JP4598071B2 - Efficient conversion of heat to useful energy - Google Patents
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Description
本発明は、向流熱交換によって熱力学サイクルを実施するように構成されたシステム、方法および装置に関する。詳細には、本発明は熱力学サイクルの1つ以上のポイントにて熱源流によって多成分流を加熱し、発電を行うことに関する。 The present invention relates to a system, method and apparatus configured to perform a thermodynamic cycle by countercurrent heat exchange. In particular, the present invention relates to heating a multi-component stream with a heat source stream to generate electricity at one or more points in a thermodynamic cycle.
幾つかの従来の伝熱システムは、通常では浪費される熱を、有用なエネルギーに変えることが可能である。従来の伝熱システムの一例は、地熱熱水または産業廃熱源からの熱エネルギーを、向流熱交換技術を使用して電気に変換するものである。例えば、地熱孔からの比較的高温の液体(例えば、ブライン)による熱を使用して、閉鎖系において1つ以上の熱交換器を用いて多成分流体(流体流)を加熱することが可能である。多成分流体は低エネルギーかつ低温の流体状態から加熱されて、比較的高圧のガス(作動流)になる。次いで高圧ガス、即ち作動流は、1つ以上のタービンを通過して、1つ以上のタービンを回転させ発電を行うことが可能である。 Some conventional heat transfer systems can convert normally wasted heat into useful energy. An example of a conventional heat transfer system is to convert thermal energy from geothermal hot water or industrial waste heat sources into electricity using countercurrent heat exchange technology. For example, heat from a relatively hot liquid (eg, brine) from a geothermal hole can be used to heat a multi-component fluid (fluid stream) using one or more heat exchangers in a closed system. is there. A multi-component fluid is heated from a low energy, low temperature fluid state to a relatively high pressure gas (working stream). The high pressure gas or working stream can then pass through one or more turbines to rotate the one or more turbines to generate electricity.
したがって、従来の伝熱システムは、比較的低温から比較的高温まで様々な温度範囲に渡って多成分作動流体を加熱する、一般的な向流熱交換原理に基づいて動作する。そのようなシステムの従来の流体流は、各々が異なる沸点を有する様々な流体成分からなる。したがって、流体流のある成分はある温度の点でガスとなり、別の流体流成分は同じ温度で比較的高温の液体状態のままである場合がある。このことは、閉鎖系内の異なる点で異なる成分を分離するのに有用な場合がある。それにもかかわらず、流体流の全部の成分が集合的に「作動流」、即ち高圧ガスを構成するような温度まで、流体流の全部またはほぼ全部を昇温することが可能である。 Thus, conventional heat transfer systems operate on the general counter-current heat exchange principle that heats a multi-component working fluid over various temperature ranges from relatively low temperatures to relatively high temperatures. The conventional fluid stream of such a system consists of various fluid components, each having a different boiling point. Thus, one component of the fluid stream may become a gas at some temperature and another fluid stream component may remain in a relatively hot liquid state at the same temperature. This may be useful for separating different components at different points in the closed system. Nevertheless, it is possible to raise all or nearly all of the fluid stream to a temperature at which all components of the fluid stream collectively constitute a “working stream”, ie, a high pressure gas.
流体流と作動流との間の流体を加熱するために、主として伝熱システムは作動流をより低い温度に冷却し、または流体流をより高い温度に加熱するように構成された装置を備える。例えば、流体流が高温状態となるように、流体流は流体流を熱源流に結合する1つ以上の熱交換器を通過し、次いで1つ以上のタービンを通過する。対照的に、既にタービンを通過した作動流は一般に消費流と呼ばれる。消費流はシステムの1つ以上の段階において流体流よりも比較的高温なので、熱交換器内で流体流に熱を伝達することによって冷却される。 In order to heat the fluid between the fluid stream and the working stream, the heat transfer system mainly comprises a device configured to cool the working stream to a lower temperature or to heat the fluid stream to a higher temperature. For example, the fluid stream passes through one or more heat exchangers that couple the fluid stream to the heat source stream, and then passes through one or more turbines, such that the fluid stream is hot. In contrast, the working flow that has already passed through the turbine is commonly referred to as the consumption flow. Since the consumption stream is relatively hotter than the fluid stream in one or more stages of the system, it is cooled by transferring heat to the fluid stream in the heat exchanger.
タービン内での膨張に必要な温度を得るために、向流熱交換システムは流体流をより低い温度の点からより高い温度の点まで加熱する。これにより、従来の熱交換システムが考慮する必要のある幾つかのシステム変数が生じる。例えば、周囲温度の多成分流の最適膨張温度が非常に高温の蒸気作動流である場合、通常は作動流の所望温度よりも非常に高温の、非常に高温の熱源が利用される。あるいは、熱源が多成分流の最終的な所望温度よりもわずかに高温でしかない場合、多成分流が所望の作動流温度まで加熱され得るように、流体流は周囲温度よりも温かいことが必要となることがある。 In order to obtain the temperature required for expansion in the turbine, the countercurrent heat exchange system heats the fluid stream from a lower temperature point to a higher temperature point. This creates several system variables that a conventional heat exchange system needs to consider. For example, if the optimum expansion temperature of a multi-component stream at ambient temperature is a very hot steam working stream, a very hot heat source is utilized, usually much hotter than the desired temperature of the working stream. Alternatively, if the heat source is only slightly higher than the final desired temperature of the multi-component flow, the fluid flow must be warmer than the ambient temperature so that the multi-component flow can be heated to the desired working flow temperature. It may become.
少なくとも部分的には、流体流の開始温度の差異、熱源の温度、作動流の所望温度、およびシステムの効率のために、通常、熱源ブラインは所望の温度よりも相当に高温にて廃棄される。例えば、従来の伝熱システムが1つ以上の熱交換器にブラインを通過させるような幾つかの例示的なシステムでは、ブラインは約315.6℃(約600°F)の平均温度から約76.7〜93.3℃(約170〜200°F)の使い捨て(throw−away)温度まで冷却される。約93.3℃(200°F)は、従来の流体流に有効な伝熱を行うには依然として比較的高温であるが、従来の流体流は約76.7〜93.3℃(
約170〜200°F)の同様の温度では比較的低温または微温であると考えられる。詳細には、従来の流体流の最も低温の点は、通常、ブラインの低温部分(即ち、低温テール)によって効率的に加熱するには温か過ぎる。したがって、約76.7〜93.3℃(約170〜200°F)のブラインを廃棄することによって、従来の熱システムは、より効率的となる傾向がある。
At least in part, due to differences in the starting temperature of the fluid flow, the temperature of the heat source, the desired temperature of the working flow, and the efficiency of the system, the heat source brine is typically discarded at a much higher temperature than the desired temperature. . For example, in some exemplary systems where a conventional heat transfer system passes brine through one or more heat exchangers, the brine is from an average temperature of about 315.6 ° C. (about 600 ° F.) to about 76 ° C. Cool to a throw-away temperature of .7-93.3 ° C. (about 170-200 ° F.). Although about 93.3 ° C. (200 ° F.) is still relatively hot for effective heat transfer to conventional fluid streams, conventional fluid streams are about 76.7-93.3 ° C. (
A similar temperature of about 170-200 ° F. is considered to be relatively cold or mild. Specifically, the coldest points of conventional fluid streams are usually too warm to be efficiently heated by the cold portion of the brine (ie, the cold tail). Thus, by discarding about 76.7-93.3 ° C. (about 170-200 ° F.) brine, conventional thermal systems tend to be more efficient.
1つの可能な解決策は、低温テールの熱を用いて流体流が効率的に加熱され得るように、約87.8〜93.3℃(190〜200°F)よりも相当に低い温度まで流体流を冷却することである。原則的に、この解決策には、上述の伝熱システムと共に蒸留凝縮サブシステム(DCSS)を使用することが含まれる。残念なことに、DCSSの使用によって消費流は効率的に冷却され得るが、従来のDCSSが通常の消費流を冷却する温度は、通常、効率的に利用するには低過ぎる。すなわち、従来のDCSSは、後に作動流として充分に高い温度まで効率的に昇温し得ない程低い温度まで、消費流を冷却する。 One possible solution is to temperatures well below about 87.8-93.3 ° C. (190-200 ° F.) so that the fluid stream can be efficiently heated using cold tail heat. Cooling the fluid stream. In principle, this solution involves the use of a distillation condensation subsystem (DCSS) in conjunction with the heat transfer system described above. Unfortunately, the use of DCSS can efficiently cool the consumption stream, but the temperature at which conventional DCSS cools the normal consumption stream is usually too low to be utilized efficiently. That is, the conventional DCSS cools the consumption flow to such a low temperature that it cannot be efficiently raised to a sufficiently high temperature as the working flow later.
したがって、低温テールの効率的な使用を可能とするシステムおよび装置によって、当技術分野において利点が得られる。詳細には、流体流を依然として効率的な作動流温度まで昇温することが可能であるようにDCSSを効率的に使用する伝熱システムによって、当技術分野において利点が得られる。 Thus, an advantage in the art is gained by systems and devices that allow for the efficient use of low temperature tails. In particular, an advantage in the art is gained by a heat transfer system that efficiently uses DCSS so that the fluid flow can still be raised to an efficient working flow temperature.
本発明は、従来の伝熱システムにおいて可能であるよりも多くの廃熱を効率的に使用するように構成されたシステムおよび装置によって、従来技術における上述の1つ以上の問題を解決する。詳細には、本発明は、少なくとも部分的には追加の熱交換装置と共にDCSSを効率的に組み込むことによって、伝熱システムのブライン熱源の「低温テール」を使用することを可能とする。 The present invention solves one or more of the problems described above in the prior art by a system and apparatus configured to efficiently use more waste heat than is possible in conventional heat transfer systems. In particular, the present invention allows the use of a “cold tail” of the brine heat source of the heat transfer system by efficiently incorporating DCSS, at least in part, with additional heat exchange devices.
例えば、本発明の一実施形態では、DCSSは向流熱交換システムに結合される。DCSSは少なくとも部分的には、作動流が1つ以上のタービンを通過した後、消費作動流を冷却するために用いられる。しかしながら、DCSSの供給する流体流が比較的低温であるため、1つ以上の熱交換装置を追加して流体流の温度を有用な温度範囲まで上昇させる。続いて、この温度範囲にて、追加の熱交換器を介して約65.6〜93.3℃(150〜200°F)ほどの低温の低温テールに流体流を結合し、依然として最終的に適切な作動流温度に到達させることが可能である。 For example, in one embodiment of the invention, the DCSS is coupled to a countercurrent heat exchange system. The DCSS is used, at least in part, to cool the spent working stream after it has passed through one or more turbines. However, since the fluid flow supplied by the DCSS is relatively cold, one or more heat exchange devices are added to raise the temperature of the fluid flow to a useful temperature range. Subsequently, in this temperature range, the fluid stream is coupled to a cold tail as low as about 65.6-93.3 ° C. (150-200 ° F.) via an additional heat exchanger, and still ultimately It is possible to reach an appropriate working flow temperature.
したがって、本発明による伝熱システムは、熱源による大量の熱を有用なエネルギーに変換することが可能であり、従来の伝熱システムよりも著しく高いエネルギー効率にてその変換を行うことが可能である。 Therefore, the heat transfer system according to the present invention can convert a large amount of heat from the heat source into useful energy, and can perform the conversion with significantly higher energy efficiency than the conventional heat transfer system. .
本発明は、従来の伝熱システムにおいて可能であるよりも多くの廃熱を効率的に使用するように構成されたシステムおよび装置に関する。詳細には、本発明は、少なくとも部分的には追加の熱交換装置と共にDCSSを効率的に組み込むことによって、伝熱システムのブライン熱源の「低温テール」を使用することを可能とする。 The present invention relates to systems and devices configured to efficiently use more waste heat than is possible in conventional heat transfer systems. In particular, the present invention allows the use of a “cold tail” of the brine heat source of the heat transfer system by efficiently incorporating DCSS, at least in part, with additional heat exchange devices.
例えば、図1には本発明の一実施形態を示す。この実施形態では、伝熱システム100はパワーサブシステム101を備え、パワーサブシステム101は蒸留凝縮サブシステム(DCSS)103などの冷却システムと結合されている。パワーサブシステム101は、一般に流体多成分流が少なくとも部分的には蒸気作動流となる点まで多成分流を加熱す
るものと考えられる。対照的に、DCSS 103は、一般に膨張後の消費流を冷却された流体流に冷却するもの、またパワーサブシステム101中の多成分流として後に使用するのに適切に流体流を加熱するものと考えられる。また、図1には、流体が凝縮されシステムの熱交換器により加熱されるときの、伝熱システム100の全体を通じる多成分流(流体流および熱源流の両方について)の方向も示す。
For example, FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In this embodiment, the
したがって、以下の説明では、伝熱システム100(およびシステム200)を通じて流れるときの熱源流(例えば、ブライン)の流れについて、次いで熱源流から区別され独立しており、パワーサブシステム101およびDCSS 103を通じる消費流および中間流体流の流れについて概説する。熱源流に関して、本発明により実施可能な多くのタイプの熱源流が存在し得ることが理解される。例えば、本発明による使用に適切な熱源流は、天然に産出されるか合成によって生成される液体、流れ、油など任意の適切な高温の液体もしくは蒸気、またはそれらの混合物を含むことが可能である。したがって、本明細書に記載のシステムの実施形態は、「ブライン」などの地熱流体による熱を電力に変換するため、また工場環境における他の合成流体の廃熱を電力に変換するために、特に有用であり得る。
Accordingly, in the following description, the flow of the heat source stream (eg, brine) as it flows through the heat transfer system 100 (and system 200) is then distinguished and independent from the heat source stream, and the
再び図1を参照する。熱源流はポイント50(約121.1℃〜約426.7℃(250°F〜800°F))にて伝熱システム100に入り、熱源は2つの流れ51,151に分割される。この2つの流れを用いて、作動流がタービンその他の膨張構成要素に至る直前に、作動流に熱を加える。例えば、流れ51が熱交換器304を通過すると、第1のタービン501の中へ作動流が至る直前に、ポイント30の作動流に熱が伝達される。本明細書に記載のように、流れの分割は、多成分流を2つの別個の流れに分割する従来の分割構成要素など、任意の適切な手段によって行うことが可能である。
Refer to FIG. 1 again. The heat source stream enters the
作動流は第1のタービンを通過した後、ポイント32までに幾らか冷却される。したがって、流れ151は、作動流が第2のタービン502の中へ至る直前に加熱され得るように、ポイント32からポイント35までの作動流を、作動流が第2のタービン502に隣接する熱交換器305を通過するときに加熱する。本明細書では、「熱交換器」は、従来のシェルおよびチューブもしくは平板型熱交換器、またはそれらの変形もしくは組合せなど、任意の従来のタイプの熱交換器であってよい。したがって、熱交換器305によりある量の熱が伝達されて、ポイント151の熱源流はポイント150のパラメータまで冷却される。
After the working stream passes through the first turbine, it is somewhat cooled to
次いで、流れ150(元の流れは151),152(元の流れは51)は、熱交換器303に入る前にポイント153にて結合される。ポイント153にて結合された流れはポイント50の流れよりもある量だけ低温である。任意の作動流、中間流、消費流その他の流体流の混合、即ち結合は、複数の流れを結合して単一の流れを形成するための任意の適切な混合装置によって実行されてよい。
Streams 150 (original flow 151) and 152 (original flow 51) are then combined at
熱交換器を通過してポイント153では、結合した熱源流は依然として比較的高温であるため、依然として相当な量の熱を作動流に伝達することが可能である。したがって、ポイント153の結合した流れが熱交換器303を通過することによって、熱源流から作動流に熱が伝達されて、作動流はポイント66から67まで加熱される。熱源流は、ポイント53にて幾分低温のパラメータを有するが、依然として比較的高温であり、熱交換器301を通過する。これによって作動流はポイント161から61まで加熱され、さらに熱源流はポイント53からポイント54まで冷却される。
At
一実施形態では、ポイント54にて、部分的には関連する熱源およびシステム101に関する他の運転条件に応じて、熱源流のこれらのパラメータは約76.7〜93.3℃(
約170〜200°F)の温度範囲と関連付けられる。別の実施形態では、ポイント54の熱源流のパラメータは約54.4〜121.1℃(約130〜250°F)の温度範囲と関連付けられる。ポイント54では、熱源流は従来の「低温テール」のパラメータの状態にあるので、普通は廃棄される。しかしながら、以下の説明からより完全に理解されるように、熱源流がポイント54から熱交換器405を通じてポイント55まで至るように、システム100がこの低温テールを効率的に使用することが可能である。熱交換器405は低温テールから熱を伝達するので、熱交換器405を「残留熱交換器」と呼ぶ。
In one embodiment, at
Associated with a temperature range of about 170-200 ° F. In another embodiment, the heat source flow parameter at
熱源流の経路について説明したが、以下の記載では、システム100の流体流がポイント60からポイント36までパワーサブシステム101を通じる様々な段階にて加熱および冷却され、次いでポイント38からポイント29までDCSS 103を通じるときのシステム100の流体流の経路および変化を示す。説明のため、一実施形態では、流体流は沸点が約91.1℃(約196°F)かつ露点が約170.0℃(338°F)である水−アンモニア混合物からなる。したがって、本明細書の記載から理解されるように、流体流はポイント60では沸点または沸点近傍にあり、ポイント30では露点または露点近傍にあり、ポイント18,102では液体形態または液体形態に近い状態にある。作動流体が単一の純物質ではなく複数の成分の混合物からなるので、沸点、露点および液体形態の間に差異を生じる。
Although the heat source flow path has been described, in the following description, the fluid flow of the
図1を参照すると、ポイント60では、伝熱システム100は作動流をポイント161,162の2つの多成分流に分割する。ポイント161の作動流は熱交換器301において熱源流によってポイント61のパラメータまで加熱され、ポイント162の作動流は熱交換器302にて消費流36によってポイント62のパラメータまで加熱される。関連する熱交換器を通過した後、次いで、ポイント61,62の作動流はポイント66のパラメータを有する作動流へ結合される。ポイント60の作動流の一部は熱源流によって加熱され、作動流の別の部分は消費流によって加熱されるので、パワーサブシステム101は幾つかの熱源を効率的に使用することが可能である。
Referring to FIG. 1, at
ポイント66の作動流は、熱交換器303を介してポイント153からの熱源流によってポイント67のパラメータまで加熱される。一実施形態では、ポイント67にて、作動流が過熱蒸気へ変換され始める。その後、熱交換器304を介してポイント67からポイント30まで作動流が加熱されるように、ポイント51の熱源流によって作動流が加熱される。これによって従来の作動流は、所望の高エネルギー状態にてタービン501を通過することが可能であるように最適化される。一実施形態では、この所望の高エネルギー状態は過熱蒸気である。
The working stream at
作動流がポイント30から32までタービン501を通過するとき、作動流は圧力および温度の損失という形態により、ある量のエネルギーを失って、少なくとも「部分的に消費」となる。ポイント32の部分的消費流は熱交換器305を通じて加熱され、ポイント35のパラメータを得る。したがって、ポイント50にて熱源流の分割を継続し、さらなる数の熱交換器およびタービンなどを通じてさらに続く部分的な消費作動流を繰り返し加熱することによって、システム100が追加の増大エネルギー・ゲインを見出し得ることが認められる。したがって、本開示における1つまたは2つのタービンの使用は、1つの適切な実施形態の例示に過ぎない。
As the working flow passes through the
作動流が1つ以上のタービン501,502を通過した後、ポイント36の消費流は熱交換器302を通過する。これによって消費流はポイント38のパラメータまで冷却され、同時に作動流の一部がポイント162から62まで加熱される(少なくとも幾つかの場合には、ポイント36の消費作動流は、高温であるとしても、ポイント162,62の高圧作動流よりも低圧である)。従来のシステムでは、ポイント38の消費流は、普通、回
復再加熱のためにポイント60へ送られる。しかしながら、このシステム100では、ポイント38の消費流は、さらにDCSS 103を用いて冷却される。
After the working flow passes through one or
例えば、ポイント38の消費流は、ポイント38からポイント16、次いで17のパラメータまで冷却されるように、熱交換器401を通過する。熱交換器401によりポイント38からポイント17まで消費流を冷却すると、熱はポイント102からポイント5までの比較的低温の中間「希薄流」へ伝達される。希薄流はポイント102の比較的低温のパラメータからポイント3の比較的高温のパラメータ(通常は沸点)まで、また最終的にはポイント5のパラメータまで達する。一般に、「希薄流」は低沸点成分が高沸点成分よりも少ない(例えば、水対アンモニア)流体流を指し、「濃縮流」は低沸点成分が高沸点成分よりも多い流体流を指す。さらに、「中間希薄」流は、「希薄」流または「極希薄」流(即ち、アンモニア/水組成においてアンモニアの量が最少である)よりも低沸点成分(例えば、アンモニア/水組成におけるアンモニア)が多いが、「濃縮」流よりも低沸点成分が少ない。
For example, the
次いで、ポイント17の消費流はポイント12のパラメータを有する極希薄流と結合し、ポイント18のパラメータを有する結合流体流(即ち、中間希薄流)を生成する。次いで、結合した中間希薄流は熱交換器402にて冷却されて、ポイント18の中間希薄流から冷媒へ熱が伝達される。装置402,404は、水冷式または空冷式の熱交換器など、任意の適切な熱交換凝縮器を含んでよい。
The consumed stream at
冷媒は、熱交換器402を通じてポイント18からポイント1までの中間希薄流を凝縮するのに充分な任意の数または組合せの媒体であり得る。そのような媒体は、空気、水、化学冷却剤などを含むことが可能であり、必要に応じて、システム100を出入りして単純に循環する。したがって、冷媒はポイント23など比較的低温でシステム100に導入され、熱交換器402,404によってポイント59,58まで加熱され、次いでポイント24にて比較的温かい温度でシステム100から出て循環する。冷媒はシステムを出入りして循環するので、比較的低い一定の温度を保持し、多成分流から熱を吸収することが可能である。
The refrigerant can be any number or combination of media sufficient to condense the intermediate lean stream from
中間希薄流がポイント1のパラメータまで凝縮された後、ポンプ504は流れの圧力を上昇させて、中間希薄流はポイント2のパラメータまで上昇される。その後、圧力上昇された中間希薄流は2つの部分に分割される。後にさらに詳細に説明するが、一方の部分は、ポイント8のパラメータを有しており、ポイント6のパラメータを有する濃縮流と混合される。ポイント102のパラメータを有する圧力上昇された中間希薄流の他方の部分は、中間希薄流がポイント5のパラメータを得るように、装置401においてポイント16の消費流によって加熱される。
After the intermediate lean stream is condensed to the point 1 parameter, the
ポイント5において、中間希薄流は、蒸気成分がポイント7のパラメータを有し、液体成分がポイント9のパラメータを有するように、装置503により主として蒸気成分および液体成分に分離される。しかしながら、蒸気成分も液体成分も純粋に1つの成分または別の1つの成分ではないことが認められる。いずれにせよ、蒸気流は低沸点成分に富み(即ち、「濃縮」流)、液体流は大量の高沸点成分を有する(即ち、「希薄」流)。装置503は、重力分離装置(例えば、従来のフラッシュタンク)など、当技術分野において知られている任意の適切な分離装置または蒸留装置を含むことが可能である。
At
一実施形態では、ポイント7,9の流れの蒸気成分および液体成分は、選択的に混合されて(または混合されず)中間熱交換器403にて供給される温度の総量を加熱する(または維持する)ように分離される。例えば、ポイント7の蒸気の部分は、ポイント6の1つの流れと、ポイント15の別の流れとに、選択的に分割することが可能である。ポイン
ト9の液体成分が熱交換器403により多成分流をポイント21からポイント29まで加熱するのに充分に高温ではない場合、ポイント15からのより高温の蒸気成分流の多くの部分をポイント9の液体成分流に加えて、ポイント10のパラメータを有するより高温の流れを生成することが可能である。あるいは、ポイント9の液体成分が熱交換器403に必要なほどに充分に熱い場合、ポイント15にて蒸気との混合を行う必要はない。したがって、そのような混合は随意であり、関連する運転条件に依存する。
In one embodiment, the vapor and liquid components of the stream at
そのような混合が行われるか否かにかかわらず、ポイント10の流れは一般に「極希薄」流、即ち、比較的少量の低沸点成分をもつ流れである。ポイント10のこの極希薄流は中間熱交換器403を通過し、ポイント21の流体流を加熱し、ポイント10からポイント11まで極希薄流を冷却する。幾つかの場合には、必要に応じて、ポイント11の流体流はより低い圧力までさらに調節されてよい。いずれにせよ、ポイント11の流体流はポイント12のパラメータに至り、次いで、熱交換器402を通過する前にポイント17の消費流と混合される。
Regardless of whether such mixing occurs, the stream at
戻ってポイント5の流れを参照すると、ポイント9の液体成分から分離されたポイント7の蒸気成分は、主として流れの速度に関してポイント6,15の蒸気成分とは異なる。しかしながら、実際には、ポイント6,7,15の蒸気成分の圧力がわずかに異なる場合もある。いずれにせよ、蒸気成分(即ち、ポイント7の成分または成分流6,15)は「濃縮」流であり、比較的多量の低沸点成分を有する。このポイント6の「濃縮」流は、続いてポイント8の中間希薄流の一部と混合され、ポイント13の多成分流を生成する。ポイント13の中間流の低沸点成分と高沸点成分の比率(例えば、水とアンモニアの比率)は、ポイント60以降など、伝熱工程にて続いて用いられる作動流とほぼ同じである。
Referring back to the flow at
次いで、このポイント13の中間流は、熱交換器404にて上述の冷媒によって凝縮され、凝縮流となる。したがって、このポイント13の流体流は、ポイント13のパラメータからポイント14のパラメータまで冷却される。次いで、ポイント14の流体流はポイント21のパラメータを有する高圧作動流となるように、ポンプ505を通じて吐出される。次いで、ポイント21の作動流は、中間流がポイント10からポイント11まで冷却されるように、熱交換器403を通じてポイント29まで加熱される。ポイント29にて、作動流は、熱源流がポイント54から55まで冷却されるように、熱交換器405にて熱源流の「低温テール」によって加熱される。
Next, the intermediate flow at this
上述を考慮すると、ポイント29の作動流は熱交換器405において低温テールを効率的に使用すること(即ち、加熱されること)の可能な適切な温度であることが認められる。これは、ポイント30の作動流がシステム100に利用可能な最高のエネルギーにてタービン501を確実に通過するようにするのに役立つ。したがって、ポイント30の作動流が最高効率のエネルギー出力に達するか否かは、部分的にはポイント10の中間流の温度に依存し得る。例えば、ポイント29の作動流の温度が高過ぎる場合、ポイント54から55までの低温テールからの追加的な熱の移動はほとんど有効でないかまたは全く有効でない。対照的に、ポイント29の作動流がDCSS 103を通過した後で低温過ぎる場合、ポイント54から55までの低温テールがポイント29からポイント60の所望の温度まで作動流を加熱することは不可能である。
In view of the above, it will be appreciated that the working stream at
本発明の一実施形態では、DCSS 103は、ポイント10の中間流に可変的に熱を加えることを可能とすることによって、ポイント29の作動流を確実に適切な温度にするのに役立つ。上述のように、これは、液体成分9に蒸気成分15を可変的に加える(または加えない)ことによって行うことが可能である。換言すると、流れ9に加えられる蒸気15が多くなると、ポイント10の混合流体流はより高温となり、ポイント21の作動流に加えられる熱は多くなる。したがって、DCSS 103において流体流の分離および
混合を可能とすることによって、システム100が作動流において低温テール(即ち、ポイント54〜55)を効率的に使用することが可能となる。さらに、本発明の実施形態では、タービン501および502などにおける追加のパワーのために低熱源流が有効に使用される。
In one embodiment of the present invention,
図2には、単一のタービン502のみを組み込む代替の伝熱システム200を示す。詳細には、図2に示すように、システム100は流れ32,150,151および熱交換器305を省くように変更することが可能である。これによって、ポイント30の作動流のみがタービン502を通過して消費流36を生成し、次いで、上述のように、熱交換器302において処理される。しかしながら、上述のように、増大エネルギー・ゲインのために使用可能なタービンの数は、本発明の内容の範囲内で変更されてよい。
FIG. 2 shows an alternative
本発明の代替の実施形態では、システム100であるかシステム200であるかに関わらず、熱交換器304の代わりに熱交換器303を省いてもよい。別の代替の実施形態では、熱交換器301の代わりに熱交換器302を省いてもよい。
In an alternative embodiment of the present invention,
Claims (4)
多成分のガス状の作動流を受け取るように接続され、かつ、多成分のガス状の作動流のエネルギーを使用可能な形態へ変換するように適合されており、前凝縮流を生成する膨張装置と、
第1の温度パラメータを有する前凝縮流を受け取るように構成された蒸留凝縮サブシステムと、
蒸留凝縮サブシステムは、
前凝縮流を凝縮して凝縮流を生成するように構成された少なくとも第1の凝縮器、
液体作動流の生成に用いるために凝縮流を濃縮流と希薄流とに分離するように構成された流れ分離装置にして、中間流の蒸気成分を液体成分からほぼ分離するように構成されている流れ分離装置、
液体作動流を加圧して、蒸留凝縮サブシステムへ入る前凝縮流の温度パラメータより低い温度パラメータを有する加圧作動流を生成するように構成されたポンプ、および、
蒸留凝縮サブシステムからの流れを利用して加圧作動流を加熱するように構成された第1の熱交換器、を備えることと、
蒸留凝縮サブシステムはさらに、中間流に適切な温度を得るために中間流の蒸気成分を中間流の液体成分と随意に再結合するように構成されていることと、
第1の熱交換器から加圧作動流を受け取り、かつ、外部熱源流の低温テールを利用して加圧作動流を加熱するように構成された残留熱交換器と、
残留熱交換器へ入る加圧作動流の温度パラメータは蒸留凝縮サブシステムへ入る前凝縮流の温度パラメータより低いことと、からなる装置。An apparatus for performing a thermodynamic cycle,
An expansion device connected to receive a multi-component gaseous working stream and adapted to convert the energy of the multi-component gaseous working stream into a usable form and producing a precondensed stream When,
A distillation condensing subsystem configured to receive a precondensate stream having a first temperature parameter;
The distillation condensation subsystem is
At least a first condenser configured to condense the pre-condensate stream to produce a condensed stream;
A flow separation device configured to separate a condensed stream into a concentrated and dilute stream for use in generating a liquid working stream, and configured to substantially separate the vapor component of the intermediate stream from the liquid component. Flow separator ,
A pump configured to pressurize the liquid working stream to produce a pressurized working stream having a temperature parameter lower than the temperature parameter of the condensate stream prior to entering the distillation condensation subsystem; and
Providing a first heat exchanger configured to heat the pressurized working stream utilizing the flow from the distillation condensation subsystem;
The distillation condensing subsystem is further configured to optionally recombine the intermediate stream vapor component with the intermediate stream liquid component to obtain a temperature suitable for the intermediate stream;
A residual heat exchanger configured to receive a pressurized working stream from the first heat exchanger and to utilize the cold tail of the external heat source stream to heat the pressurized working stream;
The pressure parameter of the pressurized working stream entering the residual heat exchanger is lower than the temperature parameter of the condensate stream before entering the distillation condensation subsystem.
多成分のガス状の作動流を膨張させ、そのエネルギーを使用可能な形態へ変換して、消費流を生成する作動流膨張工程と、
蒸気成分と液体成分とからなる中間流を利用して熱交換器において消費流を冷却し、前凝縮流を生成する消費流冷却工程と、
中間流をほぼ蒸気成分とほぼ液体成分とに分割する工程と、
蒸留凝縮サブシステムにおいて前凝縮流を凝縮させて、凝縮流を生成する前凝縮流凝縮工程と、消費流冷却工程後、かつ、前凝縮流凝縮工程前の前凝縮流の温度は第1の温度パラメータであることと、
凝縮流を濃縮流と希薄流とに分離して液体作動流を生成する凝縮流分離工程と、
液体作動流を加圧し、加圧作動流を生成する液体作動流加圧工程と、
蒸留凝縮サブシステムからの流れを利用して、第1の熱交換器において加圧作動流を加熱する加圧作動流加熱工程と、
外部熱源流の低温テールを利用して、残留熱交換器において第1の熱交換器からの加圧作動流を加熱する低温テール利用加熱工程と、残留熱交換器へ入る加圧作動流の温度パラメータは蒸留凝縮サブシステムへ入る前凝縮流の温度パラメータよりも低いことと、
低温テールによってさらに加熱されるのに適切な温度まで作動流が加熱されるように、中間流のほぼ蒸気成分によって中間流のほぼ液体成分の温度を随意に変更する工程と、からなる方法。A method for performing a thermodynamic cycle comprising:
A working flow expansion process that expands a multi-component gaseous working stream and converts the energy into a usable form to produce a consumed stream;
A consumption flow cooling step of cooling the consumption flow in the heat exchanger using an intermediate flow composed of a vapor component and a liquid component to generate a precondensed flow;
Dividing the intermediate flow into a substantially vapor component and a substantially liquid component;
The pre-condensate flow condensing step for condensing the pre-condensate flow in the distillation condensing subsystem to generate a condensate flow, the temperature of the pre-condensate flow after the consumption flow cooling step and before the pre-condensate flow condensing step is the first temperature. Being a parameter,
A condensate flow separation step that separates the condensate stream into a concentrated and dilute stream to produce a liquid working stream;
A liquid working flow pressurization step for pressurizing the liquid working flow and generating a pressurized working flow;
Utilizing a flow from the distillation condensation subsystem to heat the pressurized working stream in the first heat exchanger;
Using a low temperature tail of the external heat source stream to heat the pressurized working stream from the first heat exchanger in the residual heat exchanger, and a temperature of the pressurized working stream entering the residual heat exchanger The parameter is lower than the temperature parameter of the pre-condensate stream entering the distillation condensation subsystem;
Optionally changing the temperature of the substantially liquid component of the intermediate stream by the approximately vapor component of the intermediate stream such that the working stream is heated to a temperature suitable for further heating by the low temperature tail .
消費流が冷却され、中間流が加熱されてほぼ蒸気成分と、ほぼ液体成分とになるように、蒸留凝縮サブシステムにおいて消費流から中間流へ熱を伝達するように構成された1つ以上の熱交換器と、
パワーサブシステムを蒸留凝縮サブシステムへ動作可能に結合することによって、蒸留凝縮サブシステムの中間流からパワーサブシステムの作動流へ熱を伝達する中間熱交換器と、
中間流がほぼ液体成分からなるように、ほぼ液体成分からほぼ蒸気成分を分離するように構成された分離装置にして、作動流が適切な温度にされるように、蒸気成分によって中間流を随意に加熱するように構成されている分離装置と、からなる蒸留凝縮サブシステム。A distillation condensing subsystem configured to transfer heat from a heat source stream so that a cold tail of the heat source stream is efficiently utilized;
One or more configured to transfer heat from the consumer stream to the intermediate stream in the distillation condensing subsystem such that the consumer stream is cooled and the intermediate stream is heated to a substantially vapor component and a substantially liquid component. A heat exchanger,
An intermediate heat exchanger that operably couples the power subsystem to the distillation condensing subsystem to transfer heat from the intermediate flow of the distillation condensing subsystem to the working flow of the power subsystem;
The separator is configured to separate the substantially vapor component from the substantially liquid component so that the intermediate flow is substantially composed of the liquid component, and the intermediate component is optionally made available by the vapor component so that the working stream is brought to an appropriate temperature. A distillation condensing subsystem comprising: a separation device configured to be heated to ;
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