JP7113803B2 - テトラフルオロプロペン及びテトラフルオロエタンを含む組成物、動力サイクルにおけるその使用、並びに動力サイクル装置 - Google Patents
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Description
約100℃以下の温度の熱は、様々な熱源から大量に入手可能である。それは、様々な工業プロセスから副生成物として獲得してもよく、ソーラーパネルを通して日照から収集してもよく、浅い又は深い井戸を通して地質学的熱水貯留層から抽出してもよい。このような熱は、E-HFO-1234ze及びHFC-134を含む作動流体、又はE-HFO-1234ze、HFC-134、及びHFC-134aを含む作動流体を用いて、ランキンサイクルを通して様々な用途のために機械力又は電力に変換することができる。
(a)液体作動流体をその臨界圧よりも低い圧力に圧縮する工程と、
(b)(a)から得られた圧縮された液体作動流体を、熱源によって供給された熱を用いて加熱して、蒸気作動流体を形成する工程と、
(c)作動流体の圧力を低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)冷却された液体作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する工程と、
(e)冷却された液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、を含む。
(a)液体作動流体を該作動流体の臨界圧よりも高い圧力に圧縮する工程と、
(b)(a)から得られた圧縮された作動流体を、熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と、
(c)作動流体の圧力をその臨界圧よりも低い圧力に低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)冷却された液体作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する工程と、
(e)冷却された液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、を含む。
(a)作動流体をその臨界圧よりも高い圧力からより高い圧力に圧縮する工程と、
(b)(a)から得られた圧縮された作動流体を、熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と、
(c)作動流体の圧力をその臨界圧よりも高い圧力に低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)その臨界圧よりも高い、冷却された作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する、工程と
(e)冷却された液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、を含む。
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、及び約25%。
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、及び約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℃。
本発明によれば、熱を機械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。装置は、E-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(E-HFO-1234ze)と、1,1,2,2-テトラフルオロエタン(HFC-134)及び1,1,1,2-テトラフルオロエタン(HFC-134a)から選択される少なくとも1つの化合物とを含む作動流体を含有する。典型的に、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ユニットと、その圧力を低減することによって、加熱された作動流体を膨張させることにより、機械エネルギーを発生させることができる膨張機とを含む。膨張機としては、ターボ又は動的膨張機(例えば、タービン)、及び容積式膨張機(例えば、スクリュー膨張機、スクロール膨張機、ピストン膨張機、及びロータリーベーン膨張機)が挙げられる。機械力は、直接(例えば、圧縮機を駆動するために)用いてもよく、又は発電機の使用を通して電力に変換してもよい。典型的に、装置は、膨張した作動流体を冷却するための作動流体冷却ユニット(例えば、凝縮機又は熱交換機)、及び冷却された作動流体を圧縮するための圧縮機も含む。
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、及び約119℃。
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、3.10、3.15、3.20、3.25、3.30、3.35、3.40、3.45、3.50、3.55、3.60、3.65、3.70、3.75、3.80、3.85、3.90、3.95、4.00、4.05、4.10、4.15、4.20、4.25、4.30、4.35、4.40、4.45、4.50、4.55、及び約4.60MPa。
幾つかの実施形態では、有機ランキンサイクルを含む動力サイクルで特に有用な、E-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(E-HFO-1234ze)と、1,1,2,2-テトラフルオロエタン(HFC-134)及び1,1,1,2-テトラフルオロエタン(HFC-134a)から選択される少なくとも1つの化合物とを含む組成物は、共沸性又は共沸混合物様である。
E-HFO-1234ze/HFC-134ブレンドを作動流体として用いる亜臨界ランキンサイクルによる動力生成
約100℃以下の温度の熱は、様々な熱源から大量に入手可能である。熱は、様々な工業プロセスから副生成物として獲得してもよく、ソーラーパネルを通して日照から収集してもよく、あるいは浅い又は深い井戸を通して地質学的熱水貯留層から抽出してもよい。このような熱は、作動流体としてE-HFO-1234ze/HFC-134(又はE-HFO-1234ze/HFC-134/HFC-134a)ブレンドを用いるランキンサイクルにより、様々な用途のための機械力又は電力に変換することができる。
250℃におけるE-HFO-1234ze及びHFC-134の化学的安定性
金属の存在下におけるE-HFO-1234zeの化学的安定性を、ANSI/ASHRAE規格97-2007の封管試験方法に従って試験した。封管試験において用いられるE-HFO-1234zeの原料は、約99.98重量%の純度であり、水も空気も実質的に含有していなかった。
作動流体としてE-HFO-1234ze/HFC-134ブレンドを用いる遷移臨界ランキンサイクルによる動力生成
この実施例は、遷移臨界サイクル条件下においてE-HFO-1234ze及びHFC-134を含有する作動流体を用いる、ランキンサイクルを通した熱からの動力生成を示す。上記実施例2において提供された証拠は、E-HFO-1234ze及びHFC-134のブレンドが、それらの臨界温度よりも実質的に高い温度で化学的に安定を保ち得ることを強く示唆する。したがって、E-HFO-1234ze及びHFC-134を含む作動流体は、HFO-1234ze及びHFC-134を含有する作動流体が超臨界状態にあり得る温度及び圧力で熱を回収するランキンサイクルを可能にすることができる。より高温の熱源の使用は、より低温の熱源の使用と比べて、より高いサイクルエネルギー効率(及び動力生成のための容積)をもたらし得る。
蒸気漏出の影響
約25℃の温度で初期組成物を容器に投入し、この組成物の初期蒸気圧を測定する。温度を一定に保持しながら、初期組成物の50重量%が除去されるまで組成物を容器から漏出させ、その時点で容器内に残る組成物の蒸気圧を測定する。データを表5に示す。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134(63/37重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体として(ASHRAE規格34に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134(63/37重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134(35/65重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体として(ASHRAE規格34に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134(35/65重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体としてHFO-1234ze-E/HFC-134(95/5重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体としてHFO-1234ze-E/HFC-134(95/5重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134a(55/45重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のE-HFO-1234zeに対して、作動流体として(ASHRAE規格34に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134a(55/45重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134a(70/30重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体として(60℃でASTM E-681に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134a(70/30重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134/HFC-134a(35/16/49重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体として(ASHRAE規格34に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134/HFC-134a(35/16/49重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
未希釈のHFO-1234ze-Eに対する、作動流体として不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134/HFC-134a(60/10/30重量%)ブレンドを用いる有機ランキンサイクルの性能
以下の表は、未希釈のHFO-1234ze-Eに対して、作動流体として(ASHRAE規格34に従って)不燃性のHFO-1234ze-E/HFC-134/HFC-134a(60/10/30重量%)ブレンドを用いるORCの性能を比較する。
実施形態A1。熱源からの熱を機械エネルギーに変換する方法であって、前記熱源から供給される熱を用いて、E-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、1,1,1,2-テトラフルオロエタン及び1,1,2,2-テトラフルオロエタンから選択される少なくとも1つの化合物と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低下させ、前記作動流体の圧力が低下するにつれて機械エネルギーを発生させる工程と、を含む。
Claims (14)
- 有機ランキン装置で熱源からの熱を機械エネルギーに変換する方法であって、前記熱源から供給される熱を用いて、E-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン、1,1,1,2-テトラフルオロエタン、および1,1,2,2-テトラフルオロエタンからなる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低下させ、前記作動流体の圧力が低下するにつれて機械エネルギーを発生させる工程とを含み、
前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、合計40~65重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンおよび1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる方法。 - 前記作動流体を、加熱前に圧縮し、前記膨張した前記作動流体を、反復サイクルのために冷却及び圧縮する、請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体は不燃性組成物である、請求項1に記載の方法。
- 亜臨界サイクルを用いて、熱源からの熱を機械エネルギーに変換する、請求項2に記載の方法であって、
前記方法は、
(a)液体作動流体を、その臨界圧よりも低い圧力に圧縮する工程と、
(b)蒸気作動流体を形成するために、(a)から得られた圧縮された液体作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と、
(c)前記作動流体の圧力を低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)冷却された液体作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する工程と、
(e)冷却された液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、
を含む方法。 - 遷移臨界サイクルを用いて、熱源からの熱を機械エネルギーに変換する、請求項2に記載の方法であって、
前記方法は、
(a)液体作動流体を前記作動流体の臨界圧よりも高い圧力に圧縮する工程と、
(b)(a)から得られた圧縮された作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と、
(c)前記作動流体の圧力をその臨界圧よりも低い圧力に低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)冷却された液体作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する工程と、
(e)冷却された前記液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、
を含む方法。 - 超臨界サイクルを用いて、熱源からの熱を機械エネルギーに変換する、請求項2に記載の方法であって、
前記方法は、
(a)作動流体をその臨界圧よりも高い圧力からより高い圧力に圧縮する工程と、
(b)(a)から得られた圧縮された作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と、
(c)前記作動流体の圧力をその臨界圧よりも高い圧力に低下させ、機械エネルギーを発生させるために、(b)から得られた加熱された作動流体を膨張させる工程と、
(d)その臨界圧よりも高い、冷却された作動流体を形成するために、(c)から得られた膨張した作動流体を冷却する工程と、
(e)冷却された液体作動流体を、圧縮するために(d)から(a)に循環させる工程と、
を含む方法。 - E-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン、1,1,1,2-テトラフルオロエタン、および1,1,2,2-テトラフルオロエタンからなる作動流体を含み、前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、合計40~65重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンおよび1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる、有機ランキン装置。
- (a)熱交換ユニットと、(b)前記熱交換ユニットと流体連通している膨張機と、(c)前記膨張機と流体連通している作動流体冷却ユニットと、(d)前記作動流体冷却ユニットと流体連通している圧縮機と、を含み、前記作動流体が、次いで、反復サイクルにおいて構成要素(a)、(b)、(c)、および(d)を繰り返し流れるように、前記圧縮機が、前記熱交換ユニットと更に流体連通している、請求項7に記載の有機ランキン装置。
- 前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、10~16重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンと、30~49重量パーセントの1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる、請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、10~26重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンと、24~49重量パーセントの1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる、請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体が、共沸性混合物または共沸混合物様組成物である、請求項1に記載の方法。
- 前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、10~16重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンと、30~49重量パーセントの1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる、請求項7に記載の有機ランキン装置。
- 前記作動流体が、35~60重量パーセントのE-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンと、10~26重量パーセントの1,1,2,2-テトラフルオロエタンと、24~49重量パーセントの1,1,1,2-テトラフルオロエタンと、からなる、請求項7に記載の有機ランキン装置。
- 前記作動流体が、共沸混合物または共沸混合物様組成物である、請求項7に記載の有機ランキン装置。
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