JP5681373B2 - 表面処理基材を備えた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には有機ランキンサイクルにおける熱交換器に関し、より具体的には、熱交換効率を高めるようになった表面処理基材を備えた熱交換器に関する。

殆どの有機ランキンサイクルシステム（ＯＲＣ）は、エンジンのベースライン出力の上にガスタービンの高温燃焼排気ガスのストリームから付加的出力を捕捉するための小規模及び中規模ガスタービン用の改造装置として配備される。これらのサイクルで使用する作動流体は一般的に、大気圧において国際標準化機構（ＩＳＯ）による規定温度よりも僅かに高い沸騰温度を有する炭化水素である。そのような炭化水素流体は、高温（〜５００°Ｃ）ガスタービン排気ストリームに直接曝された場合には劣化する可能性があるという懸念の故に、一般的に中間熱オイル回路システムを使用して、排気ガスからランキンサイクルボイラに熱を伝達する。熱オイル回路システムは、全サイクルのコストの最大で四分の一に相当する可能性がある追加投資を生じさせる。さらに、熱オイル回路システムを組込むことにより、熱源の利用可能な温度レベルの大幅な低下が生じる。さらに、中間流体システム及び熱交換器は、より大きな温度差を必要とし、このことにより、寸法の増大及び全体効率の低下が生じる。

米国特許第４，５８５，０５５号公報

従って、前述の問題の１つ又はそれ以上に対処する改良型のＯＲＣシステムが望ましい。

本発明の実施形態によると、作動流体の閉回路を使用することによって廃熱源から廃熱を回収しかつ利用するようになった有機ランキンサイクルシステムを提供する。本有機ランキンサイクルシステムは、少なくとも１つの蒸発器を含む。蒸発器はさらに、作動流体の核沸騰を促進し、それによって該作動流体の温度を所定温度以下に制限するようになった表面処理基材を備える。蒸発器はさらに、廃熱源からの廃熱を利用することによって作動流体を蒸発させるように構成される。

本発明の別の実施形態によると、熱交換器内において作動流体の核沸騰を促進し、それによって該作動流体の温度を所定温度以下に制限するようになった表面処理基材を提供する。本表面処理基材は、作動流体内での泡の形成を促進するようになっておりかつマトリックッス中に浮遊した複数の粒子又は繊維を含む。本表面処理基材はさらに、複数の粒子又は繊維を結合するようになった熱伝導性バインダを含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、熱交換器を通る作動流体流れの核沸騰を促進し、それによって該作動流体の温度を所定温度以下に制限するように該熱交換器の沸騰表面を処理する方法を提供する。本方法は、１つ又はそれ以上の不均一性になるように熱交換器の表面を前処理するステップを含む。本方法はまた、熱交換器の表面上に皮膜層を堆積させるステップを含む。

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な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層良好に理解されるようになるであろう。

直接蒸発器を有する有機ランキンサイクルシステムの実施形態の概略流れ図。 その一部分を破断して本発明の例示的な実施形態による表面処理基材を示した状態にした熱交換器チューブ（伝熱チューブ）の斜視図。 熱交換器チューブの沸騰側に処理表面を形成するようになった概略ブロック図。

本発明技術は一般的に、作動流体の閉回路を使用することによって廃熱源から廃熱を回収しかつ利用するようになった有機ランキンサイクルシステムに関する。具体的には、本有機ランキンサイクルシステムの実施形態は、作動流体の核沸騰を促進し、それによって該作動流体の温度を所定温度以下に制限するようになった表面処理基材を備えた熱交換器を含む。本発明技術はまた、熱交換器を通る作動流体流れの核沸騰を促進するように該熱交換器の沸騰表面を処理する方法に関する。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介する場合に、数詞のない表現は、１つ又はそれ以上の要素が存在することを意味することを意図している。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は、包括的なものであり、かつ列記した要素以外の付加的要素が存在することができることを意味することを意図している。作動パラメータの如何なる実施例も、開示した実施形態のその他のパラメータを排除するものではない。

図１は、作動流体１４の閉回路を使用することによって廃熱源から廃熱を回収しかつ利用するようになった有機ランキンサイクルシステム１０の例示的な実施形態の概略流れ図である。本システム１０は、有機高分子量作動流体１４を使用しており、この作動流体により、ガスタービンからの排気燃焼ガスストリームを含む温度源から熱回収することが可能になる。１つの実施形態では、本システム１０は、産業廃熱、地熱、ソーラポンドなどのような低温度源からの熱回収を含むことができる。本システム１０はさらに、低温度熱を有用な仕事に変換し、なおこの有用な仕事をさらに電力に変換することができる。これは、作動流体１４を膨張させてシャフト動力及び膨張作動流体２２を発生させるようになった少なくとも１つのタービン１６を使用することによって達成される。タービン１６は、作動流体を膨張させるようになった２段半径流タービンを含むことができる。作動流体１４の膨張時に、直接蒸発器１２から回収可能な熱エネルギーの大部分は、有用な仕事に変換される。タービン１６内での作動流体１４の膨張は、該作動流体１４の温度及び圧力の低下をもたらす。

さらに、膨張作動流体２２は、凝縮器１８に流入し、該凝縮器１８を通って流れる冷却流体により凝縮されてさらにより低い圧力の凝縮作動流体２４になる。１つの実施形態では、膨張作動流体２２の凝縮は、周囲温度の空気の流れにより行なうことができる。周囲温度の空気の流れは、温度の低下をもたらすファン又は送風機を使用して行なうことができ、この温度の低下は、約４０℃の低下とすることができる。別の実施形態では、凝縮器１８は、冷却用流体として冷却水を使用することができる。凝縮器１８は、膨張作動流体２２がそれを通って流れる多数のチューブ通路を有する一般的な熱交換器セクションを含むことができる。１つの実施形態では、熱交換器セクション内に周囲空気を吹込むためにモータ駆動式ファンが使用される。そのようなプロセスでは、膨張作動流体２２の潜熱が、放出され、かつ凝縮器１８内で使用している冷却流体に伝達される。従って、膨張作動流体２２は、凝縮作動流体２４に凝縮され、この凝縮作動流体２４は、さらにより低い温度及び圧力での液相状態になっている。

凝縮作動流体２４はさらに、ポンプ２０によってより低い圧力からより高い圧力に加圧圧送される。図１に示すように、加圧作動流体２６は次に、直接蒸発器又はボイラ１２に流入し、かつ作動流体１４の閉回路と流体連通状態になった複数のチューブを通って流れる。直接蒸発器１２は、廃熱源からの排気ガスのための通路を含み、該直接蒸発器１２内の複数のチューブを通って流れる加圧作動流体２６を直接加熱するようにすることができる。

直接蒸発器１２に流入する加圧作動流体２６は、低沸点温度を有する炭化水素を含むことができる。有機ランキンサイクルシステム１０の直接蒸発器１２内での作動流体１４の高温安定性のような熱力学的特性は、作動流体１４の温度が直接蒸発器１２のチューブにおける熱交換器（伝熱）表面で破壊閾値温度に曝されて該作動流体１４の熱分解を生じるおそれがあるので、維持することが困難である可能性がある。１つの実施形態では、システム１０の直接蒸発器１２又は凝縮器１８は、熱エンジンサイクルで使用する一般的な熱交換器とすることができる。

図２は、その一部分を破断して本発明の例示的な実施形態による表面処理基材３２を示した状態にした直接蒸発器チューブ３０の斜視図を示している。図１の直接蒸発器１２は、複数の直接蒸発器チューブ３０を含むことができる。直接蒸発器チューブ３０における表面処理基材３２は、作動流体の核沸騰を促進し、それによって該作動流体１４（図１）の温度を所定温度以下に制限する。従って、直接蒸発器１２のチューブ壁の沸騰表面３８における高温度は、沸騰プロセスの熱流束をさらに高める核沸騰を促進して、直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８のより良好な冷却を達成するようになった表面処理基材３２の使用によって回避される。それによって、本発明技術は、直接蒸発器の加熱表面から沸騰作動流体１４への熱伝達を高める。表面処理表面３２による核沸騰の現象については、下記で詳細に説明する。

１つの実施形態では、表面処理基材３２は、直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８上に配置された皮膜３６を含み、この皮膜３６を使用して、直接蒸発器１２内において作動流体の核沸騰を促進し、それによって該作動流体の温度を所定温度以下に制限するようにする。１つの実施形態では、作動流体１４の所定温度は、約２００°Ｃ〜約３００°Ｃの範囲で変化させることができる。表面処理基材３２は、マトリックス中に浮遊した複数の粒子３４を含むことができる。１つの実施形態では、表面処理基材３２はまた、マトリックス中に浮遊した複数の繊維３４を含むことができる。作動中に、粒子又は繊維３４は、作動流体を蒸発させる時に泡を形成するようになるシーズとして作用する。このことは、その内部で相変化が起こっている流体への熱流束が最大で対流による流体への熱伝達よりも大きい度合にまでなることが知られているので、蒸気泡が同時に形成されてより大きな熱流束を発生するようになるより多くの場所が生じる。より高い熱流束は、熱交換器表面をより有効に冷却するのに役立ち、それにより、高温度側での熱伝達率が殆ど同一状態に保たれるので、熱交換器表面のより低い平衡温度が得られる。さらに、熱流束は、より高い温度勾配に起因して僅かに増加する。蒸発シーズとして作用する金属粒３４はまた、熱交換器表面に対する泡の付着張力を破壊するのを助け、その結果、蒸気泡は熱交換器表面から消滅すると同時に、熱交換器壁のより低温度側では、これらの蒸気泡は熱流束のさらなる増加をもたらすように依然として小さいままである。そのような蒸発シーズは、核沸騰を促進するだけでなく、滑らかな表面と比較してその表面の浸潤を高め、それによってフィルム沸騰の開始を抑制する傾向にもなる。沸騰表面からの蒸気泡の分離を促進する他の有益な効果は、蒸気泡が連続蒸気フィルムに統合されるのを防止することであり、この連続蒸気フィルムは、そうでない場合には、蒸気層における対流による熱伝達が液体フィルムにおける熱伝達よりも小さい度合になるので、対流熱伝達を大きく減少させることになる。

これに反して、滑らかな沸騰表面の場合には、少数の泡発生箇所のみが存在しかつ泡成長の開始には、非常に小さい泡上に作用する液体表面張力の圧縮力に起因して大きな過熱度を必要とする。泡成長のための熱は、滑らかな沸騰表面から大量の液体によって殆ど完全に囲まれている泡の遠隔の液体−蒸気境界面に対流及び伝導によって伝達されなければならない。従って、基材処理表面による熱交換器壁の不均一表面により、沸騰又は蒸発側での熱流束が高められて、図１の熱交換器又は直接蒸発器１２が低い壁温度になり、このことが同様に、ＯＲＣ作動流体１４のより低い分解率をもたらす。

１つの実施形態では、粒子の大きさは、１マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲で変化させることができる。皮膜３６はさらに、沸騰表面３８から蒸気泡の分離を助長し、それによって熱伝達の作動表面積が増大し、従ってさらにより高い熱流束が得られる。表面処理基材３２はまた、複数の粒子又は繊維３４を結合するようになった熱伝導性バインダを含む。別の実施形態では、熱伝導性バインダは、１Ｗｍ^−１Ｋ^−１〜３００Ｗｍ^−１Ｋ^−１の範囲で変化する高伝導性材料を含む。さらに別の実施形態では、繊維３４は、ガラス繊維、石英、ミネラルクリスタル及び金属化合物を含む。なおさらに別の実施形態では、繊維３４は、セラミック化合物を含むことができる。

さらに、１つの実施形態では、皮膜３６は親水性層を含み、この親水性層はさらに、注入イオンを含むことができる。イオン注入は、表面エネルギーを変化させ、それによって表面が親水性又は疎水性であるかに影響を与えることができる。別の実施形態では、複数のイオンは、窒素ベースイオンを含むことができる。窒素ベースのイオンは、それで表面を含浸して液体の付着性を促進させることができるより普通の部類のイオンの１つである。

図３は、図２における直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８上に処理表面４２を前処理するようになった様々な実施形態を示す概略ブロック図４０である。ブロック図４０は主として、直接蒸発器チューブ３０を通る作動流体流れの核沸騰を促進するようになった直接蒸発器１２（図１）の沸騰表面３８を処理する方法を示している。ブロック４４によって示すような１つの実施形態では、１つ又はそれ以上の不均一性になるように熱交換器又は直接蒸発器１２の表面を前処理する方法を示している。ブロック４６によって示すような別の実施形態では、熱交換器又は直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８上に図２に示すような皮膜３６を堆積させる方法を示している。さらに別の実施形態では、皮膜３８は、加圧作動流体を蒸発させる直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８上に積層させることができる。さらに別の実施形態では、不均一性になるように直接蒸発器壁の表面を前処理するステップは、ブロック４８に示すような化学エッチングするステップを含むことができる。なおさらに別の実施形態では、不均一性になるように直接蒸発器壁の表面を前処理するステップは、ブロック５０に示すような機械加工するステップを含むことができる。機械加工するステップには、圧延加工、フライス加工、研削加工又は旋盤加工の少なくとも１つが含まれる。

別の実施形態では、熱交換器又は直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面上に皮膜を堆積させるステップは、図３のブロック５２に示すように熱交換器の表面上に複数の粒子又は繊維をスプレイするステップを含む。特定の実施形態では、図２に示すような複数の粒子３４には、金属粒子を含むことができる。さらに別の実施形態では、熱交換器又は直接蒸発器チューブ３０の沸騰表面３８上に皮膜を堆積させるステップは、図３のブロック５４に示すような焼結するステップを含む。特定の実施形態では、焼結するステップ５４は、金属粒子が互いに付着するか又は融着するまでその融点以下で該金属粒子を加熱するステップを含むことができる。作動中に、粒子又は繊維３４は、核沸騰させるようになるシーズとして作用して、より小さい蒸気がより大きな泡の代わりに形成されるようにすることができる。この現象により、直接蒸発器１２の熱交換器壁全体にわたる熱流束の増加が得られる。

本発明は、熱交換器の沸騰又は蒸発表面から作動流体１４への熱伝達効率を大幅に高めるようになった皮膜又は機械加工表面或いは化学的処理表面を備えた表面処理基材を有機ランキンサイクルシステムの直接蒸発器内に導入する利点を有する。
従って、熱交換器又は直接蒸発器１２の沸騰表面の温度は、比較的低い状態に維持されて、作動流体１４の分解を防止する。本発明のその他の利点は、中間熱オイルループシステムを排除したことであり、これは、本発明をより複雑でないものにしかつより経済的なものにする。ＯＲＣシステムにおける投資コストは、中間熱オイルループシステムを排除することによって全投資コストの四分の一ほど低下させることができる。

上記した全てのそのような目的及び利点は、あらゆる特定の実施形態により必ずしも達成することができるとは限らないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書に記載したシステム及び方法は、本明細書に教示又は提案することができるほどにその他の目的又は利点を必ずしも達成しない状態で、本明細書に教示した１つの利点又は群の利点を達成又は最適化するようにして具現化又は実行することができることは当業者には分かるであろう。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。

１０ 有機ランキンサイクルシステム
１２ 直接蒸発器
１４ 作動流体
１６ タービン
１８ 凝縮器
２０ ポンプ
２２ 膨張作動流体
２４ 凝縮作動流体
２６ 加圧作動流体
３０ 直接蒸発器チューブ
３２ 表面処理基材
３４ 粒子又は繊維
３６ 皮膜
３８ 沸騰表面
４０ 直接蒸発器チューブの沸騰表面上に処理表面を前処理する方法
４２ 処理表面
４４ １つ又はそれ以上の不均一性処理表面になるように熱交換器又は直接蒸発器の表面を前処理するステップ
４６ 熱交換器又は直接蒸発器チューブの沸騰表面上に皮膜を堆積させるステップ
４８ 化学エッチングするステップによって不均一性になるように直接蒸発器壁の表面を前処理するステップ
５０ 機械加工するステップによって不均一性になるように直接蒸発器壁の表面を前処理するステップ
５２ 複数の粒子又は繊維をスプレイするステップによって熱交換器又は直接蒸発器チューブの沸騰表面上に皮膜を堆積させるステップ
５４ 焼結するステップによって熱交換器又は直接蒸発器チューブの沸騰表面上に皮膜を堆積させるステップ

Claims (1)

1. 作動流体（１４）の閉回路を使用することによって廃熱源から廃熱を回収しかつ利用するようになった有機ランキンサイクルシステム（１０）であって、
   前記作動流体（１４）の核沸騰を促進し、それによって該作動流体（１４）の温度を所定温度以下に制限するようになった表面処理基材（３２）を備えた少なくとも１つの蒸発器（１２）を含み、
   前記蒸発器（１２）が、前記廃熱源からの前記廃熱を利用することによって前記作動流体（１４）を蒸発させるようにさらに構成され、
   前記表面処理基材（３２）が、前記蒸発器（１２）の沸騰側に配置された皮膜（３６）を含み、
   前記皮膜（３６）が、親水性層を含み、
   前記親水性層が、複数の窒素ベースイオンを含む、
   システム（１０）。
   

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