JP2015503046A - 動力サイクルでの1,1,1,2,3−ペンタフルオロプロパンおよび任意選択的にz−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテンを含む組成物の使用 - Google Patents
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Abstract
熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法が提供される。本方法は、熱源から供給される熱を利用して作動流体を加熱する工程と;加熱された作動流体を膨張させて作動流体の圧力を下げ、そして作動流体の圧力が下がるときに機械的エネルギーを発生させる工程とを含む。本方法は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を使用することで特徴づけられる。熱を機械的エネルギーに変換するための作動流体を含有する動力サイクル装置もまた提供される。この装置は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を含有することで特徴づけられる。HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体もまた提供される。この作動流体は、(i)E−HFO−1336mzzをさらに含む、(ii)その臨界温度よりも上の温度を有する、または(i)および(ii)の両方である。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2011年11月2日出願の米国仮特許出願第61/554,791号明細書の優先権を主張するものである。
本出願は、2011年11月2日出願の米国仮特許出願第61/554,791号明細書の優先権を主張するものである。
本発明は、有機ランキンサイクル(Rankine cycle)などの、動力サイクルで機械的エネルギーを生み出すための組成物に関する。
低地球温暖化係数流体が、有機ランキンサイクルなどの動力サイクルのために必要とされている。かかる材料は、低地球温暖化係数および低オゾン層破壊係数によって測定されるように、低い環境影響を持たなければならない。
本発明は、1,1,1,2,3−ペンタフルオロプロパン(HFC−245eb)および任意選択的にZ−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテン(Z−HFO−1336mzz)を含む組成物を含む。
本発明の実施形態は、単独でまたは本明細書で下に詳細に記載されるような1つまたは複数の他の化合物との組み合わせのいずれかで、化合物HFC−245ebを含む。
本発明に従って、熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法が提供される。本方法は、熱源から供給される熱を利用して作動流体を加熱する工程と;加熱された作動流体を膨張させて作動流体の圧力を下げ、そして作動流体の圧力が下がるときに機械的エネルギーを発生させる工程とを含む。本方法は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を使用することで特徴づけられる。
本発明に従って、熱を機械的エネルギーに変換するための作動流体を含有する動力サイクル装置が提供される。本装置は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を含有することで特徴づけられる。
本発明に従って、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体が提供される。本作動流体は、(i)E−HFO−1336mzzをさらに含む、もしくは(ii)その臨界温度よりも上の温度を有する、または(i)および(ii)の両方である。
また本発明に従って、第1作動流体を含有する既存のランキンサイクルシステムの最高実現可能蒸発温度を上げる方法が提供される。本方法は、第1作動流体を、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む第2作動流体と取り替える工程を含む。
以下に説明される実施形態の詳細を述べる前に、幾つかの用語が定義されるかまたは明確にされる。
地球温暖化係数(GWP)は、二酸化炭素の1キログラムの排出と比較して特定の温室効果ガスの1キログラムの大気排出による相対的な地球温暖化寄与を推定するための指数である。GWPは、所与のガスに関する大気寿命の影響を示して異なる対象期間について計算することができる。100年対象期間についてのGWPは一般に参考値である。
正味サイクル出力は、圧縮機(たとえば、液体ポンプ)によって消費される機械的仕事率抜きの膨張機(たとえば、タービン)での機械的仕事発生率である。
発電についての容積能力は、動力サイクル(たとえば、有機ランキンサイクル)を通って循環する作動流体の単位体積当たりの正味サイクル出力である(膨張機出口での条件で測定されるような)。
サイクル効率(熱効率とも言われる)は、動力サイクル(たとえば、有機ランキンサイクル)の加熱段階中に熱が作動流体によって受け取られる割合で割られた正味サイクル出力である。
サブクーリングは、所与の圧力についてその液体の飽和点よりも下への液体の温度の低下である。飽和点は、蒸気組成物が完全に凝縮して液体になる温度である(バブルポイントとも言われる)。しかしサブクーリングは、所与の圧力で液体をより低い温度の液体へ冷却し続ける。サブクーリングはそれによって、システムの冷凍能力およびエネルギー効率を向上させる。サブクール量は、飽和温度よりも下への冷却の量(度単位での)であるか、または液体組成物がその飽和温度よりもどれくらい下に冷却されているかである。
過熱は、蒸気組成物の飽和蒸気温度よりもどれくらい上に蒸気組成物が加熱されているかを定義する用語である。飽和蒸気温度は、蒸気組成物が冷却される場合に、液体の第1滴が形成される温度であり、「露点」とも言われる。
共沸組成物は、所与の圧力下に液体形態にあるときに、その温度が個々の成分の沸騰温度より高くてもまたは低くてもよい、実質的に一定の温度で沸騰し、そして沸騰を受けている全体液体組成物と本質的に同一の蒸気組成を提供するであろう2つ以上の異なる成分の混合物である(例えば、M.F.Doherty and M.F.Malone,Conceptual Design of Distillation Systems,McGraw−Hill(New York),2001,185−186,351−359を参照されたい)。
従って、共沸組成物の本質的な特徴は、所与の圧力で、液体組成物の沸点が固定されること、および沸騰している組成物の上方の蒸気の組成が本質的に沸騰している全体液体組成物のそれである(すなわち、液体組成物の成分の分別が全く起こらない)ことである。共沸組成物の各成分の沸点および重量百分率は両方とも、共沸組成物が異なる圧力で沸騰にさらされるときに変化する可能性があることも当該技術分野において認められている。このように、共沸組成物は、成分の間に存在する、または成分の組成範囲の観点からもしくは指定圧力での一定の沸点で特徴づけられる組成物の各成分の厳密な重量百分率の観点から存在する独特の関係の観点から定義されてもよい。
本発明の目的のためには、共沸混合物様組成物は、共沸組成物のように実質的に挙動する(すなわち、一定の沸騰特性または沸騰もしくは蒸発時に分別しない傾向を有する)組成物を意味する。それ故に、沸騰もしくは蒸発時に、蒸気および液体組成は、たとえそれらが変化するとしても、最小限のまたは無視できる程度に変化するにすぎない。これは、沸騰もしくは蒸発中に、蒸気および液体組成がかなりの程度に変化する非共沸混合物様組成物と対比されるべきである。
本明細書で用いるところでは、用語「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「を含む(including)」、「有する(has)」、「有する(having)」またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含を網羅することが意図される。例えば、要素のリストを含む組成物、プロセス、方法、物品、もしくは装置は、それらの要素のみに必ずしも限定されず、明確にリストされないか、またはかかる組成物、プロセス、方法、物品、もしくは装置に固有である他の要素を含んでもよい。さらに、相反する記載がない限り、「または」は、包含的なまたはを意味し、排他的なまたはを意味しない。例えば、条件AまたはBは、次のいずれか1つで満たされる:Aは真であり(または存在し)かつBは偽である(または存在しない)、Aは偽であり(または存在せず)かつBは真である(または存在する)、ならびにAおよびBの両方とも真である(または存在する)。
移行句「からなる」は、明記されないあらゆる要素、工程、または原料を除外する。特許請求の範囲内の場合、かかるものは特許請求の範囲から、通常それに関連した不純物を除き列挙されるもの以外の材料の包含を閉め出すであろう。語句「からなる」が序文の直後よりもむしろ、特許請求の範囲の本文の節に現れるとき、それは、その節に述べられる要素のみを限定し;他の要素は全体として特許請求の範囲から除外されない。
移行句「から本質的になる」は、文字通り開示されるものに加えて、材料、工程、特徴、成分、または要素を含む組成物、方法または装置を明示するために用いられ、ただし、これらの追加の包含される材料、工程、特徴、成分、または要素は特許請求される発明の基本的なおよび新規な特性に実質的に影響を及ぼさない。用語「から本質的になる」は、「を含む」と「からなる」との中間領域を占める。
出願人が「含む(comprising)」などのオープンエンド用語で発明または発明の一部を明示している場合、(特に明記しない限り)その記載は用語「から本質的になる」または「からなる」を用いてかかる発明をまた記載していると解釈されるべきであることが容易に理解されるべきである。
同様に、「a」または「an」の使用は、本明細書に記載される要素および成分を記載するために用いられる。これは、便宜上および本発明の範囲の一般的な意味を与えるために行われるにすぎない。この記載は、1つまたは少なくとも1つを包含すると読まれるべきであり、そして単数はまた、それが複数ではないことを意味することが明確でない限り複数を包含する。
特に明確にされない限り、本明細書に用いられるすべての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものに類似のまたは均等の方法および材料を本発明の実施形態の実施または試験に用いることができるが、好適な方法および材料は以下に記載される。本明細書に言及されるすべての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、特に節が言及されない限り、全体が参照により援用される。矛盾が生じた場合には、定義をはじめとして、本明細書が優先される。加えて、材料、方法、および実施例は例示的であるにすぎず、限定的であることを意図されない。
HFC−245eb、すなわち1,1,1,2,3−ペンタフルオロプロパン(CF3CHFCH2F)は、その全体を本明細書に援用される、米国特許出願公開第2009−0264690 A1号明細書に開示されているようにパラジウム/炭素触媒上での1,1,1,2,3−ペンタフルオロ−2,3,3−トリクロロプロパン(CF3CClFCCl2FすなわちCFC−215bb)の水素化によって、または参照により本明細書に援用される、米国特許第5,396,000号明細書に開示されているように1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(CF3CF=CFHすなわちHFO−1225ye)の水素化によって製造することができる。
Z−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテン(Z−HFO−1336mzzすなわちシス−HFO−1336mzzとしてもまた知られ、構造シス−CF3CH=CHCF3を有する)は、参照により本明細書に援用される、米国特許出願公開第2009/0012335 A1号明細書に記載されているように、2,3−ジクロロ−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテンの水素化脱塩素によるなどの、当該技術分野で公知の方法によって製造されてもよい。
動力サイクル方法
亜臨界有機ランキンサイクル(ORC)は、サイクルに使用される有機作動流体が有機作動流体の臨界圧力よりも低い圧力で熱を受け取り、そして作動流体が全体サイクルの初めから終わりまでその臨界圧力よりも下のままであるランキンサイクルと定義される。
亜臨界有機ランキンサイクル(ORC)は、サイクルに使用される有機作動流体が有機作動流体の臨界圧力よりも低い圧力で熱を受け取り、そして作動流体が全体サイクルの初めから終わりまでその臨界圧力よりも下のままであるランキンサイクルと定義される。
トランス臨界ORCは、サイクルに使用される有機作動流体が有機作動流体の臨界圧力よりも高い圧力で熱を受け取るランキンサイクルと定義される。トランス臨界サイクルでは、作動流体は、全体サイクルの初めから終わりまでその臨界圧力よりも高い圧力であるわけではない。
超臨界動力サイクルは、サイクルに使用される有機作動流体の臨界圧力よりも高い圧力で動作する動力サイクルと定義され、次の工程:圧縮;加熱;膨張;冷却を含む。
熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法が提供される。本方法は、熱源から供給される熱を利用してHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を加熱する工程と;加熱された作動流体を膨張させて作動流体の圧力を下げ、そして作動流体の圧力が下がるときに機械的エネルギーを発生させる工程とを含む。
本発明の方法は、有機ランキン動力サイクルで典型的には用いられる。スチーム(無機)動力サイクルと比べて比較的低い温度で入手可能な熱を利用してHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を使用するランキンサイクルによって機械力を発生させることができる。本発明の方法では、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体は、加熱される前に圧縮される。圧縮は、熱源からの熱が作動流体を加熱するために利用される伝熱装置(たとえば、熱交換器またはエバポレーター)に作動流体をポンプ送液するポンプによって提供されてもよい。加熱された作動流体は次に膨張させられて、その圧力を下げる。機械的エネルギーは、膨張機を用いる作動流体膨張中に発生する。膨張機の例には、タービンなどの、ターボまたはダイナミック膨張機、ならびにスクリュー膨張機、スクロール膨張機、およびピストン膨張機などの、容積式膨張機が挙げられる。膨張機の例にはまた、回転翼膨張機が挙げられる(Musthafah b.Mohd.Tahir,Noboru Yamada,およびTetsuya Hoshino,International Journal of Civil and Environmental Engineering 2:1 2010)。
機械力は、(たとえば圧縮機を駆動させるために)直接用いることができるか、または発電機の使用によって電力に変換することができる。作動流体が再使用される動力サイクルでは、膨張した作動流体は冷却される。冷却は、作動流体冷却構成単位(たとえば熱交換器または凝縮器)で成し遂げられてもよい。冷却された作動流体は次に、繰り返しサイクル(すなわち、圧縮、加熱、膨張など)のために使用することができる。圧縮のために用いられる同じポンプが、作動流体を冷却段階から移動させるために用いられてもよい。
熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法であって、作動流体がHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzから本質的になる方法が注目すべきである。熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法であって、作動流体がHFC−245ebから本質的になる方法もまた注目すべきである。熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法であって、作動流体がHFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる方法もまた注目すべきである。HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる共沸および共沸混合物様作動流体が特に注目すべきである。熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法であって、作動流体がHFC−245ebからなる方法もまた注目すべきである。
ニートHFC−245ebは、動力サイクル作動流体に対して必要なものを満たすかもしれないが、それは、Z−HFO−1336mzzなどの成分の添加によって改善することができる。HFC−245ebへのZ−HFO−1336mzzの添加は、作動流体の圧力を下げるというおよびGWPを下げるという利点を与える。
別の実施形態では、不燃性組成物が動力サイクル用に望ましい。少なくとも41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと59重量パーセント以下のHFC−245ebとを含む不燃性組成物が注目すべきである。
さらに、別の実施形態では、約71重量パーセント以上のZ−HFO−1336mzzを含有するZ−HFO−1336mzz/HFC−245ebブレンドで運転される動力サイクルは、ASMEボイラーおよび圧力容器規約(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)の規定の遵守を必要とする閾値よりも下の蒸気圧を有するであろう。かかる組成物が動力サイクル用に好適である。
さらに、別の実施形態では、低GWP組成物が望ましい。150未満のGWPを有する、少なくとも49.5重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと50.5重量パーセント以下のHFC−245ebとを含む組成物が注目すべきである。
別の実施形態では、熱を機械的エネルギーに変換する方法に有用な組成物は、約0〜41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜59重量パーセントのHFC−245ebとを含んでもよい。別の実施形態では、有用な組成物は、約0〜41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜59重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約0〜41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜59重量パーセントのHFC−245ebとからなる。この範囲の組成物は、(より高いZ−HFO−1336mzz含有量の組成物と比べて)より高いエネルギー効率およびより高い容積能力を発電について提供し、そして一方、(245faと比べて)良好なGWP値と十分に低い蒸気圧とを依然として提供して設備コストを低く保つ。
別の実施形態では、熱を機械的エネルギーに変換する方法に有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとを含んでもよい。別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとからなる。この範囲の組成物は、不燃性および(予想される気候保護規制による制限のリスクを最小限にする)150よりも低い値など、さらにより低いGWP値という追加の利点を有し、そして一方、高いエネルギー効率、高い容積能力と低い蒸気圧とを発電について依然として維持する。
約50重量パーセント超のZ−HFO−1336mzzを含有する組成物は、かかるシステムについて望ましいであろうよりも低いエネルギー効率と低い容積能力とを発電について有することが指摘されるべきである。
一実施形態では、本発明は、亜臨界サイクルを用いて熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法に関する。この方法は、次の工程:
(a)液体作動流体をその臨界圧力よりも下の圧力に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された液体作動流体を加熱して蒸気作動流体を形成する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
(a)液体作動流体をその臨界圧力よりも下の圧力に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された液体作動流体を加熱して蒸気作動流体を形成する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
1つ以上の内部熱交換器(たとえば、復熱装置)の使用、および/またはカスケードシステムでの2つ以上のサイクルの使用を含む実施形態は、本発明の亜臨界ORC動力サイクルの範囲内に入ることを意図する。
一実施形態では、本発明は、トランス臨界サイクルを用いて熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法に関する。この方法は、次の工程:
(a)液体作動流体を前記作動流体の臨界圧力よりも上に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも下に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
(a)液体作動流体を前記作動流体の臨界圧力よりも上に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも下に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
上に記載された、トランス臨界有機ランキンサイクル(ORC)システムの第1工程では、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む液相の作動流体は、その臨界圧力よりも上に圧縮される。第2工程では、前記作動流体は、この流体が膨張機に入る前により高い温度に加熱されるために、前記熱源と熱連通している熱交換器を通過させられる。熱交換器は、伝熱の任意の公知手段によって熱源から熱エネルギーを受け取る。ORCシステム作動流体は、熱供給熱交換器を通って循環し、熱交換器で流体は熱を獲得する。
次工程で、加熱された作動流体の少なくとも一部は、熱交換器から取り出され、膨張機に送られ、膨張機で膨張プロセスは、作動流体の熱エネルギー含量の少なくとも一部の機械的軸エネルギーへの転換をもたらす。軸エネルギーは、所望の速度および必要とされるトルクに依存してベルト、プーリー、ギア、変速機または類似のデバイスの従来型配置を用いることによって任意の機械的仕事を行うために用いることができる。一実施形態では、軸はまた、誘導発電機などの発電デバイスに接続することができる。生成した電気は、局所的に使用するかまたは地域グリッドに配送することができる。作動流体の圧力は、作動流体の臨界圧力よりも下に下げられ、それによって気相作動流体を生成する。
次工程で、作動流体は、膨張機から凝縮器に通され、ここで、気相作動流体は凝縮して液相作動流体を生成する。上の工程は、ループシステムを形成し、何度も繰り返すことができる。
1つ以上の内部熱交換器(たとえば、復熱装置)の使用、および/またはカスケードシステムでの2つ以上のサイクルの使用を含む実施形態は、本発明のトランス臨界ORC動力サイクルの範囲内に入ることを意図する。
さらに、トランス臨界有機ランキンサイクルについては、幾つかの異なる運転モードが存在する。
1つの運転モードでは、トランス臨界有機ランキンサイクルの第1工程で、作動流体は、実質的に等エントロピー的に作動流体の臨界圧力よりも上に圧縮される。次工程で、作動流体は、その臨界温度よりも上に一定圧力(等圧)条件下に加熱される。次工程で、作動流体は、作動流体を気相に維持する温度で実質的に等エントロピー的に膨張させられる。膨張の終わりに、作動流体は、その臨界温度よりも下の温度で過熱蒸気である。このサイクルの最後の工程で、作動流体は冷却され、熱が冷却媒体へ放出されながら凝縮する。この工程中に、作動流体は凝縮して液体になった。作動流体は、この冷却工程の終わりにサブクールすることができよう。
トランス臨界ORC動力サイクルの別の運転モードでは、第1工程で、作動流体は、実質的に等エントロピー的に、作動流体の臨界圧力よりも上に圧縮される。次工程で、作動流体は次に、その臨界温度よりも上に、しかし次工程で、作動流体が実質的に等エントロピー的に膨張させられ、そしてその温度が下げられるときに、作動流体が、作動流体の部分凝縮またはミスチングが起こってもよい飽和蒸気であることに十分に近いような程度にだけ一定圧力条件下に加熱される。しかし、この工程の終わりに、作動流体は依然としてわずかに過熱された蒸気である。最後の工程で、作動流体は冷却され、熱が冷却媒体へ放出されながら凝縮する。この工程中に、作動流体は凝縮して液体になった。作動流体は、この冷却/凝縮工程の終わりにサブクールすることができよう。
トランス臨界ORC動力サイクルの別の運転モードでは、第1工程で、作動流体は、実質的に等エントロピー的に、作動流体の臨界圧力よりも上に圧縮される。次工程で、作動流体は、その臨界温度よりも下か、ほんのわずかに上かのどちらかの温度へ一定圧力条件下に加熱される。この段階で、作動流体温度は、作動流体が次工程で実質的に等エントロピー的に膨張させられるときに、作動流体が部分的に凝縮するようなものである。最後の工程で、作動流体は冷却され、完全に凝縮し、熱が冷却媒体へ放出される。作動流体は、この工程の終わりにサブクールされてもよい。
トランス臨界ORCサイクルについての上の実施形態は、実質的に等エントロピー的な膨張および圧縮、ならびに等圧の加熱または冷却を示し、そして一方、かかる等エントロピーまたは等圧条件が維持されないがサイクルがそれにもかかわらず成し遂げられる他のサイクルは、本発明の範囲内である。
一実施形態では、本発明は、超臨界サイクルを用いて熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法に関する。この方法は、次の工程:
(a)作動流体をその臨界圧力よりも上の圧力からより高い圧力に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも上に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却してその臨界圧力よりも上の冷却された作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
(a)作動流体をその臨界圧力よりも上の圧力からより高い圧力に圧縮する工程と;
(b)熱源によって供給される熱を利用して(a)からの圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの蒸気作動流体を膨張させて作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも上に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの膨張した作動流体を冷却してその臨界圧力よりも上の冷却された作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程とを含む。
1つ以上の内部熱交換器(たとえば、復熱装置)の使用、および/またはカスケードシステムでの2つ以上のサイクルの使用を含む実施形態は、本発明の超臨界ORC動力サイクルの範囲内に入ることを意図する。
典型的には、亜臨界ランキンサイクル運転の場合、作動流体に供給されるほとんどの熱は、作動流体の蒸発中に供給される。結果として作動流体温度は、熱源から作動流体への伝熱の間ずっと本質的に一定である。対照的に、作動流体温度は、流体がその臨界圧力よりも上の圧力で相変化なしに等圧的に加熱されるときには変わり得る。したがって、熱源温度が変わるとき、熱源から熱を抽出するためにその臨界圧力よりも上の流体の使用は、亜臨界熱抽出の場合と比べて熱源温度と作動流体温度との間のより良好な整合を可能にする。結果として、超臨界サイクルまたはトランス臨界サイクルでの熱交換プロセスの効率は多くの場合、亜臨界サイクルの効率よりも高い(Chenら,Energy,36,(2011)549−555およびその中の参考文献を参照されたい)。
HFC−245ebの臨界温度および圧力は、それぞれ、165.6℃および3.06MPaである。Z−HFO−1336mzzの臨界温度および圧力は、それぞれ、約171.3℃および約2.9MPaである。作動流体としてのHFC−245ebまたはそれとZ−HFO−1336mzzとの混合物の使用は、超臨界サイクルまたはトランス臨界サイクルでそれらの臨界温度よりも高い温度の熱源から熱を受け取るランキンサイクルを可能にし得る。より高温の熱源は、(より低温の熱源と比べて)より高いサイクルエネルギー効率および容積能力を発電についてもたらす。熱が、その臨界温度よりも上の作動流体を使用して受け取られるとき、特定の圧力および出口温度(本質的に膨張機入口温度に等しい)を有する流体ヒーターが、従来型亜臨界ランキンサイクルに用いられるエバポレーター(もしくはボイラー)の代わりに用いられる。
上の方法の一実施形態では、熱を機械的エネルギーに変換する効率(サイクル効率)は少なくとも約2%である。好適な実施形態では、この効率(効率数)は、下記から選択することができる:
約2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、20.5、21、21.5、22、22.5、23、23.5、24、24.5、および約25%。
約2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、20.5、21、21.5、22、22.5、23、23.5、24、24.5、および約25%。
別の実施形態では、効率は、上記の任意の2つの効率数の終点(両端を含む)を有する範囲から選択される。
亜臨界サイクルについて典型的には、作動流体が熱源からの熱を利用して加熱される温度は、約50℃〜約160℃、好ましくは約80℃〜約160℃、より好ましくは約125℃〜160℃の範囲にある。トランス臨界および超臨界サイクルについて典型的には、作動流体が熱源からの熱を利用して加熱される温度は、約175℃〜約400℃、好ましくは約175℃〜約300℃、より好ましくは約185℃〜250℃の範囲にある。
好適な実施形態では、膨張機入口での運転の温度は、次の温度のどれか一つまたは下の任意の2つの数によって画定される範囲内(両端を含めて)であり得る:
約50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、および約163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249、250、251、252、253、254、255、256、257、258、259、260、261、262、263、264、265、266、267、268、269、270、271、272、273、274、275、276、277、278、279、280、281、282、283、284、285、286、287、288、289、290、291、292、293、294、295、296、297、298、299、300、301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312、313、314、315、316、317、318、319、320、321、323、323、324、325、326、327、328、329、330、331、323、333、334、335、336、337、338、339、340、341、342、343、344、345、346、347、348、349、350、351、352、353、354、355、356、357、358、359、360、361、362、363、364、365、366、367、368、369、370、371、372、373、374、375、376、377、378、379、380、381、382、383、384、385、386、387、388、389、390、391、392、393、394、395、396、397、398、399、400℃。
約50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、および約163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249、250、251、252、253、254、255、256、257、258、259、260、261、262、263、264、265、266、267、268、269、270、271、272、273、274、275、276、277、278、279、280、281、282、283、284、285、286、287、288、289、290、291、292、293、294、295、296、297、298、299、300、301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312、313、314、315、316、317、318、319、320、321、323、323、324、325、326、327、328、329、330、331、323、333、334、335、336、337、338、339、340、341、342、343、344、345、346、347、348、349、350、351、352、353、354、355、356、357、358、359、360、361、362、363、364、365、366、367、368、369、370、371、372、373、374、375、376、377、378、379、380、381、382、383、384、385、386、387、388、389、390、391、392、393、394、395、396、397、398、399、400℃。
膨張機での作動流体の圧力は、膨張機入口圧力から膨張機出口圧力へ下げられる。超臨界サイクルについての典型的な膨張機入口圧力は、約5MPa〜約15MPa、好ましくは約5MPa〜約10MPa、より好ましくは約5MPa〜約8MPaの範囲内である。
超臨界サイクルについての典型的な膨張機出口圧力は、臨界圧力よりも1MPa上以内である。
超臨界サイクルについての典型的な膨張機出口圧力は、臨界圧力よりも1MPa上以内である。
トランス臨界サイクルについての典型的な膨張機入口圧力は、ほぼ臨界圧力〜約15MPa、好ましくはほぼ臨界圧力〜約10MPa、より好ましくはほぼ臨界圧力〜約5MPaの範囲内である。トランス臨界サイクルについての典型的な膨張機出口圧力は、約0.025MPa〜約1.60MPa、より典型的には約0.05MPa〜約1.10MPa、より典型的には約0.10MPa〜約0.60MPaの範囲内である。
亜臨界サイクルについての典型的な膨張機入口圧力は、約0.25MPa〜臨界圧力よりも約0.1MPa下、好ましくは約0.5 MPa〜臨界圧力よりも約0.1MPa下、より好ましくは約1MPa〜臨界圧力よりも約0.1MPa下の範囲内である。亜臨界サイクルについての典型的な膨張機出口圧力は、約0.025MPa〜約1.60MPa、より典型的には約0.05MPa〜約1.10MPa、より典型的には約0.10MPa〜約0.60MPaの範囲内である。
動力サイクル装置のコストは、より高い圧力のための設計が必要とされるときには増加し得る。したがって、最高サイクル運転圧力を制限する初期コスト利点が少なくとも一般に存在する。最高運転圧力(典型的には、作動流体ヒーターまたはエバポレーターおよび膨張機入口に存在する)が2.2MPaを超えないサイクルが注目すべきである。
本発明の新規作動流体は、低圧スチーム、工業廃熱、太陽エネルギー、地熱熱水、低圧地熱スチーム(一次もしくは二次配列)、あるいは燃料電池またはタービン、マイクロタービン、もしくは内燃エンジンなどの原動機を利用する分散型発電設備などの比較的低い温度の熱源から抽出されるかまたは受け取られる熱から機械的エネルギーを発生させるためのORCシステムに使用されてもよい。1つの低圧スチーム源は、バイナリー地熱ランキンサイクルとして知られるプロセスであり得よう。大量の低圧スチームは、化石燃料を動力源とする発電プラントにおけるなどの、多くの場所で見いだすことができる。
他の熱源には、移動性内燃エンジン(たとえばトラックもしくは鉄道ディーゼルエンジン)から排出されるガスから回収される廃熱、固定内燃エンジンエンジン(たとえば固定ディーゼルエンジン発電機)からの排ガスからの廃熱、燃料電池からの廃熱、複合加熱、冷却ならびに電力または地域暖房および冷却プラントで入手可能な熱、バイオマスを燃料とするエンジンからの廃熱、バイオガス、埋立地ガスおよび炭層メタンなどの様々な源からのメタンで運転される、天然ガスもしくはメタンガスバーナーまたはメタン焚きボイラーまたはメタン燃料電池(たとえば分散型発電施設での)からの熱、製紙/パルプ工場での樹皮およびリグニンの燃焼からの熱、焼却炉からの熱、従来型スチーム発電所での低圧スチームからの熱(「ボトミング」ランキンサイクルを駆動させるための)、ならびに地熱が含まれる。
本発明のランキンサイクルの一実施形態では、地熱が、地上での作動流体循環(たとえばバイナリーサイクル地熱動力装置)に供給される。本発明のランキンサイクルの別の実施形態では、本発明の新規作動流体組成物は、ランキンサイクル作動流体としておよびフローが、「熱サイフォン効果」として知られる、温度誘発流体粘度変化によって大部分はまたは専ら駆動される状態で、深坑井で地下を循環する地熱キャリアとしての両方で使用される(たとえばDavis,A.P.およびE.E.Michaelides:「Geothermal power production from abandoned oil wells」,Energy,34(2009)866−872;Matthews,H.B.米国特許第4,142,108号明細書−1979年2月27日を参照されたい)。
他の熱源には、パラボラソーラーパネルアレイなどのソーラーパネルアレイからの太陽熱、集光型太陽熱発電プラントからの太陽熱、PVシステムを冷却して高いPVシステム効率を維持するために光起電力(PV)ソーラーシステムから除去される熱が含まれる。
他の実施形態では、本発明はまた、他のタイプのORCシステム、たとえば、マイクロタービンまたは小サイズの容積式膨張機を用いる小規模(たとえば1〜500kW、好ましくは5〜250kW)ランキンサイクルシステム(たとえばTahir,YamadaおよびHoshino:「Efficiency of compact organic Rankine cycle system with rotary−vane−type expander for low−temperature waste heat recovery」,Int’l.J.of Civil and Environ.Eng 2:1 2010)、複合、多段階、およびカスケードランキンサイクル、ならびに膨張機を出ていく蒸気から熱を回収するための復熱装置付きランキンサイクルシステムを用いる。
他の熱源には、石油精製所、石油化学プラント、石油およびガスパイプライン、化学工業、商業ビル、ホテル、シッピングモール、スーパーマーケット、製パン所、食品加工工業、レストラン、塗料硬化オーブン、家具製造、プラスチック成形機、セメントキルン、材木キルン、か焼操作、製鉄業、ガラス工業、鋳造、製錬、エアコン、冷凍、およびセントラルヒーティングからなる群から選択される少なくとも1つの産業に関連した少なくとも1つの運転が含まれる。
別の実施形態では、第1作動流体を含有する既存のランキンサイクルシステムの最高実現可能蒸発温度を上げる方法が提供される。本方法は、第1作動流体を、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む第2作動流体と取り替える工程を含む。
HFC−245ebおよびHFC−245eb/Z−HFO−1336mzzブレンドは、HFC−245faおよび他のより高圧の現役作動流体(すなわち、より低い標準沸点の流体)よりも低い蒸発圧力(所与の蒸発温度で)および高い臨界温度を有する。それ故、HFC−245ebおよびHFC−245eb/Z−HFO−1336mzzブレンドは、既存のORCシステムがより高い蒸発温度で熱を抽出すること、および設備の最高許容動作圧力または作動流体の臨界温度を超えることなくHFC−245faおよび他のより高圧の流体と比べてより高いエネルギー効率を実現することを可能にする。
HFC−245faの臨界温度は154℃である。表1は、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含有する組成物についての臨界温度(Tcr)を提供する。これらの高温のために設計された設備で、表1に示される臨界温度でまたはほんの少し下でエバポレーター運転温度を達成することが可能である。
動力サイクル装置
本発明に従って、熱を機械的エネルギーに変換するための動力サイクル装置が提供される。本装置は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を含有する。典型的には、本発明の装置は、作動流体を加熱することができる熱交換構成単位と、その圧力を下げることにより加熱された作動流体を膨張させることによって機械的エネルギーを発生させることができる膨張機とを含む。膨張機には、タービンなどの、ターボまたはダイナミック膨張機、ならびにスクリュー膨張機、スクロール膨張機、ピストン膨張機および回転翼膨張機などの、容積式膨張機が含まれる。機械力は、(たとえば圧縮機を駆動させるために)直接用いることができるか、または発電機の使用によって電力に変換することができる。典型的には、本装置はまた、膨張した作動流体を冷却するための作動流体冷却構成単位(たとえば、凝縮器または熱交換器)と冷却された作動流体を圧縮するための圧縮機とを含む。
本発明に従って、熱を機械的エネルギーに変換するための動力サイクル装置が提供される。本装置は、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を含有する。典型的には、本発明の装置は、作動流体を加熱することができる熱交換構成単位と、その圧力を下げることにより加熱された作動流体を膨張させることによって機械的エネルギーを発生させることができる膨張機とを含む。膨張機には、タービンなどの、ターボまたはダイナミック膨張機、ならびにスクリュー膨張機、スクロール膨張機、ピストン膨張機および回転翼膨張機などの、容積式膨張機が含まれる。機械力は、(たとえば圧縮機を駆動させるために)直接用いることができるか、または発電機の使用によって電力に変換することができる。典型的には、本装置はまた、膨張した作動流体を冷却するための作動流体冷却構成単位(たとえば、凝縮器または熱交換器)と冷却された作動流体を圧縮するための圧縮機とを含む。
一実施形態では、動力サイクル装置は、熱交換構成単位と、膨張機と、作動流体冷却構成単位と圧縮機とを含み、それらのすべては、リストされた順に流体連通しており、それらを通って作動流体は、繰り返しサイクルで1つの構成要素から次のものへと流れる。
一実施形態では、動力サイクル装置は、(a)作動流体が加熱されてもよい、熱交換構成単位と;(b)その圧力を下げることにより加熱された作動流体を膨張させることによって機械的エネルギーを発生させることができる、熱交換構成単位と流体連通する膨張機と;(c)膨張した作動流体を冷却するための、膨張機と流体連通する作動流体冷却構成単位と;(d)冷却された作動流体を圧縮するための、作動流体冷却構成単位と流体連通する圧縮機であって、作動流体が繰り返しサイクルで構成要素(a)、(b)、(c)および(d)の通過を繰り返すように熱交換構成単位とさらに流体連通している圧縮機とを含む。このように、動力サイクル装置は、(a)熱交換構成単位と;(b)熱交換構成単位と流体連通する膨張機と;(c)膨張機と流体連通する作動流体冷却構成単位と;(d)作動流体冷却構成単位と流体連通する圧縮機であって、作動流体が繰り返しサイクルで構成要素(a)、(b)、(c)および(d)の通過を繰り返すように熱交換構成単位とさらに流体連通している圧縮機とを含む。
図1は、熱源からの熱を利用するためのORCシステムの一実施形態の略図を示す。熱供給熱交換器40は、熱源46から供給される熱を、液相で熱供給熱交換器40に入る作動流体に伝える。熱供給熱交換器40は、熱源と熱連通している(この連通は、直接接触によっても別の手段によってもよい)。言い換えれば、熱供給熱交換器40は、伝熱の任意の公知手段によって熱源46から熱エネルギーを受け取る。ORCシステム作動流体は、熱供給熱交換器40を通って循環し、熱交換器で流体は熱を獲得する。液体作動流体の少なくとも一部は、熱供給熱交換器(ある場合には、エバポレーター)40で蒸気に変わる。
今蒸気形態の作動流体は、膨張機32に送られ、膨張機で膨張プロセスは、熱源から供給された熱エネルギーの少なくとも一部の機械的軸動力への変換をもたらす。軸動力は、所望の速度および必要とされるトルクに依存してベルト、プーリー、ギア、変速機または類似のデバイスの従来型配置を用いることによって任意の機械的仕事を行うために用いることができる。一実施形態では、軸はまた、誘導発電機などの発電デバイス30に接続することができる。生成した電気は、局所的に使用するかまたは地域グリッドに配送することができる。
膨張機32を出る依然として蒸気形態の作動流体は、凝縮器34へと進み続け、凝縮器で十分な熱放出は、流体を凝縮させて液体化する。
液体形態の作動流体のポンプ吸引への十分な供給が常にあることを確実にするために液体サージタンク36が凝縮器34とポンプ38との間に配置されることもまた望ましい。液体形態の作動流体は、ポンプ38へと流れ、ポンプは、作動流体を熱供給熱交換器40へ導入して戻し、こうしてランキンサイクルループを完成させることができるように流体の圧力を上げる。
代わりの実施形態では、熱源とORCシステムとの間で動作する二次熱交換ループをまた用いることができる。図2に、有機ランキンサイクルシステムが、特に二次熱交換ループを用いるシステムについて示される。主な有機ランキンサイクルは、図1について上に記載されたように動作する。二次熱交換ループは、次の通り図2に示される:熱源46’からの熱は、伝熱媒体(すなわち、第2熱交換ループ流体)を使用して熱供給熱交換器40’へ運ばれる。伝熱媒体は、熱供給熱交換器40’からポンプ42’へ流れ、ポンプは伝熱媒体を熱源46’にポンプ送液して戻す。この配置は、熱源から熱を除去し、そしてそれをORCシステムに配送する別の手段を提供する。この配置は、理にかなった伝熱のための様々な流体の使用を容易にすることによって柔軟性を提供する。
実際に、本発明の作動流体は、ループの圧力がループ中の流体の温度で流体飽和圧力にまたはそれよりも上に維持されるという条件で第2熱交換ループ流体として使用することができる。あるいはまた、本発明の作動流体は、第2熱交換ループ流体、または作動流体が熱交換プロセス中に蒸発し、それによって流体フローを持続するのに十分な大きい流体密度差(熱サイフォン効果)を発生させることを可能にする運転モードで熱を熱源から抽出するための熱キャリア流体として使用することができる。さらに、グリコール、ブライン、シリコーンなどの高沸点流体、または他の本質的に非揮発性の流体が、記載される二次ループ配置で理にかなった伝熱のために使用されてもよい。第2熱交換ループは、2つのシステムがより容易に隔離され得るまたは分離され得るので、熱源かORCシステムかのどちらかの使用をより容易にすることができる。このアプローチは、高い質量流量/低い熱流束部分に高い熱流束/低い質量部分が続く状態の熱交換器を有する場合と比べて熱交換器設計を簡単にすることができる。有機化合物は多くの場合、それよりも上で熱分解が起こるであろう温度上限を有する。熱分解の開始は、化学物質の特定の構造に関係し、したがって異なる化合物について変わる。作動流体との直接熱交換を用いて高温源にアクセスするために、上述のような、熱流束および質量流量についての設計配慮が、作動流体をその熱分解開始温度よりも下に維持しながら熱交換を容易にするために採用されてもよい。かかる状況での直接熱交換は典型的には、コストを上昇させる追加のエンジニアリングおよび機械的特徴を必要とする。かかる状況では、二次ループ設計は、直接熱交換ケースについて列挙される懸念を避けながら温度を管理することによって高温熱源へのアクセスを容易にし得る。
第2熱交換ループ実施形態のための他のORCシステム構成要素は、図1に記載されるのと本質的に同じものである。液体ポンプ42は、二次流体(たとえば、伝熱媒体)を、それが熱源46のループ部分に入り、ループ部分でそれが熱を獲得するように二次ループを通して循環させる。流体は次に、熱交換器40に通り、熱交換器で二次流体は熱をORC作動流体へ放出する。
上のプロセスの一実施形態では、エバポレーター温度(熱が作動流体によって抽出される温度)は、作動流体の臨界温度未満である。運転の温度が次の温度のどれか一つまたは下の任意の2つの数によって画定される範囲内(両端を含めて)である実施形態が含まれる:
約40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170および約171℃。
約40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170および約171℃。
上のプロセスの一実施形態では、エバポレーター運転圧力は、約3.06MPa未満である。運転の圧力が次の圧力のどれか一つまたは下の任意の2つの数によって画定される範囲内(両端を含めて)である実施形態が含まれる:
約0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70、1.75、1.80、1.85、1.90、1.95、2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30、2.35、2.40、2.45、2.50、2.55、2.60、2.65、2.70、2.75、2.80、2.85、2.90、2.95、3.00、3.05および約3.06MPa。
約0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70、1.75、1.80、1.85、1.90、1.95、2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30、2.35、2.40、2.45、2.50、2.55、2.60、2.65、2.70、2.75、2.80、2.85、2.90、2.95、3.00、3.05および約3.06MPa。
低コスト設備構成要素の使用は、有機ランキンサイクルの実際の実現可能性を実質的に拡大する(Joost J.Brasz,Bruce P.BiedermanおよびGwen Holdmann:「Power Production from a Moderate−Temperature Geothermal Resource」,GRC Annual Meeting,September 25−28th、2005;Reno,NV,USAを参照されたい)。たとえば、最高蒸発圧力を約2.2MPaに制限すると、HVAC業界で広く使用されているタイプの低コスト設備構成要素の使用を可能にするであろう。
一実施形態では、動力サイクル装置で有用な組成物は、約0〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜50重量パーセントのHFC−245ebとを含んでもよい。別の実施形態では、有用な組成物は、約0〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜50重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約0〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜50重量パーセントのHFC−245ebとからなる。
別の実施形態では、動力サイクル装置に有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセンのHFC−245ebとを含んでもよい。別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとからなる。
約50重量パーセント超のZ−HFO−1336mzを含有する組成物が、かかるシステムに望ましいであろうよりも低いエネルギー効率および低い容積能力を発電について有することに留意されたい。
本装置は、湿気の除去に役立つためのモレキュラーシーブを含んでもよい。乾燥剤は、活性アルミナ、シリカゲル、またはゼオライトベースのモレキュラーシーブを含んでもよい。ある種の実施形態では、好ましいモレキュラーシーブは、おおよそ3オングストローム、4オングストローム、または5オングストロームの細孔径を有する。代表的なモレキュラーシーブには、MOLSIV XH−7、XH−6、XH−9およびXH−11(UOP LLC,Des Plaines,IL)が含まれる。
動力サイクル組成物
有機ランキンサイクルなどの動力サイクルに特に有用であるHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む組成物は、共沸もしくは共沸混合物様である。
有機ランキンサイクルなどの動力サイクルに特に有用であるHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む組成物は、共沸もしくは共沸混合物様である。
共沸もしくは共沸混合物様組成物用のHFC−245ebおよびZ−HFO−1336mzzは、2011年3月2日出願の米国仮特許出願第61/448,241号明細書(今は、2012年8月9日公開の国際公開第2012/106565A2号パンフレット)に開示されている。
共沸組成物は、動力サイクル装置の、熱交換器、たとえば、エバポレーターおよび凝縮器でゼログライドを有するであろう。
不燃性である組成物HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzおよびE−HFO−1438mzzの少なくとも1つとが注目すべきである。Z−HFO−1336mzzおよび/またはE−HFO−1438mzzと組み合わせられたHFC−245ebを含むある種の組成物は、標準試験ASTM 681によって不燃性であることが測定されている。少なくとも41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzとHFC−245ebとを含有する組成物が特に注目すべきである。
約0〜41重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約100〜59重量パーセントのHFC−245ebとを含む組成物が注目すべきである。別の実施形態では、有用な組成物は、0超〜約50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと100未満〜約50重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約0超〜約50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと100未満〜約50重量パーセントのHFC−245ebとからなる。
約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとを含む組成物が特に注目すべきである。別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとから本質的になる。そして別の実施形態では、有用な組成物は、約41〜50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと約59〜50重量パーセントのHFC−245ebとからなる。
本発明に従って、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含む作動流体が提供される。この作動流体は、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含み、そして(i)E−HFO−1336mzzをさらに含むか、もしくは(ii)その臨界温度よりも上の温度を有するか、または(i)および(ii)の両方である。HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になり、そして(i)E−HFO−1336mzzをさらに含むか、もしくは(ii)その臨界温度よりも上の温度を有するか、または(i)および(ii)の両方である組成物が注目すべきである。
その臨界温度および圧力よりも上のHFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる作動流体もまた注目すべきである。
組成物が作動流体の臨界温度よりも上の温度を有し、そして潤滑油がその温度での使用に好適である作動流体もまた注目すべきである。
潤滑油をまた含むHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体は、ポリアルキレングリコール、ポリオールエステル、ポリビニルエーテル、鉱油、アルキルベンゼン、合成パラフィン、合成ナフテン、およびポリ(アルファ)オレフィンからなる群から選択される潤滑油を含有してもよい。
有用な潤滑油には、動力サイクル装置で使用するために好適なものが含まれる。これらの潤滑油の中には、クロロフルオロカーボン冷媒を利用する蒸気圧縮冷凍装置に通常使用されるものがある。一実施形態では、潤滑油は、圧縮冷凍潤滑の分野で「鉱油」として一般に知られるものを含む。鉱油はパラフィン(すなわち、直鎖および分岐鎖炭素鎖、飽和炭化水素)、ナフテン(すなわち、環式パラフィン)ならびに芳香族化合物(すなわち、交互二重結合によって特徴づけられる1つまたは複数の環を含有する不飽和の環式炭化水素)を含む。一実施形態では、潤滑油は圧縮冷凍潤滑の分野で「合成油」として一般に知られるものを含む。合成油はアルキルアリール(すなわち線状および分枝状アルキルのアルキルベンゼン)、合成パラフィンおよびナフテン、ならびにポリ(アルファオレフィン)を含む。代表的な従来型潤滑油は、商業的に入手可能なBVM 100N(BVA Oilsによって販売されるパラフィン系鉱油)、商標Suniso(登録商標)3GSおよびSuniso(登録商標)5GSでCrompton Co.から商業的に入手可能なナフテン系鉱油、商標Sontex(登録商標)372LTでPennzoilから商業的に入手可能なナフテン系鉱油、商標Calumet(登録商標)RO−30でCalumet Lubricantsから商業的に入手可能なナフテン系鉱油、商標Zerol(登録商標)75、Zerol(登録商標)150およびZerol(登録商標)500でShrieve Chemicalsから商業的に入手可能な線状アルキルベンゼン、ならびにHAB22(新日本石油株式会社によって販売される分枝状アルキルベンゼン)である。
有用な潤滑油にはまた、ハイドロフルオロカーボン冷媒との使用のために設計された、そして動力サイクル運転条件下に本発明の作動流体と混和性であるものが含まれてもよい。かかる潤滑油には、Castrol(登録商標)100(Castrol、United Kingdom)などのポリオールエステル(POE)、Dow(Dow Chemical,Midland,Michigan))製のRL−488Aなどのポリアルキレングリコール(PAG)、ポリビニルエーテル(PVE)ならびにポリカーボネート(PC)が含まれるが、それらに限定されない。
潤滑油は、所与の圧縮機の要件および潤滑油が曝されるであろう環境を考慮することによって選択される。
高温で安定性のある高温潤滑油が注目すべきである。動力サイクルが達成する最高温度が、どの潤滑油が必要とされるかを決定するであろう。
約200℃まで安定性のあるポリアルファオレフィン(POA)潤滑油および約200℃〜220℃までの温度で安定性のあるポリオールエステル(POE)潤滑油が特に注目すべきである。約220℃〜約350℃の温度で安定性を有するパーフルオロポリエーテル潤滑油もまた特に注目すべきである。PFPE潤滑油には、約300〜350℃まで熱安定性のあるXHTシリーズなどの、商標Krytox(登録商標)でDuPont(Wilmington,DE)から入手可能なものが含まれる。他のPFPE潤滑油には、約280〜330℃まで熱安定性のあるダイキン工業(日本国)から商標Demnum(商標)で販売されるものならびに、約220〜260℃まで熱安定性のある商標Fomblin(登録商標)−Y Fomblin(登録商標)−Zで入手可能なものなどの商標Fomblin(登録商標)およびGalden(登録商標)で、Ausimont(Milan,Italy)から入手可能なものが含まれる。
別の実施形態では、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含み、そしてE−HFO−1336mzzをさらに含む作動流体が提供される。(たとえば、E−HFO−1336mzz)などの、他の化合物の総量がゼロ超(たとえば、百万当たり100部以上)〜約8重量パーセントである組成物が注目すべきである。
HFC−245ebと、Z−HFO−1336mzzとE−HFO−1336mzz(たとえば、100ppm〜8重量パーセントのE−HFO−1336mzz)とを含むまたはそれらから本質的になる作動流体が注目すべきである。
150未満のGWPを有する、少なくとも49.5重量パーセントのZ−HFO−1336mzzとHFC−245ebとを含む組成物もまた注目すべきである。
熱を機械的エネルギーに変換するランキンサイクル用の組成物が提供される。本組成物は、上記のようにHFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含む作動流体を含む。組成物は、上記のようにトランス臨界または超臨界ランキンサイクル内で発電するために使用されるときに特に、作動流体成分の臨界温度よりも上の温度にあってもよい。組成物はまた、少なくとも約175℃の温度での使用に好適な少なくとも1つの潤滑油を含んでもよい。約175℃〜約400℃の範囲内の温度での使用に好適な少なくとも1つの潤滑油を含む組成物が注目すべきである。本発明の組成物はまた、安定剤、相溶化剤およびトレーサーなどの他の成分を含んでもよい。
本明細書に記載される概念は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を限定しない、以下の実施例でさらに説明される。
実施例1
HFC−245ebを作動流体として使用する有機ランキンサイクル
表2は、同じ条件下にHFC−245ebを作動流体として使用する有機ランキンサイクル(ORC)の性能対HFC−245faを作動流体として使用するORCのそれを比較する:
Tevap=135℃;
Tcond=40℃;
過熱=10℃;
サブクーリング=10℃;
膨張機効率=0.8;
圧縮機(液体ポンプ)効率=0.6。
HFC−245ebを作動流体として使用する有機ランキンサイクル
表2は、同じ条件下にHFC−245ebを作動流体として使用する有機ランキンサイクル(ORC)の性能対HFC−245faを作動流体として使用するORCのそれを比較する:
Tevap=135℃;
Tcond=40℃;
過熱=10℃;
サブクーリング=10℃;
膨張機効率=0.8;
圧縮機(液体ポンプ)効率=0.6。
表2は、HFC−245ebが、HFC−245faよりも低いGWPを有することに加えて、HFC−245faよりも高いエネルギー効率のORCを可能にすることを示す。さらに、HFC−245ebの蒸発圧力は、HFC−245faのそれよりも低く、それは、より低い最高許容動作圧力の設備が用いられることを可能にする点で有利であり得よう。幾つかの場合には、HFC−245ebは、作動流体のGWPを低下させ、エネルギー効率を高め、そして許容蒸発温度を高めるために既存のORC設備でHFC−245faを取り替えるために使用することができよう。
実施例2
HFC−245eb/Z−HFO−1336mzzブレンドを作動流体として使用する有機ランキンサイクル
表3は、同じ条件下に不燃性ブレンドA(Z−HFO−1336mzz/HFC−245eb 41/59重量%)または不燃性ブレンドB(Z−HFO−1336mzz/HFC−245eb 50/50重量%)を作動流体として使用する有機ランキンサイクル(ORC)の性能対HFC−245faを作動流体として使用するORCの性能を比較する:
Tevap=135℃;
Tcond=40℃;
過熱=10℃;
サブクーリング=10℃;
膨張機効率=0.8;
圧縮機(液体ポンプ)効率=0.6。
HFC−245eb/Z−HFO−1336mzzブレンドを作動流体として使用する有機ランキンサイクル
表3は、同じ条件下に不燃性ブレンドA(Z−HFO−1336mzz/HFC−245eb 41/59重量%)または不燃性ブレンドB(Z−HFO−1336mzz/HFC−245eb 50/50重量%)を作動流体として使用する有機ランキンサイクル(ORC)の性能対HFC−245faを作動流体として使用するORCの性能を比較する:
Tevap=135℃;
Tcond=40℃;
過熱=10℃;
サブクーリング=10℃;
膨張機効率=0.8;
圧縮機(液体ポンプ)効率=0.6。
表3は、ブレンドAおよびBが、HFC−245faよりも低いGWP値を有することに加えて、HFC−245faよりも幾らか高いエネルギー効率のORCを可能にすることを示す。さらに、ブレンドAおよびBの蒸発圧力は、HFC−245faの蒸発圧力よりも実質的に低く、それは、より低い最高許容動作圧力の設備が用いられることを可能にする点で有利であり得よう。幾つかの場合には、ブレンドAおよびブレンドBは、作動流体のGWPを低下させ、より高い蒸発温度を(設備の最高許容動作圧力または作動流体の臨界温度を超えることなく)可能にし、そしてより高いエネルギー効率を実現するために既存のORC設備でHFC−245fa(またはCFC−114)を取り替えるために使用することができよう。ブレンドCは、かかるシステムについて望ましいであろうよりも大きい能力の損失を示す。
Claims (16)
- 熱源から供給される熱を利用してHFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を加熱する工程と;
前記加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を下げ、そして前記作動流体の圧力が下がるときに機械的エネルギーを発生させる工程と
を含む、熱源からの熱を機械的エネルギーに変換する方法。 - 前記作動流体が加熱前に圧縮され;そして前記膨張した作動流体が繰り返しサイクルのために冷却され、圧縮される、請求項1に記載の方法。
- 熱源からの熱が、
(a)液体作動流体をその臨界圧力よりも下の圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を利用して(a)からの前記圧縮された液体作動流体を加熱して蒸気作動流体を形成する工程と;
(c)(b)からの前記蒸気作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含む亜臨界サイクルを用いて機械的エネルギーに変換される請求項2に記載の方法。 - 熱源からの熱が、
(a)液体作動流体を前記作動流体の臨界圧力よりも上の圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を利用して(a)からの前記圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも下に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含むトランス臨界サイクルを用いて機械的エネルギーに変換される請求項2に記載の方法。 - 熱源からの熱が、
(a)作動流体をその臨界圧力よりも上の圧力からより高い圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を利用して(a)からの前記圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を、その臨界圧力よりも上に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却してその臨界圧力よりも上の冷却された作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含む超臨界サイクルを用いて機械的エネルギーに変換される請求項2に記載の方法。 - 前記作動流体が、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる不燃性組成物である請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体が、0超〜約50重量パーセントのZ−HFO−1336mzzと100未満〜約48重量パーセントのHFC−245ebとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体がHFC−245ebからなる請求項1に記載の方法。
- 熱を機械的エネルギーに変換するための作動流体を含有する動力サイクル装置であって、
前記装置が、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む作動流体を含有すること
で特徴づけられる装置。 - (a)熱交換構成単位と;(b)前記熱交換構成単位と流体連通する膨張機と;(c)前記膨張機と流体連通する作動流体冷却構成単位と;(d)前記作動流体冷却構成単位と流体連通する圧縮機であって、前記作動流体が繰り返しサイクルで構成要素(a)、(b)、(c)および(d)の通過を繰り返すように前記熱交換構成単位とさらに流体連通している圧縮機とを含む請求項9に記載の動力サイクル装置。
- (i)E−HFO−1336mzzをさらに含む、(ii)その臨界温度よりも上の温度を有する、または(i)および(ii)の両方であるHFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとを含む作動流体。
- その臨界温度および圧力よりも上のHFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる請求項11に記載の作動流体。
- 請求項11に記載の作動流体と潤滑油とを含む、有機ランキン装置用に好適な組成物。
- 前記組成物の前記作動流体成分が、HFC−245ebとZ−HFO−1336mzzとから本質的になる請求項13に記載の組成物。
- 前記組成物が、前記作動流体の臨界温度よりも上の温度を有し、そして前記潤滑油が前記温度での使用に好適である請求項13に記載の組成物。
- 第1作動流体を、HFC−245ebおよび任意選択的にZ−HFO−1336mzzを含む第2作動流体と取り替える工程
を含む、第1作動流体を含有する既存のランキンサイクルシステムの最高実現可能蒸発温度を上げる方法。
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