、熱交換器ＨＥ６を通過し、ここで加熱プロセス１６〜１７に熱を提供し、点４１のパラメータを得る。点４１のパラメータを有する熱源流体の流れは、熱交換器ＨＥ５を通過し、ここで加熱プロセス１０〜１１に熱を供給し、点４２のパラメータを得る。点４２のパラメータを有する熱源流体の流れは、熱交換器ＨＥ４に入り、ここで加熱プロセス４〜６に熱を提供し、点４３のパラメータを得る。

本発明のこれまでのシステムの変形例の中では、点２９のパラメータを有する再循環流れは、点８のパラメータを有するベース溶液の流れと混合されていた。このように混合されると、点１０のパラメータを有する混合された流れの温度は、点８および２９のパラメータを有する流れの温度より大幅に高くなる。
図１Ｄに、全体を１００で示す本発明のシステムの他の実施形態を示すが、これは付加的な熱交換器ＨＥ７を含んでいる。すなわち、熱交換器ＨＥ５は、２つの熱交換器ＨＥ５’およびＨＥ７に分割されており、点１０のパラメータを有する流れと、点８および２９のパラメータを有する流れとの間の温度差を減じるように設計してある。

この新規の実施形態では、点８のパラメータを有する流れは熱交換器ＨＥ７へ送出され、ここにおいて、点４４のパラメータを有する地熱の流動性の流れ等の熱源流によって加熱されてさらに気化し、向流熱交換プロセス４４〜４２中の点４２のパラメータを有する熱源流、および点３４のパラメータを有する流れを生成する。次いで、点３４のパラメータを有する蒸気が、点２９（上述）のパラメータを有する再循環流と混合され、点１０のパラメータを有する混合流を生成する。点１０のパラメータを有する流れの温度が、点３４のパラメータを有する流れの温度と等しいか、または非常に近くなるように点３４のパラメータを有する流れの温度が選択される。この結果、ベース溶液の流れおよび再循環溶液の流れの混合における不可逆性は、徹底的に減ずることができる。結果として得られる点１０のパラメータを有する流れは、熱交換器ＨＥ５’を通過し、ここで点４１のパラメータを有する地熱の流動性の流れ等の熱源流によって向流プロセス４１〜４４で加熱されて気化する。

この実施形態はまた、上述の点１４のパラメータを有する副次流を含むことができ、これは、通常は液体流の合計のわずかな一部分であり、下記の点１３（図示せず）のパラメータを有する蒸気流と混合されて、点１６のパラメータを有する作動溶液の流れを生成する。さらに、上述のように、この実施形態はまた、ＡＦユニットおよび関連する流れを含むことができる。

本実施形態の中で示すように流れを構成することによって以下の利点が得られる。すなわち、熱交換器ＨＥ７（実質的には、これまでの変形例中の熱交換器ＨＥ５の低温部分である）の中の温度差が実質的に増大し、そのため熱交換器ＨＥ７の寸法を減ずることができ、一方では、本実施形態の熱交換器ＨＥ５’は、これまでの変形例の熱交換器ＨＥ５の高温部分と完全に同様に稼働する。したがってこの実施形態のシステムの効率は全く影響を受けないことになる。

再循環流をベース溶液の流れと混合する方法のこの実施形態は、上述のすべての変形例に適用することができる。当業者であれば、さらなる説明がなくとも容易に本方法を応用することができよう。
表１（表１−１および表１−２）に、図１Ａ中に示す実施形態の上述の点のパラメータの計算結果の例を示す。

上述のシステムにおいて、セパレータＳ１の中で生成された液体は、最終的に熱交換器ＨＥ５を通過し、部分的に気化する。しかしながら、この液体の組成は、セパレータＳ２の中の沸騰溶液から分離された液体の組成よりわずかではあるがリッチである。一般に、使用済みの作動溶液（点１８）に付加された液体の組成と比較して、ベース溶液に付加された液体の組成がリッチになれば、本システムの効率は高まる。好ましいシステムにおいては、セパレータＳ２から来る点１５のパラメータを有する液体の大部分は、中間圧力に調節され、次いで、セパレータＳ３中で蒸気および液体に分離される。その結果、点１８のパラメータを有する使用済みの作動溶液流と混合された点３２のパラメータを有する液体流は、セパレータＳ２中の沸騰溶液から分離された液体よりリーンになる。さらに、セパレータＳ１中で分離された再循環液体は、セパレータＳ３からの蒸気流と混合されるのでリッチになる。その結果、点１０のパラメータを有するベース溶液の流れに付加される点２９のパラメータを有する液体流は、セパレータＳ１から生成された液体流よりリッチになる。

システムが単純化され、点１５のパラメータを有するセパレータＳ２からの液体流が、点１８のパラメータを有する流れの圧力と等しいある圧力に１ステップで調節される場合には、システムに必要な装置は少なくなるが、その効率はわずかに低下する。この単純化されてはいるが本発明のシステムの好ましい変形例を図１Ｂに示すが、ここでは、セパレータＳ３およびスロットルバルブＴＶ２は、点３０、３１および３２のパラメータを有する流れと共に削除してある。残りの機能がすべて、図１Ａのシステムおよびプロセスの詳細な記述で完全に記述してあるので、図１Ａのこのシステムのこのような変形例の操作には、さらなる個々の説明を要しないであろう。

点１０のパラメータを有する沸騰溶液流の組成がタービンＴ１を通過する作動溶液の組成と等しくなる程度にセパレータＳ１からの液体の量が減じられる場合、セパレータＳ２はスロットルバルブＴＶ１と共に省くことができる。したがって、このような方法ではセパレータＳ２が存在しないため沸騰流の中に液体の小滴が存在する危険性はないので、熱交換器ＨＥ６もまた不必要になり、省くことができることになる。この、本発明のシステムの中でさらに単純化された変形を図１Ｃに示す。この効率は、図１Ｂに記述したこれまでの変形例の効率よりさらにもう一段低いものの、先行技術に記述されているシステムよりはさらに効率的である。

本発明のシステムの３つの変形例は、運転の経済状況によって選択し決定する。当業者であれば、付加装置のコストと、効率向上から得られる付加的な出力値とを容易に比較することができようし、選択された正確な変形例に関して詳しい情報に基づいた決定を下すことができよう。
本発明のこれらの３つの変形例、および先行技術中に記述されたシステムの効率および性能の概要を表２に示す。

本発明の３つの変形例がすべて正味（ネット）値において改善を示すことは表２の中のシミュレート後のデータから明白である。すなわちそれぞれ正味仕事量は２１．５４％、２０．１６％、１８．３０％改善しており、第２法則効率はそれぞれ４．５９％、３．５８％、２．２１％改善している。
改善変形例
地熱の廃熱および同様の熱源等の中温から低温の初期温度を有する熱源の利用のために設計された本発明のシステムについて、さらに他の好ましい実施形態の改善した形態を以下に述べる。

これまでに述べた変形例において、上記特許文献１についての大幅な改善を提供するシステムについて述べたが、この変形はさらなる効率の向上をもたらす。
図２を参照する。全体を２００で表す本発明のシステムの他の好ましい実施形態を示す。このシステムは点１のパラメータを有する周囲温度に近い温度で完全凝縮する作動流体流２０２を含み、この作動流体２０２は飽和溶液の状態に相当し、供給装置つまり第１のポンプＰ１に入る。点１のパラメータを有する流れ２０２は高い圧力までポンプ加圧され、点２のパラメータを有する流れ２０４となる。その後、下記に述べるように、点２のパラメータを有する流れ２０４が、点３９のパラメータを有する液体の流れ２０６と混合され、点６４のパラメータを有する流れ２０８を生成する。点３９のパラメータを有する流れ２０６の組成は、点２のパラメータを有する流れ２０４の組成よりリーンである（すなわち、流れ２０６は、流れ２０４より低沸点成分の濃度が低い。）点６４のパラメータを有する流れ２０８の組成は、明らかに点２のパラメータを有する流れ２０４の組成よりリーンであるが、しかし点３９のパラメータを有する流れ２０６よりリッチ（低沸点成分の濃度がより高い）である。

その後、点６４のパラメータを有する流れ２０８は、第２の熱交換器ＨＥ２を通過し、ここで下記に述べるように、第１の熱交換プロセス２６〜２７中の点２６のパラメータを有する第１の流れ２１０によって向流で加熱され、飽和状態またはわずかにサブクール液体状態に相当する点３３のパラメータを有する流れ２１２、および点２７のパラメータを有する部分的に凝縮した流れ２１４を生成する。その後、点３３のパラメータを有する流れ２１２は、それぞれ点３および３４のパラメータを有する２つの副次流２１６および２１８に分離される。次いで、点３４のパラメータを有する流れ２１８は、第２のスロットルバルブＴＶ２を通過し、ここで減圧され、点３５のパラメータを有するより低い圧力の流れ２２０を生成する。蒸気および液体の混合流である点３５のパラメータを有する流れ２２０は、第１の重力セパレータ（Ｓ１）へ導入され、ここで点２８のパラメータを有する蒸気流２２２、および点３８のパラメータを有する液体流２２４へ分離される。点３８のパラメータを有するこの液体流２２４は、第２のポンプＰ２に入り、ここで、点２のパラメータを有する流れ２０４の圧力と等しい圧力までポンプで加圧され、点３９のパラメータを有する流れ２０６を生成する。その後、上述のように、点３９のパラメータを有する流れ２０６は、点２のパラメータを有する流れ２０４と混合される。

点３のパラメータによって表される組成を有する流れ２１６は、ここで第１の沸騰組成と称する組成を有することになる。それぞれ点６４、３３、３４および３５のパラメータを有する流れ２０８、２１２、２１８および２２０の組成は、点３のパラメータを有する流れ２１６と、明らかに同じ組成である。それぞれ点１および２のパラメータを有する流れ２０２および２０４の組成は、ベース組成と称する組成を有することになる。それぞれ点２６および２７のパラメータを有する流れ２１０および２１４の組成は、下記の点１および２のパラメータを有する、流れ２０２および２０４の組成と同じである。

点３の第１の沸騰組成およびパラメータを有する流れ２１６は、点４、５および６２のパラメータを有する、３つの副次流２２６、２２８および２３０にそれぞれ分割される。点４のパラメータを有する副次流２２６は、第４の熱交換器ＨＥ４を通過し、ここで加熱され、沸騰させられ、部分的に気化して、点４２の流入パラメータ、および点４３の流出パラメータを有する熱源の流体流２３４と向流で点６のパラメータを有する第１の部分的に気化した流れ２３２を生成する。ここで地熱装置の場合は、この流れ２３４は地熱の流体である。点５のパラメータを有する副次流２２８は、第３の熱交換器ＨＥ３を通過し、ここで加熱され、沸騰させられ、部分的に気化して、点２０のパラメータを有するリターン凝縮流２３８と向流で、点７のパラメータを有する部分的に気化した第２の流れ２３６を生成し、かつ下記のように、点２１のパラメータを有する部分的に凝縮した流れ２４０を生成する。点６２のパラメータを有する副次流２３０は、第５の熱交換器ＨＥ５を通過し、ここで加熱され、沸騰させられ、部分的に気化して、点６０のパラメータを有する凝縮流２４４と向流で、点６３のパラメータを有する部分的に気化した第３の流れ２４２を生成し、下記のように、点６１のパラメータを有する完全凝縮流２４６を生成する。

その後、それぞれ点６、７および６３のパラメータを有する流れ２３２、２３６および２４２は混合され、点８のパラメータを有する混合流２４８を生成する。点６１のパラメータを有する完全凝縮流２４６は、循環用の第４のポンプＰ４に入り、ここで上述のように点８の流れ２４８の圧力と等しい圧力までポンプ加圧され、点６５のパラメータを有するより高い圧力の完全凝縮流２５０を生成する。その後、この点６５のパラメータを有する流れ２５０は、点８のパラメータを有する流れ２４８と混合され、点９のパラメータを有する第２の混合流２５２を生成する。点４、５、６、７、６２、６３および８のパラメータをそれぞれ有する、流れ２２６、２２８、２３２、２３６、２３０、２４２および２４８の組成は、点３すなわち第１の沸騰組成のパラメータを有する流れ２１６の組成と同じであることは明白である。点６０、６１および６５のパラメータを有する、流れ２４４、２４６および２５０の組成は第１の沸騰組成よりリーンであるので、点９のパラメータを有する混合流２５２の組成は第１の沸騰組成よりリーンになる。点６０、６１および６５のパラメータを有する流れ２４４、２４６および２５０の組成は、ここに再循環組成と称し、一方、点９のパラメータを有する混合流２５２の組成は、ここに第２の沸騰組成と称する。

この第２の沸騰組成および点９の他のパラメータを有する第２の混合流２５２は、第６の熱交換器ＨＥ６を通過し、ここでさらに沸騰して気化し、点４１の流入パラメータ、および点４２の流出パラメータを有する熱源流体の流れ２３４と向流で、点１１のパラメータを有するさらに気化した流れ２５４を生成する。その後、点１１の第２の沸騰組成および他のパラメータを有するさらに気化した流れ２５４は、第２の重力セパレータＳ２に入り、ここで点６７のパラメータを有する第２の蒸気流２５６、および点６８のパラメータを有する第２の液体流２５８へ分離される。点６８のパラメータを有する第２の液体流２５８は、それぞれ点１５および６９のパラメータを有する２つの副次流２６０および２６２へ分離されてもよく、この変形例のある好ましい実施形態では、点６９のパラメータを有する流れ２６２の流量はゼロと等しくなる。点６９のパラメータを有する流れ２６２は、これが存在する場合は、点６７のパラメータを有する第２の蒸気流２５６と混合され、点１６のパラメータを有する第３の混合流２６４を生成する。この組成は、以下、作動組成と称するものとする。

該作動組成、および点１６の他のパラメータを有する流れ２６４は、第７の熱交換器ＨＥ７を通過し、ここで加熱されて完全に気化し、かつわずかに過熱され、点４０の流入パラメータ、および点４１の流出パラメータを有する熱源流体の流れ２３４と向流で、点１７のパラメータを有する完全に気化した流れ２６６を生成する。次いで、前記作動組成、および点１７の他のパラメータを有する完全に気化した流れ２６６は、タービンＴ１を通過し、ここで膨張し、仕事をして、作動組成、および点１８の他のパラメータを有する使用済みの流れ２６８を生成する。

点１５のパラメータを有する第２の液体流２６０は、上述のように、第１のスロットルバルブＴＶ１を通過し、ここでその圧力は、上述のように、点２８のパラメータを有する流れ２２２の圧力と等しい圧力まで減圧され、点１９のパラメータを有するより低い圧力の流れ２７０を生成する。次いで、点１９のパラメータを有する流れ２７０は、第３の重力セパレータＳ３に入り、ここで点３０のパラメータを有する第３の蒸気流２７２、および点３１のパラメータを有する第３の液体流２７４へ分離される。その後、点３１のパラメータを有する第３の液体流２７４は、第３のスロットルバルブＴＶ３を通過し、ここでその圧力は、上述のように、点１８のパラメータを有する使用済みの流れ２６８の圧力と等しい圧力まで減圧され、点３２のパラメータを有するより低い圧力の流れ２７６を生成する。次いで、点３２のパラメータを有する流れ２７６は、点１８のパラメータを有する使用済みの流れ２６８と混合され、点２０のパラメータを有する「第３の混合された」流れ２３８を生成する。

点２０のパラメータを有する流れ２３８は、第３の熱交換器ＨＥ３を通過し、ここで部分的に凝縮し、上述のように熱交換プロセス５〜７のための熱を提供して、点２１のパラメータを有する流れ２４０を生成する。点２１のパラメータを有する流れ２４０は、第４の重力セパレータＳ４に入り、ここで点２２のパラメータを有する第４の蒸気流２８０、および点２３のパラメータを有する第４の液体流２８２へ分離される。次いで、点２３のパラメータを有する第４の液体流２８２は、点２４および２５のパラメータをそれぞれ有する、２つの液体の副次流２８４および２８６に分割される。点２５のパラメータを有する液体の副次流２８６は、点２２のパラメータを有する第４の蒸気流２８０と混合され、ベース組成、および点２６の他のパラメータを有する流れ２１０を生成する。

点２４のパラメータを有する液体の副次流２８４は、循環用の第３のポンプＰ３に入り、ここで、上述のように、点２８および３０のパラメータを有する流れ２２２および２７２の圧力と等しい圧力までポンプ加圧され、点２９のパラメータを有するより高い圧力の流れ２８８を生成する。その後、点２８、２９および３０のパラメータをそれぞれ有する、流れ２２２、２８８および２７２が混合され、点６０の循環組成および他のパラメータを有する流れ２４４を生成する。点６０のパラメータを有する流れ２４４は、第５の熱交換器ＨＥ５を通過し、ここで完全に凝縮されてプロセス６２〜６３に熱を提供して、前述のように、点６１のパラメータを有する流れ２４６を生成する。さらに、点６１のパラメータを有する液体流れ２４６は、循環用の第４のポンプＰ４によってポンプ加圧され、点６５のパラメータを有するより高い圧力の流れ２５０を生成し、この流れ２５０は次いで、第１の沸騰組成、および点８の他のパラメータを有する流れ２４８と混合され、上述のように、第２の沸騰組成、および点９の他のパラメータを有する混合流れ２５２を生成する。

ベース組成、および点２６の他のパラメータを有する流れ２１０は、第２の熱交換器ＨＥ２を通過し、ここで部分的に凝縮し、上述のように、熱交換プロセス６４〜３３に熱を提供し、点２７のパラメータを有する部分的に凝縮した流れ２１４を生成する。次いで、点２７のパラメータを有する流れ２１４は第１の凝縮熱交換器ＨＥ１を通過し、ここで点５０の初期パラメータ、および点８１（水または空気）の最終パラメータを有する冷却媒体流２９０によって冷却され、点１のパラメータを有する完全凝縮流２０２を生成する。

本発明のシステムの他の変形例において、上述の実施形態もまた閉鎖系である。
後者の変形例で改良する本発明のシステムのこれまでの実施形態を使用するにあたり、本発明のシステムの作動プロセスは２つのサイクルから構成されている。
最初のサイクルは第１の沸騰組成のサイクルであり、加熱されて気化し、次にタービン中で完全に膨張し、次いで第１熱交換器ＨＥ１および凝縮器の中で凝縮する。第２のサイクルは再循環組成のサイクルであり、部分的に沸騰するのみであり、蒸気を生成し、この蒸気は、またタービンを通過し、第３の熱交換器ＨＥ３（復熱式のボイラー／凝縮器）の中でほとんどまたは完全に凝縮する。点２４のパラメータを有する液体流２８４（すなわち復熱式のボイラー／凝縮器ＨＥ３の中で生成された液体）の組成がリッチになれば、続いて気化することができるこの流れの部分は大きくなり、全プロセスの効率を高めることになる。

これまでの変形例の中で、点２４の初期パラメータを有する液体流は、中間圧力までポンプ加圧され、点３０のパラメータを有する蒸気流と混合することにより濃縮され、次いで、第１の沸騰組成の流れへ添加される。本発明のシステムの本変形例の中で、点２４のパラメータを有する凝縮液体はポンプ加圧され、次いで濃縮されるが、これは点３０のパラメータを有する蒸気の流れによってのみならず、点２８のパラメータを有する蒸気のはるかに大きな流れによっても行われる。その結果、点６０、６１および６５の再循環組成および他のパラメータをそれぞれ有する、流れ２４４、２４６および２５０は大幅に濃縮されるが、これは、これまでの設計または変形によるもの以上に大幅なものである。点２８のパラメータを有する蒸気流２２２により、さらに濃縮するには、ベース組成の凝縮のプロセスで解放された熱をさらに利用する。

凝縮プロセス中の開放熱量をさらに利用することによる結果、本発明のシステムの後者の変形例は、本発明のシステムのこれまでの変形例に対して３％から５％高い全体効率を有するようになる。本発明のシステムのこの後者の変形例の熱および性能のバランスの例を、表３から表５に示し、また、上述され、図２の中で指定したすべての点のパラメータを、表６（表６−１および表６−２）に示す。

ここに引用した参照文献はすべて、参照によって組み込まれるものとする。本発明をこれまで十分かつ完全に記述してきたが、本発明は添付した特許請求の範囲内であれば、明確に記述された通り以外に実行されてもよいことを理解されたい。本発明を、好ましい実施形態を参照することで開示してきたたが、本明細書を読めば、上述の本発明の範囲および精神と特許請求の範囲とから逸脱することのない変更および改良がなされてもよいことを当業者であれば理解できよう。

本発明の好ましい熱力学サイクルの概略図を表す。本発明の他の好ましい熱力学サイクルの概略図を表す。本発明の他の好ましい熱力学サイクルの概略図を表す。本発明の他の好ましい熱力学サイクルの概略図を表す。本発明の他の好ましい熱力学サイクルの概略図を表す。

Claims

熱力学サイクルを実行する方法であって、
熱エネルギーを、完全に気化した沸騰流から使用可能なエネルギー形態に転換して、より低い圧力の使用済みの流れを生成するステップと、
外部熱源流から沸騰流へ熱エネルギーを伝達して、前記完全に気化した沸騰流および冷却された外部熱源流を生成するステップと、
前記使用済みの流れから、加熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第１の部分へと熱エネルギーを伝達して、部分的に凝縮している使用済みの流れ、および第１の予熱されたより高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記冷却された外部熱源流から前記加熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第２の部分へと熱エネルギーを伝達して、第２の予熱されたより高い圧力のベース作動流体流および使用済みの外部熱源流を生成するステップと、
前記第１および前記第２の予熱されたより高い圧力のベース作動流体流を混合して、混合され予熱されたより高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記部分的に凝縮している使用済みの流れを、分離された蒸気流および分離された液体流に分離するステップと、
前記分離された液体流の第１の部分を、前記混合され予熱されたより高い圧力のベース作動流体流の圧力と等しい圧力まで加圧して、加圧された液体流を生成するステップと、
前記加圧された液体流を、前記混合され予熱されたより高い圧力のベース作動流体流と混合して、前記沸騰流を生成するステップと、
前記分離された液体流の第２の部分を、前記分離された蒸気流と混合して、より低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記より低い圧力のベース作動流体流から、より高い圧力のベース作動流体流へと熱エネルギーを伝達し、前記加熱されたより高い圧力のベース作動流体流および冷却されたより低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記冷却されたより低い圧力のベース作動流体流から外部冷却媒体流へと熱エネルギーを伝達して、使用済みの冷却媒体流および完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を、前記より高い圧力のベース作動流体流に加圧するステップとを含む、熱力学サイクルを実行する方法。
前記外部熱源流が地熱源流である請求項１に記載の方法。
熱力学サイクルを実行する方法であって、
熱エネルギーを、完全に気化したベース作動流体流から使用可能なエネルギー形態に転換して、より低い圧力の使用済みの流れを生成するステップと、
前記使用済みの流れを減圧された液体流と混合して、より低い圧力の混合流を生成するステップと、
前記より低い圧力の混合流から、予熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第１の部分へと、熱エネルギーを伝達して、冷却され混合されたより低い圧力の流れおよび第１の加熱されたより高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記冷却され混合されたより低い圧力の流れを、分離されたより低い圧力の蒸気流および分離されたより低い圧力の液体流へ分離するステップと、
前記分離された液体流の第１の部分を前記分離された蒸気流と混合して、第２の混合されたより低い圧力の流れを生成するステップと、
前記第２の混合されたより低い圧力の流れから、より高い圧力のベース作動流体流へと熱エネルギーを伝達して、予熱されたより高い圧力のベース作動流体流および、冷却された第２の混合されたより低い圧力の流れを生成するステップと、
前記冷却された第２の混合されたより低い圧力の流れを、外部の冷却流で凝縮して、完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
前記完全に凝縮したより低い圧力のベース作動流体流を加圧して、より高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
３回冷却された外部熱源流から、前記予熱されたより高い圧力のベース作動流体流の第２の部分へと、熱エネルギーを伝達し、第２の加熱されたより高い圧力のベース作動流体流および使用済みの外部熱源流を生成するステップと、
前記第１および第２の加熱されたより高い圧力のベース作動流体流を混合して、混合され加熱されたより高い圧力のベース作動流体流を生成するステップと、
２回冷却された外部熱源流から、前記混合され加熱されたより高い圧力のベース作動流体流に熱エネルギーを伝達し、より熱くより高い圧力のベース作動流体流および前記３回冷却された外部熱源流を生成するステップと、
より高い圧力の分離された蒸気流を、前記より熱くより高い圧力のベース作動流体流と混合して、混合されたより高い圧力の流れを生成するステップと、
１回冷却された外部の熱源流から、前記混合されたより高い圧力の流れへと熱エネルギーを伝達して、前記２回冷却された外部の流れおよび部分的に気化したより高い圧力の流れを生成するステップと、
前記部分的に気化したより高い圧力の流れを、第２の分離された蒸気のより高い圧力の流れおよび第２の分離されたより高い圧力の液体流に分離するステップと、
外部熱源流から前記第２の分離された蒸気のより高い圧力の流れへと熱エネルギーを伝達して、前記１回冷却された外部の熱源流および前記完全に気化したベース作動流体を生成するステップと、
前記第２の分離されたより高い圧力の液体流の圧力を減じて、減圧された混合流を生成するステップと、
前記減圧された混合流を、前記第１の分離された蒸気流および第１の減圧され分離された液体流に分離するステップと、
前記減圧され分離された液体流の圧力を、前記より低い圧力の液体流へと減圧するステップとを含む、前記熱力学サイクルを実行する方法。
前記外部熱源流が地熱源流である請求項３に記載の方法。
２サイクル熱力学システムを実行する方法であって、
第１の組成の流れを、再循環組成を有する第２の組成の流れと混合して、混合流を生成するステップと、
前記混合流を加熱して、外部熱源流と混合された混合流を生成するステップと、
前記混合された混合流を、蒸気混合流および液体流に分離するステップと、
前記外部熱源流で、前記蒸気混合流を完全に気化させて、完全に気化した流れを生成するステップと、
熱エネルギーを、前記完全に気化した流れから使用可能なエネルギー形態へ発展および転換して、使用済みの流れを生成するステップと、
前記使用済みの流れを冷却して、第１の組成の前駆流れおよび第２の組成の前駆流れへ分離するステップと、
前記第１の組成の前駆流れを凝縮するステップと、
前記第１の組成の流れを、前記第１の組成の前駆流れおよび低沸点成分のより低い濃度を有するリッチになった流れから生成するステップと、
前記第２の組成の流れを、前記第２の組成の前駆流れ、および前記低沸点成分のより高い濃度を有する２つのリーンな蒸気流から生成するステップとを含む、２サイクル熱力学システムを実行する方法。
前記外部熱源流が地熱源流である請求項５に記載の方法。