JP2015525841A - オーガニックランキンサイクルの循環流れを用いて電気エネルギーを生成する装置 - Google Patents

オーガニックランキンサイクルの循環流れを用いて電気エネルギーを生成する装置 Download PDF

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Abstract

【解決手段】本発明はオーガニックランキンサイクルプロセスを実施する装置に関する。当該装置は、第1プロセス流体18が流通する第1循環流路16を備え、第1循環流路16は、第1プロセス流体18を蒸発させる蒸発器14と、蒸発器14の下流に配置され、蒸発した第1プロセス流体18を膨張させ、電気エネルギーを生成する発電機26に接続可能な膨張機22と、膨張機22の下流に配置され、膨張した第1プロセス流体18を凝縮する第1復水器28と、第1復水器28の下流に配置され、凝縮された第1プロセス流体18の圧力を増加させ、下流の蒸発器14に第1プロセス流体18を移動させる第1流体エネルギー装置34とを有する。当該装置はさらに、第2プロセス流体42が流通し、第1復水器28で第2プロセス流体42を蒸発させる第2循環流路40を備える。第2循環流路40は、第1復水器28の下流に配置されて、蒸発した第2プロセス流体42を圧縮する第2流体エネルギー装置44と、第2流体エネルギー装置44の下流に配置されて、蒸発した第2プロセス流体42を凝縮し、第1プロセス流体18が流通する第2復水器48と、第2復水器48の下流に配置されて、凝縮された第2プロセス流体42の流れを絞るスロットル50とを有する。膨張機22はギア機構なしで軸30によって発電機26に接続される。【選択図】図1

Description

本発明はオーガニックランキンサイクル(ORC)プロセスを実施する装置に関する。当該装置は第1プロセス流体が流通する第1循環流路を備える。第1循環流路は、第1プロセス流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器の下流に配置され、蒸発した第1プロセス流体を膨張させ、電気エネルギーを生成する発電機に接続可能な膨張機と、膨張機の下流に配置され、膨張した第1プロセス流体を凝縮する第1復水器と、第1復水器の下流に配置され、凝縮された第1プロセス流体の圧力を増加させ、下流の蒸発器に第1プロセス流体を移動させる第1流体エネルギー装置とを有する。ここで、用語「流体エネルギー装置」は、プロセス流体との間で機械的仕事をやりとりする装置を意味するものと理解される。
ORCプロセスは、古くから知られ、水蒸気で駆動される膨張機にとって熱源とヒートシンクとの間で得られる温度勾配が非常に小さい場合に利用されてきた。ORCプロセスの適用例には、生産工程や産業用設備、煙突、バイオガス工場、蓄熱、発電所の廃熱や残熱が挙げられる。残熱はおおよそ摂氏80度から250度以上の温度域を有する。既知のORCプロセスは例えばドイツ特許出願公開DE102009049338A1またはDE102007035058A1に開示される。通常、膨張機は、工場で使用され電気エネルギーを生成する発電機や、公共の電力網に供給される電気エネルギーを生成する発電機を駆動する。
ドイツ国特許出願公開第102009049338号明細書 ドイツ国特許出願公開第102007035058号明細書
10%を下回る低電力効率に起因して、ORCプロセスは大々的に広がることはなかった。なぜなら、得られる利益はORCプロセスの実現に必要な投資に全く見合わなかったからである。したがって、多くの場合には、ORCプロセスは実施されずに、利用可能な残熱はそのまま環境に放出される。こうしたことは、経済的にも環境保護の観点からも最善とは言えない。特に、環境を壊すことなく利用可能なエネルギーを管理するという観点から、もっともよい状態で残熱に含まれるエネルギーを使用する必要性が高まっている。既知のORCプロセスはこうした要求をわずかに満たすだけである。熱利用には環境保全を考慮すべきとはいえ、前述の低効率は欠点として大きすぎる。
先に述べたように、生産工程や産業用設備、煙突、バイオガス工場、蓄熱、発電所にORCプロセスは適用される。ORCプロセスは放出される廃熱や残熱を使用し電気エネルギーを提供する。たいていの場合には、これらの設備はORC装置の追加によって刷新される。したがって、ORC装置の小型化は重要な役割を果たす。既存のORC装置の追加はスペース不足に起因して実現しないことが多い。
こうした実情に鑑み、本発明は、さらにORC装置を進化させ、残熱に含まれるエネルギーの経済的利用を可能にする程度に効率を向上させることを目的とする。さらに、ORC装置は、限られた使用スペースに適合し、できるだけ簡単に既存設備に追加できるように小型化される。
上記の目的を達成するために、ORC装置は、第2プロセス流体が流通し、第1復水器で第2プロセス流体を蒸発させる第2循環流路をさらに備える。ここで、第2循環流路は、第1復水器の下流に配置されて、蒸発した第2プロセス流体を圧縮する第2流体エネルギー装置と、第2流体エネルギー装置の下流に配置されて、蒸発した第2プロセス流体を凝縮し、第1プロセス流体が流通する第2復水器と、第2復水器の下流に配置されて、凝縮された第2プロセス流体の流れを絞るスロットルとを備え、膨張機はギア機構なし(ギアレス)で軸によって発電機に接続される。
従来技術で知られるORCプロセスでは環境に対して冷やされることで膨張した第1プロセス流体から熱が放出される。冷却にあたって例えば冷却タワーが用いられる。冷却タワーはそのものでエネルギーを消費する。放出された熱は使用されずに消失する。さらに本質的な不利な影響は例えば赤道地域といった比較的に高い環境温度から生じる。環境温度によって温度の下限レベル、すなわち熱源とヒートシンクとの使用可能な有効温度勾配が規定されるからである。その結果、残熱に含まれるエネルギーは利用されずに失われる。
第1復水器で実施される熱伝達は第1プロセス流体の凝縮および第2プロセス流体の加熱を引き起こす。第2循環流路では第2プロセス流体は第1プロセス流体が通過する熱交換器に運ばれる。このとき、熱は第2プロセス流体から取り出され、第1プロセス流体の加熱に用いられる。熱伝達の実現にあたって熱交換器では第2プロセス流体は第1プロセス流体の圧力まで圧縮されなければならない。この圧縮に第2流体エネルギー装置が使用される。
膨張機と発電機とはギアを介さずに接続され、したがって、ギア機構の設置スペースは省かれる。その結果、本発明に係る装置は非常に小型化され設置スペースは縮小される。こうして本発明に係る装置は、廃熱および残熱の利用が望まれる既存の設備に簡単に統合されることができる。そのうえ、ギア機構は駆動力の損失を伴うことから、ギア機構を伴わない構造は、ギア機構を備える装置に比べ、ORCプロセスの実施にあたって装置の効率を高める。ギア機構は摩耗しやすいことからしばしば動作に支障を来す。したがって、ギア機構なしの構造のおかげで、さらに有利なことに、本発明に係る装置の動作の信頼度は高い。
有益な具体例では、軸の軸受けはタンデムローラー軸受け構造を備える。一般的に、2つの軸受けは所定の距離で相互に離れて配置され例えばラジアル軸受けで軸を受ける。さらに、軸は軸方向に支持されなければならない。ギア機構を介さないタービンと発電機との接続では、タービンから提供される回転速度を上げ下げして発電機に最適な回転速度にすることはできない。ORCプロセスで使用されるタービンは通常非常に高い回転速度で回転し、60000rpmも珍しくはない。発電機のロータに隣接して同一の軸にタービンのインペラも設置される。インペラは単純に支持されるか吊り下げ支持され、軸受けに対して大きい機械的負荷および熱的負荷を引き起こす。そこで、既知のORC装置では磁気軸受けまたは空気軸受けが装着される。磁気軸受けは高価であるし、さらに動力を消費するので、ORC装置の全体効率を低下させる。空気軸受けはエアクッションで軸を支持することから、不都合なことに比較的安定性に欠ける。エアクッションが故障すると、ORC装置は大きく損傷を受け修理不能となったり、修理できたとしてもかなりの労力を要してしまう。こうした不都合はタンデムローラー軸受け構造で解消されることができる。タンデムローラー軸受け構造では少なくとも1つの軸受けは二列または多列の軸受けで置き換えられる。軸は放射方向および軸方向に2つのローラー軸受けユニットで支持される。特に、磁気軸受けに比較して、初期コストは著しく低く、動力の浪費で効率が低下することもない。既存のローラー軸受けに比べて、軸受けの損傷は低減され、タンデムローラー軸受け構造は熱的負荷および機械的負荷によりよく耐えることができることから、ORC装置の動作の信頼性は高まる。さらに言えば、タンデムローラー軸受けは、都合よくほとんどスペースを必要とせず、タービンおよび発電機の小型化を促進することができる。しかも、タンデムローラー軸受けは、潤滑油の交換を要せずメンテナンス不要のため、メンテナンスのコストを低減することができる。
好適な具体例では膨張機はタービンで実現される。膨張機は発電機の発電機ハウジングに接続可能なタービンハウジングを備える。膨張機の具体例であるタービンはORCプロセスを実施する選択的方法である。タービンが発電機に統合され1つの物理ユニットを構成すると、設置スペースは縮小され、既存の設備に簡単に組み込まれることができる非常に小型化された物理ユニットが提供される。
好ましくは、タービンは複数の第1インペラ羽根を有する第1インペラを備える。第1インペラは軸上に配置され、軸上に発電機のロータが配置される。ORCプロセスの実施にあたってインペラは軸を回転駆動する。軸はさらなる物理ユニットを介在せずに発電機のロータを回転させ、電気エネルギーを生成する。タービンおよび発電機は相互に調整され、発電機は一般に想定される回転速度で最適に動作することが好ましい。物理ユニットの数は削減され、必要な設置スペースは減少し、当該装置の信頼性は向上する。
好適な具体例では、タービンは複数の第1ガイドホイール羽根を有する第1ガイドホイールと、複数の第1インペラ羽根を有する第1インペラを備える。特に、できる限り本発明に係る装置を小型化するために、半径流タービンは都合よい。ガイドホイール羽根によってプロセス流体は最適にインペラ羽根に吹き付けられる。これによって効率は向上し、本発明に係る装置は全体としてさらに効率的に動作する。
さらなる具体例はタービンで差別化される。ここで、タービンは第2インペラと第2ガイドホイールとを備える。第2ガイドホイールは複数の再循環羽根と複数の第2インペラ羽根とを有する。流れ特性を考えるならば、プロセス流体は放射状にタービンに流入する。第1インペラの第1ガイドホイール羽根は第1インペラ羽根に向かってプロセス流体の進路を変える。プロセス流体はインペラ羽根で区画される流路を通って求心方向に流入する。その後、プロセス流体は軸状に第2ガイドホイールに向かって流れる。上流側に配置される再循環羽根は再び放射状に外側に向かってプロセス流体の進路を変える。第2ガイドホイールの下流側ではプロセス流体の進路は第2インペラの第2インペラ羽根に向かって変えられ第2インペラを回転駆動する。こうして2段タービンは実現され、本発明に係る装置の効率は高められる。当然ながら、2段タービンに限らず、3段タービンや多段タービンが実現されてもよい。
好ましくは、発電機ハウジングは発電機冷却ユニットを備える。発電機ハウジングの冷却は多くの利点を有することが見出されている。もっとも重要な利点は、発電機の動作中にロータおよびステータの熱応力が軽減されることであり、これによって発電機の寿命は延びる。さらに、発電機の回転速度は高められ、その結果、よりよい効率が得られる。さらにまた、磁界は温度依存性を有し温度上昇に伴って低下する。したがって、発電機冷却ユニットは強い磁界の維持に役立ち、発電機の効率を高め、あるいは高いレベルで効率を維持する。
また、好ましくは、タービンハウジングはタービン冷却ユニットを備える。この場合でもタービンの構成部品の熱応力は軽減され、これによってタービンの寿命は延びる。設計の工夫に応じて冷却ユニットは特に軸受け構造を冷却してもよく、軸受け構造の冷却はタービンの信頼性を決定的に高める。
さらなる具体例は膨張タンクで特徴付けられる。膨張タンクは膨張機の下流に配置されて第1プロセス流体を膨張させる。ORCプロセスではプロセス流体は膨張機の出口では完全にまたは部分的に、液状態で存在する。第1循環流路で比較的に小さい径の管にプロセス流体が案内される場合には、膨張機で背圧が生じるかもしれない。背圧は膨張機の効率に都合のよくない影響を及ぼす。膨張タンクは膨張の容量を提供し、背圧は膨張機に戻ることなく低減され、その結果、膨張機の効率は負の影響から逃れられる。
本発明の具体例は1以上のさらなる循環流路でさらに改良される。個々のさらなる循環流路にはさらなるプロセス流体が流通する。1以上のさらなるプロセス流体は1以上の第1熱交換器で加熱される。第1熱交換器には第1プロセス流体が流通する。ここでは、1以上のさらなる循環流路はさらなる流体エネルギー装置を備える。この流体エネルギー装置は、第1熱交換器の下流に配置されて、加熱されたさらなるプロセス流体を圧縮する。さらなる循環流路では、第2熱交換器がさらなる流体エネルギー装置の下流に配置される。第2熱交換器は、圧縮されたさらなるプロセス流体から第1プロセス流体に熱を移動させる。第1プロセス流体は第2熱交換器を流通することができる。また、さらなる循環流路では、第2熱交換器の下流にスロットルが配置される。スロットルは凝縮されたさらなるプロセス流体の流れを絞る。第1復水器で第1プロセス流体が凝縮される間に、ある量の熱だけが第1プロセス流体から解放される。熱の量は、特に第2プロセス流体の熱力学的特性に基づき制限される。第1プロセス流体は未だ一定量の熱を含むかもしれない。用途によっては、その量は環境温度のレベルよりもはなはだ大きいかもしれない。この熱は第3プロセス流体の蒸発に利用される。このとき、第3プロセス流体に移動する熱は適当な位置で第1プロセス流体に付加される。考慮すべきことは、熱を放出する側のプロセス流体は受け取る側のプロセス流体と少なくとも同一の圧力でなければならない、ということである。その結果、さらなる流体エネルギー装置は第2熱交換器に流入する以前に第3プロセス流体を少なくとも第2熱交換器内の第1プロセス流体の圧力まで圧縮しなければならない。それによってORCプロセスの効率はさらに高められる。
好ましくは、第2プロセス流体またはさらなるプロセス流体の1つは発電機冷却ユニットを通過する。本具体例では、発電機から取り出された熱は適当な位置で第1プロセス流体に加えられる。その結果、取り出された熱は未利用で維持されることはなく、プロセス内で使用される。こうして装置の効率はさらに高められる。
さらに他の具体例では装置は第1のさらなる循環流路を備える。第1のさらなる循環流路には第1のさらなるプロセス流体が流通する。第1のさらなるプロセス流体は発電機冷却ユニットを通過し加熱される。ここで、第1のさらなる循環流路はさらなる流体エネルギー装置を備える。さらなる流体エネルギー装置は、発電機冷却ユニットの下流に配置されて、加熱された第1のさらなるプロセス流体を圧縮する。第1のさらなる循環流路では、第2熱交換器は、さらなる流体エネルギー装置の下流に配置され、圧縮された第1のさらなるプロセス流体から第1プロセス流体に熱を移動させる。第1プロセス流体は第2熱交換器を通過することができる。第1のさらなる循環流路では、さらなるスロットルは、第2熱交換器の下流に配置されて、凝縮された第1のさらなるプロセス流体の流れを絞る。
本具体例では、発電機の動作中に生成される熱は発電機から取り出され第1プロセス流体に移される。前述のように、発電機の効率は温度の上昇とともに低下するため、いずれにしても冷却は重要である。本具体例では発電機から取り出された熱は第1プロセス流体の予備加熱に用いることができ、その結果、ORCプロセスは高効率で動作することができる。
さらに他の具体例は第1のさらなる循環流路と第2のさらなる循環流路を備える。第1のさらなる循環流路には個々に第1のさらなるプロセス流体が流通する。第1のさらなるプロセス流体は熱移動ユニットを通過し加熱される。ここで、第1のさらなる循環流路はさらなる流体エネルギー装置を備える。さらなる流体エネルギー装置は、熱移動ユニットの下流に配置されて、加熱された第1のさらなるプロセス流体を圧縮する。第1のさらなる循環流路では、第2熱交換器は、さらなる流体エネルギー装置の下流に配置されて、圧縮された第1のさらなるプロセス流体から第1プロセス流体に熱を移動させる。第1プロセス流体は第2熱交換器を通過することができる。第1のさらなる循環流路はさらなるスロットルを有する。さらなるスロットルは、第2熱交換器の下流に配置され、凝縮された第1のさらなるプロセス流体の流れを絞る。第2のさらなる循環流路には第2のさらなるプロセス流体が流通する。第2のさらなるプロセス流体は発電機冷却ユニットおよび熱移動ユニットを通過する。
一般に、第2プロセス流体および1以上のさらなるプロセス流体が1つのみの蒸発器で蒸発し、1つのみの復水器で凝縮されると都合がよい。ただしこの場合、熱交換器が個々の循環流路に統合されることができず、必要とされる部品および管が増加してしまう。一般に、第2プロセス流体または1以上のさらなるプロセス流体には同一の循環流路内で複数の熱交換器によって複数回にわたって熱は加えられるとよい。特に、蒸発に要する熱が熱移動のない位置で第1プロセス流体から取り出される場合に好適である。第1熱交換器の下流に配置される第2熱交換器では、第2プロセス流体またはさらなるプロセス流体の1つがすでに少なくとも部分的に蒸発してしまい、気液混合の存在のおそれがある。発電機冷却ユニットの設計によっては、使用されるプロセス流体は細い経路を通過しなければならない。しかしながら、蒸気は経路を塞ぎ流れを阻害するかもしれない。この問題は、さらなる循環流路が第1のさらなる循環流路および第2のさらなる循環流路に細分化されることで解決される。したがって、様々なさらなるプロセス流体を利用することが可能となる。そういったプロセス流体の選択にあたって、さらなるプロセス流体は液体状態でのみ発電機冷却ユニットを通過する。
さらに、第2プロセス流体またはさらなるプロセス流体または第1のさらなるプロセス流体がタービン冷却ユニットを通過することが好ましい。本具体例では、タービンから取り出される熱は適当な位置で第1プロセス流体に加えられる。その結果、取り出された熱は未利用で維持されることはなく、プロセス内で使用される。こうして装置の効率はさらに高められる。
さらに改良された本発明では第2プロセス流体またはさらなるプロセス流体または第1のさらなるプロセス流体は膨張タンク冷却ユニットを通過することができる。この改良では、冷却時に膨張タンクから取り出される熱は適当な位置で第1プロセス流体に加えられる。こうして装置の効率はさらに高められる。
本発明の他の態様はオーガニックランキンサイクルの循環流路向けタービン発電機構造に関する。このタービン発電機構造は、タービンハウジングを有するタービンと、発電機ハウジングを有する発電機とを備える。ここで、発電機ハウジングはギア機構なしで軸によってタービンハウジングに接続される。したがって、本態様は、オーガニックランキンサイクルの循環流れを遂行するタービン発電機構造の利用に関する。本タービン発電機構造の技術的効果および利点は前述の装置に関して詳述されてきたものと同じである。特に、設置スペースの縮小および信頼性の向上は言及に値する。
好ましくは、タービン発電機構造では軸の軸受けはタンデムローラー軸受け構造を有する。本タービン発電機構造の技術的効果および利点は、対応する装置の具体例に関して詳述されてきたものと同じである。
好ましくは、タービンは、複数の第1インペラ羽根を有する第1インペラを備える。第1インペラは軸上に配置され、その軸上に発電機のロータは配置される。本タービン発電機構造の技術的効果および利点は、対応する装置の具体例に関して詳述されてきたものと同じである。
さらに改良されたタービン発電機構造では、タービンは、複数の第1ガイドホイール羽根を有する第1ガイドホイールと、複数の第1インペラ羽根を有する第1インペラとを備える。本タービン発電機構造の技術的効果および利点は、対応する装置の具体例に関して詳述されてきたものと同じである。
さらに改良されたタービン発電機構造では、発電機ハウジングは発電機冷却ユニットを有し、タービンハウジングはタービンハウジング冷却ユニットを有する。あるいは、発電機ハウジング、タービンハウジングのいずれか一方が冷却ユニットを有する。本タービン発電機構造の技術的効果および利点は、対応する装置の具体例に関して詳述されてきたものと同じである。
以下、添付の図面を参照しつつ好適な実施形態として本発明は詳細に説明される。
本発明に係る装置の第1実施形態を示す原理図である。 本発明に係る装置の第2実施形態を示す原理図である。 本発明に係る装置の第3実施形態を示す原理図である。 本発明に係るタービン発電機構造の断面図である。 (a)本発明に係るインペラの平面図、および(b)(a)で規定される平面に沿ってインペラを示す断面図である。 (a)本発明に係る第1ガイドホイールを示す透視図、(b)(a)に示す第1ガイドホイールを示す斜視図、および(c)(a)および(b)に示す第1ガイドホイールを示す斜視図である。 (a)本発明に係る第2ガイドホイールの平面図、(b)(a)に示す第2ガイドホイールの側面図、および(c)(a)および(b)に示す第2ガイドホイールを示す斜視図である。
図1は本発明の第1実施形態に係るORCプロセスを実行する装置10の概略図である。熱源11(例えば産業用設備)は排熱を提供し、排熱は適当な媒体12によって蒸発器14に運ばれる。蒸発器14は第1循環流路16の一部である。第1循環流路16には第1プロセス流体18が流通する。第1プロセス流体18の流れ方向は矢印で示される。「上流」および「下流」といった用語の使用にあたって個々の循環流路の流れ方向が関連づけられる。蒸発器14では第1プロセス流体18は熱源11から供給される熱で蒸発する。蒸発器14は管20で膨張機22に接続される。蒸発器14で蒸発した第1プロセス流体18は膨張機22で膨張する。図示される実施形態では膨張機22はタービン24で実現される。タービン24は、タービンハウジング25を有し、ギア機構を介さずに発電機26に接続される。タービン24で生成された機械的エネルギーは発電機26で電気エネルギーに変換される。発電機26は、タービンハウジング25が接続可能な発電機ハウジング27を備える。
タービン24を通過して膨張した第1プロセス流体18は第1復水器28に案内される。第1復水器28で、膨張した第1プロセス流体18は凝縮される。このために第1プロセス流体18から熱が取り出される必要がある。熱の取り出しは第2循環流路40で実施される。第2循環流路40では第2プロセス流体42が矢印の方向に運ばれる。第2循環流路40についてはさらに後述される。
復水器28を通過して凝縮した第1プロセス流体18は第1流体エネルギー装置34に案内される。第1流体エネルギー装置34は第1循環流路16内で第1プロセス流体18を流通させる。第1流体エネルギー装置34は第1プロセス流体18の圧力増加を生じさせる。図示される例では第1流体エネルギー装置34はポンプ36で実現される。ポンプ36は特に液体の第1プロセス流体18の運搬に適する。その後、第1プロセス流体18は蒸発器14に案内され、第1循環流路16は閉じられる。
第2プロセス流体42は第1復水器28を通過する。第1復水器28では第2プロセス流体42は第1プロセス流体18から放出される熱で加熱され蒸発する。続いて、加熱され蒸発した第2プロセス流体42は第2流体エネルギー装置44に案内される。図示される実施形態では第2流体エネルギー装置44は圧縮機46として具体化される。圧縮機46は、一方で第2循環流路40に第2プロセス流体42を流通させ、他方で加熱され蒸発した第2プロセス流体42を圧縮する。その後、第2プロセス流体42は熱交換器47に運ばれる。第1プロセス流体18は熱交換器47を通過する。第2プロセス流体42が第1復水器28で蒸発すると、熱交換器47は第2復水器48として動作し、第2復水器48で第2プロセス流体42が凝縮される。どちらの場合も、第2プロセス流体42から取り出された熱は第1プロセス流体18に移される。
本具体例では、第2復水器48は蒸発器14の上流に配置される。その結果、第1プロセス流体18は蒸発器14への流入に先立って第2復水器48で予備加熱される。第1プロセス流体18の蒸発に要する熱の量は低減され、その結果、熱源11の排熱が比較的に低い温度レベルでもORCプロセスは実行される。第2復水器48から流出した第2プロセス流体42はスロットル50に案内される。スロットル50で第2プロセス流体42の流れは絞られその圧力は低下する。それから第2プロセス流体42は第1復水器28に案内され、第2循環流路40は閉じられる。
さらに装置10はさらなる循環流路52(本件では第3循環流路52)を備える。第3循環流路52には、第3循環流路52内のさらなる流体エネルギー装置56によって、さらなるプロセス流体53(この場合には第3プロセス流体53)が流通する。第3プロセス流体53は発電機ハウジング27内の発電機冷却ユニット29を通過する。その結果、熱は発電機26から第3プロセス流体53に移行する。こうして発電機26は冷却される。第3プロセス流体53は加熱され蒸発する。発電機冷却ユニット29の下流で第3プロセス流体53は第2熱交換器58または第4復水器62を通過する。第4復水器62には第1プロセス流体18が流通することができる。ここで、熱は第3プロセス流体53から第1プロセス流体18に移行する。さらなる流体エネルギー装置56は少なくとも第2熱交換器58内の第1プロセス流体18の圧力まで第3プロセス流体53を圧縮する。第2熱交換器58は、第2復水器48の下流に配置され、第3プロセス流体53から第1プロセス流体18に熱の移動を引き起こす。必要に応じて、第3プロセス流体53は続いてさらなるスロットル64で所定の圧力まで絞られる。第3循環流路52内で実施される温度プロセスに起因して第1プロセス流体18は蒸発器14に至る以前に予備加熱される。これによって蒸発に要する熱の量はさらに減少する。その結果、本発明に係る装置10ではORCプロセスの効率はさらに向上する。
図2は本発明の第2実施形態に係るORCプロセスを実行する装置10を示す。本実施形態では装置10は図1に示される第1実施形態の全ての構成要素を備える。ただし、装置10はさらに膨張タンク55を備える。膨張タンク55は膨張タンク冷却ユニット57を備える。膨張タンク冷却ユニット57には第1プロセス流体18が流通する。膨張タンク55は、タービン24の下流に配置され、膨張した第1プロセス流体18の背圧がタービン24に作用することを防止する。第1復水器28は膨張タンク55の下流に配置される。しかも、第1熱交換器54は復水器28の下流で第1循環流路16に組み込まれる。第1プロセス流体18は第1熱交換器54を通過することができる。
第2プロセス流体42は第1熱交換器54および膨張タンク冷却ユニット57を通過することができる。第2プロセス流体42は第2循環流路40内を案内される。第1熱交換器54および膨張タンク冷却ユニット57で第1プロセス流体18から取り出される熱は熱交換器47で第1プロセス流体18に移行する。熱交換器47は、利用できる熱の大きさや使用される第2プロセス流体のタイプに応じて、第2復水器48として構成されてもよい。
第2実施形態に係る装置10では第1のさらなるプロセス流体53が蒸発器28を通過する。第1のさらなるプロセス流体53は第1のさらなる循環流路52内を循環する。さらなる流体エネルギー装置56が使用される。熱移動ユニット65は蒸発器28の下流に配置される。熱移動ユニット65には第1のさらなるプロセス流体53が流通する。同時に、熱移動ユニット65には第2のさらなるプロセス流体53が流通する。第2のさらなるプロセス流体53は第2のさらなる循環流路52内を循環する。見やすさを優先し、第2のさらなる循環流路52内の供給ポンプは図示されていない。第2のさらなるプロセス流体53は発電機冷却ユニット29を通過し、その結果、発電機26の冷却にあたって第2のさらなるプロセス流体53に移行する熱は熱移動ユニット65内で第1さらなるプロセス流体53に移行する。本発明の第1実施形態に係る装置10で既に詳述したように、この熱は第2熱交換器58内で第1プロセス流体18に移される。第2のさらなるプロセス流体53の選択は発電機冷却ユニット29内の流れ条件や温度条件に従って調整されればよい。
第1復水器から流出した第1プロセス流体18に残存する熱の大きさが、第3プロセス流体53の蒸発に十分な大きさかどうかによって、第1熱交換器54は第3復水器60として構成される。第3復水器60では第1プロセス流体18は凝縮され第1のさらなるプロセス流体53は加熱される。したがって、第2熱交換器58は、第1のさらなるプロセス流体53を凝縮し第1プロセス流体18を加熱する第4復水器62として構成される。第4復水器62から流出する第1のさらなるプロセス流体53はさらなるスロットル64に案内される。スロットル64で第1のさらなるプロセス流体53の流れは絞られ圧力は減少する。
第2実施形態に係る装置10は全体で4つの循環流路を有する。ただし、循環流路の数はさらに増加してもよい。しかも、蒸発器や復水器は、扱われるプロセス流体の状態を変化させる熱交換器の典型例である。その一方で、プロセス流体の状態を変化させずに、蒸発器や復水器は単純に熱交換器として動作してもよい。
図3は本発明の第3実施形態に係る装置10を示す。大部分で第3実施形態に係る装置10は第2実施形態に等しい。ただし、タービン24はタービン24を冷却するタービン冷却ユニット66を備える。第3実施形態では冷媒がタービン冷却ユニット66に流通しタービン24を冷却する。冷媒は第2循環流路40またはさらなる循環流路52を循環するわけではない。ただし、循環してもよい。図示される具体例では第1のさらなるプロセス流体53は膨張タンク55を通過する。ただし、第2プロセス流体42は膨張タンク55の膨張タンク冷却ユニット57に流通してもよく、膨張タンク冷却ユニット57は第2循環流路40またはさらなる循環流路52に統合されなくてもよい。発電機冷却ユニット29に関しても同様である。
図4はタービン発電機構造70を示す。タービン発電機構造70は、タービンハウジング25を有するタービン、および、発電機ハウジング27を有する発電機26を備える。発電機ハウジング27は発電機冷却ユニット29に属する流路72を備える。流路72には、第2プロセス流体42、さらなるプロセス流体53または冷媒68が案内されて発電機26を冷却する。タービン24および発電機26はギアレスで相互に接続される。第1インペラ74、第2インペラ77およびロータ75は軸30上に配置され、ロータ75は発電機26のスターター79と相互作用する。さらに、第1ガイドホイール78および中間部材80はタービンハウジング25に固定される。第2ガイドホイール82は軸30に固定される。軸30は軸受け73で支持される。軸受け73はタンデムローラー軸受け構造76を有する。タンデムローラー軸受け構造76はタービン側に2つの軸受けを有する。したがって、タービン24のインペラおよびガイドホイールは単純に支持されてもよく吊り下げ支持されてもよい。
図5は本発明に係る第1インペラ74を示す。第1インペラ74は合計で13個の第1インペラ羽根84を有する。第2インペラ77は第1インペラ74と同様に形成され、したがって、図5は第2インペラの図面として用いられてもよい。第1インペラ羽根の参照符号「84」は第2インペラ羽根にも有効である。
図6は本発明に係る第1ガイドホイール78を示す。第1ガイドホイール78は合計で14個の第1ガイドホイール羽根90を有する。
図7は本発明に係る第2ガイドホイール82を示す。第2ガイドホイール82は合計で12個の再循環羽根86および14個の第2ガイドホイール羽根88を有する。図7(a)では再循環羽根86は破線で示される。
オーガニックランキンサイクルの循環流路の動作中、第1プロセス流体18はタービンハウジング25に放射方向から導入され環状空間92に至る。環状空間92はタービンハウジング25、中間部材80および第1ガイドホイール78で形成される。第1プロセス流体18は環状空間92から第1ガイドホイール羽根90に向かって案内される。第1ガイドホイール羽根90は、第1インペラ羽根84に向かって第1プロセス流体18が最適に流れるように第1プロセス流体18の経路を形成する。こうして第1プロセス流体18は第1インペラ74を回転させ軸30およびロータ75を回転させる。第1インペラ羽根84を通過する際に、第1プロセス流体18は放射方向を内側に向かって流れ、続いてやや軸方向に流れる。したがって、第1プロセス流体18は、再循環羽根86を有する第2ガイドホイール82の側面に衝突する。再循環羽根86は放射方向に外側に向かって第1プロセス流体18を案内する。第2ガイドホイール82の第2ガイドホイール羽根88は内側に向かって第1プロセス流体18を案内する。こうして第1プロセス流体18は第2インペラ77のインペラ羽根84に最適に衝突し、第1プロセス流体18の運動エネルギーは回転力のエネルギーに変換され、その後に回転力のエネルギーは電気エネルギーに変換される。こうしたタービン24の2段構成によって第1プロセス流体18の運動エネルギーは1段構成のものに比べてよりよく使用され、その結果、本発明に係る装置10の効率はさらに高められることができる。
10、10〜10 装置
11 熱源
12 媒体
14 蒸発器
16 第1循環流路
18 第1プロセス流体
20 管
22 膨張機
24 タービン
25 タービンハウジング
26 発電機
27 発電機ハウジング
28 第1復水器
29 発電機冷却ユニット
30 軸
34 第1流体エネルギー装置
36 ポンプ
40 第2循環流路
42 第2プロセス流体
44 第2流体エネルギー装置
46 圧縮機
47 熱交換器
48 第2復水器
50 スロットル
52、52、52 さらなる循環流路
53、53、53 さらなるプロセス流体
54 第1熱交換器
55 膨張タンク
56 さらなる流体エネルギー装置
57 膨張タンク冷却ユニット
58 第2熱交換器
60 第3復水器
62 第4復水器
64 さらなるスロットル
65 熱移動ユニット
66 タービン冷却ユニット
68 冷媒
70 タービン発電機構造
72 流路
73 軸受け
74 第1インペラ
75 ロータ
76 タンデムローラー軸受け構造
77 第2インペラ
78 第1ガイドホイール
79 ステータ
80 中間部材
82 第2ガイドホイール
84 第1および第2インペラ羽根
86 再循環羽根
88 第2ガイドホイール羽根
90 第1ガイドホイール羽根
92 環状空間

Claims (21)

  1. 第1プロセス流体(18)が流通する第1循環流路(16)を備え、前記第1循環流路(16)は、
    前記第1プロセス流体(18)を蒸発させる蒸発器(14)と、
    前記蒸発器(14)の下流に配置され、蒸発した前記第1プロセス流体(18)を膨張させ、電気エネルギーを生成する発電機(26)に接続可能な膨張機(22)と、
    前記膨張機(22)の下流に配置され、膨張した前記第1プロセス流体(18)を凝縮する第1復水器(28)と、
    前記第1復水器(28)の下流に配置され、凝縮された前記第1プロセス流体(18)の圧力を増加させ、下流の前記蒸発器(14)に前記第1プロセス流体(18)を移動させる第1流体エネルギー装置(34)とを有する装置であって、
    第2プロセス流体(42)が流通し、前記第1復水器(28)で前記第2プロセス流体(42)を蒸発させる第2循環流路(40)をさらに備え、前記第2循環流路(40)は、
    前記第1復水器(28)の下流に配置されて、蒸発した前記第2プロセス流体(42)を圧縮する第2流体エネルギー装置(44)と、
    前記第2流体エネルギー装置(44)の下流に配置されて、蒸発した前記第2プロセス流体(42)を凝縮し、前記第1プロセス流体(18)が流通する第2復水器(48)と、
    前記第2復水器(48)の下流に配置されて、凝縮された前記第2プロセス流体(42)の流れを絞るスロットル(50)とを有し、
    前記膨張機(22)はギア機構なしで軸(30)によって前記発電機(26)に接続されることを特徴とする、オーガニックランキンサイクルプロセスを実行する装置。
  2. 前記軸(30)の軸受け(73)はタンデムローラー軸受け構造(76)を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 前記膨張器(22)はタービン(24)として組み込まれ、前記発電機(26)の発電機ハウジング(27)に接続可能なタービンハウジング(25)を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
  4. 前記タービン(24)は、複数の第1インペラ羽根(84)を有する第1インペラ(74)を備え、前記第1インペラ(74)は前記軸(30)上に配置され、前記軸(30)上に前記発電機(26)のロータ(75)が配置されることを特徴とする請求項3に記載の装置。
  5. 前記タービン(24)は、複数の第1ガイドホイール羽根(90)を有する第1ガイドホイール(78)と、複数の第1インペラ羽根(84)を有する第1インペラ(74)とを備えることを特徴とする請求項3または4に記載の装置。
  6. 前記タービン(24)は第2インペラ(77)と第2ガイドホイール(82)とを備え、前記第2ガイドホイール(82)は複数の再循環羽根(86)と複数の第2ガイドホイール羽根(88)とを有することを特徴とする請求項5に記載の装置。
  7. 前記発電機ハウジング(27)は発電機冷却ユニット(29)を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
  8. 前記タービンハウジング(25)はタービン冷却ユニット(66)を備えることを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の装置。
  9. 前記膨張機(22)の下流に配置されて、前記第1プロセス流体(18)を膨張させる膨張タンク(55)をさらに備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置。
  10. 前記膨張タンク(55)は膨張タンク冷却ユニット(57)を備えることを特徴とする請求項9に記載の装置。
  11. 個々にさらなるプロセス流体(53)が流通する1以上のさらなる循環流路(52)を備え、前記さらなるプロセス流体(53)は、前記第1プロセス流体(18)が流通する1以上の第1熱交換器(54)で加熱され、前記さらなる循環流路(52)は、
    前記第1熱交換器(54)の下流に配置されて、加熱された前記さらなるプロセス流体(53)を圧縮する流体エネルギー装置(56)と、
    前記流体エネルギー装置(56)の下流に配置されて、前記第1プロセス流体(18)が流通し、圧縮された前記さらなるプロセス流体(53)から前記第1プロセス流体(18)に熱を移動させる第2熱交換器(58)と、
    前記第2熱交換器(58)の下流に配置されて、凝縮された前記さらなるプロセス流体(53)の流れを絞るスロットル(64)と
    を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
  12. 前記第2プロセス流体(42)または前記さらなるプロセス流体(53)は前記発電機冷却ユニット(29)を流通することを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の装置。
  13. 個々に第1のさらなるプロセス流体(53)が流通する第1のさらなる循環流路(52)を備え、前記第1のさらなるプロセス流体(53)は、前記発電機冷却ユニット(29)を通過し加熱され、前記第1のさらなる循環流路(52)は、
    前記発電機冷却ユニット(29)の下流に配置されて、加熱された前記第1のさらなるプロセス流体(53)を圧縮するさらなる流体エネルギー装置(56)と、
    前記さらなる流体エネルギー装置(56)の下流に配置されて、前記第1プロセス流体(18)が流通し、加熱された前記第1のさらなるプロセス流体(53)から前記第1プロセス流体(18)に熱を移動させる第2熱交換器(58)と、
    前記第2熱交換器(58)の下流に配置されて、凝縮された前記第1のさらなるプロセス流体(53)の流れを絞るさらなるスロットル(64)とを備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
  14. 個々に第1のさらなるプロセス流体(53)が流通する第1のさらなる循環流路(52)を備え、前記第1のさらなるプロセス流体(53)は、熱移動ユニット(65)を通過し加熱され、前記第1のさらなる循環流路(52)は、
    前記熱移動ユニット(65)の下流に配置されて、加熱された前記第1のさらなるプロセス流体(53)を圧縮するさらなる流体エネルギー装置(56)と、
    前記さらなる流体エネルギー装置(56)の下流に配置されて、前記第1プロセス流体(18)が流通し、圧縮された前記第1のさらなるプロセス流体(53)から前記第1プロセス流体(18)に熱を移動させる第2熱交換器(58)と、
    前記第2熱交換器(58)の下流に配置されて、凝縮された前記第1のさらなるプロセス流体(53)の流れを絞るさらなるスロットル(64)と、
    第2のさらなるプロセス流体(53)が流通し、前記第2のさらなるプロセス流体(53)が前記発電機冷却ユニット(29)および前記熱移動ユニットを通過する第2のさらなる循環流路と
    を備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
  15. 前記第2プロセス流体(42)または前記さらなるプロセス流体(53)または前記第1のさらなるプロセス流体(53)は前記タービン冷却ユニット(66)を流通することを特徴とする請求項8〜14のいずれか1項に記載の装置。
  16. 前記第2プロセス流体(42)または前記さらなるプロセス流体(53)または前記第1のさらなるプロセス流体(53)は前記膨張タンク冷却ユニット(57)を流通することを特徴とする請求項10〜15のいずれか1項に記載の装置。
  17. タービンハウジング(25)を有するタービン(24)と、発電機ハウジング(27)を有する発電機(26)とを備え、前記発電機ハウジング(27)はギア機構なしで軸(30)によって前記タービンハウジング(25)に接続可能なことを特徴とするオーガニックランキンサイクルの循環流路向けタービン発電機構造。
  18. 前記軸(30)の軸受けはタンデムローラー軸受け構造(76)を有することを特徴とする請求項17に記載のタービン発電機構造。
  19. 前記タービン(24)は、複数の第1インペラ羽根(84)を有する第1インペラ(74)を備え、前記第1インペラ(74)は前記軸(30)上に配置され、前記軸(30)上に前記発電機(26)のロータ(75)が配置されることを特徴とする請求項18に記載のタービン発電機構造。
  20. 前記タービン(24)は、複数の第1ガイドホイール羽根(90)を有する第1ガイドホイール(78)と、複数の第1インペラ羽根(84)を有する第1インペラ(74)とを備えることを特徴とする請求項19に記載のタービン発電機構造。
  21. (a)前記発電機ハウジング(27)は発電機冷却ユニット(29)を有し、(b)前記タービンハウジング(25)はタービン冷却ユニット(66)を有し、少なくとも(a)(b)のいずれか一方であることを特徴とする請求項17〜20のいずれか1項に記載のタービン発電機構造。
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