專(zhuān)利名稱(chēng)：有機(jī)蘭金循環(huán)流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，尤其涉及所述系統(tǒng)中的改進(jìn)工作流體的用途。
背景技術(shù)：
公知的封閉式蘭金循環(huán)包括用于蒸發(fā)動(dòng)力流體的鍋爐或蒸發(fā)器，從該鍋爐供應(yīng)蒸氣以便驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其它負(fù)載的渦輪機(jī)，用于使得來(lái)自該渦輪機(jī)的排出蒸氣冷凝的冷凝器，以及用于使得冷凝的流體再循環(huán)到該鍋爐的裝置，例如泵。美國(guó)專(zhuān)利3，393，515說(shuō)明和描述了這種系統(tǒng)。這些蘭金循環(huán)系統(tǒng)通常用于發(fā)電，發(fā)出的電力可供應(yīng)給配電系統(tǒng)或電網(wǎng)，用于國(guó)內(nèi)的民用和商用。在這些系統(tǒng)內(nèi)所使用的動(dòng)力流體通常是水，其中渦輪機(jī)由蒸氣來(lái)驅(qū)動(dòng)。供應(yīng)給鍋爐的熱源可以是任何形式的化石燃料，例如油、煤、天然氣或核能。在這些系統(tǒng)中渦輪機(jī)設(shè)計(jì)成在較高的壓力和溫度下工作，并且其制造和使用成本較高。有機(jī)蘭金循環(huán)(ORC)是用制冷劑(有機(jī)流體)代替水/蒸氣作為工作流體的蒸氣動(dòng)力循環(huán)。功能上它類(lèi)似于蒸氣循環(huán)發(fā)電機(jī)一種增加冷凝液體制冷劑壓力的泵。通過(guò)從渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中提取廢熱，將該液體在蒸發(fā)器/鍋爐中蒸發(fā)。高壓制冷劑蒸氣在渦輪機(jī)中膨脹而產(chǎn)生電力。離開(kāi)渦輪機(jī)的低壓蒸氣在流回泵進(jìn)行重循環(huán)之前被冷卻。由于制冷劑具有某些特性，在發(fā)電ORC體系中使用具有確鑿可靠性和性能記錄的商購(gòu)空調(diào)和制冷設(shè)備花費(fèi)會(huì)非常高。用于發(fā)電的蘭金循環(huán)按照下面的四步順序進(jìn)行I.用泵升高絕熱壓力2.在預(yù)熱器，蒸發(fā)器和過(guò)熱器中等壓加熱3.在渦輪機(jī)中絕熱膨脹4.在冷凝器中等壓熱消耗有機(jī)蘭金循環(huán)中的主要熱力學(xué)不可逆性是由于蒸發(fā)器中廢熱流和沸騰的制冷劑間溫度的巨大溫差造成的。廢熱流溫度越高，此不可逆性就變得越大。在較高溫度下能沸騰的有機(jī)流體具有降低廢熱流和有機(jī)蘭金循環(huán)工作流體間溫差的能力，從而可以獲得更高的熱力學(xué)ORC循環(huán)效率。流體可在高至臨界溫度的溫度下沸騰，在該臨界溫度以上不沸騰。 因此，具有較高臨界溫度的流體能獲得更高的ORC循環(huán)效率。過(guò)去就已建議使用具有高臨界溫度的含氯流體作為ORC流體。例如Rl 14，Rl 13，Rll, R141b和R123比R245fa的臨界溫度高，因而實(shí)質(zhì)上獲得的熱效率就更高。然而，這些流體可燃和/或有毒，破壞臭氧層和 /或具有顯著的全球變暖影響。它們已經(jīng)被禁用(CFC' s)或很快將會(huì)被禁用(HCFC' S)， 因此將不能用于未來(lái)的ORC生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是克服上述的現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的是提供新的改進(jìn)的有機(jī)蘭金循環(huán)工作流體。
本發(fā)明的另一目的是提供能在較低壓力和較低渦輪機(jī)機(jī)速下工作的有機(jī)蘭金循環(huán)工作流體。本發(fā)明的又一目的是提供具有高臨界溫度且環(huán)境友好的有機(jī)循環(huán)工作流體。本發(fā)明的再一目的是提供在使用中經(jīng)濟(jì)實(shí)用且環(huán)境友好的蘭金循環(huán)系統(tǒng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最近作為滅火流體引入市場(chǎng)的一種有機(jī)流體具有作為有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)中的工作流體或制冷劑的獨(dú)特用途。優(yōu)選的流體實(shí)例是酮CF3CF2C (0) CF (CF3)2,其臨界溫度高于最可接受的現(xiàn)有技術(shù)流體R245fa。此流體具有零臭氧層潛力和零全球變暖潛力，因此是環(huán)境友好的。在典型有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)中使用此流體和等效酮可以是有利的，如在該系統(tǒng)中用泵將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后先經(jīng)過(guò)多個(gè)噴嘴，然后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)。所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器， 以使得該蒸氣冷凝成液體。在本發(fā)明中，制冷劑可以是CF3CF2C(O)CF(CF3)2, (CF3)2CFC(O) CF(CF3)2, CF3(CF2)2C(O) CF(CF3)2, CF3(CF2)3C(O) CF(CG3)2, CF3(CF2)5C(O) CF3, CF3CF2C (0) CF2CF2CF3, CF3C (0) CF (CF3) 2，全氟環(huán)己酮和其混和物中的任何一種。


通過(guò)結(jié)合所附附圖并且參照以下的本發(fā)明詳細(xì)描述，可以進(jìn)一步理解發(fā)明的這些目的，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。圖2 是 R245fa 和 CF3CF2C (0) CF (CF3) 2 的對(duì)比 TS 圖表。圖3說(shuō)明使用245fa利用370°C顯廢熱源的0RC。圖4說(shuō)明使用CF3CF2C(0) CF(CF3)2利用370°C顯廢熱源的0RC。圖5是說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施方案的有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，所示的典型蘭金循環(huán)系統(tǒng)10包括蒸發(fā)器/鍋爐12和冷凝器14，它們分別接收和分配熱量。這些組件執(zhí)行的功能與在傳統(tǒng)空調(diào)和制冷系統(tǒng)中使用的蒸氣壓縮循環(huán)中的功能相似。因此，這些熱交換組件在有機(jī)蘭金循環(huán)應(yīng)用中使用時(shí)可以進(jìn)行微小改變。蘭金循環(huán)包括發(fā)電渦輪機(jī)16，其通過(guò)該系統(tǒng)中的動(dòng)力流體來(lái)驅(qū)動(dòng)并且進(jìn)而驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)18，以及增加離開(kāi)冷凝器的液體壓力的電消耗泵20。在操作時(shí)，蒸發(fā)器，其通常是輸入大量熱量的鍋爐，將動(dòng)力流體蒸發(fā)，所述動(dòng)力流體是本發(fā)明的新型制冷劑，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)為其提供動(dòng)力。一旦離開(kāi)渦輪機(jī)，低壓蒸氣就經(jīng)過(guò)冷凝器18，在該冷凝器中借助與冷卻介質(zhì)的熱交換關(guān)系，蒸氣被冷凝。隨后，如圖所示，冷凝的液體通過(guò)泵22循環(huán)到蒸發(fā)器，從而完成循環(huán)。圖2 顯示 R245fa和 CF3CF2C (0) CF (CF3) 2 的對(duì)比 TS 圖表。應(yīng)注意 CF3CF2C (0) CF (CF3) 2的臨界溫度較高。圖3顯示使用R245fa利用被冷卻到93°C (B點(diǎn))的370°C顯廢熱源(A點(diǎn))的有機(jī)蘭金循環(huán)。R245fa有機(jī)蘭金循環(huán)的過(guò)程包括將渦輪機(jī)中的工作流體膨脹，和因此產(chǎn)生的電力，從狀態(tài)點(diǎn)I進(jìn)行到點(diǎn)2。在冷凝器中脫過(guò)熱(2->3)和冷凝(3->4)，從而排到周?chē)h(huán)境中去。用泵增大壓力(4- > 5)，利用廢熱在制冷劑鍋爐中預(yù)熱(5- > 6)和蒸發(fā)(6- > I)，且所述廢熱從入口溫度A被冷卻到出口溫度B。圖4顯示使用CF3CF2C(O)CF(CF3)2利用相同廢熱流的有機(jī)蘭金循環(huán)。由于如圖I 所示 CF3CF2C(O)CF(CF3)2 的臨界溫度高于 R245fa 的事實(shí)，R245fa 比 CF3CF2C(O)CF(CF3)2 的熱轉(zhuǎn)化不可逆性-面積AB561A-略大。這就使得與R245fa相比，CF3CF2C (0) CF (CF3) 2的熱動(dòng)力蘭金循環(huán)效率更高。
CF3CF2C(O)CF(CF3)2的狀態(tài)點(diǎn)2處的渦輪機(jī)出口溫度高于R245fa。這使得可以用水加熱器代替部分冷凝器，并且以CHP (組合熱電)模式運(yùn)行有機(jī)蘭金循環(huán)，如圖5所示。為了用R245fa獲得相同的CHP功能，需要更高的渦輪機(jī)出口溫度，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并導(dǎo)致更高的最初成本。盡管參照如附圖所示的最佳實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體地說(shuō)明和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種細(xì)節(jié)的改變。
權(quán)利要求
1.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，便使得該蒸氣冷凝成液體；其中所述制冷劑是CF3CF2C(O)CF(CF3)2,其中在所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的操作期間，轉(zhuǎn)變成蒸氣的所述液體制冷劑僅通過(guò)所述渦輪機(jī)。
2.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中所述制冷劑選自下組=CF3(CF2)3C(O)CF (CG3)2, CF3 (CF2) 5C (O) CF3, CF3CF2C (O) CF2CF2CF3, CF3C (O) CF (CF3)30
3.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中泵用于將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后首先經(jīng)過(guò)多個(gè)噴嘴，然后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中將熱量引入到該制冷劑中的步驟是用從發(fā)動(dòng)機(jī)中提取廢熱的方法，并且所述制冷劑是CF3CF2C (O) CF (CF3) 2，其中在所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的操作期間，轉(zhuǎn)變成蒸氣的所述液體制冷劑僅通過(guò)所述渦輪機(jī)。
4.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中泵用于將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后首先經(jīng)過(guò)多個(gè)噴嘴，然后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中將熱量引入到該制冷劑中的步驟是用從發(fā)動(dòng)機(jī)中提取廢熱的方法，并且所述制冷劑是選自CF3 (CF2)3C (O) CF (CG3)2, CF3 (CF2) 5C (O) CF3, CF3CF2C (O) CF2CF2CF3, CF3C (O) CF (CF3) 2，全氟環(huán)己酮和其混和物組成的組中的至少一種。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)。
6.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中所述制冷劑是CF3CF2C(O)CF(CF3)2,且所述冷凝器進(jìn)一步包括利用從所述渦輪機(jī)獲得的廢熱產(chǎn)生熱水的水加熱器，其中在所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的操作期間，轉(zhuǎn)變成蒸氣的所述液體制冷劑僅通過(guò)所述渦輪機(jī)。
7.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將從內(nèi)燃機(jī)吸取的熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中所述制冷劑是CF3CF2C (O) CF (CF3) 2，其中在所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的操作期間，轉(zhuǎn)變成蒸氣的所述液體制冷劑僅通過(guò)所述渦輪機(jī)。
8.一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將從內(nèi)燃機(jī)吸取的熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣，該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體；其中所述制冷劑選自下組CF3CF2C (O) CF (CF3) 2，(CF3) 2CFC (O) CF (CF3) 2，CF3 (CF2) 2C (O) CF (CF3) 2，CF3 (CF2) 3C (O)CF(CG3)2, CF3(CF2)5C(O)CF3, CF3CF2C(O) CF2CF2CF3, CF3C (O) CF (CF3) 2，其中在所述有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的操作期間，轉(zhuǎn)變成蒸氣的所述液體制冷劑僅通過(guò)所述渦輪機(jī)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中從所述內(nèi)燃機(jī)中提取熱量的步驟是通過(guò)從離開(kāi)所述內(nèi)燃機(jī)的廢氣中提取熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中從內(nèi)燃機(jī)中提取熱量的步驟是通過(guò)從在所述內(nèi)燃機(jī)中流動(dòng)的冷卻劑中提取熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及有機(jī)蘭金循環(huán)流體。一種操作有機(jī)蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其中將液體制冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中將熱量引入到該制冷劑中以使其轉(zhuǎn)變成蒸氣。該蒸氣隨后經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)，所獲得的冷卻的蒸氣隨后經(jīng)過(guò)冷凝器，以使得該蒸氣冷凝成液體。該制冷劑是CF3CF2C(O)CF(CF3)2，(CF3)2CFC(O)CF(CF3)2，CF3(CF2)2C(O)CF(CF3)2，CF3(CF2)3C(O)CF(CG3)2，CF3(CF2)5C(O)CF3，CF3CF2C(O)CF2CF2CF3，CF3C(O)CF(CF3)2中的一種。
文檔編號(hào)C09K5/04GK102619581SQ201110462908
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2005年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月3日
發(fā)明者J·J·布拉斯茲, U·J·榮松 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司