JP2007520662A - 有機ランキンサイクル用流体 - Google Patents

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Abstract

液体状の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器において熱を冷媒に加えて蒸気に気化させる。それから、この蒸気をタービンに通し、次に、冷却された蒸気を、蒸気が液体に凝縮する凝縮器を通過させる。この冷媒は、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、（ＣＦ3）2ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＧ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）5Ｃ（Ｏ）ＣＦ3、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、ＣＦ3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の１つである。

Description

本発明は、一般に、有機ランキンサイクルシステムに関し、より詳しくは、このようなシステムにおける改良された作動流体の使用に関する。
公知の閉鎖型ランキンサイクルは、ボイラつまり駆動流体を蒸発させるための蒸発器と、発電機その他の負荷を駆動するようにボイラから蒸気を供給されるタービンと、タービンから排出された蒸気を凝縮させるための凝縮器と、凝縮された流体をボイラへと再循環するためのポンプなどの手段と、を備える。このようなシステムは、米国特許第３，３９３，５１５号に開示および記載されている。
このようなランキンサイクルシステムは、一般的に、電力を発生させる目的に使用され、発生した電力は国全体の住居用および商業用の配電システムつまり送電網に供給される。このようなシステムに使用される駆動流体は、多くの場合、水であり、タービンは蒸気により駆動される。ボイラへの熱源は、化石燃料、例えば、石油、石炭、天然ガスまたは原子力など如何なる態様でもよい。上記システムのタービンは、比較的に高圧高温で作動するように設計されており、製造および使用において比較的費用がかかる。
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）は、作動流体として水／蒸気のかわりに、冷媒（有機流体）を用いる蒸気サイクルである。機能としては、蒸気サイクルの発電プラントに類似する。つまり、ポンプが、凝縮された液体状の冷媒の圧力を高める。この液体は、タービンまたはエンジンの排気から廃熱を抽出することにより、エバポレータ／ボイラで蒸発する。高圧の冷媒蒸気は、タービン内で膨張し、電力を発生させる。タービンを出た低圧の蒸気は、ポンプに戻される前に凝縮され、サイクルが再度開始される。
所与の特性を伴う冷媒の場合、発電用ＯＲＣシステムにおいて、証明されている信頼性や実績のあるデータを有する、商業的に入手可能な空調装置および冷凍装置を費用対効果が大きいように使用することが可能である。
発電に用いられるランキンサイクルは、下記の４つのプロセスを経る。
１． ポンプを介した断熱膨張
２． 予熱器、蒸発器、過熱器における等圧での加熱
３． タービンにおける断熱膨張
４． 凝縮器における等圧での放熱
有機ランキンサイクルの主な熱力学的な不可逆性は、蒸発器内において、廃熱流の温度と冷媒の沸点との間の温度差が大きいことにより生じる。廃熱流の温度が高くなるにつれ、この不可逆性はより大きくなる。比較的に高温で沸騰が可能な有機流体は、廃熱流と有機ランキンサイクルの作動流体との間の温度差を減少させる能力を有し、従って、熱力学的なＯＲＣサイクル効率が、比較的に高くなる。流体は、臨界温度までの温度で沸騰することが可能であり、臨界温度以上では、沸騰しない。従って、臨界温度の比較的に高い流体は、比較的に高いＯＲＣサイクル効率となる。高い臨界温度を有する塩素含有流体は、ＯＲＣ流体として過去に提案されてきた。例えば、Ｒ１１４、Ｒ１１３、Ｒ１１、Ｒ１４１ｂおよびＲ１２３は、Ｒ２４５ｆａよりも高い臨界温度を有し、実質的により高い熱効率となる。しかしながら、これらの流体は、いずれも可燃性であるか、毒性があるか、オゾン層を減少させるか、もしくは実質的に地球温暖化の影響を有する。ＣＦＣは、禁止されており、ＨＣＦＣも近い将来禁止されるであろう。従って、将来、ＯＲＣ製品を利用するために入手することができなくなるであろう。
本発明の目的は、上述した先行技術の問題を克服することである。
さらなる本発明の目的は、新規かつ改良された有機ランキンサイクル用の作動流体を提供することである。
本発明の他の目的は、より低圧かつ低速のターボ機械で動作可能な有機ランキンサイクルの作動流体を供給することである。
本発明の別の目的は、環境にやさしい、高い臨界温度を有する有機ランキンサイクルの作動流体を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、経済的であり、実用的であり、環境にやさしい有機ランキンサイクルを提供することである。
近年、消火用流体として市場に紹介されている有機流体が、有機ランキンサイクルシステムの作動流体または冷媒としてユニークな用途を有することが判明した。好適な流体の一例は、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2のケトンであり、最も容認されている先行技術の流体Ｒ２４５ｆａよりも高い臨界温度を有する。この流体は、オゾン層を破壊することがなく、地球を温暖化することなく、従って環境にやさしい。
この流体および同等のケトンは、有利には、通常の有機ランキンサイクルシステムに適用することができる。該システムでは、蒸発器に液体状の冷媒を流すためにポンプが使用され、蒸発器で、熱を加えて冷媒を蒸気に気化し、それから、先ずこの蒸気を複数のノズルを通過させてから、タービンへと送る。冷却された蒸気は、次に、蒸気を液体に凝縮するための凝縮器を通過する。本発明において、冷媒は、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、（ＣＦ3）2ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＧ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）5Ｃ（Ｏ）ＣＦ3、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、ＣＦ3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、過フルオロシクロヘキサノンおよびこれらの混合物である。
図１に示されるように、一般的なランキンサイクルシステム１０は、熱を受ける蒸発器／ボイラ１２および熱を分配するコンデンサ１４を備える。これらのコンポーネントは、従来の空調システムや冷凍システムに使用されている蒸発圧縮サイクルと同様に機能する。従って、これらの熱交換器のコンポーネントを、僅かな変更で、有機ランキンサイクルの用途に用いることが可能である。このランキンサイクルは、システムの駆動流体によって駆動される発電用タービン１６と、凝縮器を出た液体の圧力を高め、電力を消費するポンプ２０と、を備える。上記タービン１６が電力を発生させる発電機１８を駆動する。
作動中、一般的に、大量の熱が流入するボイラである蒸発器は、本発明の新規な冷媒である駆動流体を蒸発させる。それから、この蒸気は、タービンに駆動力を供給するためにタービンに送られる。タービンを通過すると、低圧の蒸気は、凝縮器１８に送られ、冷却用媒体（ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）と熱交換することにより凝縮される。この凝縮された流体は、図示されているようにポンプ２２により蒸発器に送られ、サイクルを完成させる。
図２は、Ｒ２４５ｆａと、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2と、を比較するＴＳ線図を示す。ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の方が、臨界温度が高いことを留意すべきである。
図３は、３７０℃の顕熱である廃熱源（点Ａ）が、９３℃（点Ｂ）に冷却されるのを利用した、Ｒ２４５ｆａを用いた有機ランキンサイクルを示す。Ｒ２４５ｆａの有機ランキンサイクルにおけるこのプロセスは、タービンにおける作動流体の膨張を含み、従って、状態点１から２へと移行する間に発電する。過熱が解除され（ｄｅｓｕｐｅｒｈｅａｔｉｎｇ）（２から３へ）、凝縮器において凝縮され（３から４へ）、従って、周囲に放熱される。ポンプで圧力が高められ（４から５へ）、予熱され（５から６へ）、冷媒用ボイラにおいて蒸発する（６から１へ）。この冷媒用ボイラは、入口温度Ａから出口温度Ｂまで冷却される廃熱を利用する。
図４は、同様に廃熱流を利用する、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の有機ランキンサイクルを示す。図１に示されるように、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の方がＲ２４５ｆａよりも臨界温度が高いという事実より、非可逆的な熱移動（点ＡＢ５６１Ａで囲まれる領域）は、Ｒ２４５ｆａの方がＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2よりも僅かに大きい。この結果、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の方がＲ２４５ｆａに比べて、熱力学的なランキンサイクル効率は、より高くなる。
状態点２のタービンの出口温度は、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2の方がＲ２４５ｆａよりも高い。これにより、図５に示すように、凝縮器の一部と水加熱装置を交換し、ＣＨＰ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ：熱と電力を組み合わせた）モードで有機ランキンサイクルを運転することが可能となる。Ｒ２４５ｆａを用いて、同様のＣＨＰ機能を達成するためには、より高温のタービンの入口温度にするのに、複雑な設計と高額な初期費用が必要とされる。
図面に示された好適な様態との関連において本発明を具体的に示し説明してきたが、当業者であれば、請求項によって定められる本発明の趣旨および内容から逸脱することせずにもたらされる種々の変更を具体的に想達する。
本発明による有機ランキンサイクルの概略図。 Ｒ２４５ｆａとＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2とを比較するＴｓ線図。 ３７０℃の顕熱である廃熱源を利用する、Ｒ２４５ｆａを用いたＯＲＣを示す図。 ３７０℃の顕熱である廃熱源を利用する、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2を用いたＯＲＣを示す図。 本発明の第２の実施例の有機ランキンサイクルの概略図。

Claims (13)

  1. 液体状態の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器で、熱を加えて冷媒を蒸気に気化し、それから、この蒸気をタービンに通し、次に、冷却された蒸気を、蒸気を液体に凝縮するための凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記の冷媒がＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2であることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  2. 液体状態の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器で、熱を加えて冷媒を蒸気に気化し、それから、この蒸気をタービンに通し、次に、冷却された蒸気を、蒸気を液体に凝縮するための凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記の冷媒が、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、（ＣＦ3）2ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＧ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）5Ｃ（Ｏ）ＣＦ3、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、ＣＦ3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2からなる群から選択されることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  3. 液体状態の冷媒を蒸発器に流すためにポンプが使用され、蒸発器で、熱を加えて冷媒を蒸気に気化させ、それから、先ずこの蒸気を複数のノズルを通過させてから、タービンに通し、冷却された蒸気を、次に、蒸気を液体に凝縮するための凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記の熱を加えるステップが、エンジンから廃熱を抽出することにより行われ、かつ、さらに、上記冷媒がＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2であることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  4. （削除）
  5. 内燃機関から熱を抽出するステップが、上記内燃機関から出る排ガスから抽出することにより達成されることを特徴とする請求項１３に記載の有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  6. 内燃機関から熱を抽出するステップが、上記内燃機関内を流れる冷媒から熱を抽出することにより達成されることを特徴とする請求項１３に記載の有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  7. 蒸発器に液体状態の冷媒を流すためにポンプが使用され、蒸発器で、熱を加えて冷媒を蒸気に気化させ、それから、先ずこの蒸気を複数のノズルを通過させてから、タービンに通し、冷却された蒸気は、次に、蒸気を液体に凝縮する凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    熱を冷媒に加えるステップが、エンジンの廃熱から抽出し、かつさらに、上記冷媒が、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、（ＣＦ3）2ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＧ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）5Ｃ（Ｏ）ＣＦ3、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、ＣＦ3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、過フルオロシクロヘキサノンおよびこれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  8. 上記エンジンが、内燃機関であることを特徴とする請求項７に記載の有機ランキンサイクルシステムを運転する方法。
  9. （削除）
  10. （削除）
  11. 液体状態の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器で、熱を冷媒に加えて蒸気に気化し、それから、この蒸気をタービンに送り、冷却された蒸気を、次に、蒸気を液体に凝縮するための凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記の冷媒が、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2であり、かつ上記凝縮器が蒸気タービンの廃熱を利用する水加熱装置をさらに備え、温水を生成するように構成されていることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  12. 液体状態の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器で、内燃機関から抽出した熱を加えて冷媒を蒸気に気化させ、それから、この蒸気をタービンに送り、次に、冷却された蒸気を、蒸気が液体に凝縮される凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記の冷媒がＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2であることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。
  13. 液体状態の冷媒を蒸発器に流し、蒸発器で、内燃機関から抽出した熱を加えて冷媒を蒸気に気化させ、それから、この蒸気をタービンに送り、次に、冷却された蒸気を、蒸気が液体に凝縮される凝縮器を通過させる、有機ランキンサイクルシステムの運転方法において、
    上記冷媒が、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、（ＣＦ3）2ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）2Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＧ3）2、ＣＦ3（ＣＦ2）5Ｃ（Ｏ）ＣＦ3、ＣＦ3ＣＦ2Ｃ（Ｏ）ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ3、ＣＦ3Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ3）2からなる群から選択されることを特徴とする有機ランキンサイクルシステムの運転方法。

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