[发明专利]可用作有机液兰金循环工作流体的氯-和溴-氟烯烃化合物

说明书

技术领域

本发明总体上涉及有机液兰金循环（organic Rankine cycle）工作流体。更具体地，本发明涉及作为有机液兰金循环工作流体的氯-和溴-氟-烯烃。

背景技术

通常蒸汽形式的水到目前为止是最通常使用的用于将热能转化成为机械能的工作流体。这一点部分是由于其宽可得性、低成本、热稳定性、无毒特性和宽的潜在工作范围。但是，其它流体，例如氨气已经用于某些应用，例如海洋热能转化(OTEC)系统。在一些情况下，流体，例如CFC-113已经用来回收来自废热的能量，例如来自燃气轮机的废气。另一个可能性使用两种工作流体，例如水用于高温/压力第一阶段和更挥发性流体用于较冷的第二阶段。这些混杂能量系统(通常也称为二元能量系统)可以比仅使用水和/或蒸汽更加有效。

为获得安全和可靠的能源，例如数据中心、军事设施、政府建筑和旅馆使用分布式发电系统。为避免在失去网络供电时可能发生的服务损失，包括当设计用来防止这样的事故的装置失灵时可能发生的大范围串连断电（cascading power outages），分布式发电的使用似乎要增长。通常，现场原动力（prime mover），例如气体微涡轮，驱动发电机并产生用于现场使用的电能。该系统连接到电力网或在一些情况下，可以独立于电力网运行。类似地，能够基于不同燃料源运行的内燃机被用于分布式发电。燃料电池也商品化用于分布式发电。来自这些来源的废热以及来自工业操作、填埋场火炬的废热以及来自太阳和地热资源的热量可以用于热能转化。对于其中可获得低-至中级热能的情况，典型地，在兰金循环中使用有机工作流体(代替水)。使用有机工作流体的主要原因是如果水在这些低温度下用作工作流体，将需要提供高容量(大装置尺寸)。

源和散热器（sink）温度之间的差值越大，有机液兰金循环热力学效率越高。由此可见有机液兰金循环系统效率受使工作流体与源温匹配的能力的影响。工作流体的蒸发温度与源温越接近，效率将越高。工作流体临界温度越高，可以获得的效率越高。但是，还存在与选择工作流体有关的对热稳定性、可燃性和材料相容性的实际考虑。例如，为使用高温废热源，经常使用甲苯作为工作流体。但是，甲苯易燃并且具有毒物学问题。在175℉至500℉ (79℃至260℃)的温度范围中，使用不易燃流体，例如HCFC-123 (1,1-二氯-2,2,2-三氟乙烷)和HFC-245fa (1,1,1,3,3-五氟丙烷)。但是，HCFC-123具有较低的允许暴露水平，并且已知在低于300℉的温度下形成有毒的HCFC-133a。为避免热分解，HCFC-123可能被限制在蒸发温度为200℉-250℉ (93℃-121℃)。这样限制了循环效率和输出量。在HFC-245fa的情况下，临界温度低于最佳值。除非使用更耐用的装置以便使用跨临界循环，否则将HFC-245fa有机液兰金循环保持在低于309℉ (154℃)临界温度。为将有机液兰金循环的有效输出量和/或效率提高到超过HCFC-123和HFC-245fa的上述限制，必须寻找具有更高临界温度的工作流体，使得可以更紧密接近可用的源温，例如燃气轮机和内燃机废气。

被称为HFC (氢氟烃)的化学品类别的一些成员已经被研究，作为被称为CFC (氯氟烃)和HCFC (氢氯氟烃)的化合物的替代物。CFC和HCFC已被证明对行星大气臭氧层有害。HFC发展的原始推动力是制造可用于空调/热泵/绝缘应用的不可燃、无毒、稳定的化合物。但是，这些HFC很少具有超过室温的沸点。如上所述，临界温度高于例如HFC-245fa的工作流体是理想的。因为沸点与临界温度相似，从而具有比HFC-245fa更高沸点的流体是理想的。

与氟代乙烷和氟代甲烷相比，某些氢氟代丙烷，包括HFC-245fa的特征为热容更高，这部分是因为振动分量贡献增加。基本上，较长的链长对振动自由度有贡献；当然，分子上的构分及其相对位置同样影响振动分量。较高的热容有助于较高的循环效率，原因是由于热能利用改善(显热加热中获取的可用热能百分比更高)，功提取组分(work extraction component)增加以及整个系统效率增加。另外，蒸发潜热对热容的比率越小，热交换器操作中将越不可能存在任何显著的窄点作用。因此，与HFC-245fa和HCFC-123相比，具有例如更高蒸气热容、更高液体热容、更低潜热-热容比、更高临界温度和更高热稳定性、更低臭氧消耗可能性、更低全球变暖可能性、不易燃性和/或理想的毒物学性能的工作流体将显示优于例如HFC-245fa和HCFC-123的流体的改进。