专利名称：用于产生电能的方法以及工作介质的用途的制作方法
用于产生电能的方法以及工作介质的用途本发明涉及用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法，其中执行VPT循环过程。由于世界范围内不断增加的能源价格，用于利用甚至在至多400°C的低温范围的废热例如地热或者工业过程的废热形式的系统具有越来越重要的意义。比起使用有机的、通常对环境有害的工作介质的传统的ORC循环过程(0RC :有机朗肯循环)，或者比起在技术上耗费较大并且使用氨-水-混合物作为工作介质的所谓的卡琳娜循环过程，借助于VPT循环过程更深度利用低温热源的热量。VPT循环过程以涡轮为基础(VPT :可变相涡轮)，该涡轮可以借助于气相或者液相或者气相和液相的混合物驱动。这样的涡轮从US 7，093，503 BI公知。US 7，093, 503 BI在图7中公开了一种借助于至少一个低温热源产生电能的方法，其中执行VPT循环过程。借助于地热被加热的流体用作低温热源，该流体的热量传递到工作介质。该工作介质被供给至涡轮并且借助于喷嘴膨胀。形成的工作介质射束具有动能，该动能驱动发电机的转子来产生电能。工作介质(气态或者气态/液态)被冷却、冷凝并且被引导经过泵，通过该泵工作介质中的压力被提高。依据US 7，093，503 BI，接下来工作介质全部再次被输送到涡轮中，以冷却发电机和润滑涡轮中的密封件。在从涡轮排出以后再次借助于通过地热加热的流体将热量传递到工作介质上并因此循环闭合。在一种没有在US 7, 093, 503 BI中出现的运行方法中也可以进行发电机的冷却以及涡轮中的密封件的润滑，即只有一部分工作介质再次被输送到涡轮中，以冷却发电机和润滑涡轮中的密封件。分流到涡轮的部分在从涡轮排出后再与剩余部分的工作介质汇合。随后再次借助于通过地热加热的流体将热量传递到工作介质上，来使循环闭合。因此在这里循环过程同样被称为VPT循环过程，其中工作介质在泵之后只有一部分被再次输送到涡轮。在另一种没有在US 7, 093, 503 BI中出现的运行方法中也可以通过一种分开的润滑剂循环和/或冷却循环进行发电机的冷却以及涡轮中的密封件的润滑。因此在这里循环过程同样被称为VPT循环过程，其中工作介质在泵之后被直接送去通过借助于地热加热的流体加热并因此使循环闭合，而工作介质不再次被输送到涡轮。工作介质在闭合的系统中循环。它流过热交换区域(在该热交换区域中低温热源的热量被传递到工作介质)、涡轮、冷凝区域、泵，任选地再次完全或者部分输送到涡轮，以便最终再次被输送到热交换区域并且再次流过循环系统。依据US 7，093，503 BI，R134a(l，1，1，2-四氟乙烷)和 R245fa(l，1，1，3，3-五氟丙烷)被描述作为VPT循环过程的工作介质。此外在Energent 公司的网站(http://www. energent.net/Projects % 20VPT.htm)上R245ca(l，l，2，2，3-五氟丙烷)也被列为在VPT循环过程中应用的工作介质。然而利用已知的工作介质，在基于工作介质温度为大约115°C的VPT循环过程中只能达到小于11. 5%的效率，也就是小于11. 5%的可用热能被转化为电能。因此本发明的目的在于，提高用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法的效、率，其中执行VPT循环过程。该目的通过第一种用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法解决，其中执行VPT循环过程，其中使用下述物质作为VPT循环过程的工作介质a)至少一种选自环烷烃、烯烃、二烯烃或者炔烃的物质，该物质具有2到6个碳原子，或者b)至少一种选自I-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、I-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者c)至少一种具有2个碳原子的醚。此外该目的通过第二种用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法得到解决，其中执行VPT循环过程，其中作为VPT循环过程的工作介质使用至少一种物质，该物质在液相中在115°C的温度具有大于17巴的逸度。VPT循环过程被理解为任何包含VPT涡轮的循环，该涡轮既可以借助于气态也可以借助于液态还可以借助于气态和液态的混合物被驱动。因此工作介质以液相存在，任选的工作介质的压力必须相应地提高，例如借助于泵。优选在这里特别是离心泵。这种方法使得效率提高到12%及更高。关于第一种方法优选的环烷烃是环丙烷。特别合适的烯烃是反式-2- 丁烯或者
1-氯-2，2-二氟乙烯。1，2-丁二烯、1，3-丁二烯或者丙二烯特别适合作为二烯烃。优选的炔烃是丙炔。特别优选的醚是二甲醚。关于第二种方法，优选使用选自I-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、I-氯-1，1-二氟乙烷、
2-甲基丙烷、异丁烯、环丙烷、丙二烯、丙炔或者二甲醚的物质作为VPT循环过程的工作介质。例如，在液相中在115°C I-氯-I, 2, 2, 2-四氟乙烧具有21.6巴的逸度，I-氯-I, I-二氟乙烷具有19. 9巴的逸度，2-甲基丙烷具有19. 2巴的逸度，异丁烯具有17. 9巴的逸度，环丙烷具有32. 6巴的逸度，丙二烯具有31. 3巴的逸度，丙炔具有30. I巴的逸度，并且二甲醚具有29.9巴的逸度。关于第二种方法，作为VPT循环过程的工作介质使用至少一种物质，该物质在液相中在115°C的温度具有大于20巴，特别优选大于25巴的逸度，这是特别有利的。从环境观点考虑，两种方法的上述物质中无卤素物质是特别优选的。此外，与使用工作介质混合物相比，优选使用纯的材料作为工作介质，因为用于执行VPT循环过程的装置的仪器方面的耗费可以由此减少。优选使用选自环丙烧、反式-2- 丁烯、I-氯-2, 2_ 二氟乙烯、I-氯-I, 2, 2, 2-四氟乙烷、溴二氟甲烷、I-氯-1，I-二氟乙烷、丙二烯、丙炔、氯代甲烷、三氟碘甲烷或者二甲醚 的物质作为VPT循环过程的工作介质。由此效率提高到12. 5%及更高的值。特别是使用选自环丙烷、丙二烯、丙炔、三氟碘甲烷或者二甲醚的物质作为VPT循环过程的工作介质。由此得到效率提高到13%及更高的值。特别优选使用二甲醚、丙炔、丙二烯或者三氟碘甲烷。这使得效率可以提高到13. 5%及更高的值。当使用丙二烯作为工作介质时，可以以有利的方式实现14%及更高的效率。为用于借助于至少一个低温热源产生电能的VPT循环过程使用以下形式的工作介质是理想的a)至少一种选自环烷烃、烯烃、二烯烃或者炔烃的物质，所述物质具有2-6个碳原子，或者b)至少一种选自I-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、I-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者c)至少一种具有2个碳原子的醚。此外，为用于借助于至少一个低温热源产生电能的VPT循环过程使用至少一种在液相中在115°C的温度具有大于17巴逸度的物质形式的工作介质也是理想的。已被证明有效的是，低温热源提供90_400°C，特别是100_250°C范围的温度。此外特别优选具有100-150°C范围温度的低温热源。低温热源优选通过地热供给，其中地面以小的钻井深度就足够获得可使用的90-250°C温度范围的废热。然而，替代的低温热源也可以通过工业过程的废热提供。产生可利用的废热的工业过程基于例如化学反应、热处理等，如它们经常存在于化学或者制药工业、钢铁工业、造
纸工业等。优选由低温热源提供的介质和工作介质在热交换区域的温差为至少5°C，特别是至少IO0Co在表格1-3中对比了一些工作介质的总效率n ,其中工作介质在VPT循环过程中被低温热源加热到了 115°C的温度。工作介质的温度在从低温热源到工作介质上的热传递
后直接确定。以下的表格包含已经公知的在VPT循环过程中使用的工作介质(粗体)以及示例性选择的其他的工作介质，由这些所选择的工作介质导致更高的效率。在表格中Tk,=临界温度。总效率根据下述公式计算n = (W 祸轮/Q 地热)*100其中Wffiffe =涡轮的功(单位为J)，其中功为绝对值；Qtts =低温热源和工作介质之间的界面的热量(单位为J)。表I :烯烃形式的工作介质与已知的工作介质的比较
权利要求
1.用于借助至少一个低温热源(2)产生电能的方法，其中执行VPT循环过程(1、10、100)，其特征在于，作为所述VPT循环过程(I、10、100)的工作介质，使用 a)至少一种选自环烷烃、烯烃、二烯烃或者炔烃的物质，所述物质具有2到6个碳原子，或者 b)至少一种选自I-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、I-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者 c)至少一种具有2个碳原子的醚。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，作为所述VPT循环过程(1、10、100)的工作介质使用选自环丙烷、反式-2-丁烯、异丁烯、I-氯_2，2-二氟乙烯、1，2-丁二烯、1，3-丁二烯、丙二烯、丙炔、三氟碘甲烷或者二甲醚的物质。
3.根据权利要求I或者2的方法，其特征在于，作为所述VPT循环过程(1、10、100)的工作介质使用选自环丙烷、丙二烯、丙炔、三氟碘甲烷或者二甲醚的物质。
4.用于借助至少一个低温热源(2)产生电能的方法，其中执行VPT循环过程(1、10、100)，其特征在于，作为所述VPT循环过程(1、10、100)的工作介质使用至少一种物质，该物质在液相在115°C的温度具有大于17巴的逸度。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，作为所述VPT循环过程的工作介质使用选自1_氯_1，2,2,2_四氟乙烧、I-氯_1，I- 二氟乙烧、2-甲基丙烧、异丁烯、环丙烧、丙二烯、丙炔、二甲醚的物质。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，所述低温热源(2)提供90-400°C范围的温度。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，所述低温热源⑵提供100-250°C范围的温度。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，所述低温热源(2)通过地热或者工业过程的废热提供。
9.以下形式的工作介质用于借助至少一个低温热源(2)产生电能的VPT循环过程(I、10、100)的用途 a)至少一种选自环烷烃、烯烃、二烯烃或者炔烃的物质，所述物质具有2到6个碳原子，或者 b)至少一种选自I-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、I-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者 c)至少一种具有2个碳原子的醚。
10.在液相在115°c的温度具有大于17巴的逸度的至少一种物质形式的工作介质用于借助至少一个低温热源(2)产生电能的VPT循环过程(1、10、100)的用途。
11.根据权利要求10的用途，其中所述至少一种物质在液相在115°c的温度具有大于20巴，特别是大于25巴的逸度。
12.根据权利要求9-11中任一项的用途，其中通过所述低温热源(2)提供90-400°C，特别是100-250°C范围的温度。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助于至少一个低温热源(2)产生电能的方法，其中执行VPT循环过程(1、10、100)。为了提高VPT循环过程的效率建议使用特定的工作介质。
文档编号F01K25/10GK102639819SQ201080020263
公开日2012年8月15日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年5月7日
发明者E·博策克, J·伦格特, K·希姆勒, M·芬茨, R·约 申请人:西门子公司