[发明专利]热力发动机的高效率工作介质的使用

说明书

本发明涉及用于执行有机朗肯循环（organicRankinecycle,ORC）的热力发动机，所述有机朗肯循环包括蒸发器、发动机、冷凝器和包括流体工作介质的回路，以及涉及热力发动机的工作介质的使用。

在化学工业中非常需要使用在从80到250温度范围内生成的低能量废热流。

为了优化现有的现场集成系统，并且为了提高能量效率并降低CO₂排放量，一个有前景的选择是把这些还没被利用的废热流通过使用热电联产（CHP）转化为电能。这采用热力发动机比如，在例如DE102009024436A1、DE102011076157A1和EP1016775A2中所公开的热力发动机。后面的两个热力发动机采用水/蒸汽作为工作介质。这些热力发动机的劣势在于它们在相对高的温度下操作。

蒸汽过程的高操作温度的问题已经通过使用ORC技术被克服，这是因为这项技术采用有机流体而不是蒸汽作为所述工作介质。

ORC代表有机朗肯循环。ORC过程是使用有机工作介质把热转化为机械功的热力学循环。

ORC过程是简单的热力学循环，在其中，所述工作介质被蒸发并且通过在高压力水平下供给热可选地被过度加热。所述过热的蒸气在膨胀器（尤其是发动机比如活塞发动机或者涡轮机）中经历膨胀冷却到更低的压力从而做功。所述功可以直接被机械地利用或者使用发电机被转化为电流。离开所述膨胀器的所述蒸气可以仍然处于过热状态或者可能已经被降压到它占据湿性蒸气区域的程度，以便所述蒸气的一些已经处于液态。完全液化在冷凝器中发生。在此，发电循环不是利用水而是利用有机工作流体被操作，所述有机工作流体能以更高的热力学效率利用在低温度水平下生成的热。

由于所述工作介质和过程配置之间的最佳交互作用对整个过程的效能有决定性影响并且因此对整个过程的效率有决定性影响，因此所采用的工作介质具有重要的作用。例如，所述工作介质影响电厂配置。工作介质的最佳选择能促进热能源的利用和所述电厂的效率。

适用于ORC过程的工作介质尤其包括（氢化）氯氟化碳和碳氢化合物以及流体的混合物（碳氢化合物和水、（氢化）碳氟化合物混合物）以及有机硅成分。现有的工业上实现的现有技术不仅采用碳氢化合物比如戊烷，而且采用硅氧烷比如八甲三硅氧烷，或者氯化烃类比如R134a或R245fa（Quoilin,S.，Lemort,V.，有机朗肯循环的技术和经济调查，第五届工业能源经济和管理欧洲会议，维拉摩拉，葡萄牙，14.04.-17.04.2009）。利用这样的ORC技术的热力发动机被公开在例如EP1174590A2中，在EP1174590A2中，使用戊烷作为有机工作流体，即，作为所述工作介质。

现有技术工作流体的劣势包括可能危害环境（CFCs：危害臭氧层和全球变暖）以及可能危害工作场所的安全性（碳氢化合物：易燃性、爆炸防护）并且还包括由于不够优化的电厂设计和流体性能所导致的热力学限制。

对于某些蒸气膨胀发动机（活塞发动机），不存在可以在从80到250的温度范围内被采用的优化的工作流体。

氟化烃类是最为广泛地被描述的工作介质中的一些。这些物质的重大优势在于它们的物理性质。例如，这些物质通常是不易燃且无毒的。这样的物质的劣势在于氟化烃类的沸点通常都非常低，因此所述物质一般被开发为冷却剂，并且因此氟化烃类在相对高的使用温度的ORC系统中被使用的适合性仅仅是有限的。

ORC工作介质的另一大群体是碳氢化合物，例如甲苯、戊烷和异丁烷。碳氢化合物作为适当的ORC工作介质是极其众所周知的并且在ORC发动机中被采用。然而，当利用这些介质时，必须考虑它们的性能。这些物质的主要劣势在于他们通常是易燃的且对环境有害。所述物质通常还对气候有高度破坏的影响。

作为现有技术ORC应用的例子，乙醇作为在从大约250开始的温度范围内最有效的工作介质，目前被用在来自DeVeTecGmbH的ORC蒸气发动机中。

然而，由于工业废热流常常在80和250之间的温度水平，所以基于乙醇的ORC过程无法在此经济地操作。