JP2008506893A - 熱から有用なエネルギーへの効率的な変換 - Google Patents

Abstract

熱源流を受け取るように構成されたパワーサブシステムと、熱源流からの作動流へ熱を伝達するように構成された１つ以上の熱交換器とを備える、伝熱システムに関する。作動流は最終的に１つ以上のタービンを通過して電気を生成し得る点まで加熱され、熱源流は低温テールまで冷却される。蒸留凝縮サブシステムは消費流を冷却し、中間流および作動流を生成する。作動流は、低温テールを効率的に使用するのに充分な温度であるように、中間流によって可変的に加熱され得る。次いで、作動流は低温テールによって加熱され、続いてパワーサブシステムにおける使用において送られる。

Description

本発明は、向流熱交換によって熱力学サイクルを実施するように構成されたシステム、方法および装置に関する。詳細には、本発明は熱力学サイクルの１つ以上のポイントにて熱源流によって多成分流を加熱し、発電を行うことに関する。

幾つかの従来の伝熱システムは、通常では浪費される熱を、有用なエネルギーに変えることが可能である。従来の伝熱システムの一例は、地熱熱水または産業廃熱源からの熱エネルギーを、向流熱交換技術を使用して電気に変換するものである。例えば、地熱孔からの比較的高温の液体（例えば、ブライン）による熱を使用して、閉鎖系において１つ以上の熱交換器を用いて多成分流体（流体流）を加熱することが可能である。多成分流体は低エネルギーかつ低温の流体状態から加熱されて、比較的高圧のガス（作動流）になる。次いで高圧ガス、即ち作動流は、１つ以上のタービンを通過して、１つ以上のタービンを回転させ発電を行うことが可能である。

したがって、従来の伝熱システムは、比較的低温から比較的高温まで様々な温度範囲に渡って多成分作動流体を加熱する、一般的な向流熱交換原理に基づいて動作する。そのようなシステムの従来の流体流は、各々が異なる沸点を有する様々な流体成分からなる。したがって、流体流のある成分はある温度の点でガスとなり、別の流体流成分は同じ温度で比較的高温の液体状態のままである場合がある。このことは、閉鎖系内の異なる点で異なる成分を分離するのに有用な場合がある。それにもかかわらず、流体流の全部の成分が集合的に「作動流」、即ち高圧ガスを構成するような温度まで、流体流の全部またはほぼ全部を昇温することが可能である。

流体流と作動流との間の流体を加熱するために、主として伝熱システムは作動流をより低い温度に冷却し、または流体流をより高い温度に加熱するように構成された装置を備える。例えば、流体流が高温状態となるように、流体流は流体流を熱源流に結合する１つ以上の熱交換器を通過し、次いで１つ以上のタービンを通過する。対照的に、既にタービンを通過した作動流は一般に消費流と呼ばれる。消費流はシステムの１つ以上の段階において流体流よりも比較的高温なので、熱交換器内で流体流に熱を伝達することによって冷却される。

タービン内での膨張に必要な温度を得るために、向流熱交換システムは流体流をより低い温度の点からより高い温度の点まで加熱する。これにより、従来の熱交換システムが考慮する必要のある幾つかのシステム変数が生じる。例えば、周囲温度の多成分流の最適膨張温度が非常に高温の蒸気作動流である場合、通常は作動流の所望温度よりも非常に高温の、非常に高温の熱源が利用される。あるいは、熱源が多成分流の最終的な所望温度よりもわずかに高温でしかない場合、多成分流が所望の作動流温度まで加熱され得るように、流体流は周囲温度よりも温かいことが必要となることがある。

少なくとも部分的には、流体流の開始温度の差異、熱源の温度、作動流の所望温度、およびシステムの効率のために、通常、熱源ブラインは所望の温度よりも相当に高温にて廃棄される。例えば、従来の伝熱システムが１つ以上の熱交換器にブラインを通過させるような幾つかの例示的なシステムでは、ブラインは約３１５．６℃（約６００°Ｆ）の平均温度から約７６．７〜９３．３℃（約１７０〜２００°Ｆ）の使い捨て（ｔｈｒｏｗ−ａｗａｙ）温度まで冷却される。約９３．３℃（２００°Ｆ）は、従来の流体流に有効な伝熱を行うには依然として比較的高温であるが、従来の流体流は約７６．７〜９３．３℃（
約１７０〜２００°Ｆ）の同様の温度では比較的低温または微温であると考えられる。詳細には、従来の流体流の最も低温の点は、通常、ブラインの低温部分（即ち、低温テール）によって効率的に加熱するには温か過ぎる。したがって、約７６．７〜９３．３℃（約１７０〜２００°Ｆ）のブラインを廃棄することによって、従来の熱システムは、より効率的となる傾向がある。

１つの可能な解決策は、低温テールの熱を用いて流体流が効率的に加熱され得るように、約８７．８〜９３．３℃（１９０〜２００°Ｆ）よりも相当に低い温度まで流体流を冷却することである。原則的に、この解決策には、上述の伝熱システムと共に蒸留凝縮サブシステム（ＤＣＳＳ）を使用することが含まれる。残念なことに、ＤＣＳＳの使用によって消費流は効率的に冷却され得るが、従来のＤＣＳＳが通常の消費流を冷却する温度は、通常、効率的に利用するには低過ぎる。すなわち、従来のＤＣＳＳは、後に作動流として充分に高い温度まで効率的に昇温し得ない程低い温度まで、消費流を冷却する。

したがって、低温テールの効率的な使用を可能とするシステムおよび装置によって、当技術分野において利点が得られる。詳細には、流体流を依然として効率的な作動流温度まで昇温することが可能であるようにＤＣＳＳを効率的に使用する伝熱システムによって、当技術分野において利点が得られる。

本発明は、従来の伝熱システムにおいて可能であるよりも多くの廃熱を効率的に使用するように構成されたシステムおよび装置によって、従来技術における上述の１つ以上の問題を解決する。詳細には、本発明は、少なくとも部分的には追加の熱交換装置と共にＤＣＳＳを効率的に組み込むことによって、伝熱システムのブライン熱源の「低温テール」を使用することを可能とする。

例えば、本発明の一実施形態では、ＤＣＳＳは向流熱交換システムに結合される。ＤＣＳＳは少なくとも部分的には、作動流が１つ以上のタービンを通過した後、消費作動流を冷却するために用いられる。しかしながら、ＤＣＳＳの供給する流体流が比較的低温であるため、１つ以上の熱交換装置を追加して流体流の温度を有用な温度範囲まで上昇させる。続いて、この温度範囲にて、追加の熱交換器を介して約６５．６〜９３．３℃（１５０〜２００°Ｆ）ほどの低温の低温テールに流体流を結合し、依然として最終的に適切な作動流温度に到達させることが可能である。

したがって、本発明による伝熱システムは、熱源による大量の熱を有用なエネルギーに変換することが可能であり、従来の伝熱システムよりも著しく高いエネルギー効率にてその変換を行うことが可能である。

本発明は、従来の伝熱システムにおいて可能であるよりも多くの廃熱を効率的に使用するように構成されたシステムおよび装置に関する。詳細には、本発明は、少なくとも部分的には追加の熱交換装置と共にＤＣＳＳを効率的に組み込むことによって、伝熱システムのブライン熱源の「低温テール」を使用することを可能とする。

例えば、図１には本発明の一実施形態を示す。この実施形態では、伝熱システム１００はパワーサブシステム１０１を備え、パワーサブシステム１０１は蒸留凝縮サブシステム（ＤＣＳＳ）１０３などの冷却システムと結合されている。パワーサブシステム１０１は、一般に流体多成分流が少なくとも部分的には蒸気作動流となる点まで多成分流を加熱す
るものと考えられる。対照的に、ＤＣＳＳ １０３は、一般に膨張後の消費流を冷却された流体流に冷却するもの、またパワーサブシステム１０１中の多成分流として後に使用するのに適切に流体流を加熱するものと考えられる。また、図１には、流体が凝縮されシステムの熱交換器により加熱されるときの、伝熱システム１００の全体を通じる多成分流（流体流および熱源流の両方について）の方向も示す。

したがって、以下の説明では、伝熱システム１００（およびシステム２００）を通じて流れるときの熱源流（例えば、ブライン）の流れについて、次いで熱源流から区別され独立しており、パワーサブシステム１０１およびＤＣＳＳ １０３を通じる消費流および中間流体流の流れについて概説する。熱源流に関して、本発明により実施可能な多くのタイプの熱源流が存在し得ることが理解される。例えば、本発明による使用に適切な熱源流は、天然に産出されるか合成によって生成される液体、流れ、油など任意の適切な高温の液体もしくは蒸気、またはそれらの混合物を含むことが可能である。したがって、本明細書に記載のシステムの実施形態は、「ブライン」などの地熱流体による熱を電力に変換するため、また工場環境における他の合成流体の廃熱を電力に変換するために、特に有用であり得る。

再び図１を参照する。熱源流はポイント５０（約１２１．１℃〜約４２６．７℃（２５０°Ｆ〜８００°Ｆ））にて伝熱システム１００に入り、熱源は２つの流れ５１，１５１に分割される。この２つの流れを用いて、作動流がタービンその他の膨張構成要素に至る直前に、作動流に熱を加える。例えば、流れ５１が熱交換器３０４を通過すると、第１のタービン５０１の中へ作動流が至る直前に、ポイント３０の作動流に熱が伝達される。本明細書に記載のように、流れの分割は、多成分流を２つの別個の流れに分割する従来の分割構成要素など、任意の適切な手段によって行うことが可能である。

作動流は第１のタービンを通過した後、ポイント３２までに幾らか冷却される。したがって、流れ１５１は、作動流が第２のタービン５０２の中へ至る直前に加熱され得るように、ポイント３２からポイント３５までの作動流を、作動流が第２のタービン５０２に隣接する熱交換器３０５を通過するときに加熱する。本明細書では、「熱交換器」は、従来のシェルおよびチューブもしくは平板型熱交換器、またはそれらの変形もしくは組合せなど、任意の従来のタイプの熱交換器であってよい。したがって、熱交換器３０５によりある量の熱が伝達されて、ポイント１５１の熱源流はポイント１５０のパラメータまで冷却される。

次いで、流れ１５０（元の流れは１５１），１５２（元の流れは５１）は、熱交換器３０３に入る前にポイント１５３にて結合される。ポイント１５３にて結合された流れはポイント５０の流れよりもある量だけ低温である。任意の作動流、中間流、消費流その他の流体流の混合、即ち結合は、複数の流れを結合して単一の流れを形成するための任意の適切な混合装置によって実行されてよい。

熱交換器を通過してポイント１５３では、結合した熱源流は依然として比較的高温であるため、依然として相当な量の熱を作動流に伝達することが可能である。したがって、ポイント１５３の結合した流れが熱交換器３０３を通過することによって、熱源流から作動流に熱が伝達されて、作動流はポイント６６から６７まで加熱される。熱源流は、ポイント５３にて幾分低温のパラメータを有するが、依然として比較的高温であり、熱交換器３０１を通過する。これによって作動流はポイント１６１から６１まで加熱され、さらに熱源流はポイント５３からポイント５４まで冷却される。

一実施形態では、ポイント５４にて、部分的には関連する熱源およびシステム１０１に関する他の運転条件に応じて、熱源流のこれらのパラメータは約７６．７〜９３．３℃（
約１７０〜２００°Ｆ）の温度範囲と関連付けられる。別の実施形態では、ポイント５４の熱源流のパラメータは約５４．４〜１２１．１℃（約１３０〜２５０°Ｆ）の温度範囲と関連付けられる。ポイント５４では、熱源流は従来の「低温テール」のパラメータの状態にあるので、普通は廃棄される。しかしながら、以下の説明からより完全に理解されるように、熱源流がポイント５４から熱交換器４０５を通じてポイント５５まで至るように、システム１００がこの低温テールを効率的に使用することが可能である。熱交換器４０５は低温テールから熱を伝達するので、熱交換器４０５を「残留熱交換器」と呼ぶ。

熱源流の経路について説明したが、以下の記載では、システム１００の流体流がポイント６０からポイント３６までパワーサブシステム１０１を通じる様々な段階にて加熱および冷却され、次いでポイント３８からポイント２９までＤＣＳＳ １０３を通じるときのシステム１００の流体流の経路および変化を示す。説明のため、一実施形態では、流体流は沸点が約９１．１℃（約１９６°Ｆ）かつ露点が約１７０．０℃（３３８°Ｆ）である水−アンモニア混合物からなる。したがって、本明細書の記載から理解されるように、流体流はポイント６０では沸点または沸点近傍にあり、ポイント３０では露点または露点近傍にあり、ポイント１８，１０２では液体形態または液体形態に近い状態にある。作動流体が単一の純物質ではなく複数の成分の混合物からなるので、沸点、露点および液体形態の間に差異を生じる。

図１を参照すると、ポイント６０では、伝熱システム１００は作動流をポイント１６１，１６２の２つの多成分流に分割する。ポイント１６１の作動流は熱交換器３０１において熱源流によってポイント６１のパラメータまで加熱され、ポイント１６１の作動流は熱交換器３０２にて消費流３６によってポイント６２のパラメータまで加熱される。関連する熱交換器を通過した後、次いで、ポイント６１，６２の作動流はポイント６６のパラメータを有する作動流へ結合される。ポイント６０の作動流の一部は熱源流によって加熱され、作動流の別の部分は消費流によって加熱されるので、パワーサブシステム１０１は幾つかの熱源を効率的に使用することが可能である。

ポイント６６の作動流は、熱交換器３０３を介してポイント１５３からの熱源流によってポイント６７のパラメータまで加熱される。一実施形態では、ポイント６７にて、作動流が過熱蒸気へ変換され始める。その後、熱交換器３０４を介してポイント６７からポイント３０まで作動流が加熱されるように、ポイント５１の熱源流によって作動流が加熱される。これによって従来の作動流は、所望の高エネルギー状態にてタービン５０１を通過することが可能であるように最適化される。一実施形態では、この所望の高エネルギー状態は過熱蒸気である。

作動流がポイント３０から３２までタービン５０１を通過するとき、作動流は圧力および温度の損失という形態により、ある量のエネルギーを失って、少なくとも「部分的に消費」となる。ポイント３２の部分的消費流は熱交換器３０５を通じて加熱され、ポイント３５のパラメータを得る。したがって、ポイント５０にて熱源流の分割を継続し、さらなる数の熱交換器およびタービンなどを通じてさらに続く部分的な消費作動流を繰り返し加熱することによって、システム１００が追加の増大エネルギー・ゲインを見出し得ることが認められる。したがって、本開示における１つまたは２つのタービンの使用は、１つの適切な実施形態の例示に過ぎない。

作動流が１つ以上のタービン５０１，５０２を通過した後、ポイント３６の消費流は熱交換器３０２を通過する。これによって消費流はポイント３８のパラメータまで冷却され、同時に作動流の一部がポイント１６２から６２まで加熱される（少なくとも幾つかの場合には、ポイント３６の消費作動流は、高温であるとしても、ポイント１６２，６２の高圧作動流よりも低圧である）。従来のシステムでは、ポイント３８の消費流は、普通、回
復再加熱のためにポイント６０へ送られる。しかしながら、このシステム１００では、ポイント３８の消費流は、さらにＤＣＳＳ １０３を用いて冷却される。

例えば、ポイント３８の消費流は、ポイント３８からポイント１６、次いで１７のパラメータまで冷却されるように、熱交換器４０１を通過する。熱交換器４０１によりポイント３８からポイント１７まで消費流を冷却すると、熱はポイント１０２からポイント５までの比較的低温の中間「希薄流」へ伝達される。希薄流はポイント１０２の比較的低温のパラメータからポイント３の比較的高温のパラメータ（通常は沸点）まで、また最終的にはポイント５のパラメータまで達する。一般に、「希薄流」は低沸点成分が高沸点成分よりも少ない（例えば、水対アンモニア）流体流を指し、「濃縮流」は低沸点成分が高沸点成分よりも多い流体流を指す。さらに、「中間希薄」流は、「希薄」流または「極希薄」流（即ち、アンモニア／水組成においてアンモニアの量が最少である）よりも低沸点成分（例えば、アンモニア／水組成におけるアンモニア）が多いが、「濃縮」流よりも低沸点成分が少ない。

次いで、ポイント１７の消費流はポイント１２のパラメータを有する極希薄流と結合し、ポイント１８のパラメータを有する結合流体流（即ち、中間希薄流）を生成する。次いで、結合した中間希薄流は熱交換器４０２にて冷却されて、ポイント１８の中間希薄流から冷媒へ熱が伝達される。装置４０２，４０４は、水冷式または空冷式の熱交換器など、任意の適切な熱交換凝縮器を含んでよい。

冷媒は、熱交換器４０２を通じてポイント１８からポイント１までの中間希薄流を凝縮するのに充分な任意の数または組合せの媒体であり得る。そのような媒体は、空気、水、化学冷却剤などを含むことが可能であり、必要に応じて、システム１００を出入りして単純に循環する。したがって、冷媒はポイント２３など比較的低温でシステム１００に導入され、熱交換器４０２，４０４によってポイント５９，５８まで加熱され、次いでポイント２４にて比較的温かい温度でシステム１００から出て循環する。冷媒はシステムを出入りして循環するので、比較的低い一定の温度を保持し、多成分流から熱を吸収することが可能である。

中間希薄流がポイント１のパラメータまで凝縮された後、ポンプ５０４は流れの圧力を上昇させて、中間希薄流はポイント２のパラメータまで上昇される。その後、圧力上昇された中間希薄流は２つの部分に分割される。後にさらに詳細に説明するが、一方の部分は、ポイント８のパラメータを有しており、ポイント６のパラメータを有する濃縮流と混合される。ポイント１０２のパラメータを有する中位圧力の中間希薄流の他方の部分は、中間希薄流がポイント５のパラメータを得るように、装置４０１においてポイント６の消費流によって加熱される。

ポイント５において、中間希薄流は、蒸気成分がポイント７のパラメータを有し、液体成分がポイント９のパラメータを有するように、装置５０３により主として蒸気成分および液体成分に分離される。しかしながら、蒸気成分も液体成分も純粋に１つの成分または別の１つの成分ではないことが認められる。いずれにせよ、蒸気流は低沸点成分に富み（即ち、「濃縮」流）、液体流は大量の高沸点成分を有する（即ち、「希薄」流）。装置５０３は、重力分離装置（例えば、従来のフラッシュタンク）など、当技術分野において知られている任意の適切な分離装置または蒸留装置を含むことが可能である。

一実施形態では、ポイント７，９の流れの蒸気成分および液体成分は、選択的に混合されて（または混合されず）中間熱交換器４０３にて供給される温度の総量を加熱する（または維持する）ように分離される。例えば、ポイント７の蒸気の部分は、ポイント６の１つの流れと、ポイント１５の別の流れとに、選択的に分割することが可能である。ポイン
ト９の液体成分が熱交換器４０３により多成分流をポイント２１からポイント２９まで加熱するのに充分に高温ではない場合、ポイント１５からのより高温の蒸気成分流の多くの部分をポイント９の液体成分流に加えて、ポイント１０のパラメータを有するより高温の流れを生成することが可能である。あるいは、ポイント９の液体成分が熱交換器４０３に必要なほどに充分に熱い場合、ポイント１５にて蒸気との混合を行う必要はない。したがって、そのような混合は随意であり、関連する運転条件に依存する。

そのような混合が行われるか否かにかかわらず、ポイント１０の流れは一般に「極希薄」流、即ち、比較的少量の低沸点成分をもつ流れである。ポイント１０のこの極希薄流は中間熱交換器４０３を通過し、ポイント２１の流体流を加熱し、ポイント１０からポイント１１まで極希薄流を冷却する。幾つかの場合には、必要に応じて、ポイント１１の流体流はより低い圧力までさらに調節されてよい。いずれにせよ、ポイント１１の流体流はポイント１２のパラメータに至り、次いで、熱交換器４０２を通過する前にポイント１７の消費流と混合される。

戻ってポイント５の流れを参照すると、ポイント９の液体成分から分離されたポイント７の蒸気成分は、主として流れの速度に関してポイント６，１５の蒸気成分とは異なる。しかしながら、実際には、ポイント６，７，１５の蒸気成分の圧力がわずかに異なる場合もある。いずれにせよ、蒸気成分（即ち、ポイント７の成分または成分流６，１５）は「濃縮」流であり、比較的多量の低沸点成分を有する。このポイント６の「濃縮」流は、続いてポイント８の中間希薄流の一部と混合され、ポイント１３の多成分流を生成する。ポイント１３の中間流の低沸点成分と高沸点成分の比率（例えば、水とアンモニアの比率）は、ポイント６０以降など、伝熱工程にて続いて用いられる作動流とほぼ同じである。

次いで、このポイント１３の中間流は、熱交換器４０４にて上述の冷媒によって凝縮され、凝縮流となる。したがって、このポイント１３の流体流は、ポイント１３のパラメータからポイント１４のパラメータまで冷却される。次いで、ポイント１４の流体流はポイント２１のパラメータを有する高圧作動流となるように、ポンプ５０５を通じて吐出される。次いで、ポイント２１の作動流は、中間流がポイント１０からポイント１１まで冷却されるように、熱交換器４０３を通じてポイント２９まで加熱される。ポイント２９にて、作動流は、熱源流がポイント５４から５５まで冷却されるように、熱交換器４０５にて熱源流の「低温テール」によって加熱される。

上述を考慮すると、ポイント２９の作動流は熱交換器４０５において低温テールを効率的に使用すること（即ち、加熱されること）の可能な適切な温度であることが認められる。これは、ポイント３０の作動流がシステム１００に利用可能な最高のエネルギーにてタービン５０１を確実に通過するようにするのに役立つ。したがって、ポイント３０の作動流が最高効率のエネルギー出力に達するか否かは、部分的にはポイント１０の中間流の温度に依存し得る。例えば、ポイント２９の作動流の温度が高過ぎる場合、ポイント５４から５５までの低温テールからの追加的な熱の移動はほとんど有効でないかまたは全く有効でない。対照的に、ポイント２９の作動流がＤＣＳＳ １０３を通過した後で低温過ぎる場合、ポイント５４から５５までの低温テールがポイント２９からポイント６０の所望の温度まで作動流を加熱することは不可能である。

本発明の一実施形態では、ＤＣＳＳ １０３は、ポイント１０の中間流に可変的に熱を加えることを可能とすることによって、ポイント２９の作動流を確実に適切な温度にするのに役立つ。上述のように、これは、液体成分９に蒸気成分１５を可変的に加える（または加えない）ことによって行うことが可能である。換言すると、流れ９に加えられる蒸気１５が多くなると、ポイント１０の混合流体流はより高温となり、ポイント２１の作動流に加えられる熱は多くなる。したがって、ＤＣＳＳ １０３において流体流の分離および
混合を可能とすることによって、システム１００が作動流において低温テール（即ち、ポイント５４〜５５）を効率的に使用することが可能となる。さらに、本発明の実施形態では、タービン５０１および５０２などにおける追加のパワーのために低熱源流が有効に使用される。

図２には、単一のタービン５０２のみを組み込む代替の伝熱システム２００を示す。詳細には、図２に示すように、システム１００は流れ３２，１５０，１５１および熱交換器３０５を省くように変更することが可能である。これによって、ポイント３０の作動流のみがタービン５０２を通過して消費流３６を生成し、次いで、上述のように、熱交換器３０２において処理される。しかしながら、上述のように、増大エネルギー・ゲインのために使用可能なタービンの数は、本発明の内容の範囲内で変更されてよい。

本発明の代替の実施形態では、システム１００であるかシステム２００であるかに関わらず、熱交換器３０４の代わりに熱交換器３０３を省いてもよい。別の代替の実施形態では、熱交換器３０１の代わりに熱交換器３０２を省いてもよい。

２つのタービンを用いる本発明の一実施形態による伝熱システムの図。 １つのタービンを用いる本発明の別の実施形態による伝熱システムの図。

図１を参照すると、ポイント６０では、伝熱システム１００は作動流をポイント１６１，１６２の２つの多成分流に分割する。ポイント１６１の作動流は熱交換器３０１において熱源流によってポイント６１のパラメータまで加熱され、ポイント１６２の作動流は熱交換器３０２にて消費流３６によってポイント６２のパラメータまで加熱される。関連する熱交換器を通過した後、次いで、ポイント６１，６２の作動流はポイント６６のパラメータを有する作動流へ結合される。ポイント６０の作動流の一部は熱源流によって加熱され、作動流の別の部分は消費流によって加熱されるので、パワーサブシステム１０１は幾つかの熱源を効率的に使用することが可能である。

中間希薄流がポイント１のパラメータまで凝縮された後、ポンプ５０４は流れの圧力を上昇させて、中間希薄流はポイント２のパラメータまで上昇される。その後、圧力上昇された中間希薄流は２つの部分に分割される。後にさらに詳細に説明するが、一方の部分は、ポイント８のパラメータを有しており、ポイント６のパラメータを有する濃縮流と混合される。ポイント１０２のパラメータを有する圧力上昇された中間希薄流の他方の部分は、中間希薄流がポイント５のパラメータを得るように、装置４０１においてポイント１６の消費流によって加熱される。

Claims (30)

1. 廃熱をエネルギーに変換するための伝熱システムであって、
   熱源流に伝達可能に結合されたパワーサブシステムと、
   パワーサブシステムに伝達可能に結合された蒸留凝縮サブシステムと、
   パワーサブシステムおよび蒸留凝縮サブシステムに伝達可能に結合され、パワーサブシステムからの低温テールを使用して蒸留凝縮サブシステムからの作動流を加熱する残留熱交換器と、からなる伝熱システム。
2. 作動流は水およびアンモニアのうちの１つ以上を含む混合物など、各々が異なる沸点を有する複数の成分の混合物からなる請求項１に記載の伝熱システム。
3. 熱源流は地熱孔から発生するブラインのうちの１つ以上を含む流体物質である請求項１に記載の伝熱システム。
4. 蒸留凝縮サブシステムは中間流の蒸気成分を液体成分からほぼ分離するように構成された分離装置を含む請求項１に記載の伝熱システム。
5. 蒸留凝縮サブシステムは中間流に適切な温度を得るために蒸気成分を液体成分と随意に再結合するように構成されている請求項４に記載の伝熱システム。
6. 蒸留凝縮サブシステムは、低温テールに用いるのに適切な温度まで中間流が作動流を加熱するように、中間流の分離装置の通過後に中間流から作動流に熱を伝達する熱交換器を含む請求項５に記載の伝熱システム。
7. パワーサブシステムは作動流により発電を行うように構成された複数のタービンを含む請求項１に記載の伝熱システム。
8. パワーサブシステムは、熱源流のうちの少なくとも一部が複数の対応する熱交換器の各々を通過して作動流を加熱するように、複数のタービンの各々に隣接して位置する複数の対応する熱交換器を含む請求項７に記載の伝熱システム。
9. 廃熱を有用なエネルギーに変換する方法であって、
   電力サブシステムにて１つ以上の熱交換器へ熱源流を受け取る工程と、熱源流は低温テールまで冷却されることと、
   蒸留凝縮サブシステムにてパワーサブ層からの消費流を冷却する工程と、消費流は中間流まで冷却されることと、
   熱源流の低温テールによって作動流を加熱することが可能であるように、中間流のうちの少なくとも一部によって多成分流を加熱する工程と、からなる方法。
10. 複数の対応するタービンに隣接する複数の熱交換器を通じて作動流を案内するときに熱源流を用いて作動流を加熱するように、熱源流を受け取るときに熱源流を分割する工程を含む請求項９に記載の方法。
11. 熱交換器にて消費流によって中間流を加熱する工程と、中間流は蒸気成分と液体成分とからなることと、を含む請求項９に記載の方法。
12. 中間流のうちの少なくとも一部はほぼ液体成分からなるように、加熱した中間流をほぼ蒸気成分とほぼ液体成分とに分割する工程を含む請求項１１に記載の方法。
13. 低温テールによってさらに加熱されるのに適切な温度まで作動流が加熱されるように、ほぼ蒸気成分によって中間流のうちの少なくとも一部の温度を随意に変更する工程を含む請求項１２に記載の方法。
14. 熱力学サイクルを実施する方法であって、
    多成分のガス状の作動流を膨張させ、そのエネルギーを使用可能な形態に変換して、消費流を生成する作動流膨張工程と、
    蒸留凝縮サブシステムにおいて消費流を凝縮させて、凝縮流を生成する消費流凝縮工程と、
    凝縮流を加圧して、多成分流を生成する凝縮流加圧工程と、
    蒸留凝縮サブシステムからの流体によって多成分流を加熱する多成分流加熱工程と、
    多成分流加熱工程に続き、熱源流の低温テールによって作動流を加熱する作動流加熱工程と、からなる方法。
15. 作動流加熱工程に続き、作動流を第１の流れと第２の流れとに分割する工程を含む請求項１５に記載のパワーサブシステム。
16. 第１の流れは熱源流によって加熱される請求項１５に記載のパワーサブシステム。
17. 第２の流れは消費流によって加熱される請求項１５に記載のパワーサブシステム。
18. 熱源流の低温テールが効率的に利用されるように熱源流からの熱を伝達するように構成された蒸留凝縮サブシステムであって、
    消費流が冷却され、中間流が加熱されてほぼ蒸気成分と、ほぼ液体成分とになるように、消費流から中間流へ熱を伝達するように構成された１つ以上の熱交換器と、
    パワーサブシステムを蒸留凝縮サブシステムへ動作可能に結合することによって、中間流から作動流へ熱を伝達する中間熱交換器と、
    熱源流の低温テールを利用して多成分流を加熱する熱交換器と、
    熱源流は蒸留凝縮サブシステムが存在しない場合より低い温度でシステムから出て行くことと、からなる蒸留凝縮サブシステム。
19. 中間流がほぼ液体成分からなるように、ほぼ液体成分からほぼ蒸気成分を分離するように構成された分離装置を含む請求項１８に記載の蒸留凝縮サブシステム。
20. 作動流が適切な温度にされるように、分離装置は蒸気成分によって中間流を随意に加熱するように構成されている請求項１８に記載の蒸留凝縮サブシステム。
21. 熱源流の低温テールを利用して多成分流を加熱する熱交換器は残留熱交換器を含む請求項１８に記載の蒸留凝縮サブシステム。
22. 約摂氏１２１．１度（華氏２５０度）から約摂氏４２６．７度（華氏８００度）の入口温度を有し、低沸点成分および高沸点成分を有する多成分作動流の蒸留および凝縮を含むパワーサブシステム（ＤＣＳＳ）を有する熱力学サイクルを通過する熱源流による残留熱を利用することによって、熱力学サイクルの有用な出力を増大させる方法であって、（ｉ）高沸点成分と比較して低沸点成分の少ない希薄流を、高沸点成分と比較して低沸点成分の多い濃縮流と混合する工程と、（ｉｉ）極希薄流をパワーサブ層の消費作動流と混合する工程と、該工程はパワーサブ層をＤＣＳＳと結合することによって、該熱力学サイクルからＤＣＳＳが除去される場合の対応する出口温度と比較して該熱力学サイクルから出て行くときに熱源流がより低い出口温度を有することを含むことと、からなる方法。
23. 熱源流との最初の熱交換関係を通じた後、作動流はその沸点または沸点近傍の温度を有する請求項２２に記載の方法。
24. 作動流を２つの別個の部分に分割する前に作動流はその沸点または沸点近傍の前記温度を有し、一方の部分は他方の部分が熱源流との２度目の熱交換関係を通じた後、２つの部分が再結合される前に、消費作動流との熱交換関係を通じる請求項２３に記載の方法。
25. 前記熱力学サイクルは、
    作動流が熱源流との最初の熱交換関係を通じた後、作動流を２つの別個の部分に分割する工程を含み、一方の部分は他方の部分が熱源流との２度目の熱交換関係を通じた後、２つの部分が再結合される前に、消費作動流との熱交換関係を通じる請求項２３に記載の方法。
26. 予熱する工程は作動流を極希薄流との熱交換関係を通じさせることによって行われる請求項２２に記載の方法。
27. 極希薄流を消費流と混合する工程は作動流を極希薄作動流によって予熱する工程の後に行われる請求項２６に記載の方法。
28. 予熱する工程の前に作動流はＤＣＳＳの高圧凝縮器を通過する請求項７に記載の方法。
29. 消費作動流は極希薄流との混合の前にＤＣＳＳにおいて中間希薄流との熱交換関係を通じる請求項２２に記載の方法。
30. 極希薄流との混合による中間希薄流の形成の後、消費作動流はＤＣＳＳの低圧凝縮器を通過する請求項２２に記載の方法。

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