JP2010540837A - 往復機関からの廃熱を利用するカスケード型有機ランキンサイクル(orc)システム - Google Patents

往復機関からの廃熱を利用するカスケード型有機ランキンサイクル(orc)システム Download PDF

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Abstract

容積形機関(106)からの2つの廃熱源を利用して、カスケード型有機ランキンサイクル(ORC)システム(100)を運転する方法およびシステムが使用され、機関(106)およびカスケード型ORCシステム(100)の効率が上昇する。容積形機関(106)からの高温廃熱源は、第1のORCシステム(102)内で利用され、第1の作動流体(118)を蒸発させる。容積形機関(106)からの低温廃熱源は、第2のORCシステム(104)内で使用され、第2の作動流体(130)を蒸発温度よりは低い温度にまで加熱する。そして、第2の作動流体(130)は、第1の作動流体からの熱を使って蒸発される。一実施例においては、容積形機関(106)は、往復機関である。高温廃熱源は排気ガスとすることができ、低温排熱源はジャケット冷却水とすることができる。

Description

本発明は、有機ランキンサイクル(ORC)システムに関し、詳しくは、往復機関からの2つの廃熱源を利用してカスケード型ORCシステムを運転することに関する。
ランキンサイクルシステムは、一般に、電力を発生させるために使用される。ランキンサイクルシステムは、作動流体を蒸発させる蒸発器ないしボイラと、蒸発器から蒸気を受けて発電機を駆動するタービンと、蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮された流体を蒸発器へ再循環させるポンプあるいは他の再循環手段と、を含む。ランキンサイクルシステムにおける作動流体は、たいていは水であり、その場合に、タービンは水蒸気によって駆動される。有機ランキンサイクル(ORC)システムは、作動流体として水ではなく有機流体を使用すること以外は、従来のランキンサイクルと同様に運転する。
ORCシステムは、蒸発器において有機流体を蒸発させるための熱を提供するために、廃熱を利用する。往復機関は、ORCシステムに利用される一般的な廃熱源の一つである。往復機関からの有用な廃熱としては、約540℃(約1000°F)付近の温度の排気ガスと、約105℃(約220°F)の冷却水と、がある。往復機関からこれら両方の廃熱源を利用することは、特にこれら2つの間に温度差があるので、難しい問題が生じる。これに関して、排気ガスは、より大きな熱伝達のポテンシャルを有することを考慮すると、一般に、冷却水よりも好ましい。
ORCシステムは、往復機関からの高温の排気ガスの熱を有効利用するために、一般に、高温で沸騰する、高い臨界温度を有する有機流体を使用する。しかし、単一のタービンで大きな圧力比に亘って有機流体が膨張する場合、タービンから流出する蒸気がさらに過熱され、タービンから得られる動力の量が減少してしまう。また、タービンから流出する著しく過熱された流体に、特別な凝縮器が必要とされる。
往復機関およびORCシステムの効率を向上させるために、往復機関からの廃熱を回収する、改善された方法およびシステムが必要とされている。
容積形機関からの2つの廃熱源を利用して、カスケード型有機ランキンサイクル(ORC)システムを運転する方法およびシステムが提供され、これによって、機関およびカスケード型ORCシステムの効率が上昇する。容積形機関からの高温の廃熱源は、第1のORCシステム内で利用され、第1の作動流体を蒸発させる。容積形機関からの低温の廃熱源は、第2のORCシステム内で利用され、第2の作動流体を蒸発温度よりは低い温度にまで加熱する。そして、この第2の作動流体は、第1の作動流体からの熱を使って蒸気化される。一実施例においては、容積形機関は、往復機関であり、廃熱源は、排気ガスとジャケット冷却水である。
廃熱を利用して電力を発生させるように設計された有機ランキンサイクル(ORC)システムの概略図。 往復機関からの2つの廃熱源を利用するように設計された、第1のORCシステムおよび第2のORCシステムを含むカスケード型ORCシステムの概略図。 図2に示したカスケード型ORCシステムについてのT−s図。
有機ランキンサイクル(ORC)システムなどの廃熱回収システムは、往復機関などの原動機から熱を回収するために使用することができる。さらに、このORCシステムは、電力を発生させるために使用することができる。往復機関には、ORCシステムが回収し得る2つの廃熱源(排気ガス(高温)と冷却水(低温))がある。しかし、これらの廃熱源の間に大きな温度差がある場合、単一のORCシステム内でこれらの廃熱源の両方を有効に利用することは難しい。本明細書中に説明するように、カスケード型ORCシステムにおいて、第1のORCシステムが高温の作動流体を利用して発電機に動力を与え、第2のORCシステムが低温の作動流体を利用して第2の発電機に第2の動力を与える。第1のORCシステムは、往復機関の排気ガスから熱を回収する。第2のORCシステムは、往復機関の冷却水から熱を回収するとともに、第1のORCシステム内の高温の作動流体から凝縮熱を回収する。本明細書中で説明するカスケード型ORCシステムおよび方法は、往復機関からの廃熱をさらに多く利用し、これによって、往復機関からの廃熱の単位量当たりに発生する電力量が大きくなる。
図1は、凝縮器12、ポンプ14、蒸発器16およびタービン18を含む、単一のORCシステム10を概略的に示す。作動流体22がシステム10内を循環し、電力を発生させるために使用される。凝縮器12から流出する液体の作動流体22aは、ポンプ14を通り、圧力が上昇する。高圧となった液体流体22aは、蒸発器16内へ流れ、この蒸発器16が、熱源24を利用して、流体22を蒸発させる。熱源24としては、往復機関、燃料電池、マイクロタービンなどの種々の形式の廃熱や、太陽、地熱、廃ガスなどの他の形式の熱源があるが、これらに限らない。作動流体22は、蒸発器16から蒸気(22b)として流出し、ここからタービン18内へ流れる。蒸気化した作動流体22bは、タービン18を駆動するために使用され、このタービン18は発電機28に動力を与え、この発電機28は電力を発生させる。タービン1から流出する作動流体22bは、凝縮器12へ戻り、この凝縮器12で凝縮されて液体22aとなる。ヒートシンク30を使用して、この凝縮器12を冷却する。
熱源24が高温の熱源である場合、作動流体22は、高い臨界温度を有する高温の流体であることが好ましい。その場合、熱源24は、蒸発器16において作動流体を臨界温度よりも低い温度に維持しつつ、この作動流体に十分な熱を伝達することができる。しかし、そのような高温の作動流体の欠点は、タービン18から流出するときに、著しく過熱されているということである。過熱された蒸気からの熱の少なくとも一部は、電力に変換されないので、タービン18の効率が低下する。さらには、高温の作動流体を使用する場合、凝縮器12において追加の冷却が必要とされ、その結果、高価な装置が必要になるとともに、一般に、大量の廃熱を作動流体から回収することができない。
これに対して、熱源24が低温の熱源である場合、システム10内で、低温の作動流体を使用することができる。しかし、システム10が高温の熱源から熱を回収するときと比較して、出力電力の効率が低下する。
熱源24が往復機関からの廃熱である場合、ORCシステムは、一般に、排気ガス(すなわち、高温廃熱)あるいはジャケット冷却水(すなわち、低温廃熱)のいずれかを利用するが、その理由は、これらの両方を使うことは難しいからである。従って、往復機関からの廃熱の一部は、OCRシステム10で回収することができない。
図2は、第1のORCシステム102および第2のORCシステム104を含み、これらの双方が往復機関106からの廃熱を回収する、カスケード型ORCシステム100の概略を示す。第1のORCシステム102は、図1のORCシステムと類似したものであり、蒸発器110、タービン112、凝縮器114およびポンプ116を備えている。第1の作動流体118は、システム102内を循環して、タービン112を駆動するために使用され、これによって、発電機120が電力を発生させることができる。第2のORCシステム104は、タービン112、凝縮器124、ポンプ126、熱交換器128および蒸発器114を含む。第2の作動流体130は、第2のORCシステム104内で、タービン122を駆動するために使用され、このタービン122は、発電機132を駆動する。また、第2のORCシステム104の凝縮器124は、ヒートシンク134を使って冷却を行い、タービン122からの作動流体蒸気130を凝縮する。ヒートシンク134は、水あるいは空気とすることができ、また、いくつかの例では、以下にさらに説明するように、外部ソースへ有用な熱を提供するように使用することができる。第1の作動流体118および第2の作動流体130は、有機作動流体であり、以下にいくつかの例を挙げる。
第1のORCシステム102の凝縮器114は、第2のORCシステム104の蒸発器としても機能する。さらに以下に説明するように、第1の作動流体118は、高温の作動流体であり、第2の作動流体130は、低温の作動流体である。従って、蒸発器/凝縮器114は、タービン112からの作動流体蒸気118を凝縮させ、このときの熱を伝達して、第2の作動流体130を蒸発させるように構成されている。
往復機関106は、システム100が回収可能な2つの廃熱源を有する。第1の源は、約475℃〜約540℃(約885°F〜約1005°F)の範囲で温度変化する。第2の源は、約100℃〜約110℃(約212°F〜約230°F)の範囲で温度変化する。排気ガスからの熱は、第1のORCシステム102によって使用される。詳しくは、排気ガスは、作動流体118を蒸発させるように、蒸発器110で使用される。
第2のORCシステム104は、ジャケット冷却水から熱を受ける。システム104の熱交換器128は、ポンプ126と蒸発器114との間に配置され、ジャケット冷却水から液体の作動流体130へ熱を伝達するように設計されている。ジャケット冷却水は、排気ガスと比較して、低温の廃熱源であるので、作動流体130を蒸発温度よりも低い温度にまで加熱するために使用される。従って、作動流体130は、熱交換器128の入口よりも出口において温度が高い。このジャケット冷却水は、熱交換器128から流出した後、往復機関106へ戻るように再循環される。
第2の作動流体130は、熱交換器128を通流した後、凝縮器/蒸発器114を流れる。この凝縮器/蒸発器114は、第1の作動流体118を液体に凝縮させるとともに、第2の作動流体130を蒸発させるように、第1の作動流体118と第2の作動流体130との間で熱を伝達させるように設計されている。第1の作動流体118は、第2の作動流体130を沸騰させるのに適した凝縮温度を有することが好ましい。
第2の作動流体130は、蒸発器114からタービン122へ流れ、さらに、水冷式凝縮器あるいは空冷式凝縮器(すなわち、ヒートシンク134は、水または空気)とし得る凝縮器124へ流れる。いくつかの実施例においては、ヒートシンク134内の水が凝縮器124から流出した後、この高温の水は、カスケード型ORCシステム100の外部ソースを加熱するために使用することができる。ヒートシンク134は、例えば、地域暖房用水を加熱するか、および/または、周囲環境(例えば、農作物あるいは温室)を加熱するために利用することができる。
カスケード型ORCシステムを用いることにより、往復機関106からの廃熱のほぼすべてを利用することができる。高温廃熱源(排気ガス)は、高温の作動流体を利用するORCシステム102によって回収される。低温廃熱源(ジャケット冷却水)は、低温の作動流体を利用するORCシステム104によって回収される。さらには、カスケード型ORCシステム100の設計とすることにより、タービン112から流出する第1の作動流体118からの熱を第2の作動流体へ伝達することができるので、全体の効率が高くなる。また、熱交換器128内で第2の作動流体130を予熱することによって、第2のORCシステム104の効率が高くなる。さらに、カスケード型ORCシステム100の外部ソースを加熱するようにヒートシンク134を利用することによって、ORCシステム100の熱利用効率がさらに高まる。
第1の作動流体118は、第2の作動流体130よりも高い臨界温度を有する。蒸発器110において第1の作動流体118を蒸発させるために、往復機関106からの排気ガスが利用されるので、作動流体118は、蒸発器110内において高温で沸騰するように、高い臨界点を有することが好ましい。超臨界相の作動流体を取り扱うことは、技術的に難しい問題を提起するので、臨界温度よりも低い温度に維持することによって、これらの問題を回避することが好ましい。
他方で、第2のORCシステム104においては、低温の熱源(すなわち、冷却水と、作動流体118の低温の凝縮熱)を利用して第2の作動流体130を蒸発させるので、作動流体130の臨界温度は、作動流体118の臨界温度よりも低いことが好ましい。仮に、第2のORCシステム104で、高い臨界温度を有する作動流体が使用されるとすれば、システム104内の圧力が低下し過ぎ、その結果、流体の密度が小さくなり、さらに大きな装置が必要とされる。
第1の作動流体118としては、シロキサン、トルエン、イソブテン、イソペンタン、n−ペンタン、および4−トリフルオロメチル−1,1,1,3,5,5,5−ヘプタフルオロ−2−ペンテン((CF32CHCF=CHCF3)があるが、これらに限定しない。第1の作動流体118に適用なシロキサンの例としては、MM ヘキサメチルジシロキサン(C618OSi2)、MDM オクタメチルトリシロキサン(C8242Si3)、およびMD2D デカメチルテトラシロキサン(C10303Si4)があるが、これらに限定しない。いくつかの実施例においては、シロキサンは、可燃性の、トルエン、イソブテン、イソペンタンおよびn−ペンタンよりも好ましい。
第2の作動流体130としては、R123、R134a、R236faおよびR245faがあるが、これらに限定しない。好ましい実施例においては、ORCシステム104内で、R134aまたはR245faが使用される。環境空気温度が低い場合、ヒートシンク34の温度が低下するので、R134を使用することが好ましい。環境空気温度が高い場合、R245faを使用することが好ましい。
第1の作動流体118および第2の作動流体130としては、上記に挙げていない有機作動流体を含み得ることを理解されたい。また、第1の作動流体118および第2の作動流体130の多くの組み合わせを用いることができる。上記のように、カスケード型ORCシステム100は、第2の作動流体130よりも高い臨界温度を有する第1の作動流体118を用いて運転されることが好ましい。
図3は、図2に示したカスケード型ORCシステム100についてのT−s図である。第1の作動流体118と第2の作動流体130の両方について、温度Tが、エントロピSの関数としてプロットされている。以下にさらに詳しく説明するように、図3は、往復機関106の排気ガスから第1の作動流体118への熱エネルギの移動と、エンジン106のジャケット冷却水から第2の作動流体130への熱エネルギの移動と、を示す。さらに図3に示すように、第1の作動流体118は、第2の作動流体130へ熱を伝達し、この第2の作動流体130は、ヒートシンク134へ熱を伝達する。
往復機関106の排気ガスからの熱は、第1の作動流体118へ伝達され、図3に示すように、作動流体118が蒸発温度に達するまで、作動流体118の温度を上昇させる。しかし、流体118は、臨界温度T1criticalよりも低い温度に保たれている。この蒸気化した流体118は、タービン112内で膨張するとともに、温度が低下するが、蒸気相であることに変わりはない。第2のORCシステム104に対して蒸発器としても機能する凝縮器114において、流体118は、凝縮温度に達するまで過熱が低減される。流体118からの熱は、凝縮器/蒸発器114において第2の作動流体130へ伝達される。流体130の温度は、臨界温度T2criticalよりも低い温度に保たれている。
第1の作動流体118からの熱は、凝縮器/蒸発器114内で、第2の作動流体130を蒸発させるのに十分である。これは、一部は、凝縮器/蒸発器114の上流における第2の作動流体の予熱による。図3に示すように、往復機関106からのジャケット冷却水が作動流体130の温度を蒸発温度よりは低い温度にまで上昇させるために使用される。
流体118について説明したのと同様に、第2の作動流体130は、タービン122を通過した後、温度が低下する。ここで、過熱状態の流体130は、周囲空気あるいはヒートシンク134からの冷却水を使って、凝縮器/ヒータ124内で凝縮される。換言すると、図3に示すように、作動流体130からの熱は、ヒートシンク34へ伝達される。上記に説明したように、いくつかの実施例においては、ヒートシンク34は、例えば温室などの外部ソースを加熱するために利用することができる。
図2の実施例において、カスケード型ORCシステム100は、往復機関からの2つの廃熱源を利用する。このうち低温の熱源は、ジャケット冷却水である。また、システム100に廃熱を供給するために、往復機関に加え、機関の運転に冷却水を必要とする他の型式の容積形機関をさらに利用できることが理解されよう。この例としては、ヴァンケルエンジンなどがあるが、これに限定しない。
本明細書中で説明するカスケード型ORCシステムは、往復機関からの2つの別個の廃熱源を使用する。2つのORCシステムが使用されるので、カスケード型ORCシステムにおいては、発生する電力が増える。往復機関の排出物レベルは変化しないので、発生する電力の単位量当たりの往復機関からの排出物は減少する。さらには、本明細書中に説明したカスケード型ORCシステムは、第1のORCシステムおよび第2のORCシステムからの廃熱を少なくする。従って、本明細書中に説明したシステムおよび方法を使用することによって、往復機関の効率および各ORCシステムの効率が向上する。
好ましい実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態や詳細にいくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。

Claims (22)

  1. カスケード型ランキンサイクル(ORC)システムを運転する方法であって、
    容積形機関からの高温熱源を利用して、第1のORCシステム内の第1の有機作動流体を蒸発させ、
    容積形機関からの低温熱源を利用して、第2のORCシステム内の第2の有機作動流体を加熱し、
    第1の有機作動流体からの熱を利用して、第2の有機作動流体を蒸発させること、
    を含み、
    第1の有機作動流体の臨界温度は、第2の有機作動流体の臨界温度よりも高いことを特徴とする方法。
  2. 上記容積形機関は、往復機関であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 上記高温熱源は排気ガスであり、上記低温熱源はジャケット冷却水であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 上記高温熱源の温度は、約475℃〜約540℃であり、上記低温熱源の温度は、約100℃〜約110℃であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 上記第2の有機作動流体の蒸発が、第1の有機作動流体を凝縮するとともに第2の有機作動流体を蒸発させるように構成された熱交換器によって行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 上記第2のORCシステム内の第2の有機作動流体の加熱が、上記低温熱源から熱を引き出して第2の有機作動流体を予熱するように構成された熱交換器によって行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 第1の有機作動流体は、シロキサン、トルエン、イソブテン、イソペンタン、n−ペンタン、および4−トリフルオロメチル−1,1,1,3,5,5,5−ヘプタフルオロ−2−ペンテン((CF32CHCF=CHCF3)からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 第2の有機作動流体は、R123、R134a、R236faおよびR245faからなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 第2の有機作動流体を利用して外部ソースを加熱することを含む請求項1に記載の方法。
  10. 上記外部ソースは、地域暖房用水、温室および農作物のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 往復機関からの高温廃熱源を利用して第1の有機作動流体を蒸発させるとともに、この第1の有機作動流体を使用して電力を発生させるように構成された第1の有機ランキンサイクル(ORC)システムと、
    第1の有機作動流体から熱を受けて第2の有機作動流体を蒸発させるとともに、この第2の有機作動流体を使用して電力を発生させるように構成された第2の有機ランキンサイクル(ORC)システムと、
    第2の作動流体を蒸発させる前に、上記往復機関からの低温廃熱源を利用して第2の有機作動流体の温度を上昇させるように構成された熱交換器と、
    を備え、
    第1の有機作動流体の臨界温度は、第2の有機作動流体の臨界温度よりも高いことを特徴とする廃熱回収システム。
  12. 上記高温廃熱源は、第1の有機作動流体を蒸発させるように、第1のORCシステム内の蒸発器を通流することを特徴とする請求項11に記載の廃熱回収システム。
  13. 第1の有機作動流体は、該第1の有機作動流体が凝縮されるとともに第2の有機作動流体を蒸発させるように、第1のORCシステムの蒸発器の下流に配置された凝縮器を通流することを特徴とする請求項12に記載の廃熱回収システム。
  14. 上記熱交換器は、第2のORCシステムの凝縮器の下流かつ第2のORCシステムの蒸発器の上流に配置されることを特徴とする請求項11に記載の廃熱回収システム。
  15. 上記高温廃熱源は上記往復機関からの排気ガスであり、上記低温排熱源は上記往復機関からのジャケット冷却水であることを特徴とする請求項11に記載の廃熱回収システム。
  16. 第1の有機作動流体は、シロキサン、トルエン、イソブテン、イソペンタン、n−ペンタン、および4−トリフルオロメチル−1,1,1,3,5,5,5−ヘプタフルオロ−2−ペンテン((CF32CHCF=CHCF3)からなる群から選択され、上記第2の有機作動流体は、R123、R134a、R236faおよびR245faからなる群から選択されることを特徴とする請求項11に記載の廃熱回収システム。
  17. 第2の有機作動流体から熱を受けて外部ソースを加熱するように構成されたヒートシンクを備えることを特徴とする請求項11に記載の廃熱回収システム。
  18. 第1の作動流体を循環させるように構成された第1のORCシステムと、第2の作動流体を循環させるように構成された第2のORCシステムと、を含むカスケード型有機ランキンサイクル(ORC)システムを運転する方法であって、
    往復機関からの排気ガスを利用して、第1のORCシステムの蒸発器内の第1の作動流体を蒸発させ、
    上記往復機関からの冷却水を利用して、第2のORCシステムの蒸発器の上流を流れている第2の作動流体を加熱し、
    第1のORCシステムの第1の作動流体からの熱を利用して第2のORCシステムの蒸発器内の第2の作動流体を蒸発させること、
    を含み、
    第1の作動流体の臨界温度は、第2の作動流体の臨界温度よりも高いことを特徴とする方法。
  19. 第2のORCシステムの蒸発器は、第1のORCシステムの凝縮器として構成されていることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 第1の作動流体は、シロキサン、トルエン、イソブテン、イソペンタン、n−ペンタン、および4−トリフルオロメチル−1,1,1,3,5,5,5−ヘプタフルオロ−2−ペンテン((CF32CHCF=CHCF3)からなる群から選択され、第2の作動流体は、R123、R134a、R236faおよびR245faからなる群から選択されることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  21. 上記往復機関から流出する排気ガスの温度は、約475℃〜約540℃であり、上記往復機関から流出する冷却水の温度は、約100℃〜約110℃であることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  22. 第2のORCシステム内の第2の作動流体からの熱を利用して外部ソースを加熱することを含む請求項18に記載の方法。
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