JP6158182B2 - 熱から機械的エネルギーを発生させるための有機ランキンサイクルのための方法および組成物 - Google Patents
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Description
(a)第1の作動流体を液相で熱交換器または蒸発器に通すステップであって、前記熱交換器または前記蒸発器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(b)前記熱交換器または前記蒸発器から前記第1の作動流体の少なくとも一部を気相で取り出すステップと;
(c)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換されるステップと;
(d)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部が凝縮して、液相第2の作動流体となるステップと;
(e)選択的に、前記液相の第2の作動流体とステップ(a)の前記液相の第1の作動流体との圧縮および混合を行うステップと;
(f)選択的に、ステップ(a)から(e)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、方法に関する。
(a)液相の第1の作動流体を、前記第1の作動流体の臨界圧力を超えるまで圧縮するステップと;
(b)ステップ(a)で得た前記第1の作動流体を熱交換器または流体加熱器に通し、前記第1の作動流体を前記第1の作動流体の臨界温度よりも高いまたは低い温度まで加熱するステップであって、前記熱交換器または前記流体加熱器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(c)加熱された前記第1の作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器流体加熱器から取り出すステップと;
(d)加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、
前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換され、
加熱された前記第1の作動流体の前記第1の少なくとも一部に対する圧力が、前記第1の作動流体の臨界圧力未満まで下がることによって、加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部が、第1の作動流体の気体、あるいは第1の作動流体の気体および液体の混合物となるステップと;
(e)前記第1の作動流体の気体、あるいは前記第1の作動流体の気体および液体の混合物を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記作動流体の気体、あるいはは前記作動流体の気体および液体の混合物の前記少なくとも一部が完全に凝縮されて、液相の第2の作動流体となるステップと;
(f)選択的に、液相の前記第2の作動流体とステップ(a)の液相の前記第1の作動流体との圧縮および混合を行うステップと;
(g)選択的に、ステップ(a)から(f)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、方法に関する。
本発明のためには、遷臨界有機ランキンサイクルは、サイクルで使用される作動流体の臨界圧力よりも高い圧力で熱が取り出される有機ランキンサイクルとして定義される。
(a)第1の作動流体を液相で熱交換器または蒸発器に通すステップであって、前記熱交換器または前記蒸発器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(b)前記熱交換器または前記蒸発器から前記第1の作動流体の少なくとも一部を気相で取り出すステップと;
(c)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換されるステップと;
(d)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部が凝縮して、液相の第2の作動流体となるステップと;
(e)選択的に、前記液相の第2の作動流体とステップ(a)の前記液相の第1の作動流体との圧縮および混合を行うステップと;
(f)選択的に、ステップ(a)から(e)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも30重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも40重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも50重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。
約20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34,35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、50.5、51、52、52.5、53、53.5、54、54.5、55、55.5、56、56.5、57、57.5、58、58.5、59、59.5、60、60.5、61、61.5、62、62.5、63、63.5、64、64.5、65、65.5、66、66.5、67、67.5、68、68.5、69、69.5、70、70.5、71、71.5、72、72.5、73、73.5、74、74.5、75、55.5、76、76.5、77、77.5、78、78.5、79、79.5、80、80.5、81、81.5、82、82.5、83、83.5、84、84.5、85、85.5、86、86.5、87、87.5、88、88.5、89、89.5、90、90.5、91、91.5、92、92.5、93、93.5、94、94.5、95、95.5、96、96.5、97、97.5、98、98.5、99、99.5、および約100%。
cis−HFO−1234ze;trans−HFO−1234ze;HFO−1234yf;HFO−1234ye−EまたはZ;HFO 1225ye(Z);HFO−1225ye(E);HFO−1225yc;HFO−1243zf(3,3,3−トリフルオロプロペン);HFO−1233zd−EまたはZ;HFO−1233xf;CF3CH=CHCF3(E);(CF3)2CFCH=CHF(EおよびZ);(CF3)2CFCH=CF2;CF3CHFC=CHF(EおよびZ);(C2F5)(CF3)C=CH2;HFC−245fa;HFC−245eb;HFC−245ca;HFC−245cb;HFC−227ea;HFC−236cb;HFC−236ea;HFC−236fa;HFC−365mfc;HFC−43−10mee;CHF2−O−−CHF2;CHF2−O−CH2F;CH2F−O−CH2F;CH2F−O−CH3;シクロ−CF2−CH2−CF2−O;シクロ−CF2−CF2−CH2−O;CHF2−O−−CF2−CHF2;CF3−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CHF−CF3;CHF2−O−CF2−CHF2;CH2F−O−CF2−CHF2;CF3−O−CF2−CH3;CHF2−CHF−O−CHF2;CF3−O−CHF−CH2F;CF3−CHF−O−CH2F;CF3−O−CH2−CHF2;CHF2−O−CH2−CF3;CH2F−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CF2−CH3;CHF2−CF2−O−CH3;CH2F−O−CHF−CH2F;CHF2−CHF−O−CH2F;CF3−O−CHF−CH3;CF3−CHF−O−CH3;CHF2−O−CH2−CHF2;CF3−O−CH2−CH2F;CF3−CH2−O−CH2F;CF2H−CF2−CF2−O−CH3;プロパン;シクロプロパン;ブタン;イソブタン;n−ペンタン;イソペンタン;ネオペンタン;シクロペンタン;n−ヘキサン;イソヘキサン;ヘプタン;trans−1,2−ジクロロエチレン、およびcis−HFO−1234zeとHFC−245faとの混合物。
約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、および約171℃。
約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、および約137℃。
約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、および約2.50MPa。
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、25、25.5、26、26.5、27、27.5、28、28.5、29、29.5、30、30.5、31、31.5、32、32.5、33、33.5、34、34.5、および約35。
一実施形態においては、有機ランキンサイクルは遷臨界サイクルである。したがって、本発明は、熱源から熱を回収する方法であって:
(a)液相の第1の作動流体を、前記第1の作動流体の臨界圧力を超えて圧縮するステップと;
(b)ステップ(a)で得た前記第1の作動流体を熱交換器または流体加熱器に通し、前記第1の作動流体を前記第1の作動流体の臨界温度よりも高いまたは低い温度に加熱するステップであって、前記熱交換器または前記流体加熱器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(c)加熱された前記第1の作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器または流体加熱器から取り出すステップと;
(d)加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、
前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換され、
加熱された前記第1の作動流体の前記第1の少なくとも一部に対する圧力が、前記第1の作動流体の臨界圧力未満に下がることによって、加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部が、第1の作動流体の気体、あるいは第1の作動流体の気体および液体の混合物となるステップと;
(e)前記第1の作動流体の気体、あるいは前記第1の作動流体の気体および液体の混合物を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記作動流体の気体、あるいは前記作動流体の気体および液体の混合物の前記少なくとも一部が完全に凝縮されて、液相の第2の作動流体となるステップと;
(f)選択的に、液相の前記第2の作動流体とステップ(a)の液相の前記第1の作動流体との圧縮および混合を行うステップと;
(g)選択的に、ステップ(a)から(f)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、方法に関する。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも30重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも40重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。別の一実施形態においては、第1の作動流体は、少なくとも50重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。
約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20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34,35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、50.5、51、52、52.5、53、53.5、54、54.5、55、55.5、56、56.5、57、57.5、58、58.5、59、59.5、60、60.5、61、61.5、62、62.5、63、63.5、64、64.5、65、65.5、66、66.5、67、67.5、68、68.5、69、69.5、70、70.5、71、71.5、72、72.5、73、73.5、74、74.5、75、55.5、76、76.5、77、77.5、78、78.5、79、79.5、80、80.5、81、81.5、82、82.5、83、83.5、84、84.5、85、85.5、86、86.5、87、87.5、88、88.5、89、89.5、90、90.5、91、91.5、92、92.5、93、93.5、94、94.5、95、95.5、96、96.5、97、97.5、98、98.5、99、99.5、および約100重量パーセント。
cis−HFO−1234ze;trans−HFO−1234ze;HFO−1234yf;HFO−1234ye−EまたはZ;HFO−1225ye(Z);HFO−1225ye(E);HFO−1243zf(3,3,3−トリフルオロプロペン);HFO1225yc;HFO−1233zd−EまたはZ;HFC−1233xf;CF3CH=CHCF3(E);(CF3)2CFCH=CHF(EおよびZ);(CF3)2CFCH=CF2;CF3CHFC=CHF(EおよびZ);(C2F5)(CF3)C=CH2;HFC−245fa;HFC−245eb;HFC−245ca;HFC−245cb;HFC−227ea;HFC−236cb;HFC−236ea;HFC−236fa;HFC−365mfc;HFC−43−10mee;CHF2−O−CHF2;CHF2−O−CH2F;CH2F−O−CH2F;CH2F−O−CH3;シクロ−CF2−CH2−CF2−O;シクロ−CF2−CF2−CH2−O;CHF2−O−CF2−CHF2;CF3−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CHF−CF3;CHF2−O−CF2−CHF2;CH2F−O−CF2−CHF2;CF3−O−CF2−CH3;CHF2−CHF−O−CHF2;CF3−O−CHF−CH2F;CF3−CHF−O−CH2F;CF3−O−CH2−CHF2;CHF2−O−CH2−CF3;CH2F−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CF2−CH3;CHF2−CF2−O−CH3;CH2F−O−CHF−CH2F;CHF2−CHF−O−CH2F;CF3−O−CHF−CH3;CF3−CHF−O−CH3;CHF2−O−CH2−CHF2;CF3−O−CH2−CH2F;CF3−CH2−O−CH2F;CF2H−CF2−CF2−O−CH3;プロパン;シクロプロパン;ブタン;イソブタン;n−ペンタン;イソペンタン;ネオペンタン;シクロペンタン;n−ヘキサン;イソヘキサン;ヘプタン;trans−1,2−ジクロロエチレン、およびcis−HFO−1234zeとHFC−245faとの混合物。
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3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、および10.0MPa。
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、25、25.5、26、26.5、27、27.5、28、28.5、29、29.5、30、30.5、31、31.5、32、32.5、33、33.5、34、34.5、および約35。
図5は、遷臨界ORCが使用される本発明の一実施形態を示している。図5は、この実施形態のサイクルの圧力−エンタルピー図である。このプロットの実質的に垂直の線は等エントロピー線である。曲線の左半分では垂直であるがプロットの右半分では偏向を示し曲率を有する線は等温線である。ドーム型の左側の破線は飽和液線である。ドーム型の右側の破線は飽和蒸気線である。第1のステップにおいて、作動流体は、通常は実質的に等エントロピー的に作動流体の臨界圧力を超えて圧縮(加圧)される。次に実質的に一定圧力(等圧)条件下で、その臨界温度を超える温度に加熱される。次のステップにおいて、作動流体を、通常は実質的に等エントロピー的に膨張させる。膨張ステップ中に流体の温度は、その臨界温度より低温に低下する。膨張ステップが終了した流体は、過熱気体状態にある。次のステップにおいて、作動流体を冷却し凝縮させて、熱を放出させると、温度が低下する。作動流体は、右側に示される飽和蒸気曲線と、次に左側の飽和液曲線との2つの相転移境界を通過する。このステップの終了時には、作動流体は、わずかに過冷却された液体状態にある。
図6は、遷臨界ORCが使用される本発明の一実施形態を示している。図6は、この実施形態のサイクルの圧力−エンタルピー図である。プロットの実質的に垂直の線は等エントロピー線である。曲線の左半分では垂直であるがプロットの右半分では偏向を示し曲率を有する線は等温線である。ドーム型の左側の破線は飽和液線である。ドーム型の右側の破線は飽和蒸気線である。第1のステップにおいて、作動流体は、通常は実質的に等エントロピー的に作動流体の臨界圧力を超えて圧縮(加圧)される。次に実質的に一定圧力条件下で、その臨界温度を超える温度に加熱される。
図7は、遷臨界ORCが使用される本発明の一実施形態を示している。図7は、この実施形態のサイクルの圧力−エンタルピー図である。プロットの実質的に垂直の線は等エントロピー線である。曲線の左半分では垂直であるがプロットの右半分では偏向を示し曲率を有する線は等温線である。ドーム型の左側の破線は飽和液線である。ドーム型の右側の破線は飽和蒸気線である。
図8は、遷臨界ORCが使用される本発明の一実施形態を示している。図8は、この実施形態のサイクルの圧力−エンタルピー図である。プロットの実質的に垂直の線は等エントロピー線である。曲線の左半分では垂直であるがプロットの右半分では偏向を示し曲率を有する線は等温線である。ドーム型の左側の破線は飽和液線である。ドーム型の右側の破線は飽和蒸気線である。
さらに別の一実施形態においては、本発明は、少なくとも約20重量パーセントのcis−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテン(HFO−1336mzz−Z)、または少なくとも約20重量パーセントのtrans−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテン(HFO−1336mzz−E)、または少なくとも約20重量パーセントのそれらの混合物を含む新規作動流体を使用するORCシステムに関する。システムの別の一実施形態においては、作動流体は、少なくとも30重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。システムの別の一実施形態においては、作動流体は、少なくとも40重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。システムの別の一実施形態においては、作動流体は、少なくとも50重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む。
現在使用されているHFC−245faを利用するORCシステムでは、より低い地球温暖化係数(GWP)を有する新規作動流体が必要とされうる。HFC−245faのGWPは1030である。本発明の作動流体のGWPははるかに低い。HFO−1336mzz−ZのGWPは9.4であり、HFO−1336mzz−EのGWPは約32である。したがって、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を使用するORCシステムのための、より環境上持続可能な作動流体を得るために、多くの作業流体が配合されうる。
約20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34,35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、50.5、51、52、52.5、53、53.5、54、54.5、55、55.5、56、56.5、57、57.5、58、58.5、59、59.5、60、60.5、61、61.5、62、62.5、63、63.5、64、64.5、65、65.5、66、66.5、67、67.5、68、68.5、69、69.5、70、70.5、71、71.5、72、72.5、73、73.5、74、74.5、75、55.5、76、76.5、77、77.5、78、78.5、79、79.5、80、80.5、81、81.5、82、82.5、83、83.5、84、84.5、85、85.5、86、86.5、87、87.5、88、88.5、89、89.5、90、90.5、91、91.5、92、92.5、93、93.5、94、94.5、95、95.5、96、96.5、97、97.5、98、98.5、99、99.5、および約100%。
cis−HFO−1234ze;trans−HFO−1234ze;HFO−1234yf;HFO−1234ye−EまたはZ;HFO 1225ye(Z);HFO−1225ye(E);HFO−1225yc;HFO−1243zf(3,3,3−トリフルオロプロペン);HFO−1233zd−EまたはZ;HFO−1233xf;CF3CH=CHCF3(E);(CF3)2CFCH=CHF(EおよびZ);(CF3)2CFCH=CF2;CF3CHFC=CHF(EおよびZ);(C2F5)(CF3)C=CH2;HFC−245fa;HFC−245eb;HFC−245ca;HFC−245cb;HFC−227ea;HFC−236cb;HFC−236ea;HFC−236fa;HFC−365mfc;HFC−43−10mee;CHF2−O−CHF2;CHF2−O−CH2F;CH2F−O−CH2F;CH2F−O−CH3;シクロ−CF2−CH2−CF2−O;シクロ−CF2−CF2−CH2−O;CHF2−O−CF2−CHF2;CF3−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CHF−CF3;CHF2−O−CF2−CHF2;CH2F−O−CF2−CHF2;CF3−O−CF2−CH3;CHF2−CHF−O−CHF2;CF3−O−CHF−CH2F;CF3−CHF−O−CH2F;CF3−O−CH2−CHF2;CHF2−O−CH2−CF3;CH2F−CF2−O−CH2F;CHF2−O−CF2−CH3;CHF2−CF2−O−CH3;CH2F−O−CHF−CH2F;CHF2−CHF−O−CH2F;CF3−O−CHF−CH3;CF3−CHF−O−CH3;CHF2−O−CH2−CHF2;CF3−O−CH2−CH2F;CF3−CH2−O−CH2F;CF2H−CF2−CF2−O−CH3;プロパン;シクロプロパン;ブタン;イソブタン;n−ペンタン;イソペンタン;ネオペンタン;シクロペンタン;n−ヘキサン;イソヘキサン;ヘプタン;trans−1,2−ジクロロエチレン、およびcis−HFO−1234zeとHFC−245faとの混合物。
実施例Aは、蒸発温度TevapがHFO−1336mzz−Zの臨界温度(Tcr_HFO−1336mzz−Z=171.28℃)未満である亜臨界条件下で、HFO−1336mzz−Zを用いたランキンサイクルを使用したディーゼルエンジン排気熱からの出力発生を示す。
HFO−1336mzz−Zは、HFC−245faよりも高い臨界温度を有し(表A2参照)、低い蒸気圧が得られる。その結果、HFO−1336mzz−Zは、HFC−245faよりも高温における亜臨界有機ランキンサイクルが可能となる(表A3参照)。
特定の温度において、HFO−1336mzz−Zの蒸気圧はHFC−245faよりも低い。したがって、任意の特定の許容される最大蒸発器作動圧力において、HFO−1336mzz−Zは、HFC−245faよりも高い蒸発器温度での有機ランキンサイクルの運転が可能となる。表A4は、HFO−1336mzz−Zおよび蒸発器温度161.6℃を用いた有機ランキンサイクルを、HFC−245faおよび蒸発器温度132.22℃を用いた有機ランキンサイクルと比較している。どちらのサイクルも2.45MPaの蒸発器運転圧力で運転される。HFO−1336mzz−Zを用いて運転されるサイクルでは、HFC−245fa(11.42%)よりも高いエネルギー効率(13.51%)が実現される。
実施例Bは、遷臨界条件下でHFO−1336mzz−Zを用いたランキンサイクルを使用してディーゼルエンジン排気熱からの出力発生を示す。
表C1は、広く入手可能な比較的低コストのHVAC型装置を用いて組み立てられ、中程度の蒸発器圧力(約2.18MPa以下)で運転され、同時に、魅力的な安全性、健康、および環境特性、ならびに魅力的なエネルギー効率をも得られる有機ランキンサイクルが、HFO−1336mzz−Zによって可能となることを示している。低コストの装置を使用することで、ORCの実際的な適用範囲が実質的に広がる(Joost J.Brasz,Bruce P.Biederman and 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)。表C1は、HFO−1336mzz−Zによって可能となるエネルギー効率15.51%が、HFC−245faによって可能となるエネルギー効率13.48%よりも15.06%高いことを示している。
膨張機入口温度が250℃のランキンサイクルのエネルギー効率は、HFO−1336mzz−ZおよびHFC−245faの両方の場合で臨界圧力を超える圧力から9MPaまで加熱器圧力を増加させると単調増加する。表C2において選択される加熱器圧力(9MPa)は、最も一般的に利用可能なHVAC型装置の最高作動圧力よりも高い。
図4は、種々の膨張機入口温度における加熱器圧力の関数としてのエネルギー効率を示している。驚くべきことに、より高い膨張機入口温度において、エネルギー効率が加熱器圧力とともに増加することが分かった。250℃の膨張機温度の場合の10MPaにおける効率は18%を超えることが分かった。
金属の存在下でのHFO−1336mzz−Zの化学安定性を、ANSI/ASHRAE Standard 97−2007の封管試験方法により調べた。封管試験に使用したHFO−1336mzz−Zの原料は、99.9864+重量パーセントの純度(136ppmwの不純物)であり、実質的に水および空気を含有しないものであった。
2.18MPaの蒸発器圧力においてHFO−1336mzz−Eを用いた亜臨界ORC
表Dは、HFO−1336mzz−Eを作動流体として用いて運転した亜臨界ランキンサイクルと、HFO−1336mzz−ZまたはHFC−245faを作動流体として用いて運転した亜臨界ランキンサイクルとの性能を比較している。表Dで比較したすべてのサイクルの蒸発器圧力は2.18MPaである。HFO−1336mzz−Eを用いた場合のサイクルエネルギー効率は、HFC−245faを用いた場合よりも8.46%低い。HFO−1336mzz−Eを用いた場合の出力発生の体積能力は、HFC−245faを用いた場合よりも8.6%高い。
120℃の蒸発器温度においてHFO−1336mzz−Eを用いた亜臨界ORC
表Eは、120℃の蒸発温度においてHFO−1336mzz−Eを用いたランキンサイクルの性能をHFO−1336mzz−ZおよびHFC−145faと比較している。HFO−1336mzz−Eを用いた場合のサイクルエネルギー効率は、HFC−245faを用いた場合よりも3.8%低い。HFO−1336mzz−Eを用いた場合の出力発生の体積能力は、HFC−245faを用いた場合よりも16.2%高い。
HFO−1336mzz−E/HFO−1336mzz−Zブレンドを作動流体として用いた亜臨界ORC
表Fは、3つの異なる組成のHFO−1336mzz−E/HFO−1336mzz−Zブレンドを用いたランキンサイクルの性能をまとめている。HFO−1336mzz−E/HFO−1336mzz−Zブレンドの組成は、異なる性能目標を実現するために変更することができる。
HFO−1336mzz−Eを用いた遷臨界ORC
表Gは、HFO−1336mzz−E、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−EとHFO−1336mzz−Zとの50/50重量%ブレンド、およびHFC−245faを用いた遷臨界ORCの性能を比較している。
本発明は以下の実施の態様を含むものである。
[1]熱源から熱を回収し機械的エネルギーを発生させる方法であって:
(a)第1の作動流体を液相で熱交換器または蒸発器に通すステップであって、前記熱交換器または前記蒸発器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(b)前記熱交換器または前記蒸発器から前記第1の作動流体の少なくとも一部を気相で取り出すステップと;
(c)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換されるステップと;
(d)前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記気相の第1の作動流体の前記少なくとも一部が凝縮して、液相の第2の作動流体となるステップと;
(e)選択的に、前記液相の第2の作動流体とステップ(a)の前記液相の第1の作動流体との圧縮および混合を行うステップと;
(f)選択的に、ステップ(a)から(e)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、方法。
[2]熱を機械的エネルギーに変換する効率(サイクル効率)が少なくとも約7%である、前記1に記載の方法。
[3]前記蒸発器の運転温度が約171℃以下である、前記1に記載の方法。
[4]前記蒸発器の運転圧力が約2.5MPa未満である、前記1に記載の方法。
[5]前記第1の作動流体のGWPが約35未満である、前記1に記載の方法。
[6]熱を発生する前記方法が、製油所、石油化学プラント、石油・ガスパイプライン、化学工業、商業用建物、ホテル、ショッピングモール、スーパーマーケット、製パン所、食品加工業、飲食店、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、木材キルン、焼成作業、鉄鋼産業、ガラス産業、鋳造業、精錬、空調、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つの産業に関連する少なくとも1つの作業である、前記1に記載の方法。
[7]ステップ(a)の前記熱交換器と、前記熱を発生する前記方法との間に配置される二次熱交換器ループをさらに含む、前記1に記載の方法。
[8]
前記二次熱交換器ループが、前記熱交換器と前記熱を発生する前記方法との両方に連通して二次流体を通することによって、前記熱が前記方法から前記二次流体に伝達され、その後、前記熱を前記二次流体から前記第1の作動流体に液相で伝達するステップを含む、前記7に記載の方法。
[9]前記二次流体が少なくとも1種類の高沸点流体を含む、前記8に記載の方法。
[10]前記二次流体が、グリコール類、シリコーン類、または他の本質的に不揮発性の流体からなる群から選択される少なくとも1つである、前記8に記載の方法。
[11]熱源から熱を回収し機械的エネルギーを発生させる方法であって:
(a)液相の第1の作動流体を、前記第1の作動流体の臨界圧力を超えて圧縮するステップと;
(b)ステップ(a)で得た前記第1の作動流体を熱交換器または流体加熱器に通し、前記第1の作動流体を前記第1の作動流体の臨界温度よりも高いまたは低い温度に加熱するステップであって、前記熱交換器または前記流体加熱器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(c)加熱された前記第1の作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器流体加熱器から取り出すステップと;
(d)加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、
前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換され、
加熱された前記第1の作動流体の前記第1の少なくとも一部に対する圧力が、前記第1の作動流体の臨界圧力未満に下がることによって、加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を、第1の作動流体の気体、あるいは第1の作動流体の気体および液体の混合物とするステップと;
(e)前記第1の作動流体の気体、あるいは前記第1の作動流体の気体および液体の混合物を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記作動流体の気体、あるいは前記作動流体の気体および液体の混合物の前記少なくとも一部が全て凝縮されて、液相の第2の作動流体となるステップと;
(f)選択的に、液相の前記第2の作動流体をステップ(a)の液相の前記第1の作動流体で圧縮および混合するステップと;
(g)選択的に、ステップ(a)から(f)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体の少なくとも約20重量パーセントが、HFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、方法。
[12]熱を機械的エネルギーに変換する効率(サイクル効率)が少なくとも約7%である、前記11に記載の方法。
[13]ステップ(b)において前記第1の作動流体が加熱される温度が約50℃〜約400℃の範囲にある、前記11に記載の方法。
[14]ステップ(a)において前記第1の作動流体が加圧される圧力が約3MPa〜約10MPaの範囲にある、前記11に記載の方法。
[15]前記第1の作動流体のGWPが約35未満である、前記11に記載の方法。
[16]熱を発生する前記方法が、製油所、石油化学プラント、石油・ガスパイプライン、化学工業、商業用建物、ホテル、ショッピングモール、スーパーマーケット、製パン所、食品加工業、飲食店、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、木材キルン、焼成作業、鉄鋼産業、ガラス産業、鋳造業、精錬、空調、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つの産業に関連する少なくとも1つの作業である、前記11に記載の方法。
[17]ステップ(a)の前記熱交換器と、前記熱を発生する前記方法との間に配置される二次熱交換器ループをさらに含む、前記11に記載の方法。
[18]前記二次熱交換器ループが、前記熱交換器と前記熱を発生する前記方法との両方に連通して二次流体を通すことによって、前記熱を前記方法から前記二次流体に伝達し、その後、前記熱を前記二次流体から液相の前記第1の作動流体に伝達するステップを含む、前記13に記載の方法。
[19]前記二次流体が少なくとも1種類の高沸点流体を含む、前記14に記載の方法。
[20]前記二次流体が、グリコール類、シリコーン類、または他の本質的に不揮発性の流体からなる群から選択される少なくとも1つである、前記15に記載の方法。
[21]約250℃〜約300℃の範囲の温度のHFO−1336mzz−Zを含む組成物であって、前記HFO−1336mzz−Zの含有量が約50重量パーセント〜約99.5重量パーセントの範囲にある、組成物。
[22]約3MPa〜約10MPaの範囲の運転圧力で熱を取り出す有機ランキンサイクルシステムであって、前記システムが作動流体を含有し、前記作動流体の約50重量パーセントがHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、有機ランキンサイクルシステム。
[23]動力サイクルの作動流体としての組成物であって、前記組成物の温度が約200℃〜約400℃の範囲にあり、前記組成物の約50重量パーセントがHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む、組成物。
[24]動力サイクルシステム中のHFC−245faを代替する方法であって、前記HFC−245faを前記動力サイクルシステムから取り出すステップと、少なくとも約20重量パーセントのHFO−1336mzz−Z、HFO−1336mzz−E、またはそれらの混合物を含む作動流体で前記システムを充填するステップとを含む、方法。
[25]前記作動流体がHFO−1336mzz−ZとHFO−1336mzz−Eとの混合物を含み、前記作動流体が少なくとも約10重量パーセントのHFO−1336mzz−Eおよび90重量パーセント以上のHFO−1336mzz−Zを含む、前記24に記載の方法。
Claims (3)
- 熱源から熱を回収し機械的エネルギーを発生させる方法であって:
(a)液相の第1の作動流体を、前記第1の作動流体の臨界圧力を超えて圧縮するステップと;
(b)ステップ(a)で得た前記第1の作動流体を熱交換器または流体加熱器に通し、前記第1の作動流体を前記第1の作動流体の臨界温度よりも高いまたは低い温度に加熱するステップであって、前記熱交換器または前記流体加熱器が、前記熱を供給する前記熱源と連通しているステップと;
(c)加熱された前記第1の作動流体の少なくとも一部を前記熱交換器または前記流体加熱器から取り出すステップと;
(d)加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を膨張機に通すステップであって、
前記熱の少なくとも一部が機械的エネルギーに変換され、
加熱された前記第1の作動流体の前記第1の少なくとも一部に対する圧力が、前記第1の作動流体の臨界圧力未満に下がることによって、加熱された前記第1の作動流体の前記少なくとも一部を、第1の作動流体の気体、あるいは第1の作動流体の気体および液体の混合物とするステップと;
(e)前記第1の作動流体の気体、あるいは前記第1の作動流体の気体および液体の混合物を前記膨張機から凝縮器に通すステップであって、前記作動流体の気体、あるいは前記作動流体の気体および液体の混合物の前記少なくとも一部が全て凝縮されて、液相の第2の作動流体となるステップと;
(f)選択的に、液相の前記第2の作動流体をステップ(a)の液相の前記第1の作動流体で圧縮および混合するステップと;
(g)選択的に、ステップ(a)から(f)を少なくとも1回繰り返すステップとを含み;
前記第1の作動流体が、HFO−1336mzz−EおよびHFO−1336mzz−Zの混合物からなる冷媒から本質的になり、前記混合物は64重量パーセントから94重量パーセントのHFO−1336mzz−Eからなる、方法。 - 約3MPa〜約10MPaの範囲の運転圧力で熱を取り出す有機ランキンサイクルシステムであって、前記システムが作動流体を含有し、前記作動流体が、HFO−1336mzz−EおよびHFO−1336mzz−Zの混合物、からなる冷媒から本質的になり、前記混合物は64重量パーセントから94重量パーセントのHFO−1336mzz−Eからなる、有機ランキンサイクルシステム。
- 動力サイクルシステム中のHFC−245faを代替する方法であって、前記HFC−245faを前記動力サイクルシステムから取り出すステップと、HFO−1336mzz−EおよびHFO−1336mzz−Zの混合物、からなる冷媒から本質的になる作動流体で前記システムを充填するステップとを含み、前記混合物は64重量パーセントから94重量パーセントのHFO−1336mzz−Eからなる、方法。
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