全氟庚烯在动力循环系统中的用途技术方案

本发明专利技术提供了一种通过利用包含全氟庚烯的工作流体将来自热源的热能转化成机械功或电力的方法。所述方法包括使用所述热源提供的热量加热工作流体；以及使经加热的工作流体膨胀以产生机械功。还提供了一种利用包含全氟庚烯的工作流体的有机朗肯动力循环系统。还提供了一种将被设计和被配置成使用包含HFC‑245fa的工作流体的有机朗肯动力循环系统的工作流体替换为包含全氟庚烯的工作流体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】全氟庚烯在动力循环系统中的用途相关专利申请的交叉引用本专利申请要求2016年2月25日提交的美国临时申请No.62/299,580的权益，其公开内容全文以引用方式并入本文。
本专利技术整体涉及动力循环系统；更具体地讲，涉及有机朗肯循环系统；并且再具体地讲，涉及在此类系统中使用有机工作流体。
技术介绍
有机朗肯循环系统(ORC)因使用有机工作流体而得名，该有机工作流体使得这种系统能够从低温热源诸如地热、生物质燃烧器、工业废热等中捕集热量。捕集的热量可以由ORC系统转化为机械功和/或电力。根据液-气相变化特性，诸如具有比水更低的沸点，来选择有机工作流体。典型的ORC系统包括用于吸收热量以将液体有机工作流体蒸发成蒸气的蒸发器、用于蒸气膨胀的膨胀装置诸如涡轮机、将膨胀的蒸气冷凝回液体的冷凝器，以及使液体工作流体循环通过蒸发器以重复循环的压缩器或液体泵。当有机流体蒸气膨胀通过涡轮机时，它使涡轮机转动，涡轮机又使输出轴旋转。旋转的输出轴可通过机械连杆进一步连接以产生机械能或者转动发电机以产生电力。有机工作流体在ORC系统中经历以下循环：通过压缩器的近绝热压力上升、通过蒸发器的近等压加热、在膨胀器中的近绝热膨胀，以及在冷凝器中的近等压热排放。通常选择1，1，1，3，3-五氟丙烷(也称为“R245fa”或者“HFC-245fa”)作为ORC系统中使用的工作流体，因为其适合用于低温热源的热力学性质、不易燃特性，以及没有臭氧破坏潜能(ODP)。然而，大多数可商购获得的动力循环设备的最大允许工作压力被限制在约3MPa，这将用HFC-245fa作为工作流体运行的循环的蒸发温度限制在低于约145℃。寻找能够在更大范围的条件下捕集热量、化学稳定并且仍环保的替代有机工作流体是一项持续的需求。
技术实现思路
本专利技术提供了在动力循环中将热量转换成机械功的方法。动力循环包括以下步骤：用热源将工作流体加热至足以加压工作流体的温度，并且使加压的工作流体做机械功。工作流体可包括选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合的全氟庚烯。该方法可利用亚临界动力循环、跨临界动力循环或者超临界动力循环。本专利技术还提供了在朗肯循环中将热量转换成机械功的方法。朗肯循环包括以下步骤：用低温热源汽化液体工作流体、通过膨胀装置使所得蒸气膨胀以产生机械功、冷却所得膨胀蒸气以将蒸气冷凝成液体，以及将液体工作流体泵送至热源以重复该方法。工作流体可包括选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合的全氟庚烯。本专利技术还提供了具有主回路的有机朗肯循环系统，该主回路被配置成利用包含HFC-245fa的工作流体来将热量转化为机械功。主回路可装有含全氟庚烯的工作流体，该全氟庚烯选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合。有机朗肯循环系统还可包括次级热交换回路，该次级热交换回路被配置成将热量从远程热源传递到主回路。次级热交换回路也可装有含全氟庚烯的工作流体。本专利技术还提供了一种用于替换装有HFC-245fa的有机朗肯循环系统的工作流体的方法。该方法包括以下步骤：将包含HFC-245fa的工作流体从ORC系统中排出、任选地用包含全氟庚烯的工作流体冲洗ORC系统，以及将含全氟庚烯的工作流体装入ORC系统，该全氟庚烯选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合。全氟庚烯诸如2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其混合物具有较高的临界温度、较低的蒸气压，并且在与HFC-245fa相比时预期具有较低的GWP。包含全氟庚烯的工作流体可用作现有ORC系统中HFC-245fa的直接替代物。预计通过将包含HFC-245fa的工作流体替换为包含2-全氟庚烯与3-全氟庚烯的混合物的工作流体，可提高ORC系统的循环效率(例如，提高1.8％)，同时将蒸发器热交换器的运行压力降低到远低于常用商用设备组件(例如热交换器)的最大设计压力水平之下，并且将工作流体GWP降低99.5％以上。通过阅读以下本专利技术实施方案的详细描述，本专利技术的其他特征和优点将变得更清楚，该详细描述仅通过非限制性示例并参考附图给出。附图说明图1是示例性有机朗肯循环系统的框图。图2是具有次级回路系统的示例性有机朗肯循环系统的框图。具体实施方式定义在陈述下述实施方案的细节之前，先定义或阐明以下术语。“一个”或“一种”用于描述本文所述的要素和组件。这只是为了方便起见，并且给出了本专利技术范围的一般意义。该描述应该被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非显然有另外地含义。“临界压力”是指当处于或超过该压力，无论温度变化多少，流体都不会经历气-液相转变。“临界温度”是指当处于或超过该温度，无论压力变化多少，流体都不会经历气-液相转变。“循环效率”(也称为热效率)是指净循环功率输出除以在动力循环(例如，有机朗肯循环)的加热阶段期间工作流体接收热量的速率。“全球变暖潜能值(GWP)”是用于估算相对于一千克二氧化碳排放量而言，由于大气排放一千克特定温室气体而造成的相对全球变暖贡献的指标。可计算不同的时间范围内的GWP，显示出对于给定气体的大气寿命的影响。对于100年时间范围内的GWP值通常是参考值。“低品质热量”是指具有较低的可用能密度并且不能有效地转化为有用功的低温热量。通常这样理解，温度低于300℃的热源被认为是低品质热源，因为在低于该温度下使用蒸汽朗肯循环热量被认为不能有效地转化。“净循环功率输出”是指在ORC膨胀器(例如，涡轮机)处产生的机械功的速率减去压缩器(例如，液体泵)消耗的机械功的速率。“标准沸点(NBP)”是指液体的蒸气压等于一个大气压时的温度。用于发电的“体积容量”是指循环通过动力循环(例如，有机朗肯循环)的每个单位体积工作流体的净循环功率输出(如在膨胀器出口处的条件下测量)。“过冷”是指将液体温度降低到低于给定压力下该液体的饱和温度。饱和温度是指蒸气组合物完全冷凝成液体(也称为始沸点)的温度。在给定的压力下，过冷继续冷却液体使其成为更低温度的液体。过冷量是低于饱和温度(以度数计)的冷却量或低于它的饱和温度冷却液体组合物程度。“过热”是定义加热蒸气组合物时高于蒸气组合物的饱和蒸气温度多少的术语。饱和蒸气温度是指如果将蒸气组合物冷却，形成第一滴液体时的温度，也被称为“露点”。具有改进的工作流体的ORC系统图1所示为示例性ORC系统10，该系统使用包含全氟庚烯的工作流体来将热量转换成有用的机械功率。ORC系统10包括闭合的工作流体回路20，该回路具有第一热交换器40、膨胀装置32、第二热交换器34，以及使工作流体循环通过闭合的工作流体回路20的泵38或压缩器38。第一热交换器40可与低品质热源46直接热接触，ORC系统10从该低品质热源捕集相对低温的热量将其并转化为有用的机械功，诸如使轴围绕其纵向轴线旋转。该ORC系统可包括在第二热交换器34下游并在压缩器38或泵38上游的可选缓冲罐36。热能从热源46传递到循环通过第一热交换器40的工作流体。经加热的工作流体离开第一热交换器40并进入膨胀装置32，在该膨胀装置中，膨胀工作流体的一部分能量被转换为机械功。示例性膨胀装置32可包括涡轮或动态膨胀器，诸如涡轮机；或正排量膨胀器，诸如螺杆膨胀器、涡旋膨胀器、活塞膨胀器和旋转叶片膨胀器。离开膨胀装置的膨胀并冷却的工作流体进入第二热交换器34以进一步冷却。泵38或压缩器38位于第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在动力循环中将热量转化成机械功的方法，包括以下步骤：用热源将工作流体加热到足以加压所述工作流体的温度；以及使经加压的工作流体做机械功；其中所述工作流体包含全氟庚烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.25 US 62/2995801.一种在动力循环中将热量转化成机械功的方法，包括以下步骤：用热源将工作流体加热到足以加压所述工作流体的温度；以及使经加压的工作流体做机械功；其中所述工作流体包含全氟庚烯。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述全氟庚烯选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述全氟庚烯由2-全氟庚烯组成。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述全氟庚烯由3-全氟庚烯组成。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述全氟庚烯由2-全氟庚烯与3-全氟庚烯的混合物组成。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中用热源加热所述工作流体的所述步骤还包括将所述工作流体加热到足以使所述工作流体汽化并形成所述工作流体的加压蒸气的温度。7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过膨胀装置使所述工作流体的所述加压蒸气膨胀以做机械功。8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述机械功传输到发电机以产生电力。9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过使用亚临界循环将所述热量转化为所述机械功，所述亚临界循环包括：(a)将液体工作流体压缩至低于其临界压力的压力；(b)使用由所述热源提供的热量加热来自步骤(a)的经压缩的液体工作流体以形成蒸气工作流体；(c)使来自步骤(b)的经加热的工作流体膨胀以产生机械功，并且降低所述工作流体的压力；(d)将来自步骤(c)的经膨胀的工作流体冷却以形成冷却的液体工作流体；以及(e)将来自步骤(d)的冷却的液体工作流体循环到步骤(a)以重复所述循环。10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过使用跨临界循环将所述热量转化为所述机械功，所述跨临界循环包括：(a)将液体工作流体压缩至高于所述工作流体的临界压力；(b)使用由所述热源提供的热量加热来自步骤(a)的经压缩的工作流体；(c)使来自步骤(b)的经加热的工作流体膨胀以产生机械功，并且将所述工作流体的压力降低至低于其临界压力；(d)将来自步骤(c)的经膨胀的工作流体冷却以形成冷却的液体工作流体；以及(e)将来自步骤(d)的冷却的液体工作流体循环到步骤(a)以重复所述循环。11.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过使用超临界循环将所述热量转化为机械功，所述超临界循环包括：(a)将工作流体从高于其临界压力的压力压缩至更高的压力；(b)使用由所述热源提供的热量加热来自步骤(a)的经压缩的工作流体；(c)使来自步骤(b)的经加热的工作流体膨胀以产生机械功，并且将所述工作流体的压力降低至高于其临界压力的压力；(d)将来自步骤(c)的经膨胀的工作流体冷却以形成高于其临界压力的冷却的工作流体；以及(e)将来自步骤(d)的冷却的液体工作流体循环到步骤(a)以重复所述循环。12.一种在朗肯循环中将热量转化成机械功的方法，包括以下步骤：用低温热源使液体工作流体汽化；通过膨胀装置使所得的蒸气膨胀以产生机械功；冷却所得的膨胀蒸气以将所述蒸气冷凝成液体；将所述液体工作流体泵送至所述热...

【专利技术属性】
技术研发人员：K康托马里斯，LD西莫尼，
申请(专利权)人：科慕埃弗西有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US