CN109844058B - 超临界硅氧烷的循环过程 - Google Patents
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Abstract
本发明提供使用硅氧烷作为高温传热流体(HTF)的循环过程，其中借助热吸收而使硅氧烷在不发生相变的情况下从过冷液体状态转变为高密度超临界流体状态，然后在不发生相变的情况下排出能量。
Description
技术领域
本发明涉及使用超临界硅氧烷作为高温传热流体(HTF)的循环过程。
背景技术
在太阳能热电站中，来自太阳的辐射例如借助抛物面镜而集中(CSP＝集合的太阳能)，并转移到高温传热流体(HTF)。在循环过程中，HTF将已经传给热消耗器的热量进行传递，然后再次在太阳能场中吸取热量。根据现有技术，热消耗器是热蒸汽发电站，其中来自初级HTF回路的热量在热交换器或多个热交换器的组件中传递到次级Clausius Rankine过程。在此，水首先蒸发并在高压下过热。然后，将过热蒸汽在蒸汽轮机或多个蒸汽轮机的组件中进行减压，从而产生机械功。随后将减压的蒸汽冷凝，并借助供水泵而将冷凝物压缩至高压，然后可以再次吸取热量并产生过热的蒸汽。
太阳能热电站的现有技术是在总温度使用范围内使用处于液态的不可压缩的高温传热流体，将热量传递到二次蒸汽过程并且将热能单独转换成二次蒸汽发电过程中的机械功。
DE 198 58 712 A1描述了一种借助循环过程而将热能转换成机械功的方法，其中传热介质为存在于气相中的聚硅氧烷或聚硅氧烷混合物，存在于气相中的传热介质为环状聚硅氧烷或环状聚硅氧烷混合物，并且所述聚硅氧烷是线性的，主要是n<5，以及环状的，n<6，并且以纯的形式或作为混合物而使用。
DE 100 08 123 A1描述了一种基于热ORC循环过程的用于能量转换装置，其特征在于ORC循环过程所需的能量借助一个或多个太阳能收集器而提供，其中优选六甲基二硅氧烷的有机介质，流入太阳能集热器或集热器们之中，并且在该循环过程中，六甲基二硅氧烷进行加热并在临界温度以上过热，其中温度范围为240至<＝500℃，优选400℃。
DE 199 07 512 A1描述了一种基于热ORC循环过程的用于能量转换的装置，其包括至少两阶段的级联排列，其中高温回路的流体为水，并且低温回路的流体为有机介质或硅氧烷。
DE 10 2007 009 503 B4描述了一种用于ORC蒸汽方法的方法，其中将已经借助至少两个具有不同温度的热源进行预热且蒸发的气态ORC工作流体在至少两个工作阶段中进行减压。
发明内容
本发明提供了使用硅氧烷作为高温传热流体(HTF)的循环过程，其中借助热吸收而使硅氧烷在不发生相变的情况下从过冷液体状态转变为高密度超临界流体状态，然后在不发生相变的情况下将能量优选作为热量或功进行传递。
该循环过程是可能的，这是因为硅氧烷在超临界流体状态下仍然是热稳定的。硅氧烷作为HTF能够使HTF从过冷液体状态循环到高密度超临界流体状态以吸收热量。在超临界流体状态下，不存在仅仅作为温度的函数的蒸汽压力，而这在根据现有技术的传热流体的情况下是正常的。超临界流体遵守真实气体的定律。在超临界流体的范围内，HTF的密度是温度和压力的函数，即可以借助施加的压力来设定。所述函数关系可以通过状态方程(EOS)来描述。当根据本发明有利地选择压力时，可以不受限制地使用硅氧烷作为HTF直至达到超临界状态。
过冷液体的区域是沸腾线以上的区域，如图3.1至3.5所示。当在相同的温度下超出沸腾线而达到更高的压力时，液体过度冷却，这是因为在该压力下，必须向右移动到更高的温度以使液体沸腾。
以前的传热流体限制在<400℃的使用范围内。新的有利的传热流体，例如由直链和环状硅氧烷和硅烷组成的混合物，由于其优异的热稳定性，还可以在400至450℃，优选高达425℃的温度范围内使用。
由于作为与具有多达20及更多个硅原子的硅氧烷的混合物的组成，并且即使在具有多于9个硅原子的硅氧烷的情况下也具有>425℃的高临界温度，以前是由以下认识出发，此类混合物在400至450℃的温度范围内也具有蒸汽压(沸点线)，并且在施加有高于蒸汽压的压力时，其表现近似于不可压缩的液体。
高于在由硅氧烷组成的传热流体的情况下优选为400至450℃的临界温度，可以在不发生相变的情况下设定任何所需的压力。以前取的蒸汽压力在此并不存在。
所述传热流体为高于临界温度的真实气体。密度由压力和温度决定。
在循环过程中，在太阳能发电站中，可以在太阳能场中的接收管中将硅氧烷在高于其临界压力的压力下在不发生相变的情况下从过冷液体状态加热至在高达超过400℃、优选高达425℃的温度范围内并且具有高密度的超临界流体状态。如在沸腾线与冷凝线之间的两相区域中在低于临界压力的压力下升温时发生的材料特性从液态到气态的急剧变化的相变并不会发生。这会导致在太阳能场中在数千米长的管道网络及许多并联环路中不可控制的不稳定性。
在一个实施方案中，将硅氧烷在超临界流体状态下进行冷却，并且在该过程中将热量传递给热消耗器，例如二次循环过程。因此，硅氧烷从超临界状态回到过冷液体状态。优选将硅氧烷再压缩至初始压力。
在另一个实施方案中，首先将硅氧烷在超临界流体状态下减压至低于其临界压力，以直接产生机械功，然后才为了将热量传递给热消耗器例如二次循环过程而进行冷却，冷凝，最后优选再压缩至初始压力。
由于直接减压以及直接在高温传热介质循环过程中产生额外的机械功，二次蒸汽发电过程可以例如通过降低压力水平而在优化压力水平的情况下以更加简单和更加便宜的方式实施。
用于常规传热流体的现有发电厂布置可以直接用于硅氧烷，当进行硅氧烷的减压时，以使后来其温度比过热水蒸汽的温度(例如385℃)高5至10℃，并且其冷凝在高出供水预热温度5至10℃下结束，该温度略低于水蒸汽压(例如120巴)下的饱和蒸汽温度。
由于其操作性质，ORC涡轮机可以比蒸汽涡轮机更简单、更快速并且完全自动地均衡负载波动。
用作HTF的硅氧烷优选由甲基聚硅氧烷组成，例如
(Wacker ChemieAG)，特别是由直链、环状或支化甲基聚硅氧烷或其混合物组成。
短链和长链硅氧烷的混合物特别合适。通过材料数据测量和模拟可以表明，即使长链硅氧烷在低于其临界温度的高达450℃的可用温度范围内存在，所述混合物在可用温度范围内的临界温度已经超过约400℃以上。因此，长链和高沸点硅氧烷明显地被已经以超临界状态存在的硅氧烷溶解，因此即使该混合物中显著比例的硅氧烷仍然明显低于其临界温度，也存在该混合物的总体超临界特性。
当所述短链和长链硅氧烷的混合物处于超临界流体状态时，优选至少10重量％、特别是至少20重量％的硅氧烷处于亚临界状态。
优选的硅氧烷混合物为选自通式I的直链化合物和通式II的环状化合物的甲基聚硅氧烷的混合物，
Me3SiO-(Me2SiO)x-SiMe3(I)，
(Me2SiO)y(II)，其中，
Me是甲基，
x具有大于或等于0的值，并且基于所有直链甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的x的算术平均值为3至20，及
y具有大于或等于3的值，并且基于所有环状甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的y的算术平均值为3至6。
变量x优选取0至100，特别优选0至70，非常特别优选0至40的值。基于所有直链甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的x的算术平均值优选为4至15，特别优选为5至10，在每种情况下包括所规定的界限值。
变量y优选取3至100，特别优选3至70，非常特别优选3至40的值。基于所有环状甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的y的算术平均值优选为3.5至5.5，特别优选为4至5，特别是4至4.5，在每种情况下包括所规定的界限值。
通式I的化合物中Me3Si链端基与通式I和II的化合物中Me2SiO单元之和的比例优选为至少1:2且不大于1:10。通式I中的Me3Si链端基与通式I和II中Me2SiO单元之和的比例优选为至少1:2.5且不大于1:8，特别优选至少1:3且不大于1:6。
所有通式II的环状甲基聚硅氧烷的比例之和优选为至少10重量％，特别优选至少12.5重量％，特别是至少15重量％，并且不超过40重量％，特别优选不超过35重量％，特别是不超过30重量％。
甲基聚硅氧烷同样优选选自通式III的支化化合物，
(Me3SiO1/2)w(SiO4/2)z, (III)其中，
w是4至20的整数，
z是1至15的整数，及
Me是甲基。
将单元(Me3SiO1/2)w称为M组，并将(SiO4/2)z称为Q组。
w优选为最大15的整数。
z优选为1至5的整数。
w+z优选为最大50，特别是最大20。
其中至少95重量％、特别是至少98重量％的甲基聚硅氧烷具有z＝1且w＝4的值的甲基聚硅氧烷混合物特别适合于实施所述循环过程。z＝1且w＝4的甲基聚硅氧烷也称为QM4。
HTF在25℃下的粘度优选为1至100mPa*s，特别优选为1至10mPa*s，在每种情况下使用RheoSense Inc.的粘度计μVISK进行测量。
HTF可具有单峰、双峰或多峰的摩尔质量分布，同时摩尔质量分布可以窄或者宽。
在白天操作中在太阳能场中HTF的温度优选为最高490℃，特别是150至475℃，特别优选为250至450℃。
HTF循环过程中的压力优选为高达1至50巴，特别是15至40巴，特别优选为16至35巴。
附图说明
图1：根据现有技术的通用传热介质的循环过程。
图1a：初级传热介质循环过程与次级循环过程相结合以获得机械功(A)。
图1b：CSP发电站使用传热流体(HTF)而进行操作，其中初级传热介质循环过程与次级循环过程相结合以获得机械功(A)。
图2：将传热流体加热至其临界温度以上，并作为超临界流体进行减压至低于其临界压力的压力，以在将热量传递给热消耗器之前而提供机械功。
图2a：CSP发电站使用传热流体而进行操作，其中将传热流体被加热到其临界温度以上，然后作为超临界流体进行减压至低于其临界压力的压力，以在将热量传递给热消耗器之前而提供机械功。
图3.1：根据现有技术，仅将
5A加热到低于临界点，在不提供功的情况下传递热量。
图3.2：将
5A加热到临界点以上，在不提供功的情况下传递热量。
图3.3：将
5A加热到临界点以上，在传递热量之前提供功并进行减压。
图3.4：将QM4加热到临界点以上，不提供功而传递热量。
图3.5：将QM4加热到临界点以上，在传递热量之前提供功并进行减压。
具体实施方式
在以下实施例中，除非在特定情况下另有说明，否则所有量和百分比均以重量计，所有压力均为0.10MPa(绝对值)且所有温度均为20℃。
实施例
实施例1
证明现有技术：将传热流体加热到其蒸汽压以上，仅低于其临界温度，即总是以液体而存在。
在根据现有技术(图1)的通用传热介质循环过程中，热量(Qin)在热交换器中(WA1)从热源(WQ)传递给高温传热流体(HTF)，并再次传递给(Qk)热交换器(WA2)中的热消耗器(WV)。根据现有技术的传热流体是在高于其蒸汽压的压力下为液体，并且将来自具有较高温度的热源的热流传递给较低温度的热消耗器，而不提供机械功。传热介质泵(P1)是克服传热介质循环过程中的压力下降所必需的。
初级传热介质循环过程经常与次级循环过程相结合以获得机械功(A)(图1a)。此时，热消耗器(WV)为使用工作介质(AM)操作的二次循环过程。
通过在高压下从初级传热介质循环过程吸收热量，所述工作介质在热交换器(WA2)的次级侧上得以蒸发，以在涡轮机中(AMT)减压至低压时而产生机械功(A)。然后将工作介质在冷凝器(AMK)中冷凝并借助供水泵(AMP)而再压缩至高压以进行蒸发步骤。所述工作介质在涡轮机(AMT)中减压的压力对应于冷凝器(AMK)中冷凝温度下的工作介质(AM)的蒸汽压力，其必须大于在该位置的热槽(WS)的温度，以能够吸取收冷凝热(Qk)。
在太阳能热电站(CSP)的特定情况下，热源(WQ)为太阳(图1b)。将辐射热(Qin)传递给太阳能场(S)中的传热流体(HTF)。所述太阳能场(S)是热交换器(WA1)的特定实施例，并且通常由多个子场(SF)组成，每个子场由多个并联的环路组成，其中接收器(R)串联连接。环路的分配/收集管道称为集管(HD)，子场和主管道之间的连接管道称为流道(RU)。
在具体实施例1中，CSP发电站(图1b)使用传热流体(HTF)
5A进行操作，将传热流体从295℃加热到395℃，仅低于其临界温度，因此，根据现有技术，在整个初级传热介质循环过程中作为液体而存在。
在高达400℃的最高工作温度下，
5A的临界压力pcrit＝13至14巴，临界温度Tcrit＝415至430℃。
在次级循环过程中，水(AM)在120巴下蒸发，并过热至385℃(与初级传热介质温度的温度差为10℃)。
冷凝温度为50℃(热槽(WS)为环境空气；该位置处没有冷却水)。对于理想的卡诺循环过程，作为极限情况得到实际上无法实现的理论热效率ηth<1–T冷凝[K]/T蒸汽[K]<50.9％。
在等熵效率为92％的的蒸汽轮机的情况下，得到34.8％的次级循环过程(涡轮机动力泵功率/引入的热能)的实际热效率。
在实践中，蒸汽轮机需要复杂的多级，至少两级，具有中间过热的布置，这是因为在单级减压的情况下，蒸汽将变得太湿(这也适用于以下实施例)。
在太阳能场中吸收的4.7％的热量(Qin)会消耗，以在初级传热介质循环过程中为泵(P1)提供驱动力；这里，考虑到用于产生机械功的二次循环过程的实际热效率。
在CSP发电站具有50MW的有效功率的情况下，因此必须在热交换器(WA2)中提供150.8MW的热能，加上热损失。
初级传热介质循环过程如图3.1中的TP图所示：
太阳能接收器回路(1)中的热量吸收，收集管导管(集管和流道)中的压力下降(2)，热交换器(WA2)中的热量传递给次级蒸汽涡轮机循环过程(3)，在传热介质泵(P1)中的压力增加(4)和分配管导管(流道和集管)中的压力下降(5)。
1MW的热能转移需要17.2t/h的
5A，焓的差为209KJ/kg。
实施例2
根据本发明，将传热流体加热至其临界温度以上，然后以超临界流体而存在，不提供机械功。
CSP发电站(图1b)使用高温传热流体(HTF)
5A进行操作，将传热流体从300℃加热到425℃，高于其临界温度。在最高工作温度425℃下，
5A的临界压力pcrit＝15至16巴，临界温度Tcrit＝400至410℃。临界点的变化由温度有关的化学平衡建立而引起。
整个传热介质循环过程发生在临界压力之上。当在太阳能场中吸收热量时，会发生从过冷液体到高密度超临界流体状态的连续变化，而没有明显的相转变。
然而，超临界流体表现得像真实气体，即它占据所有可用的体积，它是可压缩的并且密度是压力和温度的函数，并且不存在“蒸汽压”。
当它在热交换器(WA2)中转移到热消耗器(WV)时，超临界流体状态变回过冷液体。这里没有提供机械功，并且必须借助传热介质泵(P1)而施加压降。
热消耗器(WV)是如实施例1中的热蒸汽发电站。
在初级HTF回路中的最高温度为425℃时，次级循环过程中可以实现415℃的蒸汽温度。
冷凝温度为50℃(热槽＝环境空气，该位置处没有冷却水)。对于理想的卡诺循环过程，作为极限值得到实际上无法实现的理论热效率ηth<1–T冷凝[K]/T蒸汽[K]<53.0％。
在等熵效率为92％的蒸汽轮机的情况下，得到35.2％的次级循环过程(涡轮机动力泵功率)/引入的热能)的实际热效率(与实施例1相比+0.4％)。
在初级传热介质循环过程中，仅消耗大约2.6％在太阳能场中吸收的热量以为泵P1提供驱动功率。
在CSP发电站的有效工作功率为50MW的情况下，因此，现在必须提供仅145.8MW的热能(与实施例1相比为–3.3％)，加上热损失。
在图3.2中的TP图中显示了具体情况的初级传热介质循环过程。
目前，仅需12.9t/h的
5A以传输1MW的热能；焓差为280KJ/kg。
实施例3
根据本发明，将传热流体加热到其临界温度以上，然后作为超临界流体减压至低于其临界压力的压力，以在将热量传递给热消耗器之前提供机械功(图2)。
CSP发电站(图2a，太阳能场以简化形式显示为热交换器WA1)使用传热流体(HTF)
5A进行操作，传热流体如实施例2而在太阳能接收回路中首先加热至425℃，即其临界温度(1)以上。由于压降(2)，收集管导管(集管和流道)中的压力降低。然后首先在ORC涡轮机(T)中使传热流体在不发生相变的情况下减压至低于其临界压力的压力，参见图3.3(3)，以提供机械功(A1)。在换热器(4,7)中进行内部热交换，以设定进入太阳能场的入口温度。
从超临界区域到过热饱和气体区域的减压在不发生相变的情况下进行，这是因为两相区域仅切向接触。这对于蒸汽涡轮机具有优点，其可以有利地用于自动负载调节。在蒸汽轮机的情况下，始终必须过热，以使蒸汽在减压时不会变得太湿。
然后将热量传递给次级蒸汽涡轮机循环过程(5)，导致传热流体得以冷凝。在该实施例中，借助ORC泵(6)和HTF泵(8)使冷凝的传热液体的压力得以增加。
压力的增加也可以在单阶段中进行。
在导管(流道和集管)(9)中的压力下降之后，传热流体再次作为过冷液体而存在，以在接收器回路中再次吸收热量(1)。
与实施例2不同，进入ORC涡轮机(T)的HTF进入温度比在次级循环过程中进入涡轮机(AMT)的工作介质(AM)的进入温度高10℃。
对于理想的卡诺循环过程，因此针对实施例3作为极限值得到实际上无法实现的理论热效率ηth<1–T冷凝[K]/T蒸汽[K]<53.7％，其比实施例2高0.7％。
初级传热介质循环过程如图3.3中的TP图所示。
用于在太阳能场中传递热能的
5A的量和焓差与实施例2相同。
在初级传热介质循环过程中，仅消耗2.6％太阳能场所吸收的热量以为泵P1提供驱动动力，这与实施例2相同。
然而，在ORC涡轮机中，在从17.7至7巴的减压下，
5A提供高达6.63kJ/kg的有用机械功(A1)(等熵效率92％)。
总之，在实施例3中得到35.8％的总热效率(涡轮机功率(A1+A2)–泵功率(AMP+P2))/引入的热功率(与实施例2相比+0.6％)。
必须将相同数量的
5A泵送通过太阳能场，以吸收1MW的热能。
然而，由于更好的总效率，必须为具有50MW的有效功率的CSP发电站提供仅143.3MW的热能(与实施例1相比为–5.0％)，加上热损失。
实施例4
在实施例4中，WACKER QM4用作HTF而不是WACKER
5A。
QM4为一种基于硅氧烷的单组分体系，其临界点约350℃和8巴。
QM4是通式III的化合物，其中z＝1且w＝4。
根据现有技术，该传热流体不能在>350℃的高温范围内使用。
然而，根据本发明，QM4与
5A一样，可在高达425℃的温度范围内用作HTF流体。
使用QM4而没有提供功的初级传热介质循环过程在图3.4中的TP图中示出，对应使用
5A的实施例2的CSP发电站中的相同应用(用于比较，参见图3.3)。
与
5A相比，QM4作为单组分体系在TP图中具有蒸汽压力曲线，其终止于临界点，而
5A作为多组分体系具有沸腾曲线和冷凝曲线的两相区域，在TP图中，两者在混合物的临界点处连接和结束。
在QM4的情况下，超临界区域比
5A的情况显著更明显。
传输1MW的热能需要13.12t/h的QM4；焓差为274kJ/kg。
次级循环过程的热效率为35.2％并且与实施例2的热效率相同。
为了在初级传热介质循环过程中为泵P1提供驱动动力，消耗3.2％太阳能场中吸收的热量(而不是实施例2中的2.6％)。
在CSP发电站的有效工作功率为50MW的情况下，必须提供146.7MW的热能(与实施例2相比+0.6％)，加上热损失。
实施例5
使用QM4并提供功的初级传热介质循环过程示于图3.5中的TP图中，用于使用
5A的实施例3(参见图3.3)的CSP发电站中的相同应用。
现在，总的初级传热介质循环过程发生在中心有效的临界点附近。
在实施例5中，ORC涡轮机消耗有效总功率的6.5％，而在实施例3中，它仅占有效总功率的4.3％。
实施例5中的总热效率为36.3％，因此比使用
5A的实施例3高0.5％。
因此，对于具有50MW的有效功率的CSP发电站，必须从太阳能场提供仅为142.2MW的热能(与根据现有技术的参考实施例1相比为–5.8％)。
Claims (3)
1.使用硅氧烷作为高温传热流体(HTF)的循环过程，其中借助热吸收而使硅氧烷在不发生相变的情况下从过冷液体状态转变为高密度超临界流体状态，然后在不发生相变的情况下排出能量，其中用作HTF的硅氧烷为选自通式I的直链化合物和通式II的环状化合物的甲基聚硅氧烷的混合物，
Me3SiO-(Me2SiO)x-SiMe3 (I)，
(Me2SiO)y (II)，
其中，
Me是甲基，
x具有大于或等于0的值，并且基于所有直链甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的x的算术平均值为3至20，及
y具有大于或等于3的值，并且基于所有环状甲基聚硅氧烷，以物质量比例加权的y的算术平均值为3至6，
或者用作HTF的硅氧烷选自通式III的支化化合物，
(Me3SiO1/2)w(SiO4/2)z， (III)其中，
w是4至20的整数，
z是1至15的整数，及
Me是甲基。
2.根据权利要求1的循环过程，其中硅氧烷在超临界液体的状态下进行冷却，并且在此将热量传递给热消耗器。
3.根据权利要求1的循环过程，其中首先将硅氧烷在超临界液体的状态下减压至低于其临界压力以直接产生机械功，然后才进行冷却及冷凝以将热量传递给热消耗器。
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| DE19907512A1 (de) * | 1999-02-22 | 2000-08-31 | Frank Eckert | Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen |
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| DE102011119977A1 (de) | 2011-12-02 | 2013-06-06 | Alena von Lavante | Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Nutzung der Abwärme eines Fahrzeugmotors |
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