[发明专利]用于兰金循环的工作流体

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于有机兰金循环的工作流体，所述工作流体具有提高的能量转化效率、热交换特性和热稳定性。本发明还涉及一种用于将热能转化为机械能的方法，一种用于发电的方法，一种有机兰金循环系统和所述工作流体用于传热或机械发电装置中的用途。

技术背景

随着能量正在成为日益昂贵的资源，进行了努力以寻找从热源如例如来自工业过程和内燃机的废热或地热热源产生电或有用的功的新机械。将热能转化为机械功、有用功如电的一种方式是有机兰金循环。

有机兰金循环(0RC)涉及具有在比水-水蒸汽相变的温度更低的温度出现液体-蒸汽相变的有机流体。归因于有机流体的低相变温度，使得热从低温热源如工业废热、地热和太阳能池的回收变得可能并且经济。低温热被转化为其自身可以转化为电的有用功。

在有机兰金循环中，将工作流体进料或泵入与热源成为热交换关系的，例如沸腾器，其中将工作流体蒸发，其后使其通过某种涡轮并且之后最终再冷凝。

ORC可以用于回收例如工业和农业过程中的废热、来自烘箱或熔炉的热排放、烟气凝结以及来自车辆的排放气体。

工作流体的选择在低温ORC中具有关键的重要性。归因于低温，传热无效性非常不利。这些无效性非常强地依赖于流体的热力学特性和操作条件。为了回收低等级热，流体通常具有比水更低的沸腾温度。冷却剂和烃是两种通常使用的组分。大多数研究者选择现有的冷却剂如R152a或R134a作为ORC的工作流体。

商业上用于有机兰金循环的大部分工作流体的一般性缺点是它们被特别地设计用于通常在空调系统和热泵系统中使用的制冷循环的事实。然而，制冷循环是产生功率的卡诺循环的反循环。因此，用于从低等级热产生功率的目的的工作流体应当具有与制冷剂显著不同的特性。压力-焓曲线在图1中给出。能量转化过程为从点H3至点H4。为了制冷应用，工作流体应当进行影响以降低H3与H4之间的焓差以便减小压缩机功率。对于ORC，工作流体应当进行影响以增加H3与H4之间的焓变以便由热转化更多的功率。

一些制冷剂如R600a也作为工作流体在ORC中使用以将热转化为电功率，但R600a的可燃性在大部分工业或商业环境中是大的问题。作为制冷剂在家用冰箱中使用的异丁烷可能当泄露至冰箱箱体中之后被来自电系统的火花点燃。可燃性气体作为制冷剂的使用是非常危险的并且具有很大的风险。氯氟碳化合物(CFC)或其他潜在毒性的制冷剂在泄露后将具有的正常风险主要涉及可呼吸空气的耗尽和在泄露点的结霜。

化学化合物的臭氧损耗潜势(ODP)是它可能导致的臭氧层的降解的相对量。特定物质的ODP定义为在归因于相同质量的三氯氟甲烷(R-11或CFC-11)具有固定的1.0的ODP的臭氧的全球损耗的情况下，归因于给定物质的臭氧的全球损耗的比例。归因于分子中三个氯原子的存在，R11在所有的氯烃中具有最大的潜势。氯二氟甲烷(R-22)具有0.05的ODP。因此，ODP可以由给定物质的结构估计。氯氟烃具有接近1的ODP并且氢氯氟烃(HCFC)具有通常在0.005至0.2的范围内的ODP，因为氢的存在导致化合物容易在对流层中反应，因此减少它们到达平流层的机会。氢氟烃(HFC)没有氯含量，所以它们的ODP基本上是零。一些所使用的制冷剂如CFC、HCFC和HFC，例如R11和R22，对ORC中的热效率显示相对好的性能，但归因于更严格的环境法规，这种制冷剂，归因于它们的卤素含量，已经或者在不远的未来很可能将从市场逐步淘汰。

影响ORC中的化学品的选择的其他性质可以是对铜的腐蚀的抵抗性以及全球变暖潜势(GWP)。

US 2010／139274公开了可用作用于有效地将由工业过程，如由燃料电池发电产生的废热转化为机械能或进一步转化为电能的有机兰金循环工作流体的氯-和溴-氟-烯烃。

WO 2006／014609公开了一种用于回收热的方法和一种用于有机兰金循环系统的工作流体，所述工作流体包含一种以上式(I)(I)CR′y的化合物，其中y是3或4并且每个R′独立地是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，条件是所述化合物包含至少两个碳原子、至少一个氟原子并且没有氯离子原子，并且进一步的条件是任何OH取代的烷基优选具有至少三个碳原子。