[发明专利]有机工作流体

说明书

发明领域

本发明涉及有机流体，并更具体地涉及在高温有机Rankine循环(ORC)应用中用作工作流体以及在低温和高温热传递循环中用作导热流体的有机流体。

背景

为了克服用于热传递或用于废热回收和发电的水蒸汽介质应用的缺点，已经引入了用作发电装置内的工作流体和用作工作和热传递中介的高温有机工作流体。基于热力学上的有机Rankine循环的热-能转换器，或类似的热-能传递系统，在热回收和发电中是有用的，特别是在遥远的位置，在那里热来自于不同的来源，例如气体涡轮废气、常规燃料的燃烧、生物质燃料的燃烧、地热源、太阳热收集器和发电装置以及其它工业过程中的废热，用来产生范围在一百或更多瓦特(W)直至数十兆瓦(MW)的电能。可以承受高达约350℃的高温的有机流体比水蒸汽有优势，甚至在低冷凝温度和高涡轮膨胀比下能成功地在电能生成循环中得以利用，而上述情况下蒸汽的使用会受到限制，因为蒸汽的膨胀在涡轮出口处形成液滴，这会导致涡轮叶片的腐蚀。由于有机流体的性质，它们在膨胀工艺中变得过热(或干燥)，这一特性防止它们象蒸汽那些形成液滴。在相对低温通常高至约200℃的范围内可操作的有机流体和它们的衍生物通常是CFC、氟利昂、丁烷(包括正丁烷和异丁烷在内)、和戊烷(也包括正戊烷和异戊烷异构体在内)。对于需要更高操作温度的应用，需转用芳烃、烷基化芳烃、氟化烃例如F75和F43，和硅酮基的油。烷基化芳烃的实例是商业的Dowtherm J(它是Dow化学公司制造的烷基化芳烃异构体的混合物)和Therminol LT(它是Solutia Inc制造的烷基取代芳烃)。

然而以上提到的工作流体的应用的确存在若干缺点。首先，例如F75或F43的流体是昂贵的。其次，这些工作流体需要定期处理和循环。第三，它们限制了操作温度而导致较低的效率。

因此，需要稳定的可商购得到的有机化合物，可以在宽的温度范围内以其液体和蒸汽状态下操作，这样对于能量或电力生产循环或者对于热传递循环来说，它成功地表现出作为工作流体或热流体的改进的性能。

因此本发明的目的是提供高度热稳定的流体，该流体对于能量或电力生产循环来说用作工作流体或对于热传递循环来说用作热传递流体，或用作二者。

本发明的另一个目的是提供具有高临界温度和在升高的温度下相对低压的工作流体。

本发明的又一个目的是提供具有高自燃温度的工作流体。

本发明的再一个目的是提供具有低冻结或固化温度的工作流体。

本发明的另一个目的是提供对人类和对环境友好的工作流体。

本发明的又一个目的是提供容易被本领域技术人员得到的工作流体。

本发明的再一个目的是提供可在宽温度范围内操作的工作流体。

本发明的另一个目的是提供在用于电力或能量生产的热回收应用中用于有机Rankine循环或用于其它热-能转化循环的工作流体，和/或作为热传递循环中的热传递流体。

本发明的又一个目的是提供这类工作流体在从不同的热源回收热和废热用于电力或能量的产生和/或该热的其它用途中的用途。

随着下面的描述，本发明的这些和其它目的将会变得清楚。

发明概述

本发明提供改进的、可商购得到的有机工作流体，它可在宽的温度范围内操作，它是热稳定的、具有高自燃温度、低冻结点和高临界温度。这类有机工作流体在有机Rankine循环(ORC)发电装置或装置和其它类似系统中是有用的；它还用作热回收中的中介流体，其中使用该中介流体将来自于不同热源的热传递至另一种工作流体并转化为功，并且还用该中介流体来生产电。这类有机工作流体还可在ORC发电装置或装置或者在其它热传递系统中用作热传递流体。

出于这个目的，本发明提供了工作流体，它包含至少一种高度支化的重质异链烷烃，或两种或多种这类烃的混合物。优选地，在该工作流体中存在至少一种高度支化的异链烷烃作为主要组份(即至少50体积％)。由于甲基(CH₃)的排列位置能得到高度稳定的化合物，这赋予这类烃高度热稳定性。这类高度支化的重质异链烷烃或有机流体具有高沸点温度以及高自燃温度，和低冻结温度。它们展示出高的热稳定性，此外对环境是友好的，且对于人类使用来说是安全的。它们的高临界温度使其能在低于该临界温度的高温下操作，由此达到了高循环效率而没有在高压和在临界点之上的操作所伴随的复杂性。另一个优点是它们可商购得到，通过它们的应用，使得从不同的热源生产电或能量，或在发电装置内的热传递或在其它应用中是成本有效的。