JP2007522422A - 多成分流体を沸騰および蒸発させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱ユニットおよび蒸気除去／平衡装置を備えた改良されたボイラー装置を提供する。
【解決手段】装置の長さに沿って沸騰液体とその蒸気との実質的な組成上の同一性を維持し、その結果、装置の全長に沿って実質的な核沸騰を維持するように設計された蒸気除去装置を備えた、多成分作動流体で使用する新規なボイラーまたは伝熱装置が開示される。本装置を組み込んだシステムと、本装置を製造し使用する方法も開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、改良されたボイラー装置、前記ボイラー装置を組み込んだシステム、ならびに前記ボイラー装置および前記ボイラー装置を組み込んだシステムを作成および使用するための方法に関する。
さらに詳しくは、本発明は、改良されたボイラー装置、前記ボイラー装置を組み込んだシステム、ならびに前記ボイラー装置および前記ボイラー装置を組み込んだシステムを作成および使用するための方法に関するものであって、そこでは、前記ボイラー装置は、沸騰時に蒸気を取り除く蒸気除去ユニットを備えており、そのためボイラーの全長を通じて沸騰が実質的に核沸騰の状態を保つことになる。

多成分作動流体を使用するいくつかの方法および特に動力システムにおいては、かかる多成分流体を完全に蒸発させることが必要である。しかし、実際には、かかる多成分流体を完全に蒸発させるのは困難である。
作動流体が飽和液の形でボイラーへ送られ、作動流体の流れの中の蒸気量が比較的少ない場合、この沸騰過程は核沸騰と特徴付けられる。核沸騰は境膜伝熱係数が非常に大きいが、蒸気が集積するにつれて、いわゆる沸騰危機が発生する。この沸騰危機は、結果として境膜伝熱係数の急激な低下または減少を招く。

それにひきかえ、単一成分の流体を蒸発させると、液体を熱交換器内部で再循環させることができ、全ての工程にわたって核沸騰を維持することができる。しかし、このようなアプローチは多成分流体では使用できない。なぜなら、生じた蒸気が残余液とは異なる（低沸騰成分が濃縮された）組成を持ち、同時に起こる沸騰危機とともに熱交換器全域で連続組成のプロフィール(continuous composition profile)をもたらすからである。

したがって、もし多成分流体を完全に蒸発させる必要があるならば、この蒸発方法の重要な部分は、すなわち、熱交換器またはボイラー内部で核沸騰は、これを維持することができない。したがって、このような方法における境膜伝熱係数は極めて小さい。この結果、熱交換器またはボイラーの必要とされる表面積が非常に増大する。
もし、多成分作動流体の完全な蒸発を高温で、例えば発電所の炉の中で実施しなければならない場合、この方法が炉の伝熱管内部で核沸騰を維持できないと、このような方法は技術的に極めて困難となる。

核沸騰が維持されると、高い境膜伝熱係数のため、伝熱管の金属の温度は沸騰する流体の温度に近い温度に維持され、結果として管を焼損から保護する。しかし、多成分作動流体を直接蒸発させる方法では、核沸騰を維持することができないので、伝熱管は許容し難い高温に達し、結果として管の損傷または破壊を招く。

このため、この技術分野では、最初の多成分液体の組成と同一の組成の蒸気の生成を実現するように、また同時に、伝熱装置内で核沸騰の過程を維持するように、多成分流体を沸騰および蒸発させるための方法および装置を設計する必要性がある。

本発明は、伝熱ユニットおよび蒸気除去／平衡装置を備えた改良されたボイラー装置を提供するものであり、そこでは、前記伝熱ユニットおよび前記蒸気除去／平衡ユニットは、伝熱ユニット全てにわたって実質的に核沸騰を維持するように、また、沸騰装置を用いて多成分作動流体を実質的に十分にもしくは完全に蒸発させてもまたは部分的に蒸発させても、生じた蒸気は確実に前記成分作動流体と実質的に平衡になっているように構成され、そこでは、前記多成分作動流体は少なくとも１種類の低沸騰成分および少なくとも１種類の高沸騰成分を含んでいる。

また、本発明は、複数個の伝熱装置を備えた多成分作動流体のための改良された蒸発装置を提供するものであって、各装置は熱交換ユニットおよび蒸気除去または収集ユニットを含み、そこでは、蒸気収集ユニットは各熱交換ユニットの全てにわたって実質的に核沸騰を維持させるのに適合しており、またそこでは、蒸発装置は所定の組成を有する液体状の多成分流体供給流の一部を、実質的に同一の組成を有する蒸気流へ変換する。

本発明は、熱源流、多成分作動流体、本発明の蒸発装置、および熱抽出システムを備えた、熱源からの熱を抽出するためのシステム、および熱の一部を使用可能な形のエネルギーに変換するためのシステムを提供する。
本発明は、所定の組成を有する液体状の多成分作動流体を、実質的に同一の組成を有する蒸気状の多成分作動流体へ蒸発させるための方法を提供するものであって、その場合、この方法は多成分作動流体の液体流を本発明の改良された多成分作動流体蒸発装置へ供給する工程を含み、そこでは、この流れはエネルギー生産設備からのものであってよい。この流れは熱源からの熱源流によって加熱され、消費済み熱源流として装置から出て、蒸気状の多成分作動流体流をエネルギー生産設備へ送り返し、そこで液体状の多成分作動流体および蒸気状の多成分作動流体は実質的に同一の組成を有し、蒸発装置は熱交換ユニット全てにわたって実質的に核沸騰を維持する。

本発明は、所定の組成を有する多成分作動流体からなる入力流を１個または複数個の伝熱装置へ供給する手段を含んだ、所定の組成を有する多成分作動流体を蒸発させるための方法を提供するものであって、各伝熱装置は熱交換ユニットおよび蒸気平衡ユニットを備え、蒸気流および所望により残余液体流を生じるように熱源からの熱を入力流の液体部分へ伝達し、そこで蒸気流および残余液体流が入力流と実質的に同一の組成を有するようにする。各伝熱装置と協働する蒸気除去ユニットは、各熱交換ユニット全てにわたって確実に実質的な核沸騰が生じるようにし、また確実に液体と蒸気とが実質的に平衡になるようにする。

本発明者らは、１つの成分が他の成分よりも低い沸点を有する少なくとも２つの成分からなるか、または少なくとも１つの低沸騰成分と少なくとも１つの高沸騰成分とからなる作動流体を実質的に十分に蒸発させるための伝熱装置を構築することができることを見出した。この装置はその沸騰／蒸発領域において実質的に核沸騰を維持するのに適した蒸気除去システムを備えている。

本発明は、広義では多成分流体を実質的に完全に蒸発させて、所望の温度および組成を有する所望の蒸気流を得るための改良された沸騰装置に関するものであり、その場合、前記沸騰装置は少なくとも１つの伝熱装置を備え、その場合、各伝熱装置は熱交換器、伝熱ループまたはその混合物および蒸気除去装置を備える。各伝熱段階で蒸気を除去することにより、各伝熱装置における核沸騰が維持される。伝熱ユニットは、液体シェル、蒸気シェルおよび液体シェルと蒸気シェルとの間で蒸気と液体の交換を可能にする複数本の接続管を備える。複数本の接続管とは、少なくとも、複数の基本的な出発点である２個、好ましくは約２個ないし約２０個、好ましくは約４個ないし約２０個、および特に約５個ないし約２０個である。さらに、本発明は、液体シェルと蒸気シェルとの間の蒸気と液体の交換をより良くするために、複数個の穿孔とともに１個の細長い孔を備えることができる。

また、本発明は、広義では、沸騰装置の各段階を通して実質的に核沸騰を維持するための方法に関するものであり、その方法は多成分の流れを少なくとも１つの伝熱装置へ供給する工程を含んでおり、各伝熱装置は蒸気収集器または分離装置を備えており、そこで前記装置は各伝熱装置の全体にわたって核沸騰を維持しながら、多成分流体の実質的に完全な蒸発を可能にする。

本出願の発明において蒸発させる作動流体は、低い沸点成分の流体−低沸成分、および高い沸点成分の流体−高沸成分を含有する多成分流体である。好ましい作動流体としては、限定されるものではないが、アンモニア−水混合物、２種類またはそれ以上の炭化水素の混合物、２種類またはそれ以上のフレオンの混合物、炭化水素とフレオンの混合物その他が挙げられる。概して、前記流体は好ましい熱力学的特性および溶解度を有する任意数の化合物からなる混合物を含む。特に好ましい実施態様では、この流体は水とアンモニアの混合物からなる。

当業者であれば、本発明のシステムにおいて１つの流れが２またはそれ以上の支流へ分かれる点では、かかる流れの分割を行う弁が当技術分野で周知であり、手動でまたは力学的に調節可能であるので、分流することが効率上所望の改良を実現するということを認識するはずである。また、流れの混合は、これも当技術分野で周知の混合弁によってなされることも認識するはずである。

適当な熱交換ユニットとしては、限定されるものではないが、熱交換器、伝熱ループ、または熱源からの熱を作動流体の流れへ伝達できる任意のその他のユニットが挙げられる。適当な蒸気除去ユニットとしては、限定されるものではないが、蒸気／液体分離器、例えばドラムまたは分離タンク、蒸気−液体混合流から蒸気を除去することのできる蒸気収集器または任意のその他のユニットが挙げられる。

「実質的に」とは、組成について用いられる場合、２つの流れに対する組成が、０（同一の流れ）を究極の目標として、各成分において僅か５％、好ましくは各成分において僅か２％、特に各成分において僅か１％、および殊に各成分において僅か０．５％しか異ならないことを意味する。「実質的に」とは、核沸騰に関連して用いられる場合、熱交換ユニットに生じる沸騰のうち０％が核沸騰でないのを究極の目標として、熱交換ユニットに生じる沸騰の僅か１０％が核沸騰でない、好ましくは熱交換ユニットに生じる沸騰の僅か５％が核沸騰でない、特に熱交換ユニットに生じる沸騰の僅か２．５％が核沸騰でない、殊に熱交換ユニットに生じる沸騰の僅か１％が核沸騰でないことを意味する。

多成分作動流体を用いるいくつかの方法、また特に動力システムでは、かかる多成分流体を完全に蒸発させることが必要である。しかし、実際には、以下の理由のために直接に完全な蒸発を得ることは困難である。
作動流体が飽和液体の形でボイラーへ送られ、作動流体の流れの中の蒸気量が比較的少ない場合には、この沸騰方法は核沸騰と特徴付けられる。このような沸騰方法は極めて高い境膜伝熱係数を有するが、蒸気が集積するにつれて、いわゆる沸騰危機が発生し、伝熱係数は急激に低下する。

したがって、単一成分の流体を蒸発させる場合、この液体は熱交換器内で再循環され、核沸騰を方法全体にわたって維持することができる。しかし、このようなアプローチは、生成した蒸気が異なる（低沸騰成分が濃縮されている）組成を有するため、多成分流体を蒸発させる必要がある場合には直接用いることができない。したがって、もし多成分流体を十分に蒸発させる必要がある場合、蒸発方法のかなりの割合で核沸騰を維持することができない。したがって、このような方法においては伝熱係数は極めて低い。この結果、熱交換器の所要表面積が非常に増大することとなる。

もし、多成分作動流体の完全な蒸発を高温で、例えば発電所の炉の中で実施しなければならない場合、この方法が伝熱管内で核沸騰を維持することができないと、このような方法は技術的に実施が極めて困難となる。核沸騰が維持されると、高い境膜伝熱係数のため、伝熱管の金属の温度は沸騰する流体の温度に近い温度に維持され、結果として管を焼損から保護することになる。しかし、多成分作動流体を直接に蒸発させる方法では、核沸騰を維持することができないので、伝熱管は許容し難い高温に達し、破損することとなろう。

多成分流体を沸騰および蒸発させるための本発明の装置は、最初の多成分液体の組成と同じ組成の蒸気（完全な蒸発の場合）、または装置を出る液体と平衡している蒸気（部分的蒸発の場合）の発生を実現するように設計されており、それと同時に伝熱装置内での核沸騰の方法を維持するように設計されている。
２００３年７月１０日に出願された同時係属の出願番号１０／６１７，３６７に開示され、参照により本明細書の一部とされるシステムとは異なり、本発明のシステムは、スクラッバなしで効果的に作動するように設計されている。スクラッバを取り外すことにより、沸騰設備の構成、システム設計、システムの費用およびシステム形状が大いに簡素化される。

本発明は、添付の図とともに以下の詳細な説明を参照することでより理解できる。図中の同じ要素には同じ番号が付けられている。
図１を参照すると、本発明の沸騰装置の好ましい実施態様における流れの模型図が示され、装置は全体として100とされ、液体シェルLShと、蒸気シェルVShと、接続管CPとを備え、液体シェルLShは本質的に水平に配置されたシェルと管との標準的な熱交換器であり、蒸気シェルVShは液体シェルLShの上部に設置された水平ドラムまたは中空容器からなり、接続管CPは液体シェルLShと蒸気シェルVShを相互に連結し、垂直に配置された複数本の接続管からなるものである。また、液体シェルLShは、液体流の入口102と液体流の出口104とを備えている。液体シェルLShは、さらに熱源流の入力口106、複数本の伝熱管108、および熱源流の出力口110を備えている。蒸気シェルVShは蒸気流の入力口112および蒸気流の出力口114を備えている。

装置100は、液体シェルLShの全容積、接続管CPの全容積、および蒸気シェルVShの下部で作動するように設計されており、これらは、LShとVShの点部分まで液体で満たされている。この構造は、実質的な核沸騰方法において液体シェルLSh中で確実に蒸発を起こさせ、また生じた蒸気が十分に液体と混合されて、装置100を出る液体と蒸気とが確実に平衡になっているか、または実質的に平衡になっているようにする。

本発明の装置100は、熱源流120を、すなわち、点3において初期パラメータを有する地熱塩水流のような熱い液体流を、熱源流の入力口106を経て液体シェルLShへ供給することによって作動する。熱源流120は伝熱管108を通過し、そこで冷却されて点4においてパラメータを有する消費済み熱源流122として、熱源流の出力口110を経て液体シェルLShから出ていく。

図１の装置100は部分的に蒸発したまたは混合された入力流（図示されていない）によって作動するように設計されており、上記入力流はさらに沸騰および蒸発に付されるが装置100内では完全には蒸発するには至らない。言い換えれば、図１に記載の方法は中間蒸発の方法であり、初期蒸発または最終蒸発とは区別される。混合流は点1′においてパラメータを有する液体入力流124として液体シェルLShの液体入力口102を経て装置100に入り、他方、点1″においてパラメータを有する蒸気入力流126が蒸気入力口112を経て蒸気シェルVShへ入る。液体入力流124は液体シェルLShを通過し、そこで熱源流によって加熱されて部分的に沸騰し、点2′においてパラメータを有する沸騰していない液体流128として、液体シェルLShの液体出力口104を経て液体シェルLShから出ていく。蒸気入力流126は、蒸気シェルVShを通過し、そこで接続管CPから上ってくる入力液体流124からの沸騰液と完全に混合されて、蒸気シェルVShの蒸気出力口114を経て、点2″においてパラメータを有する出力蒸気流130を形成する。

その流れは、さらに蒸発させるために、蒸気の流れと液体の流れからなり、液体流124および蒸気流126として装置へ入る。点1′においてパラメータを有する蒸気流126は、入力口112を経て蒸気シェルVShへ入り、点1′においてパラメータを有する液体流124は入力口102を経て液体シェルLShに入る。加熱されて、液体シェルLSh、接続管CP、および蒸気シェルVShの下部に充満している流れ124の液体は、装置100の長さに沿ってその温度および組成を変える。流れ124は装置100の低温端132では冷たくて軽い成分の組成に富み、流れ124は装置100の高温端134では熱くて軽い成分の組成に乏しくなっている。液体が装置100の全体にわたって沸騰するとき、蒸気の泡が液体を伴って接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVShの中に入る（すなわち、熱サイホン効果を作り出す）。この熱サイホンの結果として、相当量の液体が蒸気シェルVShへ送り込まれ、そこで液体は蒸気流126中の蒸気と完全に混合され、流れ126中の蒸気を流れ124中の液体と平衡にする。各接続管CPが、異なる温度および組成を有する液体を蒸気シェルVShへ送り込むことは自明である。沸騰液を蒸気シェルVSh中の蒸気に添加するたびごとに、蒸気シェルVSh中の蒸気は液体シェルLSh中の液体と段階的に平衡になる。当然、液体シェルLSh中の沸騰液が接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVSh中へ入っていくとき、蒸気シェルVSh中の液体は絶えず液体シェルLShの中に流れ落ちており、これは混合および平衡方法の不可欠な部分である。結果として、熱源流からの熱は核沸騰の方法において沸騰液へ伝達され、その後に混合によって蒸気へ伝達される（すなわち、直接接触熱交換および物質伝達）。

さらに、装置100で生じた蒸気をその後に点2″においてパラメータを有する出力蒸気流130として蒸気シェルVShから除去し、他方では、点2″においてパラメータを有する蒸発していない残余液体流128を液体シェルLShから除去する。接続管CPを経て蒸気シェルVSh中で実現される液体と蒸気の激しい混合によって、それぞれ点2″および2′においてパラメータを有する流れ130および128の蒸気および液体は、平衡しているか、または非常に平衡に近い状態にあり、これが装置100の目的である。

図２を参照すると、本発明の初期の沸騰装置の好ましい実施態様における流れの模型図が示され、装置は全体として200で示され、その装置は液体シェルLSh、蒸気シェルVSh、および接続管CPを備えており、液体シェルLShは本質的に標準的な水平に配置されたシェルと管とからなる熱交換器であり、蒸気シェルVShは液体シェルLShの上部に設置された水平ドラムまたは中空容器からなり、接続管CPは液体シェルLShと蒸気シェルVShを相互に連結する、垂直に配置された複数本の管からなるものである。また、液体シェルLShは、液体流の入口202および液体流の出口204を備える。さらに液体シェルLShは、熱源流の入力口206、複数本の伝熱管208、および熱源流出力口210を備える。この実施態様では、蒸気シェルVShは蒸気流の出力口214を備えるだけである。この場合、本発明の装置は初期の蒸発ユニットとしての役割を果たす。すなわち、蒸発させるべき流れは飽和液体のみからなり、そのとき蒸気は蒸気シェルVShの中に取り込まれない。

図１の装置100と同様に、装置200は、液体シェルLShの全容積、接続管CPの全容積、および蒸気シェルVShの下部で作動するように設計されており、それらはLSh、CP、およびVShの点線領域によって示されるように液体で満たされている。この構造は、実質的な核沸騰方法において液体シェルLSh中で確実に蒸発を起こさせ、また生じた蒸気が十分に液体と混合されて装置200を出る液体と蒸気とが確実に平衡しているか、または実質的に平衡しているようにする。

本発明の装置200は、熱源流220を、すなわち、点23において初期パラメータを有する地熱塩水流のような熱い液体流を、熱源流の入力口206を経て液体シェルLShへ供給することによって作動する。熱源流220は伝熱管208を通過し、そこで冷却されて点24においてパラメータを有する消費済み熱源流222として、熱源流の出力口210を経て液体シェルLShから出ていく。

図２の装置200は、飽和液によって作動するように設計されており、飽和液は沸騰および蒸発に付されるが、完全に蒸発していない。言い換えれば、図２に記載された方法は、初期の部分的蒸発の方法であり、中間蒸発または最終蒸発とは区別される。液体は、点21′においてパラメータを有する飽和液入力流224として、液体シェルLShの液体入力口202を経て装置200に入る。液体入力流224は液体シェルLShを通過し、そこで熱源流222に加熱されて部分的に沸騰し、点22′においてパラメータを有する沸騰していない液体流228として、液体シェルLShの液体出力口204を経て液体シェルLShを出ていく。入力流224の液体が液体シェルLSh中で沸騰するにつれて、入力液体流224からの沸騰液が接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVShの中に入り、そこで生じた蒸気は液体と十分に混合されて蒸気シェルVShの蒸気出力口214を経て、点22″においてパラメータを有する出力蒸気流230を形成する。加熱を受けて、液体シェルLSh、接続管CP、および蒸気シェルVShの下部に充満している流れ224の液体は、装置200の長さに沿ってその温度および組成を変える。流れ224は装置200の低温端232では冷たくて軽い成分の組成に富み、流れ224は装置200の高温端234では熱くて軽い成分の組成に乏しくなっている。液体が装置200の全体にわたって沸騰するとき、蒸気の泡が液体を伴って接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVShの中に入る（すなわち、熱サイホン効果を作り出す）。この熱サイホンの結果として、相当量の液体が蒸気シェルVShへ送り込まれ、そこで液体は蒸気シェルVSh中の蒸気と完全に混合され、その蒸気を流れ124中の液体と平衡にする。各接続管CPが、異なる温度および組成を有する液体を蒸気シェルVShへ送り込むことは自明である。沸騰液を蒸気シェルVSh中に添加するたびごとに、蒸気シェルVSh中の蒸気は液体シェルLSh中の液体と段階的に徐々に平衡になる。当然、液体シェルLSh中の沸騰液が接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVSh中へ入っていくとき、蒸気シェルVSh中の液体は絶えず液体シェルLShの中に流れ落ちており、これは混合および平衡方法の不可欠な部分である。結果として、熱源流からの熱は核沸騰の方法において沸騰液へ伝達され、その後に混合によって蒸気へ伝達される（すなわち、直接接触熱交換および物質伝達）。

さらに、装置200で生じた蒸気を次に点22″においてパラメータを有する出力蒸気流230として蒸気シェルVShから除去し、他方では点22′においてパラメータを有する蒸発していない残余液体流228を液体シェルLShから除去する。接続管CPを経て蒸気シェルVSh中で実現される液体と蒸気の激しい混合によって、それぞれ点22″および22′においてパラメータを有する流れ230および228の蒸気および液体は、平衡しているか、または非常に平衡に近い状態にあり、これが装置200の目的である。

図３を参照すると、本発明の最終沸騰装置の好ましい実施態様における流れの模式図が示されており、装置は全体として300で示されており、その装置は液体シェルLSh、蒸気シェルVSh、および接続管CPを備えており、そのうちの液体シェルLShは本質的に標準的な水平に配置されたシェルと管とからなる熱交換器であり、蒸気シェルVShは液体シェルLShの上部に設置された水平ドラムまたは中空容器からなり、接続管CPは液体シェルLShと蒸気シェルVShを相互に連結する、垂直に配置された複数本の管からなるものである。また、液体シェルLShは、液体流の入口302を備えるだけである。さらに液体シェルLShは、熱源流の入力口306、複数本の伝熱管308、および熱源流の出力口310を備える。蒸気シェルVShは蒸気流入力312および蒸気流の出力口314を備える。この場合、本発明の装置は最終蒸発装置としての役割を果たす。すなわち、装置に取り込まれた液体を全て蒸発させる。

図１および図２の装置100および200と同様に、装置300は、液体シェルLShの全容積、接続管CPの全容積、および蒸気シェルVShの下部で作動するように設計されており、それらはLShおよびVShの点線領域によって示されるように液体で満たされている。この構造は、実質的な核沸騰方法において液体シェルLSh中で確実に蒸発を起こさせ、また生じた蒸気が十分に液体と混合されて装置300を出る液体と蒸気とが平衡しているか、または実質的に平衡しているようにする。

本発明の装置300は熱源流320を、すなわち、点33において初期パラメータを有する地熱塩水流のような熱い液体流を、熱源流の入力口306を経て液体シェルLShへ供給することによって作動する。熱源流320は伝熱管308を通過し、そこで冷却され、点34においてパラメータを有する消費済み熱源流322として、熱源流の出力口310を経て液体シェルLShから出ていく。

図３の装置300は、部分的に蒸発したまたは混合された入力流（図示されていない）によって作動するように設計されており、上記入力流は装置300内で沸騰および蒸発に付される。言い換えれば、図３に記載された方法は最終蒸発の方法であり、初期蒸発または中間蒸発とは区別される。混合流は点31′においてパラメータを有する液体入力流324として液体シェルLShの液体入力口302を経て装置300に入り、他方、点31″におけるパラメータを有する蒸気入力流326は蒸気入力口312を経て蒸気シェルVShへ入る。液体入力流324は液体シェルLShを通過し、そこで熱源流に加熱されて完全に沸騰する。蒸気入力流326は、蒸気シェルVShを通過し、そこで接続管CPから上ってくる入力液体流324からの沸騰液と完全に混合されて、蒸気シェルVShの蒸気出力口314を経由して、点2″においてパラメータを有する出力蒸気流328を形成する。

その流れは、さらに蒸発を進めるために、蒸気の流れと液体の流れとを含んで、液体流324および蒸気流326として装置へ入る。点31″においてパラメータを有する蒸気流326は、入力口312を経て蒸気シェルVShへ入り、点31′においてパラメータを有する液体流324は、入力口302を経て液体シェルLShに入る。加熱を受けて、液体シェルLSh、接続管CP、および蒸気シェルVShの下部に充満している流れ324の液体は、装置300の長さに沿ってその温度および組成を変える。すなわち、流れ324は装置300の低温端330では流れ324は冷たくて軽い成分組成に富み、流れ324は装置300の高温端332では熱くて軽い成分組成に乏しくなっている。液体が装置300の全体にわたって沸騰するとき、蒸気の泡が液体を伴って接続管CPを通り上昇し蒸気シェルVShの中に入る（すなわち、熱サイホン効果を作り出す）。この熱サイホンの結果として、相当量の液体が蒸気シェルVShへ送り込まれ、そこで液体は蒸気流326中の蒸気と完全に混合され、流れ326中の蒸気を流れ324中の液体と平衡にさせる。各接続管CPが異なる温度および組成を有する液体を蒸気シェルVShへ送り込むことは自明である。沸騰液を蒸気シェルVSh中の蒸気に添加するたびごとに、蒸気シェルVSh中の蒸気は液体シェルLSh中の液体と段階的に平衡となる。液体シェルLSh中の沸騰液が接続管CPを通り上昇し蒸気シェルVShの中に入っていくとき、VSh中の液体は当然、絶えず液体シェルLSh中に流れ落ちており、これが混合および平衡方法の不可欠な部分である。結果として、熱源流体からの熱は核沸騰の方法において沸騰液へ伝達され、その後に混合によって蒸気へ伝達される（すなわち、直接接触熱交換および物質伝達）。

さらに、装置300で生じた蒸気をその後に点32″においてパラメータを有する出力蒸気流330として蒸気シェルVShから除去し、この装置は最終蒸発ユニットであるから、蒸発していない残余液体は生じない。接続管CPを経て蒸気シェルVSh中で実現される液体と蒸気との激しい混合によって、点2″においてパラメータを有する流れ330の蒸気は、入力流全体の組成と同一の組成を有する液体シェルLSh中の液体と平衡であるか、または非常に平衡に近い状態にあり、これが装置300の目的である。

また、もし蒸発の全方法が、飽和液体の状態から飽和蒸気の状態まで、ただ１つの装置内で起こるならば、装置に取り込まれる流れは全て、図２に示されるように飽和液体のみからなり、装置から除去される流れは全て、図３に示されるように飽和蒸気のみからなることは明らかである。
図４を参照すると、本発明の沸騰装置の好ましい実施態様の流れの説明図が示されており、装置は全体として400で示されており、その装置は液体シェルLShと、蒸気シェルVShと、接続管CPとからなり、液体シェルLShは本質的に水平に配置されたシェルと管とからなる標準的な熱交換器であり、蒸気シェルVShは液体シェルLShの上部に設置された水平ドラムまたは中空容器からなり、接続管CPは液体シェルLShと蒸気シェルVShを相互に連結する垂直に配置された複数本の管からなるものである。また、液体シェルLShは、液体流の入口402および液体流の出口404を備えている。さらに液体シェルLShは、熱源流の入力口406、複数本の伝熱管408、および熱源流の出力口410を備えている。蒸気シェルVShは蒸気流の入力口412および蒸気流の出力口414を備えている。

装置400は、液体シェルLShの全容積、接続管CPの全容積、および蒸気シェルVShの下部で作動するように設計されており、それらはLShおよびVShの点線部分に示されるように液体で満たされている。この構造は、実質的な核沸騰方法において液体シェルLSh中で蒸発が起きているときに、生じた蒸気が十分に液体と混合されて、装置400を出る液体と蒸気とが平衡になっているか、または実質的に平衡になっていることを確実にしている。

本発明の装置400は、熱源流420を、すなわち、点3での初期パラメータを有する地熱塩水流のような熱い液体流を、熱源流の入力口406を経て液体シェルLShへ供給することによって作動する。熱源流420は伝熱管408を通過し、そこで冷却され、点4においてパラメータを有する消費済み熱源流422として熱源流の出力口310を経て液体シェルLShから出ていく。

図４の装置400は、（図示されていない）部分的に蒸発しまたは混合された入力流によって作動するように設計されており、その入力流は装置400内で沸騰および蒸発せしめられるけれども、完全には蒸発するには至らない。言い換えれば、図４に記載された方法は中間蒸発の方法であって、初期蒸発または最終蒸発とは区別される。混合流は点1′においてパラメータを有する液体入力流424として液体シェルLShの液体入力口402を経て装置400に入り、他方、点1″においてパラメータを有する蒸気入力流426は蒸気入力口412を経て蒸気シェルVShへ入る。液体入力流424は、液体シェルLShを通過し、そこで熱源流に加熱されて部分的に沸騰し、点2′においてパラメータを有する沸騰していない液体流428として、液体シェルLShの液体出力口404を経て液体シェルLShを出ていく。蒸気入力流426は、蒸気シェルVShを通過し、そこで接続管CPを通り上昇してくる入力液体流424からの沸騰液と十分に混合されて、蒸気シェルVShの蒸気出力口414を経由して、点2″においてパラメータを有する出力蒸気流430を形成する。

その流れは、さらに蒸発を進行させるために、蒸気の流れと液体の流れとからなり、液体流424および蒸気流426として装置へ入る。点1″においてパラメータを有する蒸気流426は、入力口412を経て蒸気シェルVShへ入り、点1′におけるパラメータを有する液体流424は、入力口402を経て液体シェルLShに入る。加熱を受けて、液体シェルLSh、接続管CP、および蒸気シェルVShの下部に充満している流れ424の液体は、装置400の長さに沿ってその温度および組成を変える。すなわち、流れ424は装置400の低温端432では冷たくて軽い成分の組成に富んでおり、流れ424は装置400の高温端434では熱くて軽い成分の組成に乏しくなっている。液体が装置400の全体にわたって沸騰するとき、蒸気の泡が液体を伴って接続管CPを通り上昇し蒸気シェルVShの中に入る（すなわち、熱サイホン効果を作り出す）。この熱サイホンの結果として、相当量の液体が蒸気シェルVShへ送り込まれ、そこで液体は蒸気流426中の蒸気と完全に混合され、流れ426中の蒸気を流れ424中の液体と平衡にさせる。各接続管CPが異なる温度および組成を有する液体を蒸気シェルVShへ送り込むことは自明である。沸騰液を蒸気シェルVSh中の蒸気に添加するたびごとに、蒸気シェルVSh中の蒸気は液体シェルLSh中の液体と段階的に平衡となる。液体シェルLSh中の沸騰液が接続管CPを通り上昇して蒸気シェルVShの中に入っていくとき、VSh中の液体は当然絶えず液体シェルLShの中に流れ落ちており、これが混合および平衡方法の不可欠な部分である。結果として、熱源流体からの熱は核沸騰の方法において沸騰液へ伝達され、その後混合によって蒸気へ伝達される（すなわち、直接接触熱交換および物質伝達）。

さらに、装置400で生じた蒸気をその後点2″においてパラメータを有する出力蒸気流430として蒸気シェルVShから除去し、他方、蒸発していない残余液体流428は液体シェルLShから除去され、点2′においてパラメータを有している。接続管CPを経て蒸気シェルVSh中で実現される液体と蒸気の激しい混合によって、それぞれ点2″および2′においてパラメータを有する流れ430および428の蒸気および液体は、平衡しているか、または平衡に非常に近い状態にあり、これが装置400の目的である。

留意しなければならないことは、上に述べた４つの事例全てにおいて、装置に取り込まれる液体は、いかなるときでも装置に使用できる全液体のほんの一部であるということである。さらに、必要であれば、このような装置を連続して（直列に）および／または並列に設置して、広範囲の沸点を有する多成分流体の効果的な蒸発方法を提供できることは明らかである。

同じ原理に基づいて、非常に高温（例えば、直接的な石炭燃料動力システムにおいて）での作動を目的として設計された装置を図４に示す。
図５を参照すると、非常に高い温度で蒸発させる本発明装置の好ましい実施態様が全体として500で示されており、その装置は４つの伝熱ループHTL1〜4を備えている。この４つの伝熱ループHTL1〜4は、石炭燃焼炉のような発電所における炉の内部から熱を引き出すように設計されている。入力液体流502は、これから蒸発させるべき流れであり、飽和液体からなり、点51においてパラメータを有しており、母管Hから第１の伝熱ループHTL1へ供給される。

流れ502は、ループHTL1中で部分的に蒸発した後、点52においてパラメータを有する第１の混合流504となってドラムD1に入る。ドラムD1において、液体は蒸気から分離されて点53においてパラメータを有する第１の中間液体流506と点61においてパラメータを有する第１の中間蒸気流508とを生成する。点53においてパラメータを有する第１の中間液体流508は第２の伝熱ループHTL2を通過する。

流れ508は、ループHTL2中で部分的に蒸発した後、点54においてパラメータを有する第２の混合流510となって、点61においてパラメータを有する第１の中間蒸気流508とともにドラムD2に入る。ドラムD2中で、液体は蒸気から分離されて、点55においてパラメータを有する第２の中間液体流512と点62においてパラメータを有する第２の中間蒸気流514とを生成する。点55においてパラメータを有する第２の中間液体流512は、第３の伝熱ループHTL3を通過する。

流れ512は、ループHTL3の中で部分的に蒸発した後、点56においてパラメータを有する第３の混合流516となって、点62においてパラメータを有する第２の中間蒸気流514とともに第３のドラムD3に入る。ドラムD3において、液体は蒸気から分離されて点57においてパラメータを有する第３の中間液体流518と点63においてパラメータを有する第２の中間蒸気流520を生成する。点57においてパラメータを有する第３の中間液体流518は、点59においてパラメータを有する第４の中間液体流526と混合されて混合流522を形成し、その混合流はその後第４の伝熱ループHTL4を通過する。

流れ522は、ループHTL4の中で部分的に蒸発した後、点58においてパラメータを有する第３の混合流524となって、点63においてパラメータを有する第３の中間蒸気流520とともに最終のドラムD4に入る。ドラムD4において、液体は蒸気から分離されて点59においてパラメータを有する第４の中間液体流526と点64においてパラメータを有する最終蒸気流528とを生成する。点59においてパラメータを有する第４の中間液体流526は、第３の中間液体流518と混合されて、上記のように混合流522を生成する。

各伝熱ループHTL1〜4における熱交換方法が同一であることは当業者の認めなければならないことである。さらに、伝熱ループの４個は、単に本発明の方法を説明するのに便宜な数であり、この方法は最少では１個の伝熱ループで作動し、最大では設計規模により必要とされるだけ多数の伝熱ループで作動できるものであることが認識されなければならない。伝熱ループの数は、約２ないし約２０、特に約２ないし約１６、また特に約２ないし約１２の間が好ましい。

上に示したように、本提案の装置は、沸騰が生じる全ての伝熱ループまたは熱交換器において核沸騰の維持を可能にし、また同時に、所望の温度および組成を持った蒸気の生成を可能にする。
本装置によれば多成分流体を十分に蒸発させ、全てのボイラーにおいて高い伝熱係数を維持し、および高温ボイラーにおいてボイラー管の過熱を防ぐことができる。

係属中の特許出願番号02019/05UTLでは、同じ結果を実現するために、生じた蒸気が逆流の中で混合されることによって液体と平衡状態になるようにスクラッバを用いている。以前の出願で提案されたシステムもまた、この方法を最少２つの熱交換器で実施することを必要としている。スクラッバの使用は、液体および蒸気を複数回スクラッバから取り込みおよび除去することを必要とし、この方法は実質的に複雑に制御することを必要としている。

この新規な装置はスクラッバを必要としない。蒸気と液体との効果的な平衡は、蒸気と液体とを複数回混合することによって達成され、これは本質的に蒸発と同じ装置で起こる。最終的に、必要であれば、蒸発の全方法をただ１つの装置で実施することができる。
図６を参照すると、本発明の好ましい熱抽出およびエネルギー生産設備が全体として600で示され、本発明の多成分流体蒸発装置602を備えている。装置602は、熱源の入力口604および熱源の出力口606を備え、そこでは、入力口604は、入力熱源流として示されている熱源608を入力しているが、その他の任意の熱源であってよく、またそこでは、出力口606は、消費済み熱源流としてここに示される消費済み熱源610を出力している。当然、もし熱源が集束された日光またはその他の形の電磁放射線であれば、入力口604は光を入力し、出力口606は使用されない光を出力する。

また、装置602は、液体状の多成分作動流体入力口612および蒸気状の多成分作動流体出力口614を備え、そこでは、液体入力口612が入力液体状の多成分作動流体流616を入力し、蒸気出力口614は最終の蒸気状の多成分作動流体流618を出力する。最終蒸気流618は変換ユニット蒸気入力口622からエネルギー変換ユニット620へ入力される。エネルギーは最終蒸気流618から抽出されて消費済み流624を生じ、それが消費済み出力口626を経て変換ユニット620から出る。消費済み流624は凝縮物入力口630を経て凝縮ユニット628へ転送され、入力液体流616として凝縮出力口632を経て凝縮ユニット628を出る。このようなエネルギー変換ユニットとしては、米国特許第4,346,561；4,489,563；4,548,043；4,586,340；4,604,867；4,674,285；4,732,005；4,763,480；4,899,545；4,982,568；5,029,444；5,095,708；5,440,882；5,450,821；5,572,871；5,588,298；5,603,218；5,649,426；5,754,613；5,822,990；5,950,433；5,953,918；および6,347,520に記載され、また２００２年９月１２日に出願されて継続中の米国特許出願第10/242,301号、２００２年９月２３日に出願されて継続中の米国特許出願第10/252,744号、２００２年１２月１６日に出願されて継続中の米国特許出願第10/320,345号、および２００３年２月３日に出願されて継続中の米国特許出願第10/357,328号、および速達郵便番号EV 328 518898 USで２００３年９月２３日に出願された米国特許出願第10/ に記載されており、またその記載されたものはいずれもエネルギー変換ユニットとして公知のものであるから、これらの記載を参照してこの発明の一部に組み入れる。

このように、この発明の方法と装置（システム）とは、多成分流体の完全蒸発、ボイラーにおける高い伝熱係数の維持、および高温のボイラーまたはその他の高温の伝熱システムにおけるボイラー管の過熱からの保護を提供している。
本明細書中に引用した全ての文献は参照により本明細書の一部とする。本発明は十分におよび完全に記載されてはいるが、当然のことながら、添付の特許請求の範囲内で、本発明が具体的に記載されているものと別の方法で実施される。本発明は好ましい実施態様に関して開示されているが、当業者であれば本明細書本文を読んで、上記明細書および特許請求の範囲に記載された本発明の範囲および精神から逸脱することなくできる変更と修正は考えることができよう。

蒸気除去装置を有する本発明の伝熱装置の好ましい実施態様を示す説明図である。 蒸気除去装置を有する本発明の伝熱装置のもう一つの好ましい実施態様を表す説明図である。 蒸気除去装置を有する本発明の伝熱装置のもう一つの好ましい実施態様の説明図である。 蒸気除去装置を有する本発明の伝熱装置のさらに別の好ましい実施態様の説明図である。 高温の炉に使用される本発明の伝熱装置の好ましい実施態様の説明図である。 本発明の多成分蒸発装置を備えた熱抽出および使用可能なエネルギー生産設備の説明図である。

Claims (6)

1. 液体流の入力口、熱源流の入力口、および熱源流の出力口を有する液体シェルと、
   蒸気流の出力口を有する蒸気シェルと、
   前記液体シェルと前記蒸気シェルとを相互に連結している複数本の管とを備えた伝熱装置からなる多成分作動流体のための蒸発装置であって、
   そこでは、前記伝熱装置が、その液体入力口から多成分作動流体からなる入力液体流を受け取って、前記液体シェル、前記接続管、および前記蒸気シェル下部の全容積を液体が満たすように設計されており、前記伝熱装置が前記液体シェル中の核沸騰を維持し、前記伝熱装置中の蒸気と液体とを平衡にしている蒸発装置。
2. 前記液体シェルが、蒸発していない液体流の出力口をさらに含む、請求項１に記載の蒸発装置。
3. 前記蒸気シェルが、蒸気流の入力口をさらに含む、請求項１に記載の蒸発装置。
4. 請求項１ないし３に記載の蒸発装置と、
   熱抽出装置とからなり、熱源から熱を抽出するための、および熱の一部を使用可能なエネルギー形態へ変換するためのシステムであって、
   そこでは、熱源流からの熱が、蒸発装置中で所定の組成を有する液体状の多成分作動流体流へ伝達されて、実質的に同一の組成を有する蒸気状の多成分作動流体流を生成し、またそこでは、前記熱源流から前記蒸気状の多成分作動流体流へ伝達された熱エネルギーが、前記熱抽出装置中でより使用可能な形のエネルギーへ変換される、システム。
5. 液体状の多成分作動流体流をエネルギー生産設備から請求項１ないし３に記載の多成分作動流体蒸発装置へ供給する段階と、
   熱源からの熱を前記多成分作動流体蒸発装置へ入力する段階と、
   熱源からの熱を前記液体状の多成分作動流体流へ伝達して蒸気状の多成分作動流体流を生成する段階と、
   前記蒸気状の多成分作動流体流をエネルギー生産設備へ送り返す段階とからなる、
   液体状の多成分作動流体を蒸発させるための方法であって、そこでは、前記液体状の多成分作動流体と前記蒸気状の多成分作動流体とが実質的に同一の組成を有し、前記蒸発装置が、熱交換ユニットの全体にわたって実質的に核沸騰を維持し、所定の組成を有する液体状の多成分作動流体を実質的に同じ組成の蒸気状の多成分作動流体へ変化させる方法。
6. 所定の組成を有する入力液体状の多成分作動流体流を、ｎ番目の熱交換ユニットおよびｎ番目の蒸気除去ユニットを備えるｎ番目の伝熱装置へ供給する段階と、
   ｎ番目の熱交換ユニット中の熱源からの熱を入力液体状の多成分作動流体流へ伝達し、そこでその熱によって入力液体状の多成分作動流体流の一部を沸騰させる段階と、
   沸騰中に形成された蒸気をｎ番目の蒸気除去ユニットを経て除去し、前記入力液体流より濃い組成を有するｎ番目の蒸気流と、前記入力液体流よりも高温で薄い組成を有するｎ番目の液体流を生成する段階と、
   ｎ番目の液体流を、ｎ−１番目の熱交換ユニットとｎ−１番目の蒸気除去ユニットとを備えるｎ−１番目の伝熱装置へ転送する段階と、
   ｎ−１番目の熱交換ユニット中の熱源からの熱をｎ番目の液体流へ伝達し、そこでその熱によってｎ番目の液体流の一部を沸騰させる段階と、
   沸騰中に生成された蒸気をｎ−１番目の蒸気除去ユニットを経て除去し、ｎ番目の液体流より濃い組成を有するｎ−１番目の蒸気流と、ｎ番目の液体流よりも高温で薄い組成を有するｎ−１番目の液体流を生成する段階と、
   カウンタを１ずつ減少させながらカウンタの数値が１になるまで、転送工程、伝達工程、および除去工程を繰り返す段階と、
   １番目の除去工程で生成された１番目の液体流と全ての蒸気流とをスクラッバへ転送する段階と、
   スクラッバ中の１番目の液体流と蒸気流とを平衡させて、入力液体の多成分作動流体流と残余液体流の組成と実質的に同一の組成を有する蒸気状の多成分作動流体流を生じさせる段階と、
   スクラッバからの前記残余液体流を次の伝熱装置へ転送する前に、前記残余液体流を前記液体流の１つと組み合わせ、そこでその液体流が、残余液体流の温度および組成と最も緊密に合致する温度および組成を持つ段階と、
   そこでは、各伝熱装置と関連する蒸気除去ユニットが、各熱交換ユニット全てにわたって実質的な核沸騰を確実に生じさせる段階とからなる、多成分作動流体を蒸発させる方法。

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