JP2011064451A - 直接蒸発装置及びエネルギー回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシステムから廃熱を回収する有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの使用は、作動流体と直接熱接触させるには排気温度が高すぎるという課題を有している。
【解決手段】熱源ガス１６入口３６及び出口３８、熱源ガス１６流路を定めるハウジング４４と、熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体１８を備え、熱交換管体１８が、有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、熱交換管体１８が作動流体入口４０及び作動流体出口４２を含み、熱交換管体１８は第１のゾーン２０、第２のゾーン２２、第３のゾーン２４とを定め、第１のゾーン２０が第３のゾーン２４とは直接流体連通していない。
【選択図】図１

Description

本発明は全体的に、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムに関し、より詳細には、直接蒸発装置及びこれを利用したエネルギー回収方法に関する。

多数の人間の活動により発生するいわゆる「廃熱」は、有用で、活用されていないことが多い資源に相当する。廃熱源は、煙道ガスを含めた、種々のタイプの高温燃焼排出ガスを含む。タービンなどの産業用ターボ機械は、高温ガス状排気ストリームの形態で回収可能な大量の廃熱を生成することが多い。

有機ランキンサイクルエネルギー回収システムは、タービンの高温ガスストリームから廃熱を取り込んで回収した熱を所望の出力に変換するために、小型又は中型のガスタービン用の組み込み装置として開発されてきた。有機ランキンサイクルでは、熱は、閉ループで有機流体（通常は、作動流体と呼ばれる）に伝達される。作動流体は、廃熱との熱接触により加熱され、タービンなどの仕事抽出装置を通じて膨張され、膨張運動エネルギーが、膨張しているガス状作動流体からタービンの稼働構成部品に伝達される。これにより機械エネルギーが生成され、例えば、電気エネルギーに変換することができる。そのエネルギー含量の一部がタービンに伝達されたガス状作動流体は、次に、液相に凝縮され、再利用のため閉ループの加熱段に戻される。このような有機ランキンサイクルで使用される作動流体は通常、周囲条件下で液体の炭化水素である。従って、作動流体は、高温で劣化を生じやすい。例えば、タービン排気ストリームから高温の熱源ガスに典型的な５００℃の温度では、高度に安定している炭化水素であっても劣化が開始される。更に悪いことには、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムで有用な炭化水素作動流体は、５００℃よりも遙かに低い温度で劣化が始まる可能性がある。従って、ガスタービンシステムから廃熱を回収する有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの使用は、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの作動流体と直接熱接触させるには排気温度が高すぎるという難しい選択に直面している。

上述の問題を回避するために、一般的には中間熱流体システムを用いて、排気ガスからの熱を有機ランキンサイクルボイラーに送る。１つの実施例において、中間熱流体システムは、オイル充填コイルであり、有機ランキンサイクルボイラー内の作動流体の温度を適度に加減する。しかしながら、中間熱流体システムは、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの全体コストの有意な部分を占める可能性がある。更に、中間熱流体システムは、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの複雑さを増大させ、存在することによってエネルギー回収の全体効率が低下する追加構成要素に相当する。

従って、改善された有機ランキンサイクルシステムは、上述の問題の１つ又はそれ以上に対処するのが望ましい。

米国特許第６，５３９，７１８号公報

１つの態様において、本発明は、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムで使用するための直接蒸発装置を提供し、該直接蒸発装置が、 （ａ）熱源ガス入口及び熱源ガス出口を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジングと、
（ｂ）熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体と、
を備え、
熱交換管体は、有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、該熱交換管体が作動流体入口及び作動流体出口を含み、該熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーンと、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーンと、第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーンとを定め、作動流体入口が第１のゾーンと直接流体連通しており、作動流体出口が第３のゾーンと直接流体連通しており、第１のゾーンは第３のゾーンとは直接流体連通していない。

別の態様において、本発明は、有機ランキンサイクルエネルギー回収システムを提供し、該有機ランキンサイクルエネルギー回収システムは、（ａ）（ｉ）熱源ガス入口及び熱源ガス出口を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジングと、（ｉｉ）熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体と、を有する直接蒸発装置を備え、熱交換管体が有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、熱交換管体が作動流体入口及び作動流体出口を含み、熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーンと、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーンと、第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーンとを定め、作動流体入口が第１のゾーンと直接流体連通しており、作動流体出口が第３のゾーンと直接流体連通しており、
当該有機ランキンサイクルエネルギー回収システムが更に、
（ｂ）仕事抽出装置と、
（ｃ）凝縮器と、
（ｄ）ポンプと、
を備え、
直接蒸発装置、仕事抽出装置、凝縮器、及びポンプが閉ループとして動作するよう構成される。

更に別の態様において、本発明は、エネルギー回収方法を提供し、該方法が、（ａ）液体作動流体を包含する直接蒸発装置内に、ある温度の熱源ガスを導入する段階と、（ｂ）温度Ｔ１の熱源ガスからの熱を作動流体に伝達し、過熱ガス状作動流体と、温度Ｔ２の熱源ガスとを生成する段階と、（ｃ）仕事抽出装置を通じて温度Ｔ３の過熱ガス状作動流体を膨張させ、機械的エネルギーと、温度Ｔ４のガス状作動流体とを生成する段階と、（ｄ）ガス状作動流体を凝縮して、液相作動流体を生成する段階と、（ｅ）液相作動流体を直接蒸発装置に戻す段階と、を含み、当該直接蒸発装置が、
熱源ガス入口及び熱源ガス出口を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジングと、熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体と、を備え、熱交換管体が作動流体を収容するよう構成され、熱交換管体が作動流体入口及び作動流体出口を含み、熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーンと、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーンと、第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーンとを定め、作動流体入口が第１のゾーンと直接流体連通しており、作動流体出口が第３のゾーンと直接流体連通しており、第１のゾーンは第３のゾーンとは直接流体連通していない。

本発明の１つの実施形態による直接蒸発装置の概略図。 本発明の１つの実施形態による直接蒸発装置の概略図。 本発明の１つの実施形態による熱性能特性のグラフ図。 従来の直接蒸発装置の熱性能特性のグラフ図。 本発明の１つの実施形態による有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの概略図。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるようになるであろう。

以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。

単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。

「任意」又は「場合により」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。

また、「頂部」、「底部」、「外向き」、「内向き」及び類似のものは、便宜的な用語であって、限定する用語として解釈すべきものではないことを理解されたい。更に、本発明の特定の特徴が、グループの幾つかの要素の少なくとも１つ及びその組合せを含むか或いはこれらからなると表現した場合には常に、この特徴は、グループの要素の何れかを単独で又はそのグループの他の要素の何れかとの組合せでの何れかで含む或いはこれらからなることができる点を理解されたい。

本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。場合によっては、この近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。同様に、「無し」は、ある用語と組み合わせて使用され、僅かな数又は微量を含んでもよいが、それでも尚、修飾されるその用語が存在しないものとみなされる。

上述のように、１つの実施形態において、本発明は、（ａ）熱源ガス入口及び熱源ガス出口を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジングと、（ｂ）該熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体と、を備えた有機ランキンサイクルエネルギー回収システムで使用するための直接蒸発装置を提供する。熱交換管体は、有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、該熱交換管体は、作動流体入口及び作動流体出口を含む。熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーンと、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーンと、第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーンとによって定められる。作動流体入口は、第１のゾーンと直接流体連通しており、作動流体出口は、第３のゾーンと直接流体連通している。第１のゾーンは、第３のゾーンとはと直接流体連通していない。

図１は、直接蒸発装置１０の概略図である。直接蒸発装置１０は、熱源ガス１６の供給源として機能する熱源１４に結合されて図１に示されている。直接蒸発装置は、熱源ガス入口３６及び熱源ガス出口３８を有するハウジング４４を含む。ハウジングは、当該入口から出口までの熱源ガス流路を定める。熱交換管体１８は、熱源ガス流路４６内に完全に配置される。本明細書で使用される用語「熱源ガス流路内に完全に配置される」とは、作動中に作動流体がハウジングの外壁を２回だけ、すなわち、作動流体が作動流体入口４０を介して直接蒸発装置に流入した時点と、作動流体が作動流体出口４２を介して直接蒸発装置から流出した時点とで横断するように、熱交換管体が直接蒸発装置のハウジング内に完全に配置されることを意味する。熱交換管体１８は、有機ランキンサイクル作動流体１２を収容するよう構成される。上述のように、図１に示す実施形態では、直接蒸発装置１０は、熱源ガス１６を提供するよう構成された熱源１４に結合されて図示されており、該熱源ガス１６は、熱源ガス入口３６を介して直接蒸発装置に流入して熱源ガス流路４６に沿って熱交換管体１８に接触し、作動流体１２と熱源ガス１６との間で作動流体１２を過熱しないように熱交換することができる。熱交換管体は、作動流体入口４０及び作動流体出口４２を含む。熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーン２０と、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーン２２と、熱源ガス流路に対して第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーン２４とを定める。熱源ガス入口３６にて直接蒸発装置に流入する熱源ガス１６は、熱交換管体１８のゾーン２２に最初に接触し、熱交換管体のゾーン２０に接触する前に熱交換管体のゾーン２４に接触しなくてはならないので、ゾーン２４は、ゾーン２２とゾーン２０との間にあると考えられている。ゾーン２０は、作動流体入口と直接流体連通しているので、この検討においては「第１のゾーン」と呼ばれる。ゾーン２２は、第１のゾーン２０と直接流体連通しているので、この検討においては「第２のゾーン」と呼ばれる。ゾーン２４は、第２のゾーンと直接流体連通しているので、この検討においては「第３のゾーン」と呼ばれる。第１のゾーン２０は、上記第３のゾーン２４と直接流体連通していない。本明細書で使用される用語「直接流体連通」とは、直接蒸発装置の構成部品間に介在するゾーンが存在しないことを意味する。従って、作動流体入口４０と第１のゾーン２０との間には直接流体連通が存在し、第１のゾーン２０と第２のゾーン２２との間には直接流体連通が存在し、第２のゾーン２２と第３のゾーン２４との間には直接流体連通が存在し、第３のゾーン２４と作動流体出口４２には直接流体連通が存在する。

液相の作動流体は、作動流体入口４０を介して直接蒸発装置の第１のゾーン２０に流入し、ここで熱交換管体のゾーン２２に向かって移動するときに予熱される。従って、第２のゾーン２２は、第１のゾーン２０から作動流体１２の流入を受け取り、作動流体１２を蒸発させる。図１に示すように、第２のゾーン２２は、熱源ガス入口３６を介して直接蒸発装置に流入する熱源１４からの熱源ガス１６が熱交換管体構成ゾーン２２の当該部分に接触し、熱源ガス１６と作動流体との間で該作動流体を蒸発させるのに十分な熱交換が生じるように構成される。直接蒸発装置への作動流体の流量及び熱交換管体のサイズなどの様々な作動要因を用いて、作動流体の過熱及び劣化を回避することができるように、熱交換管体の種々のゾーン内部の作動流体の温度を制御することができる。１つの実施形態において、ゾーン２２から出る蒸発した作動流体の温度２６は、約１５０℃から約３００℃の範囲の温度で維持することができる。１つの実施形態において、第２のゾーン２２から出る蒸発した作動流体の温度２６は、約２３０℃である。

上述のように、熱源ガス１６は、熱源ガス入口３６にて直接蒸発装置に流入し、該熱源ガス入口にて最も高温になる。１つの実施形態において、熱源ガス入口にて直接蒸発装置に流入する熱源ガスは、約４００℃と約６００℃の間の範囲の温度である。代替の実施形態では、熱源ガス入口にて直接蒸発装置に流入する熱源ガスは、約４００℃と約５００℃の間の範囲の温度である。更に別の実施形態では、熱源ガス入口にて直接蒸発装置に流入する熱源ガスは、約４５０℃と約５００℃の間の範囲の温度である。上述のように、熱源ガスは最初に、蒸発ゾーンと呼ばれることもあるゾーン２２に遭遇し、熱源ガスから熱交換管体構成ゾーン２２の一部に熱が伝達されるときに冷却される。例えばバッファ及び流れチャンネルなど、熱源ガス流路内に存在する内部構造（図１には図示されていない）は、熱源ガスの流れを入口から熱交換管体のゾーン２２と接触するように配向する。ゾーン２２と接触した後、熱源ガスはゾーン２４と接触するように配向される。当業者であれば、ゾーン２４に接触する熱源ガスは、ゾーン２２に接触する熱源ガスよりも低温３０であることを理解するであろう。熱交換管体のゾーン２４と接触する熱源ガスが低温３０であるにもかかわらず、熱源ガスは、ゾーン２４において熱交換管体に接触するときに、ゾーン２４内の作動流体を過熱するのに十分な熱を包含している。温度２８を有する過熱作動流体は、作動流体出口４２にて直接蒸発装置から流出する。熱源ガスが、その熱エネルギーを過熱器ゾーンとも呼ばれるゾーン２４に伝達すると、熱源ガスは更に冷却される。従って、ゾーン２４で熱交換管体に接触し、温度３２を有する熱源ガスは、熱源流路を定める内部構造を用いて、予熱器ゾーンとも呼ばれるゾーン２０と接触するように配向される。

図１及び図２により提示される本発明の幾つかの実施形態により提供される利点の１つは、熱源ガス入口及び蒸発ゾーンの相対位置、並びに作動中に熱源ガスが蒸発ゾーン、加熱器ゾーン、及び予熱器ゾーンに接触する順序と相まって、熱交換管体が直接蒸発装置ハウジングの境界内に完全に配置される直接蒸発装置構成によってもたらされる。従って、熱源ガス１６が第３のゾーン２４に流入する前に第２のゾーン２２に流入可能にすることにより、熱源ガスがその熱の大部分を蒸発ゾーンにおいて作動流体に伝達した後に過熱段階が起こり、よって、過熱器ゾーンに接触する熱源ガスと、過熱器から出る過熱作動流体との間の温度差は、熱源ガスが過熱器に直接接触する構成に比べて小さくなる。これは、過熱作動流体が顕著で有害な劣化を受ける可能性がある過熱器中のホットスポットを阻止するよう機能することができる。従って、熱源１４からの比較的高温の熱源ガス１６との接触に起因した作動流体膜の潜在的劣化が排除される。上述のように、熱交換管体の構成は、直接蒸発装置ハウジングの境界内に完全に配置されている。この設計特徴はまた、ハウジングにより定められる「熱源ガス流路内に完全に配置される」といわれることもある。炭化水素である作動流体は、極めて可燃性があり、特定条件下では爆発力を伴って燃焼する点は理解されるであろう。従って、本発明により提供される直接蒸発装置は、既知の直接蒸発装置に比べ設計単純化が付加され、この設計単純化により、本発明による直接蒸発装置を備えた有機ランキンサイクルエネルギー回収システムの全体的な安全性を向上させることができる。

図１を参照すると、温度３２を有する熱源ガスは、第３のゾーン２４から出て、第１のゾーン２０に運ばれる。１つの実施形態において、熱源ガスの温度３２は、約３７５℃から約４５０℃の範囲にある。上述のように、第１のゾーン２０は、液相の作動流体１２を収容する。熱交換管体構成ゾーン２０の当該部分にわたり熱が伝達されると、作動流体の温度が上昇し、熱源ガスの温度が更に低下し、熱源ガスは熱源ガス出口に配向されて外に排出されたときには、作動流体入口における熱源ガス温度、すなわち熱源ガス温度３０及び３２に比べて更に低温３４になる。

上述のように、作動流体は、１つの実施形態において炭化水素とすることができる。炭化水素の非限定的な実施例は、シクロペンタン、ｎ−ペンタン、メチルシクロブタン、イソペンタン、シクロペンタンプロパン、ブタン、ｎ−ヘキサン、及びシクロヘキサンを含む。別の実施形態では、作動流体は、２つ又はそれ以上の炭化水素の混合気とすることができる。１つの実施形態において、作動流体は、例えば、シクロヘキサン−プロパン、シクロヘキサン−ブタン、シクロペンタン−ブタン、シクロペンタン−シクロヘキサン混合物など、二流体である。更に別の実施形態では、炭化水素である作動流体は、メチルシクロブタン、シクロペンタン、イソペンタン、シクロヘキサン、及びシクロペンタンからなる群から選択される。

本発明の種々の実施形態において、熱源は、熱源ガス入口を介した直接蒸発装置への導入が可能なガスストリームを生成するのに用いることができるあらゆる熱源とすることができる。１つの実施形態において、熱源はガスタービンであり、これからの排出ガスが熱源ガスとして使用することができる。他の熱源は、家庭用衣服乾燥器、空調ユニット、冷蔵庫、及び燃料燃焼中に生成されるガスストリーム（例えば煙道ガス）など、家庭用、業務用、及び工業用熱源からの排出ガスを含む。１つの実施形態において、熱源として地熱が利用される。

図２は、本発明の１つの実施形態による、直接蒸発装置６０の概略図である。図２に示す直接蒸発装置６０は、熱源ガス１６の発生源として機能する熱源１４（図１）に結合することができる。直接蒸発装置は、熱源ガス入口３６及び熱源ガス出口３８を有するハウジング４４を含む。熱交換管体５２は、熱源ガス流路４６内に完全に配置される。図２では、熱源ガス流路４６は、基本的に、ハウジング壁４８により定められる直接蒸発装置の内部全体と、熱交換管体５２により占有されない直接蒸発装置の内部のスペースである。熱交換管体は、作動中に作動流体が２回だけ、すなわち、作動流体が作動流体入口４０を介して直接蒸発装置に流入した時点と、作動流体が作動流体出口４２を介して直接蒸発装置から流出した時点とでハウジングを出入りするように、有機ランキンサイクル作動流体１２を収容するように構成される。作動流体は、熱交換管体５２により定められる作動流体流路に沿って移動する。図２に示す実施形態では、熱交換管体５２は、ハウジング壁４８内に熱交換管体５２の一部５０を埋め込むことによって、直接蒸発装置ハウジング４４内に固定されて図示されている。図２に示す実施形態では、ハウジング壁内に埋め込まれた熱交換管体の一部５０は熱源ガス流路の領域外にあるが、依然として直接蒸発装置６０のハウジング４４内全体に留まっている。従って、図２に示す熱交換管体５２の構成は、熱交換管体が「熱源ガス流路内に完全に配置される」要件を満たしている。この限度を表す等価的な代替の方法は、作動中に作動流体１２が２回だけ、すなわち、作動流体が作動流体入口４０を介して直接蒸発装置に流入した時点と、作動流体が作動流体出口４２を介して直接蒸発装置から流出した時点とでハウジング４４の外壁を移動するように、熱交換管体５２が直接蒸発装置６０のハウジング４４内に完全に配置されることである。熱交換管体の部分５０以外は、熱交換管体５２は熱源ガス流路４６内にある。熱交換管体５２は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口に隣接する第１のゾーン２０（予熱器ゾーン）と、熱源ガス入口に隣接する第２のゾーン２２（蒸発器ゾーン）と、第１のゾーン及び第２のゾーン間に配置される第３のゾーン２４（過熱器ゾーン）とを定める。第１のゾーン２０は、上記第３のゾーン２４と直接流体連通していない。作動流体入口４０は、上記第１のゾーン２０と直接流体連通している。作動流体出口４２は、上記第３のゾーン２４と直接流体連通している。１つの実施形態において、熱交換管体は、第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンの各々において複数の湾曲部を含む。１つの実施形態において、熱交換管体５２は、第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンの各々において平行な列で構成される。１つの実施形態において、熱交換管体の第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンの各々は、少なくとも１つの列を成して構成される。

図２に示す直接蒸発装置を作動させている間、熱源ガス入口３６に流入する熱源ガス１６は、最初に第２のゾーン２２に遭遇する。熱源ガス１６からの熱は、第２のゾーン２２に存在する作動流体１２に伝達され、この伝達される熱は、第２のゾーンに存在する作動流体の少なくとも一部を蒸発させるのに十分なものである。熱源ガス入口３６にて直接蒸発装置に流入する熱源ガスよりも相対的に低い温度及び熱含量を有する熱源ガスは、次に、第３のゾーン２４に遭遇し、ここで作動流体が過熱され、過熱された作動流体は、作動流体出口４２を介して直接蒸発装置から流出する。第３のゾーン２４において最初に熱交換管体に遭遇する熱源ガスよりも相対的に低い温度及び熱含量を有する熱源ガスは、次に、第１のゾーン２０に遭遇し、ここで液相の作動流体が作動流体入口４０にて流入し、液相のまま予熱される。第１のゾーン２０の作動流体は、熱交換管体に沿って第２のゾーン２２に誘導され、ここで蒸発して第３のゾーン２４に供給される。

図３は、図２に示すように構成された直接蒸発装置に関して、熱源ガス入口３６から熱源ガス出口３８への熱源ガス１６の直線流を仮定したモデルを用いたシミュレーション実験から得られた結果を示している。Ｘ軸８８は熱源ガス出口３８からの距離を表し、該熱源ガス出口３８は、熱源ガス出口３８から０ユニットの距離にあると定義され、熱源ガス入口３６は、熱源ガス出口３８から１ユニットの距離にあると定義される。図３で例示されるシミュレーション研究において、所与の温度は、熱源ガス出口３８からの種々の距離での直接蒸発装置内の理想点におけるものである。直接蒸発装置内の特定の理想点間の距離は、本明細書では「流動長」と呼ぶことがある。Ｙ軸９０は、熱源ガス出口からの距離の関数として熱源ガスの摂氏単位の温度７８と、熱源ガス出口からの距離の関数として熱交換管体の内壁における作動流体の温度８０（この温度８０は、本明細書では「フィルム温度」と呼ばれることがある）と、熱源ガス出口からの距離の関数として熱交換管体内の作動流体のバルク温度８２とを示している。図３に示す実験では、熱源ガスの温度７８は、熱源ガス出口からの最大距離において５００℃を上回り、熱が作動流体に伝達されるにつれて熱源ガス出口（「流動長さ」＝０ユニット）にて約１００℃にまで低下する。熱交換管体は、図２に示すように直接蒸発装置内に構成され、図示された第１のゾーン７２、第２のゾーン７６、及び第３のゾーン７４の３つのゾーンを定める。熱源ガスが最も高温である第２のゾーン７６の作動流体は、第３のゾーン７４（本明細書では過熱器ゾーンとも呼ばれる）の作動流体よりも低温に維持される。第１のゾーン７２（本明細書では予熱器ゾーンとも呼ばれる）と接触した作動流体のフィルム温度８０は、第１のゾーン７２での約８０℃から、作動流体が第２のゾーン７６に流入すると約２４４℃まで上昇し、作動流体が第３のゾーン７４に流入すると２７３℃にまで上昇する。シミュレーション実験は、図２と同様に構成された直接蒸発装置が、典型的な作動流体の熱分解閾値温度（３００℃）を遙かに下回る温度域で作動できることを示唆している。作動流体のバルク温度８２はまた、第３のゾーン７４で生じる最高温度の作動流体バルク温度と同様の類似パターンを辿る。特に第３のゾーン７４において、作動流体バルク温度８２と作動流体フィルム温度８０との間の狭いギャップは、第３のゾーン７４でフィルム温度の安定性が向上したことを示しており、熱交換管体内で到達する最高温度は、熱源ガスの温度が上昇しても分解閾値温度を遙かに下回る望ましい範囲内に収まる温度にまで制限される。

図４は、図２の流れ構成を利用することなく、従来の直接蒸発装置の第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンにおける熱源ガスの温度１０８、作動流体のフィルム温度１１０、及び作動流体のバルク温度１１２のグラフ１００である。実験は、図３で実施し例示したものと基本的に同じであるが、過熱器ゾーン１０６が熱源ガス入口に隣接し、蒸発ゾーン１０４が過熱器に隣接し、予熱器ゾーン１０２が熱源ガス出口に隣接しているように熱交換管体が構成された点で異なっていた。他の点では、図３に示す実験で使用された規定、仮定、及び定義は、図４に示す実験でも使用した。流動長さとも呼ばれるＸ軸は、図面要素１１４で表記されている。Ｙ軸（摂氏単位の温度）は、図面要素１１８で表記される。同様に、グラフ１００はシミュレーション実験の結果であることが想起される。熱交換管体の壁と接触する作動流体の温度１１０は、過熱器ゾーン１０６内で約３００℃よりも高いこと、並びに、バルク作動流体の温度と熱交換管体の壁における作動流体の温度間の第３のゾーン１０６内での温度ギャップが、図３で観測された対応するギャップよりも有意に大きいことに留意されたい。

図５を参照すると、本発明の１つの実施形態による、有機ランキンサイクルエネルギー回収システム１３０が示されている。図示の有機ランキンサイクルエネルギー回収システム１３０は、有機ランキンサイクルシステム１７２を含む。作動流体１７４は、有機ランキンサイクル１３０を通じて循環される。有機ランキンサイクルシステムは、例えば、熱発生システム１３２（例えば、エンジン）の排気ユニットなど、熱源１４０に結合される直接蒸発装置１４６を含む。１つの実施例において、エンジンの排気ユニットの温度は、約４００℃から５００℃の範囲とすることができる。直接蒸発装置１４６は、図１で説明するように構成され、熱源１４０により発生した熱源ガス又は排気ガス１４４からの熱を受け取り、作動流体蒸気１５４を発生する。１つの実施例において、作動流体蒸気は、圧力１９ｂａｒ、温度２２５℃とすることができる。作動流体蒸気は、膨張器１５６（１つの実施例は半径方向膨張器を含む）を通過し、仕事抽出装置（例えば、発電機ユニット１５８）を駆動する。１つの実施形態において、仕事抽出装置はタービンである。１つの実施形態において、膨張器は、軸方向型膨張器、インパルス膨張器、又は高温スクリュー型膨張器とすることができる。１つの実施形態において、エネルギー回収システムは、タービンバイパスダクト（図示せず）を含むことができる。膨張器１５６を通過した後、比較的低圧低温での第１の作動流体蒸気１６０は、熱交換器として機能することができる復熱装置１６２を通過する。作動流体蒸気は、凝縮器１６４を用いて液体に凝縮され、次いでポンプ１６６により直接蒸発装置１４６に圧送される。１つの実施例において、凝縮された作動流体は、圧力１．４ｂａｒ及び９５℃で直接蒸発装置１４６に供給することができる。直接蒸発装置、仕事抽出装置、凝縮器及びポンプは、閉ループとして動作するよう構成される。次いで、サイクルは、繰り返すことができる。

１つの実施形態において、エネルギー回収方法が提供される。本方法は、
（ａ）液体作動流体を包含する直接蒸発装置内に、ある温度の熱源ガスを導入する段階と、
（ｂ）温度Ｔ１の前記熱源ガスからの熱を前記作動流体に伝達し、過熱ガス状作動流体と、温度Ｔ２の熱源ガスとを生成する段階と、
（ｃ）仕事抽出装置を通じて温度Ｔ３の過熱ガス状作動流体を膨張させ、機械的エネルギーと、温度Ｔ４のガス状作動流体とを生成する段階と、
（ｄ）前記ガス状作動流体を凝縮して、液相作動流体を生成する段階と、
（ｅ）前記液相作動流体を前記直接蒸発装置に戻す段階と、
を含む。１つの実施形態において、熱源ガスは、約４００℃から約６００℃の範囲の温度Ｔ１を有する。別の実施形態において、熱源ガスは、約４００℃から約５５０℃の範囲の温度Ｔ１を有する。１つの実施形態において、熱源ガスは、約１００℃から約２５０℃の範囲の温度Ｔ２を有する。別の実施形態において、過熱ガス状作動流体は、約２００℃から約３００℃の範囲の温度Ｔ３を有する。１つの実施形態において、第１のゾーンの作動流体は、約２０℃から約１５０℃の範囲の温度である。別の実施形態において、第２のゾーンの作動流体は、約５０℃から約３００℃の範囲の温度である。更に別の実施形態において、第３のゾーンの作動流体は、約２００℃から約３００℃の範囲の温度である。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。）本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 直接蒸発装置
１２ 作動流体
１４ 熱源
１６ 熱源ガス
１８ 熱交換管体
２０ 第１のゾーン
２２ 第２のゾーン
２４ 第３のゾーン
２６ ゾーン２２から出る作動流体の高い温度
２８ ゾーン２４から出る作動流体の比較的高い温度
３０ 熱源ガスの低い温度
３２ ゾーン２４から出る熱源ガスの高い温度
３４ 熱源ガス出口から出る熱源ガスの低い温度
３６ 熱源ガス入口
３８ 熱源ガス出口
４０ 作動流体入口
４２ 作動流体出口
４４ ハウジング
４６ 熱源ガス流路
４８ ハウジングの壁
５０ ハウジングの壁に埋め込まれた熱交換管体の一部
５２ 作動流体流路
６０ 直接蒸発装置
７０ グラフ
７２ 第１のゾーン
７４ 第３のゾーン
７６ 第２のゾーン
７８ 熱源ガスの温度のグラフ
８０ 作動流体のフィルム温度のグラフ
８２ バルク温度グラフ
８４ 作動流体流路
８８ Ｘ軸
９０ Ｙ軸
１００ グラフ
１０２ 第１のゾーン
１０４ 第２のゾーン
１０６ 第３のゾーン
１０８ 熱源ガスの温度のグラフ
１１０ 作動流体のフィルム温度のグラフ
１１２ バルク温度グラフ
１１４ 作動流体流路
１１６ Ｘ軸
１１８ Ｙ軸
１３０ 有機ランキンサイクルエネルギー回収システム
１３２ 熱源（熱発生システムの排気ユニット）
１４４ 熱源ガス
１４６ 直接蒸発装置
１５０ 作動流体蒸気
１５６ 膨張器
１５８ 仕事抽出装置
１６０ 作動流体蒸気
１６２ 復熱装置
１６４ 凝縮器
１６６ ポンプ
１７２ 有機ランキンサイクル
１７４ 作動流体

Claims (10)

1. 有機ランキンサイクルエネルギー回収システムで使用するための直接蒸発装置（１０、６０、１４６）であって、
   （ａ）熱源ガス入口（３６）及び熱源ガス出口（３８）を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路（４６）を定めるハウジング（４４）と、
   （ｂ）前記熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体（１８）と、
   を備え、
   前記熱交換管体が、有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、前記熱交換管体が作動流体入口（４０）及び作動流体出口（４２）を含み、前記熱交換管体は、３つのゾーン、すなわち、前記熱源ガス出口（３８）に隣接する第１のゾーン（２０、７２、１０４）と、前記熱源ガス入口（３６）に隣接する第２のゾーン（２２、７６、１０４）と、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）及び前記第２のゾーン（２２、７６、１０４）間に配置される第３のゾーン（２４、７４、１０６）とを定め、前記作動流体入口（４０）が前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）と直接流体連通しており、前記作動流体出口（４２）が前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）と直接流体連通しており、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）が前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）とは直接流体連通していない、
   直接蒸発装置（１０、６０、１４６）。
2. 前記熱交換管体（１８）が、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）、前記第２のゾーン（２２、７６、１０４）、及び前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）の各々において複数の湾曲部を含む、
   請求項１に記載の直接蒸発装置（１０、６０、１４６）。
3. 前記熱交換管体（１８）の前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）、前記第２のゾーン（２２、７６、１０４）、及び前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）の各々が、少なくとも１つの列で構成される、
   請求項２に記載の直接蒸発装置（１０、６０、１４６）。
4. 有機ランキンサイクルエネルギー回収システム（１３０）において、
   （ａ）（ｉ）熱源ガス入口（３６）及び熱源ガス出口（３８）を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジング（４４）と、（ｉｉ）前記熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体（１８）と、を有する直接蒸発装置（１０、６０、１４６）を備え、
   前記熱交換管体（１８）が、有機ランキンサイクル作動流体を収容するよう構成され、前記熱交換管体（１８）が作動流体入口（４０）及び作動流体出口（４２）を含み、前記熱交換管体（１８）は、３つのゾーン、すなわち、前記熱源ガス出口（３８）に隣接する第１のゾーン（２０、７２、１０４）と、前記熱源ガス入口（３６）に隣接する第２のゾーン（２２、７６、１０４）と、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）及び前記第２のゾーン（２２、７６、１０４）間に配置される第３のゾーン（２４、７４、１０６）とを定め、前記作動流体入口（４０）が前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）と直接流体連通しており、前記作動流体出口（４２）が前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）と直接流体連通しており、
   前記有機ランキンサイクルエネルギー回収システム（１３０）が更に、
   （ｂ）仕事抽出装置（１５８）と、
   （ｃ）凝縮器（１６４）と、
   （ｄ）ポンプ（１６６）と、
   を備え、
   前記直接蒸発装置、前記仕事抽出装置（１５８）、前記凝縮器（１６４）、及び前記ポンプ（１６６）が閉ループとして動作するよう構成される、
   エネルギー回収システム。
5. 復熱装置（１６２）を更に備える、
   請求項４に記載のエネルギー回収システム。
6. 前記仕事抽出装置（１５８）がタービンを含む、
   請求項４に記載のエネルギー回収システム。
7. タービンバイパスダクトを更に備える、
   請求項６に記載のエネルギー回収システム。
8. エネルギー回収方法であって、
   （ａ）液体作動流体を包含する直接蒸発装置内（１０、６０、１４６）に、ある温度の熱源ガス（１６）を導入する段階と、
   （ｂ）温度Ｔ１（３２）の前記熱源ガス（１６）からの熱を前記作動流体に伝達し、過熱ガス状作動流体（１５０）と、温度Ｔ２（３４）の熱源ガスとを生成する段階と、
   （ｃ）仕事抽出装置（１５８）を通じて温度Ｔ３（２４）の過熱ガス状作動流体を膨張させ、機械的エネルギーと、温度Ｔ４（２８）のガス状作動流体とを生成する段階と、
   （ｄ）前記ガス状作動流体を凝縮して、液相作動流体を生成する段階と、
   （ｅ）前記液相作動流体を前記直接蒸発装置に戻す段階と、
   を含み、
   前記直接蒸発装置（１０、６０、１４６）が、
   熱源ガス入口（３６）及び熱源ガス出口（３８）を含み、該入口から出口まで熱源ガス流路を定めるハウジング（４４）と、
   前記熱源ガス流路内に完全に配置される熱交換管体（１８）と、
   を備え、
   前記熱交換管体（１８）が作動流体を収容するよう構成され、前記熱交換管体（１８）が作動流体入口（４０）及び作動流体出口（４２）を含み、前記熱交換管体（１８）は、３つのゾーン、すなわち、前記熱源ガス出口（３８）に隣接する第１のゾーン（２０、７２、１０４）と、前記熱源ガス入口（３６）に隣接する第２のゾーン（２２、７６、１０４）と、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）及び前記第２のゾーン（２２、７６、１０４）間に配置される第３のゾーン（２４、７４、１０６）とを定め、前記作動流体入口（４０）が前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）と直接流体連通しており、前記作動流体出口（４２）が前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）と直接流体連通しており、前記第１のゾーン（２０、７２、１０４）が前記第３のゾーン（２４、７４、１０６）とは直接流体連通していない、
   方法。
9. 前記熱源ガスが、約４００℃から約６００℃の範囲の温度Ｔ１（３２）を有する、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記熱源ガスが、約１００℃から約２５０℃の範囲の温度Ｔ２（３４）を有する、
    請求項８に記載の方法。