[發(fā)明專利]用于蘭金循環(huán)的工作流體

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201180070205.1
• 申請日: 2011-04-21
• 公開（公告）號: CN103717699B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王靖濤;龐博;克里斯蒂安·佩爾松
• 申請（專利權(quán)）人: 埃姆泰克能量公司
• 主分類號: C09K5/04
• 分類號: C09K5/04;F01K25/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 牛海軍

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于有機蘭金循環(huán)的工作流體，所述工作流體具有提高的能量轉(zhuǎn)化效率、熱交換特性和熱穩(wěn)定性。本發(fā)明還涉及一種用于將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的方法，一種用于發(fā)電的方法，一種有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)和所述工作流體用于傳熱或機械發(fā)電裝置中的用途。

技術(shù)背景

隨著能量正在成為日益昂貴的資源，進行了努力以尋找從熱源如例如來自工業(yè)過程和內(nèi)燃機的廢熱或地?zé)釤嵩串a(chǎn)生電或有用的功的新機械。將熱能轉(zhuǎn)化為機械功、有用功如電的一種方式是有機蘭金循環(huán)。

有機蘭金循環(huán)(0RC)涉及具有在比水-水蒸汽相變的溫度更低的溫度出現(xiàn)液體-蒸汽相變的有機流體。歸因于有機流體的低相變溫度，使得熱從低溫?zé)嵩慈绻I(yè)廢熱、地?zé)岷吞柲艹氐幕厥兆兊每赡懿⑶医?jīng)濟。低溫?zé)岜晦D(zhuǎn)化為其自身可以轉(zhuǎn)化為電的有用功。

在有機蘭金循環(huán)中，將工作流體進料或泵入與熱源成為熱交換關(guān)系的，例如沸騰器，其中將工作流體蒸發(fā)，其后使其通過某種渦輪并且之后最終再冷凝。

ORC可以用于回收例如工業(yè)和農(nóng)業(yè)過程中的廢熱、來自烘箱或熔爐的熱排放、煙氣凝結(jié)以及來自車輛的排放氣體。

工作流體的選擇在低溫ORC中具有關(guān)鍵的重要性。歸因于低溫，傳熱無效性非常不利。這些無效性非常強地依賴于流體的熱力學(xué)特性和操作條件。為了回收低等級熱，流體通常具有比水更低的沸騰溫度。冷卻劑和烴是兩種通常使用的組分。大多數(shù)研究者選擇現(xiàn)有的冷卻劑如R152a或R134a作為ORC的工作流體。

商業(yè)上用于有機蘭金循環(huán)的大部分工作流體的一般性缺點是它們被特別地設(shè)計用于通常在空調(diào)系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中使用的制冷循環(huán)的事實。然而，制冷循環(huán)是產(chǎn)生功率的卡諾循環(huán)的反循環(huán)。因此，用于從低等級熱產(chǎn)生功率的目的的工作流體應(yīng)當(dāng)具有與制冷劑顯著不同的特性。壓力-焓曲線在圖1中給出。能量轉(zhuǎn)化過程為從點H3至點H4。為了制冷應(yīng)用，工作流體應(yīng)當(dāng)進行影響以降低H3與H4之間的焓差以便減小壓縮機功率。對于ORC，工作流體應(yīng)當(dāng)進行影響以增加H3與H4之間的焓變以便由熱轉(zhuǎn)化更多的功率。

一些制冷劑如R600a也作為工作流體在ORC中使用以將熱轉(zhuǎn)化為電功率，但R600a的可燃性在大部分工業(yè)或商業(yè)環(huán)境中是大的問題。作為制冷劑在家用冰箱中使用的異丁烷可能當(dāng)泄露至冰箱箱體中之后被來自電系統(tǒng)的火花點燃。可燃性氣體作為制冷劑的使用是非常危險的并且具有很大的風(fēng)險。氯氟碳化合物(CFC)或其他潛在毒性的制冷劑在泄露后將具有的正常風(fēng)險主要涉及可呼吸空氣的耗盡和在泄露點的結(jié)霜。

化學(xué)化合物的臭氧損耗潛勢(ODP)是它可能導(dǎo)致的臭氧層的降解的相對量。特定物質(zhì)的ODP定義為在歸因于相同質(zhì)量的三氯氟甲烷(R-11或CFC-11)具有固定的1.0的ODP的臭氧的全球損耗的情況下，歸因于給定物質(zhì)的臭氧的全球損耗的比例。歸因于分子中三個氯原子的存在，R11在所有的氯烴中具有最大的潛勢。氯二氟甲烷(R-22)具有0.05的ODP。因此，ODP可以由給定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)估計。氯氟烴具有接近1的ODP并且氫氯氟烴(HCFC)具有通常在0.005至0.2的范圍內(nèi)的ODP，因為氫的存在導(dǎo)致化合物容易在對流層中反應(yīng)，因此減少它們到達(dá)平流層的機會。氫氟烴(HFC)沒有氯含量，所以它們的ODP基本上是零。一些所使用的制冷劑如CFC、HCFC和HFC，例如R11和R22，對ORC中的熱效率顯示相對好的性能，但歸因于更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，這種制冷劑，歸因于它們的鹵素含量，已經(jīng)或者在不遠(yuǎn)的未來很可能將從市場逐步淘汰。

影響ORC中的化學(xué)品的選擇的其他性質(zhì)可以是對銅的腐蝕的抵抗性以及全球變暖潛勢(GWP)。

US?2010／139274公開了可用作用于有效地將由工業(yè)過程，如由燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為機械能或進一步轉(zhuǎn)化為電能的有機蘭金循環(huán)工作流體的氯-和溴-氟-烯烴。

WO?2006／014609公開了一種用于回收熱的方法和一種用于有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的工作流體，所述工作流體包含一種以上式(I)(I)CR′y的化合物，其中y是3或4并且每個R′獨立地是H、F、I、Br、取代的或未取代的C3-C9烷基、取代的或未取代的C2-C9烷氧基、取代的或未取代的氟聚醚、取代的或未取代的C2-C9烯基、取代的或未取代的芳基、取代的或未取代的C6-C9烷基芳基，或者取代的或未取代的C6-C9烯基芳基，條件是所述化合物包含至少兩個碳原子、至少一個氟原子并且沒有氯離子原子，并且進一步的條件是任何OH取代的烷基優(yōu)選具有至少三個碳原子。