JP6093856B2 - 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

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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１０１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１０１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１０１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１０２を示す。本実施形態では装置１０２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１０２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１０２では第１のさらなるプロセス流体５３１が蒸発器２８を通過する。第１のさらなるプロセス流体５３１は第１のさらなる循環流路５２１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５３１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５３２が流通する。第２のさらなるプロセス流体５３２は第２のさらなる循環流路５２２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５２２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５３２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５３２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５３１に移行する。本発明の第１実施形態に係る装置１０１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５３２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５３１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５３１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５３１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５３１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１０２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１０３を示す。大部分で第３実施形態に係る装置１０３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５３１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１０３の効率はさらに高められることができる。
１０、１０１〜１０３ 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、５２１、５２２ さらなる循環流路
５３、５３１、５３２ 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 (20)

  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、
    前記軸（３０）の軸受け（７３）はタンデムローラー軸受け構造（７６）を有し、
    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、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. 前記膨張機（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に記載の装置。
  3. 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２に記載の装置。
  4. 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２に記載の装置。
  5. 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４に記載の装置。
  6. 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２に記載の装置。
  7. 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２に記載の装置。
  8. 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１〜７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 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８に記載の装置。
  10. 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６に記載の装置。
  11. 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、
    前記軸（３０）の軸受け（７３）はタンデムローラー軸受け構造（７６）を有し、
    前記膨張機（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、
    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、
    個々に第１のさらなるプロセス流体（５３１）が流通する第１のさらなる循環流路（５２１）を備え、前記第１のさらなるプロセス流体（５３１）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（５２１）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（５３１）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（５３１）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（５３１）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、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。
  12. 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、
    前記軸（３０）の軸受け（７３）はタンデムローラー軸受け構造（７６）を有し、
    前記膨張機（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、
    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、
    個々に第１のさらなるプロセス流体（５３１）が流通する第１のさらなる循環流路（５２１）を備え、前記第１のさらなるプロセス流体（５３１）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（５２１）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（５３１）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（５３１）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（５３１）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（５３２）が流通し、前記第２のさらなるプロセス流体（５３２）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、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。
  13. 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１１または１２に記載の装置。
  14. 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１１または１２に記載の装置。
  15. 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１４に記載の装置。
  16. 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１１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
  17. 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１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
  18. 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１７に記載の装置。
  19. 前記第２プロセス流体（４２）または前記第１のさらなるプロセス流体（５３１）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１６に記載の装置。
  20. 前記第２プロセス流体（４２）または前記第１のさらなるプロセス流体（５３１）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１８に記載の装置。
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