專利名稱：用于朗肯循環(huán)系統(tǒng)的非共沸工作流體混合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及朗肯循環(huán)系統(tǒng)，且特別地，本發(fā)明涉及可以循環(huán)通過有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)以產(chǎn)生能量的非共沸工作流體混合物。
背景技術：
有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)可以用于在例如地熱發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生電能。典型的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可以包括循環(huán)通過泵、蒸發(fā)器、渦輪發(fā)電機和冷凝器的有機工作流體。如果技術和經(jīng)濟指標允許，也可以使用同流換熱器。在操作期間，蒸發(fā)器將熱能從相對溫暖的熱源流體傳遞到工作流體中以便形成工作流體蒸汽，隨著蒸汽膨脹該蒸汽驅(qū)動渦輪發(fā)電機。冷凝器將熱能(例如熱量)從膨脹的工作流體蒸汽傳遞到相對冷的冷源(heat sink)流體以便在工作流體蒸汽通過泵再供應到蒸發(fā)器之前使其冷凝。
典型的有機工作流體可以包括單一的(純的)化學成分，或者是不同化學組分的共沸混合物。但是，在換熱器中與單一成分的有機工作流體相伴隨的夾點通常降低了采用它們進行工作的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的總效率。術語“夾點”可以描述工作流體溫度曲線中在工作流體溫度和熱源流體溫度或冷源流體溫度之間存在的最低(最小)溫度差值處的點。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，發(fā)電系統(tǒng)包括非共沸工作流體混合物和朗肯循環(huán)系統(tǒng)。該朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括通過工作流體混合物的蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機，以及在接收自渦輪發(fā)電機的蒸汽和冷卻介質(zhì)之間交換熱能的冷凝器。工作流體混合物表現(xiàn)出在大約5開氏度到30開氏度之間的冷凝器溫度滑移、在工作流體混合物臨界壓力的大約0.1%到11%之間的冷凝壓力，和比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約I開氏度到大約9開氏度的冷凝器泡點溫度。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，發(fā)電系統(tǒng)包括中間換熱器、第一朗肯循環(huán)系統(tǒng)和第二朗肯循環(huán)系統(tǒng)。該換熱器包括接收第一工作流體的冷凝器通路，和接收有機非共沸的第二工作流體混合物的蒸發(fā)器通路。該換熱器將熱能從第一工作流體傳遞到第二工作流體混合物。第一朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括引導第一工作流體通過蒸發(fā)器和冷凝器通路的第一泵。第二朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括引導第二工作流體混合物通過蒸發(fā)器通路的第二泵、通過第二工作流體混合物的蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機，以及在接收自渦輪發(fā)電機的蒸汽和冷卻介質(zhì)之間交換熱能的冷凝器。第二工作流體混合物的特征在于冷凝器溫度滑移在大約5開氏度到30開氏度之間、冷凝壓力在第二工作流體混合物臨界壓力的大約0.1%到11%之間、且冷凝器泡點溫度比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約I開氏度到9開氏度。
參考以下描述和所附的附圖，本發(fā)明的前述特征和操作將變得更加顯而易見。
圖1為包括朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2為循環(huán)通過圖1所示的朗肯循環(huán)系統(tǒng)的有機非共沸工作流體混合物的溫熵相圖；以及圖3為包括多個朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)可選擇性實施方案的示意圖；圖4為發(fā)電系統(tǒng)操作期間工作流體混合物的溫熵相圖。圖5為發(fā)電系統(tǒng)操作期間工作流體的另一溫熵相圖。
具體實施例方式圖1是包括循環(huán)通過朗肯循環(huán)系統(tǒng)12 (例如有機朗肯循環(huán)系統(tǒng))的工作流體混合物(例如有機非共沸工作流體混合物)的發(fā)電系統(tǒng)10的示意圖。朗肯循環(huán)系統(tǒng)12可以包括渦輪發(fā)電機14、冷凝器16 (例如逆流換熱器)、泵18和蒸發(fā)器20 (例如逆流換熱器)。冷凝器16可以包括第一換熱通路22和第二換熱通路24。蒸發(fā)器20可以包括第一換熱通路26和第二換熱通路28。操作期間，工作流體混合物可以循序地循環(huán)通過渦輪發(fā)電機14、冷凝器的第一換熱通路22、泵18和蒸發(fā)器的第二換熱通路28，它們可以封閉的環(huán)狀回路連接在一起。在一些實施方案中，發(fā)電系統(tǒng)10還可以包括連接在，例如，第一換熱通路22和泵18之間的液體接收器/蓄液器。冷卻介質(zhì)(例如水、海水、空氣)可以引導通過冷凝器的第二換熱通路24。熱源流體可以引導通過蒸發(fā)器的第一換熱通路26。圖2是朗肯循環(huán)系統(tǒng)12操作期間工作流體混合物的溫熵相圖。該相圖顯示了對應于有機非共沸工作流體混合物的第一曲線30、對應于冷卻介質(zhì)的第二曲線32、和對應于熱源流體的第三曲線34。參考圖1和2，在點200處將工作流體混合物的過熱蒸汽引導進入渦輪發(fā)電機14。在點200和點204之間，蒸汽膨脹并且機械地驅(qū)動渦輪發(fā)電機14，由此可產(chǎn)生能量(例如電能)。在204點處將蒸汽從渦輪發(fā)電機14處引導進入第一換熱通路22。在204點和206點之間，熱能通過冷凝器16從工作流體混合物傳遞進入冷卻介質(zhì)中，這可以導致工作流體混合物發(fā)生從蒸汽到液體的相變。蒸汽可以，例如，在點204和點208之間在第一換熱通路22中脫除過熱(de-superheated)，并且在點208和點210之間冷凝為液體。該液體還可以在點210和點206之間在第一換熱通路22中過冷。在點206和點212之間，該液體從第一換熱通路22引導進入泵18。在點212和點214之間，該液體在泵18中加壓，并且在點216處引導進入第二換熱通路28。在點216和點200之間，熱能通過蒸發(fā)器20從熱源流體傳遞進入工作流體混合物，這可能會導致工作流體混合物發(fā)生從液體到蒸汽的另一相變。該液體可以，例如，在點216和點220之間在第二換熱通路28中預熱，并且在點220和218之間蒸發(fā)成為蒸汽。該蒸汽還可以，例如，過熱超過點218到點200以最小化混合物蒸汽在渦輪發(fā)電機14中冷凝的風險。然后在點200處將蒸汽從第二換熱通路28引導進入渦輪發(fā)電機14。工作流體混合物可以表現(xiàn)出某些性質(zhì)，例如在相變期間的溫度滑移、壓力、在冷凝器通路22和蒸發(fā)器通路28中的泡點溫度，以及使發(fā)電潛能和前述朗肯循環(huán)期間的循環(huán)熱效率增大(例如最大化)的混合物臨界壓力。術語“溫度滑移”描述了工作流體混合物的飽和蒸汽溫度和飽和液體溫度之間的溫度差異。術語“飽和蒸汽溫度”描述的是工作流體混合物的露點溫度；例如冷凝期間在點208處的溫度，以及蒸發(fā)期間在點218處的溫度。術語“飽和液體溫度”描述的是工作流體混合物的泡點溫度；例如冷凝期間在點210處的溫度，以及蒸發(fā)期間在點220處的溫度。冷凝器溫度滑移可以是，例如，在大約5開氏度到30開氏度之間(例如在大約6-8° K和20-25° K之間)。冷凝器壓力可以，例如，在工作流體混合物的臨界壓力的I %的大約十分之一(0.1% )到11%之間(例如在臨界壓力的大約1-2.5%到7.5-8%之間)。點210處的冷凝器泡點溫度可以，例如，比第二換熱通路24接收時的冷卻介質(zhì)的溫度T5(例如T5在約280° K到308° K之間)高大約I開氏度到9開氏度(例如高大約1° K到5° K)。臨界壓力可以在例如大約2MPa到6.5MPa之間。
工作流體混合物在朗肯循環(huán)期間還可以表現(xiàn)出其他特征，例如低的全球變暖潛勢(GffP)、低的易燃性、低的臭氧損耗潛勢、低的毒性等。術語“全球變暖潛勢”是在它們的大氣壽命期間大氣中某溫室氣體所蘊含的熱量相對于二氧化碳的相對量度。二氧化碳的全球變暖潛勢標準化為I。所述工作流體混合物的全球變暖潛勢可以是例如小于大約675(例如小于大約150-250)，且工作流體混合物可以是例如不易燃的。
一些非共沸的混合物可能表現(xiàn)出較低的冷凝傳熱系數(shù)，這是因為降低的液相和氣相之間的界面溫度。這種降低的界面溫度引起傳熱和傳質(zhì)阻力。為了避免這種問題，工作流體混合物可以選擇為使得該混合物的冷凝傳熱系數(shù)高于各組分的(例如最小的)冷凝傳熱系數(shù)。最少揮發(fā)的組分指的是在給定溫度下沸點最低的組分。
所述工作流體混合物可以通過將多種不同的化學組分(例如多種有機化學組分)混合在一起制造。該工作流體混合物可以包括，例如，多種下表I中列出的化學組分。
權利要求
1.發(fā)電系統(tǒng)，其包括 非共沸工作流體混合物；和 朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其包括通過該工作流體混合物的蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機，以及在接收自渦輪發(fā)電機的蒸汽和冷卻介質(zhì)之間交換熱能的冷凝器， 其中該工作流體混合物表現(xiàn)出在大約5開氏度到大約30開氏度之間的相變期間的冷凝器溫度滑移、在該工作流體混合物臨界壓力的大約0.1%到11%之間的冷凝壓力，和比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約I開氏度到大約9開氏度的冷凝器泡點溫度。
2.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述工作流體混合物包含第一化學組分和第二化學組分，且第一化學組分和第二化學組分各自包含以下的至少一種:烴、碳氟化合物、醚、氫氯氟烴、氫氟烴、氟化酮、氫氟醚、氫氯氟烯烴、溴氟烯烴、氟化烯烴、氫氟烯烴、環(huán)狀硅氧烷和線性硅氧烷。
3.權利要求2的系統(tǒng)，其中第一化學組分包含以下的至少一種:R134a、R245fa、R236ea、1，1，1，2，2，4，5，5，5_ 九氟-4-(三氟甲基)~3~ 戊酮、冊已-7000、1 123426、1 12347€、R1233zd和 R1243zf0
4.權利要求3的系統(tǒng)，其中第二化學組分包含以下的至少一種:戊烷、己烷、異己烷、環(huán)戊烷、環(huán)己烷、R245fa、R1234ze、異戊烷、R161、R30、R134a、R1233zd、C7FK、異丁烯、1，1，1，2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)~3~ 戊酮、R236ea、HFE-7000、CF3I 和 R1243zf。
5.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述冷凝器溫度滑移在大約6開氏度到25開氏度之間。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中所述冷凝器溫度滑移在大約8開氏度到20開氏度之間。
7.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述冷凝壓力在工作流體混合物臨界壓力的大約1%到8%之間。
8.權利要求7的系統(tǒng)，其中所述冷凝壓力在工作流體混合物臨界壓力的大約2.5%到7.5%之間。
9.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述冷凝器泡點溫度比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約I開氏度到5開 氏度。
10.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述工作流體混合物表現(xiàn)出低于大約675的全球變暖潛勢。
11.權利要求10的系統(tǒng)，其中所述全球變暖潛勢低于大約150。
12.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述冷凝器包括以下之一:板框式逆流換熱器、單通直接蒸發(fā)殼管式逆流換熱器、以及板殼式逆流換熱器。
13.發(fā)電系統(tǒng)，其包括: 中間換熱器，該換熱器包括接收第一工作流體的冷凝器通路、以及接收有機非共沸的第二工作流體混合物的蒸發(fā)器通路，其中該換熱器將熱能從第一工作流體傳遞到第二工作流體混合物； 第一朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其包括將第一工作流體引導通過蒸發(fā)器和所述冷凝器通路的第一栗；和 第二朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其包括將第二工作流體混合物引導通過所述蒸發(fā)器通路的第二泵、通過第二工作流體混合物的蒸汽驅(qū)動的第二渦輪發(fā)電機、以及在接收自第二渦輪發(fā)電機的蒸汽和冷卻介質(zhì)之間交換熱能的冷凝器；其中第二工作流體混合物的特征在于冷凝器溫度滑移在大約5開氏度到30開氏度之間、冷凝壓力在第二工作流體混合物臨界壓力的大約0.1%到11%之間、且冷凝器泡點溫度比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約I開氏度到9開氏度。
14.權利要求13的系統(tǒng)，其中第二工作流體混合物包含第一化學組分和第二化學組分，且第一化學組分和第二化學組分各自包含以下的至少一種:烴、碳氟化合物、醚、氫氯氟烴、氫氟烴、氟化酮、氫氟醚、氫氯氟烯烴、溴氟烯烴、氟化烯烴、氫氟烯烴、環(huán)狀硅氧烷和線性硅氧烷。
15.權利要求14的系統(tǒng)，其中第一化學組分包含以下的至少一種:R134a、R245fa、R236ea、1，1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)~3~ 戊酮、HFE-7000、R1234ze、R1234yf、R1233zd和 R1243zf0
16.權利要求15的系統(tǒng)，其中第二化學組分包含以下的至少一種:戊烷、己烷、異己烷、環(huán)戊烷、環(huán)己烷、R245fa、R1234ze、異戊烷、R161、R30、R134a、R1233zd、C7FK、異丁烯、1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4-(三氟甲基)~3~ 戊酮、R236ea、HFE-7000、CF3I 和 R1243zf。
17.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)器將熱能由熱源流體傳遞到第一工作流體中，該熱源流體接收自地熱儲層、燃燒機、太陽能熱系統(tǒng)、焚燒爐和工業(yè)系統(tǒng)中的一個，且所述冷卻介質(zhì)包括液體和氣體中的至少一種。
18.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)器包括太陽能熱系統(tǒng)。
19.權利要求13的系統(tǒng)，其中第一工作流體包含第一化學組分和第二化學組分，且第一化學組分和第二化學組分各自包含以下的至少一種:烴、碳氟化合物、醚、氫氯氟烴、氫氟烴、氟化酮、氫氟醚、氫氯氟烯烴、溴氟烯烴、氟化烯烴、氫氟烯烴、環(huán)狀硅氧烷和線性硅氧燒。
20.權利要求19的系統(tǒng)，其中第一化學組分包含以下的至少一種:R134a、R245fa、R236ea、1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、HFE-7000、R1234ze、R1234yf、R1233zd 和 R1243zf ;且 第二化學組分包含以下的至少一種:戊烷、己烷、異己烷、環(huán)戊烷、環(huán)己烷、R245fa、R1234ze、異戊烷、R161、R30、R134a、R1233zd、C7FK、異丁 烯、1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、R236ea、HF-7000、CF3I 和 R1243zf。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)，其包括非共沸的工作流體混合物和朗肯循環(huán)系統(tǒng)。該朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括通過第一工作流體混合物的蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機，以及在接收自渦輪發(fā)電機的蒸汽與冷卻介質(zhì)之間交換熱能的冷凝器。該工作流體混合物的特征在于相變期間的冷凝器溫度滑移在大約5開氏度到30開氏度之間、冷凝壓力在該工作流體混合物臨界壓力的大約0.1％到11％之間，且冷凝器泡點溫度比冷凝器接收時的冷卻介質(zhì)的溫度高大約1開氏度到9開氏度。
文檔編號F01K25/06GK103195524SQ20121055866
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者A·M·馬穆德, T·D·拉德克利夫, 李在善, 羅東, F·J·科斯威爾 申請人:聯(lián)合工藝公司