JP2013151931A - 廃熱回収システム - Google Patents

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Abstract

【課題】現在実用されている冷媒によるサイクル温度より高いサイクル温度で動作して、システム効率及び出力が高い有機ランキンサイクルを実施する廃熱回収システムを提供する。
【解決手段】廃熱回収システム１０が、カスケード構成に配列された複数の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システム１４，１６，１８を含む。各ＯＲＣシステム１４，１６，１８は、作動流体に熱を伝達して作動流体を気化させる熱交換器４２，４６，５０を含む。各ＯＲＣシステム１４，１６，１８はまた、作動流体を膨脹させて発電する一体型発電モジュール２０，２２，２４を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する主題は、廃熱回収システムに関し、より詳細には、作動流体として無極性有機溶媒を使用する廃熱回収システムに関する。
廃熱回収システムは、産業及び商業の工程及び稼働からの、約５００℃より低い温度を有する熱など、低位熱（ｌｏｗ−ｇｒａｄｅ ｈｅａｔ）を回収するために使用されてよい。たとえば、廃熱回収システムは、ガスタービンで発生した高温の排気ガスから低位熱を回収するために使用されてよい。有機作動流体を循環させることによって有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を実施する廃熱回収システムは、有機作動流体の比較的低い相転移エンタルピー（ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｅｎｔｈａｌｐｙ）に起因して、低位熱を回収することにおいてとりわけ効率の良いものでありうる。
米国特許出願公開第２０１１／００６１３８８号明細書
一般に、ＯＲＣシステムは、膨脹と加圧のサイクルを介して閉ループ内で有機作動流体を循環させて、熱を仕事に変換することができる。たとえば、作動流体は、熱交換器を介して案内され、そこで、排気ガスなどの熱源から熱を吸収して、気化することができる。気化した作動流体は、次いで、タービンを横断して膨脹し、発電する発電機などの負荷を駆動することができる。膨脹した作動流体は、次いで、別の熱交換器に案内されてよく、作動流体が液体に凝縮される。液体作動流体は、次いで、ポンプ内で加圧されて第１の熱交換器に戻ることができる。典型的なＯＲＣシステムは、有機作動流体としてＲ１４３ａ又はＲ２４５ｆａなどの冷媒を使用して、約８０℃〜１００℃の温度で動作することができる。しかし、システム効率及び出力（ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ）を高めるために、より高いサイクル温度で動作することが望ましい。
本来主張する本発明の範囲に相応するいくつかの実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、主張する本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することだけを意図している。実際に、本発明は、以下に説明する実施形態と類似するか又は異なる種々の形態を包含することができる。
第１の実施形態では、廃熱回収システムは、第１の有機ランキンサイクルシステム、第２の有機ランキンサイクルシステム及び第３の有機ランキンサイクルシステムを含む。第１の有機ランキンサイクルシステムは、熱源から第１の作動流体に熱を伝達して、第１の作動流体を気化するように構成された第１の熱交換器と、第１の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第１の一体型発電モジュール（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ）とを含む。第２の有機ランキンサイクルは、第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達して、第２の作動流体を気化するように構成された第２の熱交換器と、第２の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第２の一体型発電モジュールとを含む。第３の有機ランキンサイクルシステムは、第２の作動流体から第３の作動流体に熱を伝達して、第３の作動流体を気化するように構成された第３の熱交換器と、第３の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第３の一体型発電モジュールとを含む。
第２の実施形態では、廃熱回収システムは、第１の有機ランキンサイクルシステムと、第２の有機ランキンサイクルシステムと、第３の有機ランキンサイクルシステムとを含む。第１の有機ランキンサイクルシステムは、熱源から第１の作動流体に熱を伝達して、第１の作動流体を気化するように構成された第１の熱交換器と、第１の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第１の一体型発電モジュールとを含む。第２の有機ランキンサイクルは、第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達して、第２の作動流体を気化するように構成された第２の熱交換器と、第２の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第２の一体型発電モジュールとを含む。第３の有機ランキンサイクルシステムは、第２の作動流体からシクロヘキサンに熱を伝達して、シクロヘキサンを気化するように構成された第３の熱交換器と、タービンと永久磁石発電機とを含む第３の一体型発電モジュールとを含む。タービンは、シクロヘキサンを膨脹させ、永久磁石発電機を駆動して発電するように構成される。
第３の実施形態では、方法は、第１の作動流体を加熱し、膨脹させて、第１の一体型発電モジュール内で発電するために、第１の有機ランキンサイクルを介して第１の作動流体を循環させるステップを含む。方法はまた、第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達し、第２の作動流体を膨脹させて第２の一体型発電モジュール内で発電するために、第２の有機ランキンサイクルを介して第２の作動流体を循環させるステップを含む。方法は、第２の作動流体から第３の作動流体に熱を伝達し、第３の作動流体を膨脹させて第３の一体型発電モジュール内で発電するために、第３の有機ランキンサイクルを介して第３の作動流体を循環させるステップをさらに含む。
本発明の上記及び他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面と併せ読めば、より深く理解されよう。図面を通して、同じ文字は同じ部品を表す。
廃熱回収システムの一実施形態の図である。 廃熱回収システムの別の実施形態の図である。 廃熱回収システムの他の実施形態の図である。 図１、図２及び図３の廃熱回収システム内で使用されうる一体型発電モジュールの一実施形態の断面図である。
本発明の１つ又は複数の特定の実施形態を、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実施のすべての特徴が、本明細書に説明されるものではない。任意のエンジニアリング又は設計のプロジェクトにおけるように、そのような実際の実施の開発においては、実施毎に変化する、システム関連及びビジネス関連の制約の順守など、開発者に特定の目標を達成するために、実施に特有の多くの決定がなされる必要があることを理解されたい。そのうえ、そのような開発努力は、複雑で時間がかかるものであるにもかかわらず、本開示の便益を受ける当業者にとっては、設計、製作及び製造のルーチン作業であることを理解されたい。
本発明の種々の実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」「その（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味することが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であり、列挙された要素以外に付加的な要素が存在してよいことを意味することが意図される。
本開示は、作動流体として無極性有機溶媒を使用する廃熱回収システムを対象にする。Ｒ１３４ａ又はＲ２４５ｆａなどのより低温の流体を使用し、約８０℃〜１２０℃のサイクル温度で動作する伝統的な廃熱回収システムと比べて、作動流体として無極性有機溶媒を使用することで、廃熱回収システムが比較的、より高いサイクル温度（たとえば１８０℃〜２５０℃）で動作することが可能になる。いくつかの実施形態によれば、無極性有機溶媒は、トルエン及び／又はシクロヘキサンを含んでよい。さらに、無極性有機溶媒は、プロパン、ブタン、イソブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、イソヘキサン、ヘキサン、又はそれらの組合せ、他など、シクロヘキサンより低い溶解度を有する無極性有機溶媒を含んでよい。本明細書で説明する無極性有機溶媒の使用は、約１００℃〜３００℃、より具体的には約１５０℃〜２５０℃及びその間のすべての小範囲の、低温から中温の範囲の熱の回収に、とりわけ適切でありうる。
廃熱回収システムは、カスケード構成（ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に配列された複数の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムを含んでよく、連続するＯＲＣシステムのそれぞれは、先行するＯＲＣシステムより低いサイクル温度で動作する。各ＯＲＣシステムは、作動流体を膨脹と加圧のサイクルを介して案内し、廃熱を電気に変換することができる。とりわけ、各ＯＲＣシステムは、１つの単一筐体内にタービン及び発電機を含む一体型発電モジュールを含んでよい。作動流体は一体型発電モジュールに気相で入り、タービンを通して流れるのにつれて膨脹し、その結果、発電機を駆動して発電することができる。タービンを出る作動流体は、発電機の構成要素のそばを通って案内されてよく、発電機に冷却をもたらす。さらに、いくつかの実施形態では、シール（ｓｅａｌ）を介して流れる作動流体など、作動流体の一部が、タービンをバイパスして、タービンを出る作動流体と一緒になってよい。バイパス作動流体はまた、発電機に冷却をもたらすために使用されてよい。従って、一体型発電モジュールの内部構成要素は、一体型発電モジュールを通して上昇した温度で流れる作動流体に適合するように設計されてよい。たとえば、いくつかの実施形態によれば、作動流体と電気巻線との接触を阻止するために、保護層が、発電機の電気巻線の上及び／又は周囲に配置されてよい。
図１は、作動流体として無極性有機溶媒を使用して、廃熱を電気に変換することができる廃熱回収システム１０を示す。廃熱回収システム１０は、熱源１２から熱を回収することができる。いくつかの実施形態によれば、熱源１２は、ガスタービンエンジン、マイクロタービン、レシプロエンジンで発生した排気ガスであってよく、或いは地熱、太陽熱、産業、化学若しくは石油化学処理、又は居住施設の熱源であってよい。しかし、他の実施形態では、熱源１２は、５００℃の高さの温度でありうる廃熱を発生する任意の適切な発電システムによってもたらされてよい。
廃熱回収システム１０は、ＯＲＣシステムの間で熱を伝達するために、高効率のカスケード構成に配列された、複数のＯＲＣシステム１４、１６及び１８を含む。各ＯＲＣシステム１４、１６及び１８は、ＯＲＣシステム１４、１６及び１８内のランキンサイクルを介して作動流体を循環させる閉ループを含んでよい。高温ＯＲＣシステム１４は、熱源１２から熱を受けて、ＯＲＣシステム１４内で作動流体を気化させることができる。高温ＯＲＣシステム１４からの熱は、次いで、中温ＯＲＣシステム１６に伝達されて、中温ＯＲＣシステム１６内の作動流体を気化させることができる。そのうえ、中温ＯＲＣシステム１６からの熱は、次いで、低温ＯＲＣシステム１８に伝達されて、低温ＯＲＣシステム１８内の作動流体を気化させることができる。
各ＯＲＣシステム１４、１６及び１８は、無極性有機作動流体を循環させることができる。いくつかの実施形態によれば、ＯＲＣシステム１４及び１６内で使用される作動流体は、トルエン、シロキサン、チオフェン、炭化水素の冷媒、又は他の適切な高温無極性有機作動流体など、高温無極性有機作動流体であってよい。さらに、いくつかの実施形態では、各ＯＲＣシステム１４及び１６が、異なる作動流体を循環させてよい。たとえば、高温ＯＲＣシステム１４内で使用される作動流体は、中温ＯＲＣシステム１６内で使用される作動流体の沸点より高い凝縮温度を有してよい。しかし、他の実施形態では、ＯＲＣシステム１４及び１６は共に、同じ作動流体を使用することができる。
高温ＯＲＣシステム１４及び中温ＯＲＣシステム１６内で使用される作動流体と比べて、低温ＯＲＣシステム１８内で使用される作動流体は、低温無極性有機作動流体であってよい。たとえば、低温ＯＲＣシステム１８内で使用される作動流体は、中温ＯＲＣシステム１６内で使用される作動流体の凝縮温度より低い沸点を有する無極性有機溶媒であってよい。いくつかの実施形態によれば、ＯＲＣシステム１８内で使用される作動流体は、シクロヘキサンを含んでよい。しかし、他の実施形態では、プロパン、ブタン、イソペンタン、イソブタン、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、又はシクロペンタン−ペンタフルオロプロパン、他など、任意の他の適切な低温無極性有機溶媒が使用されてよい。いくつかの実施形態では、低温ＯＲＣシステム１８内で使用される作動流体は、ヒルデブランド（Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ）溶解度パラメータで測定される、シクロヘキサンの溶解度以下の溶解度を有する無極性有機溶媒を含んでよい。たとえば、作動流体は、プロパン、ブタン、イソブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、イソヘキサン、ヘキサン、又はそれらの組合せ、他を含んでよい。いくつかの実施形態によれば、ＯＲＣシステム１８は、約１５０〜２５０℃の温度範囲の廃熱の回収を促進するために、約１００〜３００℃の臨界温度を有する無極性有機溶媒を使用することができる。各ＯＲＣシステム１４、１６及び１８内で使用される個別の作動流体は、熱源１２の温度、並びにＯＲＣシステム内に含まれる装置の大きさ及び種類、他などのパラメータに左右されうることが理解されよう。
各ＯＲＣシステム１４、１６及び１８は、熱を電気に変換する一体型発電モジュール２０、２２又は２４を含む。各一体型発電モジュール２０、２２又は２４は、１つの単一筐体内に収容されるタービン２６、２８又は３０、及び発電機３２、３４又は３６を含む。いくつかの実施形態によれば、各一体型発電モジュール２０、２２及び２４のタービン２６、２８又は３０、並びに発電機３２、３４又は３６は、シャフトシールなしに、密閉筐体内に収容されてよい。これらの実施形態では、外部シャフトシールは使用されないが、内部シールが、タービンの高圧側と低圧側との間に境界を形成するために使用されてよい。さらに、いくつかの実施形態では、タービン２６、２８及び３０はラジアルタービンを含んでよく、発電機３２、３４及び３６は高速の永久磁石発電機を含んでよい。しかし、他の実施形態では、他の適切な種類のタービン及び／又は発電機が使用されてよい。図４に関して以下に詳細に論じるように、気相の作動流体が、一体型発電モジュール２０、２２及び２４のそれぞれに入り、タービン２６、２８又は３０を通って流れながら膨脹して、発電機３２、３４又は３６を駆動することができる。さらに、いくつかの実施形態では、作動流体の一部がタービンをバイパスし、内部シールを介して流れ、次いで、タービンを出る作動流体と一緒になることができる。バイパス作動流体とタービンを出る作動流体とが、発電機に冷却をもたらすことができる。
高温ＯＲＣシステム１４は、熱源１２から、熱交換器３８を通って流れる作動流体に熱を伝達する熱交換器３８を含む。いくつかの実施形態によれば、熱交換器３８は、熱源１２から作動流体に熱を直接伝達するように設計されてよい。たとえば、熱交換器３８は、熱源１２から排気ガスを受け、排気ガスから、熱交換器３８内のチューブを通って流れる作動流体に熱を伝達するボイラーであってよい。これらの実施形態では、熱交換器３８を出る冷却された排気ガスは、冷却された排気ガスの環境への放出を調整する通気口制御システム４０に案内されてよい。しかし、他の実施形態では、熱交換器は、熱源１２で加熱されている熱媒油（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｉｌ）などの中間流体を受けるように設計されてよい。これらの実施形態では、熱交換器は、中間流体から、熱交換器３８を通って流れる作動流体に熱を伝達する、シェルアンドチューブ（ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ）熱交換器、シェルアンドプレート（ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｐｌａｔｅ）熱交換器、他であってよい。
熱交換器３８内で、作動流体は、熱源から熱を吸収して作動流体を気化させることができる。いくつかの実施形態では、作動流体は、約４００℃の温度まで加熱されてよい。熱交換器３８を出ると、気相の作動流体は、次いで一体型発電モジュール２０に向かって流れることができる。一体型発電モジュール２０内で、作動流体は、タービン２６を通って流れながら膨脹して、発電機３２を駆動することができる。たとえば、作動流体は、膨脹しながら、発電機３２に連結された、タービンのブレード又はホイールを回転させることができる。膨脹した作動流体は、低温で低圧の蒸気としてタービン２６を出て発電機３２のそばを流れ、且つ／又は発電機３２を通って流れて、一体型発電モジュール２０を出ることができる。
一体型発電モジュール２０から、作動流体は、低温で低圧の蒸気として熱交換器４２に入ることができる。熱交換器４２は、高温ＯＲＣシステム１４の作動流体だけでなく、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体をも循環させる。従って、熱交換器４２は、高温ＯＲＣシステム１４と中温ＯＲＣシステム１６の両方に共通の共有熱交換器であってよい。熱交換器４２内で、高温ＯＲＣシステム１４の作動流体が、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体に熱を伝達し、高温ＯＲＣシステム１４の作動流体を凝縮して液体にすることができる。液相の作動流体が、次いで、作動流体を加圧してＯＲＣシステム１４内の作動流体を循環させるポンプ４４を介して流れることができる。ポンプ４４から、作動流体は次いで、熱交換器３８に戻ることができ、そこで、サイクルが再び始まる。
共有熱交換器４２を介して、高温ＯＲＣシステム１４内を流れる作動流体が、中温ＯＲＣシステム１６内を流れる作動流体に熱を伝達することができる。具体的には、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体は、共有熱交換器４２を介して流れながら、高温ＯＲＣシステム１４の作動流体から熱を吸収して、気化することができる。いくつかの実施形態では、作動流体は、約３００℃の温度まで加熱されてよい。気相の作動流体は、次いで、一体型発電モジュール２２に入り、そこで、作動流体は、タービン２８を通って流れながら膨脹して、発電機３４を駆動することができる。膨脹した作動流体は、低温で低圧の蒸気としてタービン２８を出て発電機３４のそばを流れ、且つ／又は発電機３４を通って流れて、一体型発電モジュール２２を出ることができる。
一体型発電モジュール２２から、作動流体は、低温で低圧の蒸気として熱交換器４６に入ることができる。熱交換器４６は、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体だけでなく、低温ＯＲＣシステム１８の作動流体をも循環させる。従って、熱交換器４６は、中温ＯＲＣシステム１６と低温ＯＲＣシステム１８の両方に共通の、共有熱交換器であってよい。熱交換器４６内で、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体が、低温ＯＲＣシステム１８の作動流体に熱を伝達し、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体を凝縮して液体にすることができる。液相の作動流体が、次いで、作動流体を加圧してＯＲＣシステム１６内の作動流体を循環させるポンプ４８を介して流れることができる。ポンプ４８から、作動流体は次いで、熱交換器４２に戻ることができ、そこで、サイクルが再び始まる。
共有熱交換器４６を介して、中温ＯＲＣシステム１６内を流れる作動流体が、低温ＯＲＣシステム１８内を流れる作動流体に熱を伝達することができる。具体的には、低温ＯＲＣシステム１８の作動流体は、共有熱交換器４６を通って流れながら、中温ＯＲＣシステム１６の作動流体から熱を吸収して、気化することができる。いくつかの実施形態では、作動流体は、約２００℃の温度まで加熱されてよい。気相の作動流体は、次いで、一体型発電モジュール２４に入り、そこで、作動流体は、タービン３０を通って流れながら膨脹し、発電機３６を駆動することができる。いくつかの実施形態によれば、一体型発電モジュール２４に入る作動流体の温度は、約１５０℃〜２００℃及びその間のすべての小範囲より高くてよい。より具体的には、一体型発電モジュール２４に入る作動流体の温度は、約１５０℃〜１８０℃及びその間のすべての小範囲より高くてよい。膨脹した作動流体は、次いで、低温で低圧の蒸気としてタービン３０を出て発電機３６のそばを流れ、且つ／又は発電機３６を通って流れて、一体型発電モジュール２４を出ることができる。
一体型発電モジュール２４から、作動流体は、熱交換器５０を通って流れ、そこで、冷却システム５２によって熱交換器５０を通って循環する冷却流体によって凝縮されてよい。いくつかの実施形態によれば、冷却システム５２は、冷却塔又は冷却容器（ｃｏｏｌｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）から熱交換器５０まで、水などの冷却流体を循環させることができる。さらに、他の実施形態では、冷却システム５２は、熱源１２を含む他の領域の工程又は設備で使用される、冷水システムなどの冷却システムであってよい。そのうえ、さらに他の実施形態では、熱交換器５０は、気液熱交換器（ａｉｒ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）であってよく、冷却システム５２は、熱交換器５０を横切って周囲空気を引き込むファン及びモータを含んでよい。
熱交換器５０を出る液相の作動流体は、次いで、作動流体を加圧するポンプ５４を介して流れ、ＯＲＣシステム１８内で作動流体を循環させることができる。ポンプ５４から、作動流体は、熱交換器４６に戻ることができ、そこでサイクルが再び始まる。
ＯＲＣシステム１４、１６及び１８のカスケード配列は、一般に、非カスケードシステムと比べると、より大きな温度範囲にわたって、より多くの量の熱回収を可能にする。たとえば、高温ＯＲＣシステム１４は、約３５０〜５００℃など、より高い温度範囲の熱の回収を可能にする一方で、中温ＯＲＣシステム１６は、約２５０℃〜３５０℃など、中間の温度範囲の熱の回収を可能にする。さらに、低温ＯＲＣシステム１８は、約１５０℃〜２５０℃など、低温から中温の範囲の熱の回収を可能にする。上で論じたように、低温ＯＲＣシステム１８は、低温から中温の範囲の熱の回収を促進するために、作動流体として無極性有機溶媒を使用することができる。いくつかの実施形態によれば、無極性有機溶媒は、約１００℃〜３００℃の範囲に臨界温度を有することができ、ヒルデブランド溶解度パラメータで測定されるシクロヘキサンの溶解度以下の溶解度を有することができる。温度範囲は、例として提供され、限定することを意図するものではないことを理解されたい。他の実施形態では、各ＯＲＣシステム１４、１６及び１８に存在する温度は、提供される熱源の種類、熱源１２の温度、及び廃熱回収システム内に含まれるＯＲＣシステムの数、他などの要因に応じて変化する可能性がある。
ポンプ、弁、制御回路、圧力及び／又は温度変換器、又はスイッチ、他などの付加的な機器が、廃熱回収システム１０の中に含まれてよいことが理解されよう。たとえば、各熱交換器３８、４２、４６及び５０は、圧力リリーフ弁又は通気口を含んでよい。さらに、廃熱回収システム１０の中に含まれる機器の種類は、変化してよい。たとえば、いくつかの実施形態によれば、熱交換器３８、４２、４６及び５０は、シェルアンドチューブ熱交換器、フィンアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器、プレートアンドシェル熱交換器、又はそれらの組合せ、他を含んでよい。そのうえ、他の実施形態では、付加的な温度における廃熱の回収を可能にするために、付加的ＯＲＣシステムが廃熱回収システム内に含まれてよい。さらに、いくつかの実施形態では、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれ以上のＯＲＣシステムなど、任意の数のＯＲＣシステムが、カスケード構成の中に配列されてよい。
図２は、廃熱回収システム５６の別の実施形態を示す。廃熱回収システム５６は、全体的に、図１に関して上で説明した廃熱回収システム１０に類似する。しかし、図１が示すように３つのＯＲＣシステムを含むのではなく、廃熱回収システム５６は、付加的な温度範囲の熱の回収を可能にする、５つのＯＲＣシステムを含む。
廃熱回収システム５６は、図１に関して上で説明したものに全体的に類似する方式で動作可能なＯＲＣシステム１４、１６及び１８を含む。さらに、廃熱回収システム５６は、付加的な温度範囲の熱の回収を可能にする、２つの付加的なＯＲＣシステム５８及び６０を含む。たとえば、ＯＲＣシステム５８は、約１００℃〜１５０℃などのより低い温度範囲の熱の回収を可能にする一方で、ＯＲＣシステム６０は、約５０℃〜１００℃などのさらに低い温度範囲の熱の回収を促進することができる。
ＯＲＣシステム５８の中で使用される作動流体は、ＯＲＣシステム１４、１６及び１８の中で使用される作動流体と比べると、より低温の無極性有機作動流体であってよい。たとえば、ＯＲＣシステム５８の中で使用される作動流体は、低温ＯＲＣシステム１８内で使用される作動流体の凝縮温度より低い沸点を有する無極性有機溶媒であってよい。いくつかの実施形態によれば、ＯＲＣシステム５８の中で使用される作動流体は、ブタン、プロパン、又はヒルデブランド溶解度パラメータで測定されるシクロヘキサンの溶解度以下の溶解度を有する他の無極性有機溶媒を含んでよい。
ＯＲＣシステム６０内で使用される作動流体は、ＯＲＣシステム１４、１６、１８及び５８内で使用される作動流体と比べると、より低温の無極性有機作動流体であってよい。たとえば、ＯＲＣシステム６０内で使用される作動流体は、低温ＯＲＣシステム５８内で使用される作動流体の凝縮温度より低い沸点を有する無極性有機作動流体であってよい。いくつかの実施形態によれば、ＯＲＣシステム６０内で使用される作動流体は、Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３、又はＲ２３６ｆａ、他を含んでよい。
各ＯＲＣシステム５８及び６０は、一体型発電モジュール２０、２２又は２４（図１）に関して上で説明したものに類似する方式で、熱を電気に変換する一体型発電モジュール６２又は６４を含む。各一体型発電モジュール６０及び６２は、１つの単一筐体内に収容されるタービン６６又は６８、及び発電機７０又は７２を含む。いくつかの実施形態によれば、タービン６６及び６８はラジアルタービンを含んでよく、発電機７０及び７２は高速の永久磁石発電機を含んでよい。しかし、他の実施形態では、他の適切な種類のタービン及び／又は発電機が使用されてよい。
ＯＲＣシステム５８は、共有熱交換器５０を介してＯＲＣシステム１８から熱を受ける。とりわけ、熱交換器５０内で、ＯＲＣシステム１８の作動流体は、ＯＲＣシステム５８内を流れる作動流体に熱を伝達することができる。従って、図２に示す実施形態では、ＯＲＣシステム１８の作動流体は、図１に示すように冷却流体に熱を伝達することによるのではなく、ＯＲＣシステム５８の作動流体に熱を伝達することによって凝縮される。さらに、ＯＲＣシステム５８の作動流体は、ＯＲＣシステム１８の作動流体から熱を吸収しながら、気化する。いくつかの実施形態では、作動流体は、約１５０℃の温度まで加熱されてよい。気相の作動流体は、次いで、一体型発電モジュール６２に入り、そこで、作動流体は、タービン６６を通って流れながら膨脹し、発電機７０を駆動することができる。膨脹した作動流体は、低温で低圧の蒸気としてタービン６６を出て発電機７０のそばを流れ、且つ／又は発電機７０を通って流れて、一体型発電モジュール６２を出ることができる。
一体型発電モジュール６２から、作動流体は、低温で低圧の蒸気として熱交換器７４に入ることができる。熱交換器７４は、ＯＲＣシステム５８からの作動流体だけでなく、ＯＲＣシステム６０からの作動流体をも循環させる。従って、熱交換器７４は、ＯＲＣシステム５８とＯＲＣシステム６０の両方に共通の共有熱交換器であってよい。熱交換器７４内で、ＯＲＣシステム５８の作動流体が、最低温ＯＲＣシステム６０の作動流体に熱を伝達し、ＯＲＣシステム５８の作動流体を凝縮して液体にすることができる。液相の作動流体が、次いで、作動流体を加圧してＯＲＣシステム５８内の作動流体を循環させるポンプ７６を介して流れることができる。ポンプ７６から、作動流体は、熱交換器５０に戻ることができ、そこで、サイクルが再び始まる。
共有熱交換器７４を介して、ＯＲＣシステム５８内を流れる作動流体が、最低温ＯＲＣシステム６０内を流れる作動流体に熱を伝達することができる。具体的には、最低温ＯＲＣシステム６０の作動流体は、共有熱交換器７４を通って流れながら、ＯＲＣシステム５８の作動流体から熱を吸収して、気化することができる。いくつかの実施形態では、作動流体は、約１００℃の温度まで加熱されてよい。気相の作動流体は、次いで、一体型発電モジュール６４に入り、そこで、作動流体は、タービン６８を通って流れながら膨脹し、発電機７２を駆動することができる。膨脹した作動流体は、低温で低圧の蒸気としてタービン６８を出て発電機７２のそばを流れ、且つ／又は発電機７２を通って流れて、一体型発電モジュール６４を出ることができる。
一体型発電モジュール６４から、作動流体は、熱交換器７８を通って流れ、そこで、冷却システム８０によって熱交換器７８を通って循環する冷却流体によって凝縮されてよい。いくつかの実施形態によれば、冷却システム８０は、冷却塔又は冷却容器から熱交換器７８まで、水などの冷却流体を循環させることができる。さらに、他の実施形態では、冷却システム８０は、熱源１２を含む他の領域の工程又は設備で使用される、冷水システムなどの冷却システムであってよい。そのうえ、さらに他の実施形態では、熱交換器７８は、気液熱交換器であってよく、冷却システム８０は、熱交換器７８を横切って周囲空気を引き込むファン及びモータを含んでよい。
熱交換器７８を出る液相の作動流体は、次いで、作動流体を加圧するポンプ８２を介して流れ、ＯＲＣシステム６０内で作動流体を循環させることができる。ポンプ８２から、作動流体は、熱交換器７４に戻ることができ、そこで、サイクルが再び始まる。
図３は、廃熱回収システム８４の別の実施形態を示す。廃熱回収システム８４は、図２に関して上で説明したＯＲＣシステム１４、１６、１８、５８及び６０に全体的に類似する方式で動作する５つのＯＲＣシステム８６、８８、９０、９２及び９４を含む。しかし、ＯＲＣシステム８６、８８、９０及び９２はそれぞれ、一体型発電モジュール２０、２２、２４又は６２の下流に配置される付加的な熱交換器９６、９８、１００及び１０２を含むことができる。付加的な熱交換器９６、９８、１００及び１０２はまた、共有熱交換器４２、４６、５０及び７４の上流に配置されてよい。最低温ＯＲＣシステム９４はまた、図２に関して上で説明した冷却システム８０に類似する方式で、熱交換器１０４を介して流れる作動流体を凝縮するように設計された冷却システム１１４を有する熱交換器１０４を含む。
付加的な熱交換器９６、９８、１００及び１０２のそれぞれは、一体型発電モジュール２０、２２、２４及び６２を出る作動流体の一部分９７、９９、１０１及び１０３を冷却するように設計されてよい。たとえば、各ＯＲＣシステム８６、８８、９０及び９２内で、一体型発電モジュール２０、２２、２４及び６２を出る作動流体が、共有熱交換器４２、４６、５０又は７４に案内される第１の部分１０５、１０７、１０９又は１１１と、付加的な熱交換器９６、９８、１００又は１０２に案内される第２の部分９７、９９、１０１又は１０３とに分割されてよい。各付加的な熱交換器９６、９８、１００又は１０２は、作動流体の一部分９７、９９、１０１又は１０３を冷却するために、冷却システム１０６、１０８、１１０又は１１２からの冷却流体を循環させる。図３に示すように、冷却システム１０６、１０８、１１０及び１１２は、別個の冷却システムである。しかし、他の実施形態では、２つ以上の冷却システム１０６、１０８、１１０及び１１２が、冷却流体を複数の熱交換器９６、９８、１００及び１０２に供給する、より大きな総合的冷却システムの一部分であってよい。いくつかの実施形態によれば、冷却システム１０６、１０８、１１０及び１１２は、少なくとも約１０〜３０℃及びその間のすべての小範囲だけ、作動流体の一部分９７、９９、１０１又は１０３を冷却するように設計されてよい。
作動流体の冷却された一部分９７、９９、１０１又は１０３は、次いで、巻線及び／又は磁気軸受、他など、発電機３２、３４、３６又は７０の構成要素に付加的な冷却をもたらすために、一体型発電モジュール２０、２２、２４又は６２に案内されてよい。さらに、いくつかの実施形態では、作動流体の冷却された一部分９７、９９、１０１又は１０３は、タービン２６、２８、３０又は６６を出て、発電機３２、３４、３６又は７０のいくつかの構成要素に向かう、より温度の高い作動流体の流れを阻止するように設計されてよい。一体型発電モジュール２０、２２、２４又は６２内で、作動流体の冷却された一部分９７、９９、１０１又は１０３は、タービン２６、２８、３０又は６６を出る作動流体と結合して、一体型発電モジュール２０、２２、２４又は６２を出る作動流体の単一の流れを形成することができる。
図３に示すように、ＯＲＣシステム８６、８８、９０及び９２はそれぞれ、付加的な熱交換器９６、９８、１００又は１０２、及び冷却システム１０６、１０８、１１０又は１１２を含む。しかし、他の実施形態では、付加的な熱交換器９６、９８、１００又は１０２、及び冷却システム１０６、１０８、１１０又は１１２のうちの１つ又は複数が、省略されてよい。さらに、いくつかの実施形態では、ＯＲＣシステム９４は、一体型発電モジュール６４を出る作動流体の一部を冷却するように設計された付加的な熱交換器及び関連する冷却システムを含んでよい。
図４は、ＯＲＣシステム１８内で使用されうる一体型発電モジュール２４の一実施形態を示す。図４に示す一体型発電モジュールは、本明細書では、ＯＲＣシステム１８内で使用される一体型発電モジュール２４を背景として説明されるが、他の一体型発電モジュール２０、２２、６２及び６４のうちの１つ又は複数のモジュールが、類似の設計を使用することができる。従って、図４に示す一体型発電モジュールは、他のＯＲＣシステム１４、１６、５８、６０、８６、８８、９０、９２及び９４のうちの１つ又は複数のモジュールの中で使用されてよい。
一体型発電モジュール２４は、図１に関して上で説明したタービン３０と発電機３６とを含み、それらはケーシング１１６内に配置される。一体型発電モジュール２４に入る作動流体及びそこを出る作動流体を、それぞれ案内するために、入口管路１１８及び出口管路１２０が、ケーシング１１６に連結される。軸受フレーム１２２が、入口管路１１８とケーシング１１６との間に搭載され、入口管路１１８、軸受フレーム１２２及びケーシング１１６を通して延びる締め具１２６によって取り付けられてよい。同様に、軸受フレーム１２４が、出口管路１２０とケーシング１１６との間に搭載され、出口管路１２０、軸受フレーム１２４及びケーシング１１６を通して延びる締め具１２６によって取り付けられてよい。
ケーシング１１６内でタービン３０及び発電機３６のロータ１３２を回転可能に担持するために、ラジアル軸受１２８及び１３０が、軸受フレーム１２２及び１２４上に搭載されてよい。たとえば、ラジアル軸受１２８及び１３０は、タービン３０を高速永久磁石（ＰＭ）ロータ１３２に連結するシャフト１３４を担持することができる。たとえば停電によってラジアル軸受１２８及び１３０が使用できないときに、軸受フレーム１２２及び１２４はまた、シャフト１３４を担持するために使用されうる補助軸受（ｂａｃｋｕｐ ｂｅａｒｉｎｇ）１３６及び１３８を担持することができる。さらに、軸受フレーム１２２はまた、タービン３０及びロータ１３２を軸方向に担持するアキシャル軸受１４０を担持することができる。図４に示すように、ラジアル軸受１２８及び１３０並びにアキシャル軸受１４０は、磁気軸受を含んでよい。しかし、他の実施形態では、ラジアル軸受１２８及び１３０は、ボール軸受、ニードル軸受、又はジャーナル軸受、他を含んでよい。
気相の作動流体が、入口管路１１８を通って一体型発電モジュール２４に入り、全体的に矢１４２で示すように一体型発電モジュール２４を通って流れることができる。いくつかの実施形態によれば、作動流体は、約１５０℃〜１８０℃及びその間のすべての小範囲より高い温度で、且つ約８バール（０．８ＭＰａ）以上の圧力で一体型発電モジュール２４に入ることができる。作動流体をインデューサチャネル（ｉｎｄｕｃｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ）１４６を通してタービン３０に案内するために、ダイバータコーン（ｄｉｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｅ）１４４が、入口管路１１８内に配置されてよい。気相の作動流体は、タービン３０を通って流れながら膨脹し、そのことが次に、タービン３０のホイール１４７を回転させることができる。膨脹した作動流体は、次いで、タービン３０を出て、排気管１４８を通り、発電機３６に向かって流れることができる。いくつかの実施形態によれば、タービン３０を出る作動流体は、約１３０〜１５０℃及びその間のすべての小範囲より高い温度、並びに約２バール（０．２ＭＰａ）以上の圧力を有することができる。
上で開示したように、タービン３０は、発電機３６に、たとえばシャフト１３４で連結されてよい。従って、タービンホイール１４７が回転すると、発電機３６のＰＭロータ１３２が同期して回転し、発電機１３６を駆動する。たとえば、ロータ１３２内に配置された永久磁石が、磁気巻線（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗｉｎｄｉｎｇ）１５２を含むステータ１５０内でロータ１３２と共に回転して、発電することができる。巻線１５２の一部である巻端（ｅｎｄ ｔｕｒｎ）１５３（たとえば、巻線端部（ｅｎｄ ｗｉｎｄｉｎｇ））が、ステータ１５０を超えて延びてよい。ステータ１５０は、ロータ１３２周りに円周方向に配置され、ロータ１３２を全体的に取り囲むことができる。いくつかの実施形態によれば、発電機３６で発生する電気は、ケーシング１１６の外部に配置される電子回路パッケージに伝達されて電力を発生することができる。電力は、独立型の機械若しくは設備に給電するために使用されてよく、又は送電網に供給されてよい、ＡＣ又はＤＣの電力であってよい。いくつかの実施形態によれば、約１〜３００ｋＷの電力が、一体型発電モジュール２４によって発生されうる。
発電機３６はまた、ステータ１５０内に巻線を搭載するために使用されてよい、ラミネートスタック（ｌａｍｉｎａｔｅ ｓｔａｃｋ）などのケーシング１５４を含む。さらに、ケーシング１５４は、発電機３６の外側部分を包含することができる。作動流体は、一体型発電モジュール２４のケーシング１１６内のケーシング１５４に沿って流れて、発電機３６に冷却をもたらすことができる。さらに、作動流体は、発電機のステータ１５０とロータ１３２との間を通って流れることができる。特に、作動流体は、ロータ１３２と巻線１５２との間を流れることができる。そのうえ、いくつかの実施形態では、タービン３０からの作動流体の流れを受けることに加えて、発電機３６は、ＯＲＣシステム１８の別の部分から迂回した作動流体を受けることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、熱交換器５０を出る作動流体の一部分（たとえば、熱交換器５０とポンプ５４との間又はポンプ５４と熱交換器４６との間）が、発電機３６に案内されて、冷却及び／又は密閉（ｓｅａｌｉｎｇ）をもたらすことができる。これらの実施形態では、本明細書で説明する保護被覆（ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ）が、同様に、ＯＲＣシステム１８の別の部分から発電機３６に迂回する有機作動流体への曝露に耐えるように設計されてよい。
いくつかの実施形態によれば、一体型発電モジュール２４内の作動流体の温度は、約１３０℃から２５０℃まで、より具体的には約１４５℃と１８０℃との間及びその間のすべての小範囲に及ぶことができる。これらの上昇した温度において、ＯＲＣシステム１８内で使用される無極性有機溶媒が、電気巻線１５２など、発電機３６の構成要素を劣化させる可能性がある。従って、作動流体が巻線１５２と接触するのを阻止するために、保護層１５６がロータ１３２とステータ１５０との間に配置されてよい。たとえば、保護層１５６は、ロータ１３２とステータ１５０との間に配置されてロータ１３２を取り囲み、巻線１５２と境を接するための、スリーブ構造又はキャン構造（ｃａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であってよい。いくつかの実施形態によれば、保護層１５６は、作動流体が巻線１５２と接触するのを阻止することに加えて、巻線の間及び／又はケーシング１５４のスロットの中に配置されて絶縁をもたらし、振動を阻止することができる。さらに、スリーブ構造の端部が、巻端１５３の周りで包まれて、ケーシング１５４の端面１６２に接触することができる。従って、保護層１５６は、巻端１５３のそれぞれの周りを包んで、巻端１５３の両側に配置されてよい。
いくつかの実施形態によれば、保護層１５６は、テキサス州ヒューストンのＳＡＢＩＣから市販されているｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｈｅａｔ ｇｒａｄｅ Ｕｌｔｅｍ（登録商標）など、熱可塑性ポリエーテルイミド樹脂を含んでよい。別の例では、保護層１５６は、ニュージャージー州パーリン（Ｐａｒｌｉｎ）のＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｕｍｍｉｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙから市販されているＰｙｒｅ ＭＬ（登録商標）など、ポリイミド樹脂を含んでよい。別の例では、保護層１５６は、デラウエア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）のＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＴｅｆｌｏｎ（登録商標）など、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含んでよい。これらの実施形態では、ＰＴＦＥを巻線１５２の周りに取り巻き、たとえば約３２０℃〜３４０℃及びその間のすべての小範囲まで加熱して、ＰＴＦＥを巻線１５２に付着させることができる。いくつかの実施形態では、ＰＴＦＥを加熱することで、ＰＴＦＥが巻線１５２内に流入することが可能になり、付加的な絶縁をもたらし且つ巻線の振動を阻止することができる。さらに、いくつかの実施形態では、保護層は、超高温熱可塑性のポリイミドとポリエーテルケトンとの混合物、又は別の適切な熱可塑性ポリマー、他を含んでよい。さらに別の例では、保護層１５６は、高温の一体型発電モジュール２０に対して密閉された円筒構造を形成するセラミック、ステンレススチール又はアルミニウムを含んでよい。
発電機３６を通って流れることに加えて、作動流体は、ケーシング１１６の内部に沿って配置されてよいフィン１５８によって、発電機とケーシング１１６との間に案内されてよい。フィンは、作動流体を出口管路１２０に向かって案内することができる。作動流体を一体型発電モジュール２４の出口に向かって案内するために、ダイバータコーン１６０が、出口管路１２０内に含まれてよい。
上で論じたように、本明細書で説明した廃熱回収システムは、広い温度範囲にわたって廃熱を回収するのに、とりわけよく適している。さらに、作動流体としてシクロヘキサンなど、無極性有機溶媒を使用することで、約１００℃〜３００℃、より具体的には約１５０℃〜２５０℃の温度範囲における廃熱の回収を促進することができる。そのうえ、いくつかの実施形態では、廃熱回収システムは、巻線と無極性有機溶媒との間の接触を阻止するように設計された保護層を有する一体型発電モジュールを含んでよい。保護層は、廃熱を回収することにおいてとりわけ効率的な、トルエン及び／又はシクロヘキサンなど、無極性有機溶媒を、一体型発電モジュールの構成要素を劣化させることなく、ＯＲＣシステム内で使用することを可能にする。
本明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するため、並びに同様に、当業者が、任意の機器若しくは装置を作製して使用すること、及び任意の組み込まれた方法を実行することを含め、本発明を実行することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉に相違しない構造要素を有する場合、又はそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉とわずかに相違する、等価構造要素を含む場合に、本特許請求の範囲の中に存在することが意図されている。
１０ 廃熱回収システム
１２ 熱源
１４ ＯＲＣシステム
１６ ＯＲＣシステム
１８ ＯＲＣシステム
２０ 一体型発電モジュール
２２ 一体型発電モジュール
２４ 一体型発電モジュール
２６ タービン
２８ タービン
３０ タービン
３２ 発電機
３４ 発電機
３６ 発電機
３８ 熱交換器
４０ 通気口システム
４２ 熱交換器
４４ ポンプ
４６ 熱交換器
４８ ポンプ
５０ 熱交換器
５２ 冷却システム
５４ ポンプ
５６ 廃熱回収システム
５８ ＯＲＣシステム
６０ ＯＲＣシステム
６２ 一体型発電モジュール
６４ 一体型発電モジュール
６６ タービン
６８ タービン
７０ 発電機
７２ 発電機
７４ 熱交換器
７６ ポンプ
７８ 熱交換器
８０ 冷却システム
８２ ポンプ
８４ 廃熱回収システム
８６ ＯＲＣシステム
８８ ＯＲＣシステム
９０ ＯＲＣシステム
９２ ＯＲＣシステム
９４ ＯＲＣシステム
９６ 熱交換器
９７ 一部分
９８ 熱交換器
９９ 一部分
１００ 熱交換器
１０１ 一部分
１０２ 熱交換器
１０３ 一部分
１０４ 熱交換器
１０５ 一部分
１０６ 冷却システム
１０７ 一部分
１０８ 冷却システム
１０９ 一部分
１１０ 冷却システム
１１１ 一部分
１１２ 冷却システム
１１４ 冷却システム
１１６ ケーシング
１１８ 入口
１２０ 管路
１２２ 軸受フレーム
１２４ 軸受フレーム
１２６ 締め具
１２８ ラジアル軸受
１３０ ラジアル軸受
１３２ ロータ
１３４ シャフト
１３６ 補助軸受
１３８ 補助軸受
１４０ アキシャル軸受
１４２ 矢（ＯＲＣ作動流体）
１４４ ダイバータコーン
１４６ インデューサコーン
１４７ ホイール
１４８ 排気管
１５０ ステータ
１５２ 巻線
１５３ 巻端
１５４ ケーシング（ラミネートスタック）
１５６ 保護層
１５８ フィン
１６０ ダイバータコーン
１６２ 端面

Claims (20)

  1. 熱源から第１の作動流体に熱を伝達して前記第１の作動流体を気化させるように構成された第１の熱交換器、及び
    前記第１の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第１の一体型発電モジュール
    を備える第１の有機ランキンサイクルシステムと、
    前記第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達して前記第２の作動流体を気化させるように構成された第２の熱交換器、及び
    前記第２の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第２の一体型発電モジュール
    を備える第２の有機ランキンサイクルシステムと、
    前記第２の作動流体から第３の作動流体に熱を伝達して前記第３の作動流体を気化させるように構成された第３の熱交換器、及び
    前記第３の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第３の一体型発電モジュール
    を備える第３の有機ランキンサイクルシステムと
    を備える、廃熱回収システム。
  2. 前記第３の作動流体が、トルエン又はシクロヘキサンを含む、請求項１記載の廃熱回収システム。
  3. 前記第３の作動流体が、シクロヘキサンか又はシクロヘキサンより低い溶解度を有する無極性有機溶媒を含み、前記溶解度が、ヒルデブランド溶解度パラメータで定量化される、請求項１記載の廃熱回収システム。
  4. 前記第３の有機ランキンサイクルシステムが、前記第３の作動流体を、１５０℃以上の温度の前記第３の一体型発電モジュールに案内するように構成される、請求項１記載の廃熱回収システム。
  5. 前記第３の作動流体から第４の作動流体に熱を伝達して前記第４の作動流体を気化させるように構成された第４の熱交換器と、
    前記第４の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第４の一体型発電モジュールと
    を備える第４の有機ランキンサイクルシステムを備える、請求項１記載の廃熱回収システム。
  6. 前記第４の作動流体から第５の作動流体に熱を伝達して前記第５の作動流体を気化させるように構成された第５の熱交換器と、
    前記第５の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第５の一体型発電モジュールと
    を備える第５の有機ランキンサイクルシステムを備える、請求項５記載の廃熱回収システム。
  7. 前記第３の一体型発電モジュールの下流の前記第３の作動流体の一部と、前記第３の作動流体から、第４の有機ランキンサイクルシステム内を循環する第４の作動流体に、熱を伝達するように構成された熱交換器の上流と、を冷却するように構成された凝縮器を、前記第３の有機ランキンサイクルシステムが備える、請求項１記載の廃熱回収システム。
  8. 排気ガスを発生するように構成されたエンジンを備え、前記第１の熱交換器が、前記排気ガスから前記第１の作動流体に熱を伝達するように構成されたボイラーを備える、請求項１記載の廃熱回収システム。
  9. 熱源から第１の作動流体に熱を伝達して前記第１の作動流体を気化させるように構成された第１の熱交換器、及び
    前記第１の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第１の一体型発電モジュール
    を備える第１の有機ランキンサイクルシステムと、
    前記第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達して前記第２の作動流体を気化させるように構成された第２の熱交換器、及び
    前記第２の作動流体を膨脹させて発電するように構成された第２の一体型発電モジュール
    を備える第２の有機ランキンサイクルシステムと、
    前記第２の作動流体からシクロヘキサンに熱を伝達して前記シクロヘキサンを気化させるように構成された第３の熱交換器、及び
    タービン及び永久磁石発電機を備える第３の一体型発電モジュール
    を備える第３の有機ランキンサイクルシステムと
    を備え、前記タービンが、前記シクロヘキサンを膨脹させ、前記永久磁石発電機を駆動して発電するように構成される、廃熱回収システム。
  10. 前記第２の作動流体がトルエンを含む、請求項９記載の廃熱回収システム。
  11. 前記タービン及び前記永久磁石発電機が、１つの単一筐体内に配置される、請求項９記載の廃熱回収システム。
  12. 前記永久磁石発電機がステータとロータとを備え、前記第３の一体型発電モジュールが、前記第３の作動流体を前記ステータと前記ロータとの間に案内するように構成される、請求項９記載の廃熱回収システム。
  13. 前記第３の作動流体が前記ステータの電気巻線と接触するのを阻止するために、前記永久磁石発電機が、前記ステータと前記ロータとの間に配置された保護層を備える、請求項１２記載の廃熱回収システム。
  14. 前記保護層がポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１３記載の廃熱回収システム。
  15. 前記保護層が、前記永久磁石発電機内に配置されて前記ロータを取り囲むスリーブ構造を備える、請求項１３記載の廃熱回収システム。
  16. 第１の作動流体を加熱し、膨脹させて、第１の一体型発電モジュール内で発電するために、第１の有機ランキンサイクルを介して前記第１の作動流体を循環させるステップと、
    前記第１の作動流体から第２の作動流体に熱を伝達し、前記第２の作動流体を膨脹させて、第２の一体型発電モジュール内で発電するために、第２の有機ランキンサイクルを介して前記第２の作動流体を循環させるステップと、
    前記第２の作動流体から第３の作動流体に熱を伝達し、前記第３の作動流体を膨脹させて、第３の一体型発電モジュール内で発電するために、第３の有機ランキンサイクルを介して前記第３の作動流体を循環させるステップと
    を含む方法。
  17. 前記第１の作動流体を循環させるステップが、排気ガスによって約４００℃以上の温度に前記第１の作動流体を加熱するステップを含み、前記第２の作動流体を循環させるステップが、前記第１の作動流体によって約３００℃以上の温度に前記第２の作動流体を加熱するステップを含み、前記第３の作動流体を循環させるステップが、前記第２の作動流体によって約２００℃以上の温度に前記第３の作動流体を加熱するステップを含む、請求項１６記載の方法。
  18. 前記第３の作動流体を循環させるステップが、約１８０℃以上の温度の前記第３の一体型発電モジュールに前記第３の作動流体を案内するステップを含む、請求項１６記載の方法。
  19. 前記第３の作動流体を循環させるステップが、前記第３の一体型発電モジュールのステータとロータとの間に前記第３の作動流体を案内するステップを含む、請求項１６記載の方法。
  20. 前記第３の作動流体がシクロヘキサンを含む、請求項１６記載の方法。
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