CN108699921A - 全氟庚烯在动力循环系统中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

通过阅读以下本发明实施方案的详细描述，本发明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，并且给出了本发明范围的一般意义。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位于第二热交换器34的下游和第一热交换器40上游，以使工作流体循环通过ORC系统10以重复该方法。

转轴可根据期望的速度和所需的扭矩，通过采用皮带、滑轮、齿轮、传动装置或类似装置的常规布置来做任何机械功。转轴还可连接到发电装置30，诸如感应发电机。产生的电力可在本地使用或输送到电网。

图2所示为具有次级热交换回路25′的ORC系统。次级热交换回路25′可用于将热能从远程源46′传送至供热交换器40′。使用循环通过次级热交换器回路25′的传热介质将来自远程热源46′的热量传递到供热交换器40′。传热介质从供热交换器40′流至泵42′，该泵将传热介质泵送回热源46′以重复此循环。这种布置提供了从远程热源移除热量并将其递送至ORC系统10′的另一种方法。次级热交换回路25′的供热交换器40′可与图1的ORC系统10的热交换器40相同，然而，次级热交换回路25′的传热介质与ORC系统10′的工作流体为非接触热连通。换句话讲，热量从次级回路25′的传热介质传递到ORC系统10′的工作流体，但是次级回路的传热介质不与ORC系统10′的工作流体共混合。这种布置促进了使用多种流体在用于次级回路和ORC系统，实现了灵活性。

包含全氟庚烯的工作流体还可用作次级热交换回路流体，前提条件是在回路中工作流体的温度下，回路中的压力保持处于或高于流体饱和压力。另选地，包含全氟庚烯的工作流体可用作次级热交换回路流体或热载体流体，以在运行模式中从热源提取热量，该操作模式中的工作流体被允许在热交换系统期间蒸发，从而产生足以维持流体流动的大的流体密度差(热虹吸效应)。另外，高沸点流体诸如二醇类、盐水、有机硅或其他基本上非挥发性流体可用于次级回路布置中的显热传递。

包含全氟庚烯的工作流体

与高压蒸汽驱动(无机)动力循环的温度相比，在相对较低的温度下可用的热量可用于通过有机朗肯动力循环来产生机械功。使用包含全氟庚烯的工作流体可使动力循环能够在高于已知的现有工作流体诸如HFC-245fa的临界温度的温度下通过蒸发来接收热能，从而导致更高的循环能量效率。“HFC-245fa”也其因化学名1，1，1，3，3，-五氟丙烷而闻名为人所知，并且由霍尼韦尔以和品牌销售。全氟庚烯可包括2-全氟庚烯(CF₃CF₂CF₂CF₂CF＝CFCF₃)和3-全氟庚烯(CF₃CF₂CF₂CF＝CFCF₂CF₃)，可购自科慕公司(Chemours Company，LLC)。全氟庚烯可以通过如美国专利No.5,347,058中所公开的制备氟化烯烃的工艺制备，该专利据此全文以引用方式并入本文。

全氟庚烯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被设计成利用包含HFC-245fa的工作流体的现有ORC系统中HFC-245fa的直接替代物。工作流体可包含2-全氟庚烯、3-全氟庚烯或其组合。预计如果将包含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ORC系统的常用商用设备组件(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。

改进的工作流体可包含至少一种选自2-全氟庚烯和3-全氟庚烯的全氟庚烯。如表1所示，2-全氟庚烯(20％)与3-全氟庚烯(80％)(纯度：99.20％)的混合物的临界温度和压力分别为198℃和1.54MPa。该混合物的标准沸点为72.5℃。2-全氟庚烯与3-全氟庚烯混合物的较高临界温度使得该工作流体能够在接近198℃的较高温度下通过冷凝来接收热量。

包含全氟庚烯的工作流体还可包含至少一种选自氢氟烯烃(HFO)、氢氯氟烯烃(HCFO)、氢氟碳(HFC)、氢氟醚(HFE)、氢氟醚烯烃(HFEO)、醇、醚、酮和烃(HC)的化合物。更具体地讲，包含全氟庚烯的工作流体还可包含至少一种选自以下物质的组分：Sinera^TM(又叫做HFX-110；是可从美国特拉华州威尔明顿的科慕公司(ChemoursCo.，Wilmington，Delaware，USA)获得的甲基全氟庚烯醚异构体的混合物)、HFO-153-10mzzy、F22E、HFO-1438mzz(E)、HFO-1438mzz(Z)、HFO-1438ezy(Z)、HFO-1438ezy(E)、HFO-1336ze(Z)、HFO-1336ze(E)、HFO-1336mzz(Z)、HFO-1336mzz(E)、HFO-1234ze(E)、HFO-1234ze(Z)、HFO-1234yf、HCFO-1233zd(Z)、HCFO-1233zd(E)、HFC-43-10mee、HFC-365mfc、HFC-236ea、HFC-245fa、HFE-7000(也被称为HFE-347mcc或n-C₃F₇OCH₃)、HFE-7100(也被称为HFE-449mccc或C₄F₉OCH₃)、HFE-7200(也被称为HFE-569mccc或C₄F₉OC₂H₅)、HFE-7300(也被称为1，1，1，2，2，3，4，5，5，5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷或C₇H₃F₁₃O)、HFE-7500(也被称为3-乙氧基-1，1，1，2，3，4，4，5，5，6，6，6-十二氟-2-三氟甲基-己烷或(CF₃)₂CFCF(OC₂H₅)CF₂CF₂CF₃)、戊烷、己烷、甲醇、乙醇、丙醇、芴醇(fluorinol)、二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷和二乙氧基乙烷。HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300和HFE-7400都由以工程流体销售。

作为替代方案，改进的工作流体可由选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯以及2-全氟庚烯与3-全氟庚烯的混合物中的一种的组分组成。然而，作为另一种替代方案，工作流体组合物可由2-全氟庚烯组成。然而，作为另一种替代方案，工作流体组合物可由3-全氟庚烯组成。然而，作为另一种替代方案，工作流体组合物可由2-全氟庚烯与3-全氟庚烯的混合物组成。

如上文所述，2-全氟庚烯(20％)与3-全氟庚烯(80％)(纯度：99.20％)的混合物的临界温度为198℃。因此，包含全氟庚烯的工作流体使ORC系统能够设计和配置用于包含HFC-245fa的工作流体，以在更高的蒸发温度下提取热量，并且实现比包含HFC-245fa的工作流体情况下更高的能量效率。在现有ORC系统中包含HFC-245fa的工作流体可用包含全氟庚烯的工作流体代替以提高这些现有系统的效率。

亚临界循环

在一个实施方案中，本发明涉及使用包含全氟庚烯的工作流体来通过亚临界动力循环将热量转化为机械功的方法。当工作流体在低于工作流体临界压力的压力下接收热量并且工作流体在整个循环中保持低于其临界压力时，ORC系统在亚临界循环中运行。该方法包括以下步骤：(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汽工作流体；(c)使来自步骤(b)的蒸汽工作流体在膨胀装置中膨胀以产生机械功；(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；和(e)将来自步骤(d)的冷却的液体工作流体循环到步骤(a)以重复该循环。

在亚临界循环中运行时，从热源吸收热量的包含全氟庚烯的工作流体的蒸发温度在约100℃至约190℃，优选地在约125℃至约185℃，更优选地在约150℃至约185℃的范围内。亚临界循环的典型膨胀器入口压力在临界压力以下约0.25MPa至约0.01MPa的范围内。亚临界循环的典型膨胀器出口压力在约0.01MPa至约0.25MPa，更典型地在约0.04MPa至约0.12MPa的范围内。

在亚临界循环运行的情况下，供应给工作流体的大部分热量是在工作流体蒸发期间供应。因此，当工作流体由单一流体组分组成时或者当工作流体是近共沸多组分流体混合物时，工作流体的温度在从热源向工作流体传递热量期间基本恒定。

跨临界朗肯循环

与亚临界循环相反，当流体被等压加热而在高于其临界压力的压力下没有相变时，工作流体的温度可变化。因此，当热源温度变化时，与亚临界热量提取的情况相比，使用高于其临界压力的流体从热源中提取热量使得热源温度和工作流体温度之间更好地匹配。因此，在超临界循环或跨临界循环中，温度变化的热源与单一组分或近共沸工作流体之间的热交换系统的效率通常高于在亚临界循环中的效率(参见Chen等人，Energy，第36期，(2011年)第549-555页以及其中的参考文献)。

在另一个实施方案中，本发明涉及使用包含全氟庚烯的工作流体来通过跨临界功力循环将热能转化为机械功的方法。当工作流体在高于工作流体临界压力的压力下接收热量时，ORC系统作为跨临界循环运行。在跨临界循环中，工作流体在整个循环中不会保持处于高于其临界压力的压力。该方法包括以下步骤：(a)将液体工作流体压缩至高于其临界压力的压力；(b)使用由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将工作流体的压力降低至低于其临界压力以产生机械功；(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；和(e)将来自步骤(d)的冷却的液体工作流体循环到步骤(a)以重复该循环。

在如上所述的跨临界动力循环系统的第一步骤中，处于液相的工作流体被压缩至高于其临界压力。在第二步骤中，所述工作流体在流体进入膨胀器之前经过热交换器以被加热到更高的温度，其中热交换器与所述热源热连通。热交换器通过任何已知的热传递方式接收来自热源的热能。ORC系统工作流体循环通过供热交换器，流体从中获得热量。

在下一步骤中，将至少一部分经加热的工作流体从热交换器中移除并引至膨胀器，在膨胀器中，流体膨胀导致工作流体的至少一部分热能转化成机械能，诸如轴能。将工作流体的压力降低至低于该工作流体的临界压力，从而产生气相工作流体。

在下一步骤中，使工作流体从膨胀器通到冷凝器，其中使气相工作流体冷凝以产生液相工作流体。上述步骤形成一个环形系统并且可重复多次。

另外，对于跨临界的动力循环，有几种不同的操作模式。在一种运行模式下，在跨临界动力循环的第一步骤中，基本上等熵地将工作流体压缩至高于该工作流体的临界压力。在下一步骤中，将工作流体在基本恒定的压力(等压)条件下加热到它的临界温度以上。在下一步骤中，工作流体在保持工作流体处于气相的温度下基本上等熵地膨胀。在膨胀结束时，工作流体是在低于其临界温度的温度下的过热蒸气。在该循环的最后步骤中，将工作流体冷却并冷凝，同时将热量排放到冷却介质中。在这个步骤期间，工作流体被冷凝成液体。在冷却步骤结束时，工作流体可被过冷。

在跨临界ORC功力循环的另一种运行模式下，在第一步骤中，基本上等熵地将工作流体压缩至高于该工作流体的临界压力。在下一步骤中，在基本恒压的条件下将工作流体加热至高于其临界温度，但是只需要在下一步骤中，即当工作流体基本上等熵地膨胀并且其温度下降时，工作流体足够接近饱和蒸气，使得工作流体可能发生部分冷凝或雾化。然而，在此步骤结束时，工作流体仍然是略过热的蒸气。在最后的步骤中，工作流体被冷却并冷凝，而热量被排放到冷却介质中。在这个步骤期间，工作流体被冷凝成液体。在该冷却/冷凝步骤结束时，工作流体可被过冷。

在跨临界ORC功力循环的另一种运行模式下，在第一步骤中，基本上等熵地将工作流体压缩至高于该工作流体的临界压力。在下一步骤中，在基本恒压的条件下将工作流体加热至低于或仅略高于其临界温度的温度。在此阶段，工作流体温度是如下的：当工作流体在下一步骤中基本上等熵地膨胀时，工作流体被部分地冷凝。在最后的步骤中，工作流体被冷却并完全冷凝，并且热量被排放到冷却介质中。在该步骤结束时，工作流体可被过冷。

虽然上述用于跨临界ORC循环的实施方案显示出基本上等熵的膨胀和压缩，以及基本上等压的加热或冷却，但是其中没有保持这种等熵或等压条件但仍然完成循环的其他循环也在本发明的范围内。

通常对于跨临界ORC，使用来自热源的热量加热工作流体的温度在约195℃至约300℃，优选地在约200℃至约250℃，更优地选在约200℃至约225℃的范围内。跨临界循环的典型膨胀器入口压力在约临界压力1.79MPa至约7MPa，优选地在约临界压力至约5MPa，并且更优选地在约临界压力至约3MPa的范围内。跨临界循环的典型膨胀器出口压力与亚临界循环的典型膨胀器出口压力相当。

超临界朗肯循环

本发明的另一个实施方案涉及使用包含全氟庚烯的工作流体来通过超临界功力循环将热能转化为机械功的方法。当循环中使用的工作流体在整个循环中的压力高于其临界压力时，ORC系统作为超临界循环运行。超临界ORC的工作流体不会像在亚临界ORC或跨临界ORC中那样经历明显的气-液两相转变。该方法包括以下步骤：(a)将工作流体从它的临界压力以上的压力压缩至更高的压力；(b)使用由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将工作流体的压力降低至高于其临界压力并产生机械功；(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；和(e)将来自步骤(d)的冷却的工作流体循环到步骤(a)以进行压缩。

通常对于超临界循环，使用来自热源的热量加热工作流体的温度在约190℃至约300℃，优选地在约200℃至约250℃，更优选地在约200℃至约225℃的范围内。膨胀器中的工作流体的压力从膨胀器入口压力降低到膨胀器出口压力。超临界循环的典型膨胀器入口压力在约2MPa至约7MPa，优选地在约2MPa至约5MPa，并且更优选地在约3MPa至约4MPa的范围内。超临界循环的典型膨胀器出口压力在高于临界压力约0.01MPa内。

低品质热源

本发明的新型工作流体可用于ORC系统中，以由从相对低温的热源提取或接收的热量产生机械功，所述相对低温的热源诸如低压蒸汽、工业废热、太阳能、地热水、低压地热蒸汽(一次或二次布置)，或者利用燃料电池或原动机诸如涡轮机、微型涡轮机或内燃机的分布式发电设备。一种低压蒸汽源可以是被称为二元地热朗肯循环的系统。大量低压蒸汽可见于许多地方，诸如在化石燃料动力发电的发电厂中。

其他热源包括从移动式内燃机(例如，卡车或铁路或轮船柴油发动机)排出的气体中回收的废热，来自固定式内燃机(例如固定式柴油发动机发电机)排出的气体中的废热，来自燃料电池的废热，在组合加热、冷却和电力或区域供热和制冷设备处获得的热量，来自生物质燃料发动机的废热，来自天然气或甲烷气体燃烧器或燃烧甲烷的锅炉或甲烷燃料电池(例如分布式发电设施)的废热，所述甲烷燃料电池使用来自包括沼气、垃圾填埋气和煤层气在内的各种来源的甲烷，来自纸/纸浆厂的树皮和木质素燃烧的热量，来自焚化炉的热量，来自常规蒸汽发电厂的低压蒸汽的热量(以驱动“触底”朗肯循环)，以及地热。

在本发明朗肯循环的一个实施方案中，将地热供应给到地上循环的工作流体(例如二元循环地热发电厂)。在本发明的朗肯循环的另一个实施方案中，本发明的新型工作流体组合物既用作朗肯循环工作流体又用作在地下深井中循环的地热载体，其中流体主要或完全地由温度引导的流体密度变化驱动，这称为“热虹吸效应”(例如，参见Davis，A.P.和E.E.Michaelides：“Geothermal power production from abandoned oil wells”，Energy，第34期(2009年)第866-872页；Matthews，H.B.的美国专利No.4,142,108-1979年2月27日)

其他热源包括来自包括抛物线型太阳能电池板阵列的太阳能电池板阵列的太阳能热、来自聚光太阳能发电厂的太阳能热、为冷却光伏(PV)系统从而保持高PV系统效率而从PV太阳能系统中除去的热。

在其他实施方案中，本发明还使用其他类型的ORC系统，例如使用微型涡轮机或小型正排量膨胀器的小规模(例如1kW至500kW，优选5kW至250kW)朗肯循环系统(例如Tahir、Yamada和Hoshino：“Efficiency of compact organic Rankine cycle system withrotary-vane-type expander for low-temperature waste heat recovery”，Intl J.ofCivil and Environ.Eng 2：12010)，组合式、多级和级联朗肯循环，以及具有同流换热器以从离开膨胀器的蒸气中回收热量的朗肯循环系统。

其他热源包括与选自下列至少一个行业相关联的至少一种操作：海运、炼油厂、石油化工厂、石油和天然气管道、化工行业、商业大厦、酒店、购物中心、超市、面包店、食品工业、餐馆、漆料固化炉、家具制造、塑料模塑、水泥窑、木材窑、煅烧操作、钢铁工业、玻璃工业、铸造厂、熔炼、空调、制冷和中央供暖。

实施例

本文描述的概念将在以下实施例中进一步描述，这些实施例不限制权利要求中描述的本发明的范围。

实施例1

将使用HFC-245fa作为工作流体的ORC系统的预计循环效率与使用2-全氟庚烯与3-全氟庚烯的混合物作为工作流体的ORC系统的预计循环效率进行比较。假设ORC系统的最大可行工作压力为约3MPa，并且有热源可使得膨胀器入口处的任一工作流体的温度保持在160℃。

表1中示出了HFC-245fa和含有20％的2-全氟庚烯与80％的3-全氟庚烯的混合物(混合物纯度：99.20％)的比较表，该混合物用作亚临界循环中的工作流体。使用HFC-245fa作为工作流体的ORC系统的运行参数在标记为“HFC-245fa”的列下示出。使用2-全氟庚烯/3-全氟庚烯混合物作为工作流体的ORC系统的运行参数在标记为“2-全氟庚烯/3-全氟庚烯”的列下示出。以实验方法确定的2-全氟庚烯/3-全氟庚烯混合物的蒸气压如下表1A所示。

表1

表1A

温度(℃)	蒸气压(psia)
		-9.926	0.3421
-0.062	0.6348
		9.885	1.1202
19.904	1.8863
		20.000	1.8905
20.015	1.8922
		29.992	3.0673
45.036	5.8476
		60.045	10.3122
75.068	17.1183
		90.150	27.1188
105.184	41.0299
		120.217	59.9598
130.256	75.9433

上述实施例假定可获得热量以将膨胀器入口保持在160℃。HFC-245fa的蒸发温度被限制在145℃，以确保蒸发器内的压力保持低于ORC系统的常用商用设备组件(例如热交换器)的最大允许设计工作压力。

2-全氟庚烯/3-全氟庚烯混合物的蒸发压力保持充分低于HFC-245fa的蒸发压力，因此，ORC系统的常用商用设备的最大工作压力以及某些管辖区域对于为HFC-245fa设计的ORC系统所要求的额外安全措施的压力阈值均未超过。此外，预期全氟庚烯混合物在这些工作参数内表现出可接受的化学稳定性。

上述实施例表明，与在被设计为将HFC-245fa用作工作流体的ORC系统中使用HFC-245fa相比，使用2-全氟庚烯/3-全氟庚烯混合物可以使循环效率提高1.8％，同时将工作流体GWP降低99.5％以上。现有ORC系统中包含HFC-245fa的工作流体可通过以下操作来体替换：排出该工作流，用润滑剂或包含选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合的全氟庚烯的工作流体冲洗ORC系统，并且向ORC系统装入含有选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合的全氟庚烯的工作流体。

实施例2

表2中示出了在亚临界循环中用作工作流体的以及在跨临界循环中用作工作流体的包含20％2-全氟庚烯与80％3-全氟庚烯的混合物(混合物纯度：99.20％)的比较表，其中膨胀器入口温度保持在220℃。

表2

上表表明，当允许膨胀器入口温度保持在220℃的温度下获得热量时，跨临界运行使循环热效率和循环容积容量比亚临界运行的循环热效率和循环容积容量分别高出31.6％和17.1％。

虽然已经根据本发明的优选实施方案具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离权利要求中所述的本发明的实质和范围的情况下，可以在其中实现各种细节上的变化。

Claims (29)

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。

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源以重复所述方法；

其中所述工作流体包含全氟庚烯。

13.根据权利要求12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。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述全氟庚烯由2-全氟庚烯组成。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述全氟庚烯由3-全氟庚烯组成。

16.根据权利要求12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。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中所述工作流体还包含选自HFO、HCFO、HFC、HFE、HFEO、醇、醚、酮、HC及其组合的组分。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中所述工作流体还包含选自HFX-110、HFO-153-10mzzy、F22E、HFO-1438mzz(E)、HFO-1438mzz(Z)、HFO-1438ezy(Z)、HFO-1438ezy(E)、HFO-1336ze(Z)、HFO-1336ze(E)、HFO-1336mzz(Z)、HFO-1336mzz(E)、HFO-1234ze(E)、HFO-1234ze(Z)、HFO-1234yf、HCFO-1233zd(Z)、HCFO-1233zd(E)、HFC-43-10mee、HFC-365mfc、HFC-236ea、HFC-245fa、HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500、戊烷、己烷、甲醇、乙醇、丙醇、芴醇、二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷及其组合的组分。

19.一种有机朗肯循环系统，包括：

被配置成利用包含HFC-245fa的工作流体将热量转化成机械功的主回路；

其中所述主回路装有包含全氟庚烯的工作流体。

20.根据权利要求19所述的有机朗肯循环系统，其中所述全氟庚烯选自2-全氟庚烯、3-全氟庚烯及其组合。

21.根据权利要求19所述的有机朗肯循环系统，其中所述全氟庚烯由2-全氟庚烯组成。

22.根据权利要求19所述的有机朗肯循环系统，其中所述全氟庚烯由3-全氟庚烯组成。

23.根据权利要求19所述的有机朗肯循环系统，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。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的有机朗肯循环系统，还包括次级热交换回路，所述次级热交换回路被配置成将热量从热源传递到所述主回路；

其中所述次级热交换回路装有包含全氟庚烯的工作流体。

25.一种替换有机朗肯动力循环系统的工作流体的方法，所述有机朗肯动力循环系统装有包含HFC-245fa的工作流体，所述方法包括：

(a)从所述有机朗肯循环系统中排出包含HFC-245fa的所述工作流体；以及

(b)将包含全氟庚烯的工作流体装入所述ORC系统。

26.根据权利要求25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。

27.根据权利要求25所述的方法，其中所述全氟庚烯由2-全氟庚烯组成。

28.根据权利要求25所述的方法，其中所述全氟庚烯由3-全氟庚烯组成。

29.根据权利要求25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。