JP2017506719A5 - - Google Patents
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Description
図1に示す超臨界周囲流体サイクル型動力発生システム1は有利である一方、前記超臨界流体サイクルと前記周囲サイクルとの間で熱を移動させるために必要な熱交換器は大型で、高価であり、実施するうえで実際的ではない場合がある。流れのサイクルをより効果的に管理することにより、超臨界流体サイクルを用いた動力発生システムにおける熱移動効率を改善することができる。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある(国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む)。
(先行技術文献)
(特許文献)
(特許文献1) 米国特許出願公開第2013/0180259号明細書
(特許文献2) 米国特許第7,685,820号明細書
(特許文献3) 米国特許第3,971,211号明細書
(特許文献4) 米国特許出願公開第2012/0216536号明細書
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある(国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む)。
(先行技術文献)
(特許文献)
(特許文献1) 米国特許出願公開第2013/0180259号明細書
(特許文献2) 米国特許第7,685,820号明細書
(特許文献3) 米国特許第3,971,211号明細書
(特許文献4) 米国特許出願公開第2012/0216536号明細書
前記第2のSCO2タービン116からの前記放出流16は、放出流18および放出流22として第2および第1の部分に分割することができる。前記放出流18および前記放出流22を第2の放出流18および第1の放出流22と呼ぶことがある。図示のように、前記バルブ122bは、前記放出流16を前記第2の放出流18および第1の放出流22に分割することができる。前記制御装置が、前記バルブ122bを操作しまたは作動させる。一態様において、前記バルブ122bは、前記放出流16の70%〜約90%を前記第1の放出流22内に流動させるように構成されている。前記放出流16の流れの残りは、前記第2の放出流18へと向かう。別の態様において、前記バルブ122bは、前記放出流16の約80%を前記第1の放出流22内に流動させるように構成されている。前記SCO2タービンの放出流16がどのように分割されるかに拘わらず、前記第2の放出流18は前記クロスサイクル熱交換器136へと向かい、前記流路108に沿って前記熱交換器136を通過する空気の流れによって冷却される。
前記第1の放出流22が前記回収熱交換器130へと向かい、そこで、前記放出流22からの熱が前記SCO2コンプレッサー110からの第1の放出流6に移動する。換言すれば、前記回収熱交換器130が、前記SCO2の放出流22を冷却する。前記回収熱交換器130からの前記冷却されたSCO2の放出流24が、合流部124bで前記熱交換器136から入ってくる流れ20と混合される。前記合流部124bから、前記混合流26がクロスサイクル熱交換器138(これは任意選択的に実施することができる)へと向かう。例えば、混合流26を前記コンプレッサー110に直接向かわせてもよい。上述のように、前記クロスサイクル熱交換器138内で、前記SCO2の混合流26からの熱が、前記空気サイクル104の流路108に移動する。前記冷却されたSCO2の流れ28が、冷却器126(これは任意選択的に実施することができる)を通って向かい、流れ2として前記SCO2コンプレッサー110の入口に戻る。供給部109からの追加的SCO2を前記SCO2コンプレッサー110に向かう前記SCO2の流れ2に導入して前記システムからのSCO2の漏れがあればこれを補うことができる。いずれにせよ、前記SCO2の流れ2は前記コンプレッサー110の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
前記放出流60がバルブ222dへと向かい、このバルブ222dが前記タービン216からの前記放出流60を第2の放出流62および第1の放出流66に分割する。前記第2の放出流62がクロスサイクル熱交換器236へと向かい、流路208に沿って前記熱交換器236を通る空気の流れによって加熱される。前記熱交換器236から放出された放出流64が、前記熱交換器238に向かう。前記SCO2の第1の放出流66が前記回収熱交換器230へと向かい、そこで、その熱が前記SCO2コンプレッサー210からの前記SCO2の第1の放出流4へと移動する。前記回収熱交換器230からの放出流68が、合流部224dで前記熱交換器236から放出流64と混合され、混合流69を形成する。前記SCO2の混合流69が前記熱交換器238へと向かい、そこで、前記SCO2流体からの熱が前記空気サイクル204の流路208に沿った圧縮空気へと移動する。前記冷却されたSCO2の流れ28が、冷却器226(これは任意選択的に実施することができる)を通って向かい、前記流路206を経由して前記SCO2コンプレッサー210の入口に戻る。水入力225aは、冷却器226に水を供給することができる。前記冷却器226の出力流225bは、加熱された水であって、熱源として使用することができる。供給部207からの追加的SCO2を前記コンプレッサー210に向かう前記SCO2の前記流れ42内に導入して前記システムからのSCO2の漏れがあればこれを補うことができる。いずれにせよ、前記SCO2の流れ202は前記コンプレッサー210の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。代替的な一態様では、さらに別の熱交換器239aが流れ68に沿って配置されている。水入力239bは、熱交換器239aに水を供給することができる。前記熱交換器239aの出力流239cは、加熱された水であって、地域暖房として使用することができる。地域暖房には一般的に180°F以上の水温が必要となるが、前記冷却器226のみを含むシステム200とは対照的に、熱交換器239aを含めることにより出力流温度を確実に約180°F以上とするために役立てることができる。したがって、前記システム200は、冷却器226または熱交換器239aを含むことができる。さらに他の代替案では、前記システム200は、冷却器226および熱交換器239aの両方を含むことができる。
図3について継続すると、前記全体システム200の前記空気吸込サイクル104の部分は開放流路208を形成している。最初に、軸流コンプレッサー、遠心コンプレッサー、往復動コンプレッサー、または同様の種類のコンプレッサーであってもよい押込送風機250に、周囲空気201が供給される。前記押込送風機250は、動力源254によって動力を供給されるシャフト252によって駆動される。前記動力源254は、モーターであってもよい。次に、(タービン216から放出され前記熱交換器230および236内で冷却された)前記SCO2の混合流69からの熱の移動により、前記押込送風機250からの圧縮空気の流れ80が、前記熱交換器238内で加熱される。次に、加熱された圧縮空気の空気流82が前記熱交換器236へと向かい、前記熱交換器236で加熱されたSCO2の第2の放出流62からの熱が前記空気流82へと移動する。空気流84が燃焼器258に供給され、この燃焼器258には燃料制御装置によって燃料203が導入され(化石燃料、ソーラーコンダクター(solar conductor)、原子炉などからの熱が供給され)、空気中で燃焼して高温燃焼ガスを生じさせる。燃焼器258からの燃焼ガスの流れ86が熱交換器232へと向かい、そこで、前記高温燃焼ガスの流れ86から上述のSCO2の混合流52に熱が移動する。高温燃焼ガスの流れ88が前記熱交換器234へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから圧縮SCO2の流れ74に熱が移動する。前記熱交換器234の放出流90を、コンプレッサーであってもよい誘引通風機260へと流動させることができる。前記誘引通風機260は、モーターなどの動力源264によって動力が供給されるシャフト262に接続することができる。前記ガスの流れを前記誘引通風機260から大気へと排気することができる。押込送風機250および誘引通風機260の両方の目的は、前記熱交換器および燃焼器を通じて流れを駆動し、これらに関連付けられる気圧低下を克服することである。前記燃焼器内で燃焼する燃料の種類に基づいて、前記押込送風機250は必要ではない場合もあることが理解されるべきである。例えば、押込送風機250は、燃料が開放されたドアを通じて導入されるバイオマスを燃焼させる場合に、燃焼ゾーンの気圧が大気圧よりも低いことが望ましいときに有用である。しかし、化石燃料を燃焼させる場合のように前記燃焼器を加圧することができる場合は、前記誘引通風機260は不要である。
しかし、本開示の代替的な態様によれば、前記動力発生システム300は、前記コンプレッサー110の入口に向かって流れ28を放出する末端の熱交換器138を含んでいない(図2を参照)。前記動力発生システム300によれば、前記バルブ122bは、前記第2のSCO2タービン116からの放出流16を第2の放出流318および第1の放出流322に分割する。一態様において、前記制御装置は、前記放出流16の70%〜約90%を前記第1の放出流322内に流動させるように、バルブ112bを操縦しまたは作動させる。前記放出流16の流れの残りは、前記第2の放出流318へと向かう。別の態様において、前記バルブ122bは、前記放出流16の約80%を前記第1の放出流322内に流動させるように構成されている。前記SCO2タービンの放出流16がどのように分割されるかに拘わらず、前記第2の放出流318は前記クロスサイクル熱交換器136へと向かい、流路408に沿って前記熱交換器136を通過する空気の流れによって冷却される。
前記第1の放出流322が前記回収熱交換器130へと向かい、そこで、前記放出流322からの熱が前記SCO2コンプレッサー110からの第1の放出流6に移動する。前記回収熱交換器130からの前記冷却されたSCO2の放出流324が、合流部124bで前記熱交換器136から入ってくる流れ20と混合される。前記合流部124bから、前記混合流328が前記コンプレッサー110へと向かう。図示のように、前記冷却されたSCO2の流れ328が、冷却器126(これは任意選択的に実施することができる)を通って向かい、流れ2として前記SCO2コンプレッサー110の入口に戻る。いずれにせよ、前記SCO2の流れ2は前記コンプレッサー110の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
Claims (43)
- システム内で動力を発生させる方法であって、当該システム内を通って流れる超臨界流体を有する超臨界流体サイクルと、前記超臨界流体の流れと混合せずに当該システム内をを通って流れる空気を有する空気吸込サイクルとを含むものであり、この方法は、
前記空気吸込サイクルに沿って空気を方向付け、当該空気を複数の熱交換器を通して流動させる工程と、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置された超臨界流体コンプレッサー内で前記超臨界流体を圧縮する工程と、
第1の圧縮超臨界流体の放出流が回収熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出された超臨界流体を第1および第2の圧縮超臨界流体の放出流に分割する工程と、
前記回収熱交換器から放出された超臨界流体を前記第2の圧縮超臨界流体の放出流と混合する工程と、
圧縮超臨界流体の混合物を、配置された複数の熱交換器のうちの1つを通って超臨界流体タービンの入口に流動させる工程であって、それにより、前記空気吸込サイクルに沿った空気からの熱が当該圧縮超臨界流体の混合物に移動するものである、前記流動させる工程と、
前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第1および第2の膨張超臨界流体の放出流に分割する工程であって、それにより当該第1の膨張超臨界流体の放出流は前記回収熱交換器を通って流れ、前記第1の圧縮超臨界流体の放出流が加熱されるものである、前記第1および第2の膨張超臨界流体の放出流に分割する工程と、
前記回収熱交換器から放出された膨張超臨界流体を前記第2の膨張超臨界流体の放出流と混合する工程と、
膨張超臨界流体の混合物を前記超臨界流体コンプレッサーの入口に流動させる工程と
を有し、
前記膨張超臨界流体の混合物からの熱が前記空気吸込サイクルの前記空気に移動することにより、前記膨張超臨界流体の混合物がほぼその臨界点まで冷却されるものである、
方法。 - 請求項1記載の方法において、前記第3の流動させる工程は、膨張超臨界流体の混合物を前記複数の熱交換器のうちの別の1つを通って前記超臨界コンプレッサーの入口へと流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項2記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器と、第3の熱交換器と、第4の熱交換器とを含み、前記第1の熱交換器から順番に前記第2、第3、および第4の熱交換器の方向に前記空気が流れるものである方法。
- 請求項3記載の方法において、前記第2の流動させる工程は、前記圧縮超臨界流体の混合物を、前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第3の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項4記載の方法において、前記第1の混合する工程の前に、前記第2の圧縮超臨界流体の放出流を前記第4の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項3記載の方法において、前記第3の流動させる工程は、前記膨張超臨界流体の混合物を前記第1の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項6記載の方法において、前記第2の混合する工程の前に、前記第2の膨張超臨界流体の放出流を前記第2の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項1記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器と、第3の熱交換器とを含み、前記第1の熱交換器から順番に前記第2および第3の熱交換器の方向に前記空気が流れるものである方法。
- 請求項8記載の方法において、前記第2の流動させる工程は、前記圧縮超臨界流体の混合物を前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第2の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項9記載の方法において、前記第1の混合する工程の前に、前記第2の圧縮超臨界流体の放出流を前記第3の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項8記載の方法において、前記第3の流動させる工程は、前記膨張超臨界流体の混合物を前記第1の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項8記載の方法において、前記第2の混合する工程の前に、前記第2の膨張超臨界流体の放出流を前記第1の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
- 請求項1記載の方法において、前記第1の流動させる工程は、
空気サイクルコンプレッサー内で前記空気の流れを圧縮する工程と、
空気サイクルタービンを通る前記空気を膨張させる工程と
を含むものである方法。 - 請求項13記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器と、第3の熱交換器とを含み、前記第1の熱交換器から順番に前記第2および第3の熱交換器の方向に前記空気が流れ、前記膨張させる工程は、前記空気が前記第3の交換器を通って流れる前に起こるものである方法。
- 請求項13記載の方法において、前記第1の流動させる工程は、前記空気が前記第2の熱交換器を通って流れる前に前記空気を燃焼させる工程を有するものである方法。
- 請求項13記載の方法において、この方法は、さらに、前記空気の流れを排気する工程を有するものである方法。
- 請求項16記載の方法において、空気流は、前記熱交換器のうちの1つから排気されるものである方法。
- 請求項16記載の方法において、空気流は、前記空気サイクルタービンから排気されるものである方法。
- 請求項1記載の方法において、この方法は、さらに、1もしくはそれ以上の冷却器を介して前記超臨界流体を冷却する工程を有するものである方法。
- 動力を発生させるように構成されたシステムであって、
超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む超臨界流体サイクルと、
空気吸込サイクルであって、当該サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成されているものである、前記空気吸込サイクルと、
前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器と
を有し、
前記システムは、
1)a)第1の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、b)第2の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの1つを通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される超臨界流体を第1および第2の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、
2)a)第1の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、b)第2の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの異なる1つの熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第1および前記第2の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されており、
前記回収熱交換器内で前記第1の膨張超臨界流体の放出流からの熱は、前記圧縮超臨界流体の前記第1の放出流に移動するものである
システム。 - 請求項20記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器と、第3の熱交換器とを含み、前記第1の熱交換器から順番に前記第2および第3の熱交換器の方向に前記空気が流れるものであるシステム。
- 請求項21記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第2の圧縮超臨界流体の放出流が前記第3の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第2の熱交換器へと流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項22記載のシステムにおいて、前記システムは、A)前記第3の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記圧縮超臨界流体の放出物と混合し、B)前記圧縮超臨界流体の混合物を前記第2の熱交換器を通って前記超臨界流体タービンの入口に流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項23記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第2の膨張超臨界流体の放出流が前記第1の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項24記載のシステムにおいて、前記システムは、A)前記第1の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記膨張超臨界流体の放出物と混合し、B)前記膨張超臨界流体の混合物を前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項20記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器は、第1の熱交換器と、第2の熱交換器と、第3の熱交換器と、第4の熱交換器とを含み、前記第1の熱交換器から順番に前記第2、第3、および第4の熱交換器の方向に前記空気が流れるものであるシステム。
- 請求項26記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第2の圧縮超臨界流体の放出流が前記第4の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記第3の熱交換器へと流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項27記載のシステムにおいて、前記システムは、A)前記第4の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記圧縮超臨界流体の放出物と混合し、B)前記圧縮超臨界流体の混合物を前記第3の熱交換器を通って前記超臨界流体タービンの入口に流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項28記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第2の膨張超臨界流体の放出流が前記第2の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記第1の熱交換器に流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項29記載のシステムにおいて、前記システムは、A)前記第2の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの膨張超臨界流体の放出物と混合し、B)前記膨張超臨界流体の混合物を前記第1の熱交換器を通って前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
- 請求項20記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記超臨界流体コンプレッサーから放出された前記超臨界流体を前記第1および第2の圧縮超臨界流体の放出流に分割するように構成された第1のバルブと、
前記超臨界流体タービンから放出された前記超臨界流体を前記第1および第2の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成された第2のバルブと
を有するものであるシステム。 - 請求項20記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、前記超臨界流体が前記超臨界流体コンプレッサー内に入る前にその温度を低下させる冷却器を有するものであるシステム。
- 請求項20記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも1つの空気サイクルコンプレッサーと、少なくとも1つの空気サイクルタービンと、少なくとも1つの燃焼器とを含むものであるシステム。
- 請求項20記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも1つの誘引通風機と、少なくとも1つの押込送風機と、少なくとも1つの燃焼器とを含むものであるシステム。
- 請求項34記載のシステムにおいて、前記誘引通風機は第1の動力源を含み、前記押込送風機は第2の動力源を含むものであるシステム。
- 動力を発生させるように構成されたシステムであって、
超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む超臨界流体サイクルと、
空気吸込サイクルであって、当該空気吸込サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成されているものである、前記空気吸込サイクルと、
前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器であって、前記複数の熱交換器のうちの第1の熱交換器は前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置され、前記複数の熱交換器のうちの第2の熱交換器は前記超臨界流体コンプレッサーの入口に対して供給するように配置されおり、前記第1の熱交換器は第1の熱容量を有し、前記第2の熱交換器は前記第1の熱容量とは実質的に異なる第2の熱容量を有するものである、前記複数の熱交換器と
を有し、
前記システムは、
1)a)第1の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、b)第2の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第1の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される超臨界流体を第1および第2の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、
2)a)第1の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、b)第2の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第2の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出される超臨界流体を第1および第2の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されているものである
システム。 - 請求項36記載のシステムにおいて、前記第1および第2の熱交換器は、相互に対して実質的に異なる温度範囲でそれぞれの流れを受け取るように構成されているものであるシステム。
- 請求項36記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、1もしくはそれ以上のバルブを有するものであるシステム。
- 請求項38記載のシステムにおいて、前記1もしくはそれ以上のバルブは、A)前記超臨界流体コンプレッサーから放出された超臨界流体を前記第1および第2の圧縮超臨界流体の放出流に分割するように構成された第1のバルブ、ならびに、B)前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を前記第1および第2の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成された第2のバルブであるシステム。
- 請求項36記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、前記超臨界流体が前記超臨界流体コンプレッサー内に入る前にその温度を低下させる冷却器を有するものであるシステム。
- 請求項36記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも1つの空気サイクルコンプレッサーと、少なくとも1つの空気サイクルタービンと、少なくとも1つの燃焼器とを含むものであるシステム。
- 請求項36記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも1つの誘引通風機と、少なくとも1つの押込送風機と、少なくとも1つの燃焼器とを含むものであるシステム。
- 請求項42記載のシステムにおいて、前記誘引通風機は第1の動力源を含み、前記押込送風機は第2の動力源を含むものであるシステム。
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