JP2010025108A - 排気ガスから熱エネルギーを除去するためのヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械を開示する。
【解決手段】ターボ機械１０は、それに沿って排気１６を導きかつ放出する少なくとも１つの排気通路１８と、排気１６から規制物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置２２とを含む。複数のヒートパイプ２４が、少なくとも１つの排気処理装置２２の上流で少なくとも部分的に排気通路１８内に配置される。複数のヒートパイプ２４は、排気１６から該複数のヒートパイプ２４に熱エネルギーを伝達させ、従って該排気１６の温度を低下させて少なくとも１つの排気処理装置２２の有効性を高めることができる。ターボ機械１０排気１６を放出する方法は、少なくとも１つの排気通路１８に沿ってターボ機械１０排気１６を強制的に流すステップと、複数のヒートパイプ２４を通過させて排気１６を流すステップとを含む。熱エネルギーが、排気１６から複数のヒートパイプ２４に伝達され、従って該排気１６の温度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ターボ機械に関する。より具体的には、本願発明は、ターボ機械の排気ガスの冷却に関する。

例えばガスタービン発電プラントなどのターボ機械からの排気ガスは、大気中に放出する排気ガスの組成に対する厳しい規制要件を満たさなければならないことが多い。排気ガス中に一般的に見られかつ規制の対象となる成分の１つは、ＮＯ_ｘである。排気ストリームからＮＯ_ｘを除去するために、選択触媒還元（ＳＣＲ）法のような方法が用いられることが多い。ＳＣＲ法では、アンモニア（ＮＨ_３）などをＮＯ_ｘと反応させ、窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とを生成させる。ＳＣＲ法の有効性は、処理する排気ガスの温度に応じて決まる。ターボ機械からの排気ガスは、多くの場合に約１１００°Ｆであり、ＳＣＲに先立って冷却して、要件を満たすようにＳＣＲの有効性を高めなければならない。この冷却は一般的に、大型ファンシステムによって排気ガスストリーム中に強制的に流す低温外気で排気ガスを希釈することによって達成される。このファンシステムは、高流量かつ高圧力が可能でなければならず、従ってターボ機械を作動させる上での複雑さ及び費用を増加させる。

米国特許第６１３２８２３号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２３４７０４号明細書 米国特許出願公開第２００４／００４５２９４号明細書

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、それに沿って排気を導きかつ放出する少なくとも１つの排気通路と、排気から規制物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置とを含む。複数のヒートパイプが、少なくとも１つの排気処理装置の上流で少なくとも部分的に排気通路内に配置される。複数のヒートパイプは、排気から該複数のヒートパイプに熱エネルギーを伝達させ、従って該排気の温度を低下させて少なくとも１つの排気処理装置の有効性を高めることができる。

本発明の別の態様によると、ターボ機械排気を放出する方法は、少なくとも１つの排気通路に沿ってターボ機械排気を強制的に流すステップと、複数のヒートパイプを通過させて排気を流すステップとを含む。熱エネルギーが、排気から複数のヒートパイプに伝達され、従って該排気の温度を低下させる。排気は、少なくとも１つの排気処理装置を通して流されて、該排気から規制物質を除去した後に排気を放免する。

これら及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の説明から一層明らかになるであろう。

本願発明は、特許請求の範囲に具体的に記載されかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の目的、特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

ターボ機械用の排気装置の実施形態の概略図。 図１の排気装置の部分斜視図。 ターボ機械用の排気装置の別の実施形態の概略図。 図１又は図２の排気装置のヒートパイプの実施形態の断面図。 図１又は図２の排気装置のヒートパイプの別の実施形態の断面図。

以下の詳細な説明は、図面を参照して実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１には、例えばガスタービン１０などのターボ機械の実施形態の概略図を示す。ガスタービン１０は、１以上の燃焼器１２を含み、燃焼器内で燃料及び圧縮空気が混合されかつ点火される。高温ガス燃焼生成物は、タービン１４に流れ、タービン１４は、高温ガスから仕事を取出す。タービン１４を通って流れた後に、高温ガスすなわち排気１６は、排気ダクト１８を通って排気筒２０に向かって流れて、大気中に放出される。

排気筒２０から大気中に放出されるＮＯ_ｘ量を低減するために、排気１６は、大気中に放出されるのに先立って、幾つかの実施形態では選択触媒還元（ＳＣＲ）系２２である排気処理装置を通して強制的に流される。図１に示すように、ＳＣＲ系２２は、幾つかの実施形態では排気ダクト１８と排気筒２０との間に配置される。しかしながら、ＳＣＲ系２２は、例えば排気ダクト１８内又は排気筒２０内などのその他の位置に配置することができることを理解されたい。さらに、それらの実施形態は、１つのＳＣＲ系２２の使用に限定されるものではなく、複数のＳＣＲ系２２を含むことができる。ＳＣＲ系２２は、多量の触媒及びアンモニア（ＮＨ_３）噴射グリッドを含む。触媒内では、ＮＨ_３は、排気１６中のＮＯ_ｘと反応しかつ窒素（Ｎ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）を生成し、それによって排気１６を大気中に放出するのに先立って排気１６から規制ＮＯ_ｘを除去する。

複数のヒートパイプ２４が、ＳＣＲ系２２の上流で少なくとも部分的に排気１６内に延びる。図１の実施形態では、それら複数のヒートパイプ２４は、排気ダクト１８とＳＣＲ系２２との間でＳＣＲダクト２６内に配置される。図２に最もよく示すように、複数のヒートパイプ２４の各ヒートパイプ２４は、アレイ３２を形成した複数の横列２８及び縦列３０の形態でＳＣＲダクト２６を貫通してほぼ水平方向に延びる。しかしながら、複数のヒートパイプ２４は、その他の構成として配置する、例えば図３に示すようにＳＣＲダクト２６を貫通して垂直方向に延びることができることが分かるであろう。さらに、ヒートパイプ２４の１つよりも多いアレイ３２が、排気１６を貫通して延びることができる。

各ヒートパイプ２４は、排気１６から熱エネルギーを除去しかつ熱エネルギーを大気に放散させるように構成されかつ配置される。図４には、ヒートパイプ２４の断面図を示している。ヒートパイプは、該ヒートパイプ２４の外面を形成したケーシング３４を含む。ケーシング３４の内側には、吸収剤ウィック３６が配置され、吸収剤ウィック３６は、蒸気空洞３８を囲む。水、ナトリウム又はその他の物質のような流体が、蒸気空洞３８内に配置される。ヒートパイプ２４の高温端部４０が、排気１６が該高温端部４０を横切って流れるように配置される一方、低温端部４２が、排気１６の外側に配置される。高温端部４０では、排気１６からの熱エネルギーがヒートパイプ２４に伝達され、高温端部４０でウィック３６内の流体を蒸気空洞３８内への蒸気に蒸発させる。蒸気は、蒸気空洞３８に沿って低温端部４２に移動する。蒸気は、低温端部４２内において液化されかつウィック３６によって吸収されて、熱エネルギーを放出する。熱エネルギーは、低温端部４２に配置されかつ該低温端部４２にわたって強制的に空気を流す１以上のファン４４によって大気に放散される。流体は、ウィック３６を介して高温端部４０に移動する。

図５に示すような幾つかの実施形態では、各ヒートパイプ２４は、固体ヒートパイプであり、固体ヒートパイプでは、排気１６の熱エネルギーが空洞３８内に配置された高熱伝導性固体媒体４６によって吸収される。熱エネルギーは、固体媒体４６を介して高温端部４０から低温端部４２に移動しかつ１以上のファン４４によって大気に放散される。

幾つかの実施形態では、ガスタービン１０から排気ダクト１８に流入する排気１６の温度は、約１０００〜１２００°Ｆである。ヒートパイプアレイ３２は、排気１６がＳＣＲ系２２に流入する前に該排気１６の温度を８００〜９００°Ｆに低下させるように構成される。排気１６の温度をそのような範囲に低下させることは、排気筒２０を通して排気１６を放出する前に該排気からＮＯ_ｘを除去する上でのＳＣＲ系２２の有効性を高める。さらに、ヒートパイプ２４のアレイ３２を介して排気１６を冷却することは、温度及び速度が一定である排気１６をＳＣＲ系２２に供給して、該ＳＣＲ系２２の効率が向上するようにする。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる多数の変形形態、変更形態、代替形態又は均等な構成を組込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の幾つかだけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、前述の説明によって限定されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 排気
１８ 排気ダクト
２０ 排気筒
２２ 選択触媒還元（ＳＣＲ）系
２４ ヒートパイプ
２６ ＳＣＲダクト
２８ 横列
３０ 縦列
３２ アレイ
３４ ケーシング
３６ ウィック
３８ 蒸気空洞
４０ 高温端部
４２ 低温端部
４４ ファン
４６ 固体媒体

Claims (10)

1. それに沿って排気（１６）を導きかつ放出する少なくとも１つの排気通路（１８）と、
   前記排気（１６）から規制物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置（２２）と、
   前記少なくとも１つの排気処理装置（２２）の上流で少なくとも部分的に前記排気通路（１８）内に配置された複数のヒートパイプ（２４）と
   を含むターボ機械であって、前記複数のヒートパイプ（２４）が、前記排気（１６）から該複数のヒートパイプ（２４）に熱エネルギーを伝達させ、該排気（１６）の温度を低下させて前記少なくとも１つの排気処理装置の有効性を高めることができる、ターボ機械（１０）。
2. 前記少なくとも１つの排気処理装置（２２）が、少なくとも１つの選択触媒リアクタである、請求項１記載のターボ機械（１０）。
3. 前記複数のヒートパイプ（２４）の少なくとも１つのヒートパイプが、蒸気空洞（３８）内に配置された多量の流体と、前記蒸気空洞（３８）内の流体を吸収することができるウィック（３６）とを含んでいて、前記排気（１６）の熱エネルギーが、前記ウィック（３６）内の流体を前記蒸気空洞（３８）に蒸発させることによって該ヒートパイプに伝達される、請求項１記載のターボ機械（１０）。
4. 前記複数のヒートパイプ（２４）の少なくとも１つのヒートパイプが高熱伝導性固体媒体（４６）を含んでいて、前記排気（１６）の熱エネルギーが前記高熱伝導性固体媒体（４６）を介して前記ヒートパイプに伝達される、請求項１記載のターボ機械（１０）。
5. 前記複数のヒートパイプ（２４）が、前記排気（１６）の温度を約８００〜９００°Ｆに低下させることができる、請求項１記載のターボ機械（１０）。
6. ターボ機械（１０）排気（１６）を放出する方法であって、
   少なくとも１つの排気通路（１８）に沿って前記排気（１６）を流すステップと、
   複数のヒートパイプ（２４）を通過させて前記排気（１６）を流すステップと、
   前記排気（１６）から前記複数のヒートパイプ（２４）に熱エネルギーを伝達させ、従って該排気（１６）の温度を低下させるステップと、
   少なくとも１つの排気処理装置（２２）を通して前記排気（１６）を流すステップと、
   前記少なくとも１つの排気処理装置（２２）を介して前記排気（１６）から規制物質を除去するステップと、
   前記排気（１６）を放免するステップと
   を含む方法。
7. 前記複数のヒートパイプ（２４）の少なくとも１つのヒートパイプのウィック（３６）内に含まれた液体を該複数のヒートパイプ（２４）の少なくとも１つのヒートパイプの蒸気空洞（３８）内に蒸発させることによって、前記排気（１６）から熱エネルギーを伝達させるステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記少なくとも１つのヒートパイプの高温端部（４０）から該少なくとも１つのヒートパイプの低温端部（４２）に前記蒸発液体を流すステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記排気（１６）から前記複数のヒートパイプ（２４）の少なくとも１つのヒートパイプ内に配置された高熱伝導性固体媒体（４６）に熱エネルギーを伝達するステップを含む、請求項６記載の方法。
10. 前記排気（１６）から前記複数のヒートパイプ（２４）に熱エネルギーを伝達するステップが、該排気（１６）の温度を約８００〜９００°Ｆに低下させる、請求項６記載の方法。

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