유기 작동 유체 document_id A220623053594

열 전달용 또는 폐열 회수용 및 발전용으로 수증기 매질의 사용에 따른 단점을 극복하기 위하여, 분말 공장에서 작동 유체로서, 및 작동 및 열 전달 중간체로서 고온 유기 작동 유체가 도입된 바 있다. 열역학 유기 랭킨 사이클, 또는 유사한 열-에너지 전달 시스템을 바탕으로 한 열-에너지 전환장치는 수백 와트(W) 내지 수십 메가와트(MW)의 전력을 생산하기 위하여 특히 열이 다양한 공급원, 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 태양열 집열장치 및 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 원격지에서의 열 회수 및 발전에 있어 유용하다. 약 350℃ 정도의 고온에서 유지가능한 유기 유체가 수증기보다 유익하며, 증기의 사용이 터빈 블레이드의 부식을 일으킬 수도 있는 증기의 팽창으로 인해 터빈 외부에 액적을 형성시킴으로써 제한될 수도 있는 낮은 응축 온도 및 높은 터빈 팽창률에서도 발전 사이클에서 성공적으로 이용될 수 있다. 유기 유체의 성질 때문에, 이들은 팽창 과정 중에 과열(또는 건조)되어 증기를 사용하는 경우에서와 같은 액적의 형성을 방지하는 특성이 있다. 통상적으로 약 200℃ 이하로 비교적 낮은 온도 범위하에서 작동가능한 유기 유체 또는 이들의 유도체로는 CFC, 프레온, n-부탄 및 iso-부탄을 포함한 부탄, 및 n-펜탄 및 iso-펜탄 이성질체를 포함한 펜탄이 있다. 보다 높은 작동 온도를 필요로 하는 용도를 위하여, 방향족 탄화수소, 알킬화된 방향족 탄화수소, F75 및F43과 같은 플루오르화 탄화수소 및 실리콘 기재 오일로의 전이가 필요하다. 알킬화된 방향족 탄화수소의 예로는 알킬화된 방향족 탄화수소의 혼합물로서 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)에서 제조, 시판된 다우썸 제이.(Dowtherm J.), 및 알킬 치환 방향족 탄화수소로서 솔루시아 인크.(Solutia Inc.) 제조, 시판된 써미놀 엘티(Therminol LT)이 있다. 그러나, 상기에서 언급한 작동 유체의 사용은 몇 가지 단점이 있다. 우선, F75 또는 F43과 같은 유체는 고가이다. 둘째로, 상기의 작동 유체는 주기적 처리 및 재생을 필요로 한다. 셋째로, 이들은 작동 온도가 제한되어 낮은 효율을 가져온다. 따라서, 광범위한 온도에서 그들의 액상 및 증기상으로 작동할 수 있어서 전력 또는 전기 발생 사이클 또는 열 전달 사이클용 작동 유체 또는 열 유체로서 개선된 성능을 훌륭하게 보여줄 수 있는 안정적이며, 상업적으로 시판되는 유기 화합물에 대한 필요가 존재하고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 전력 또는 전기 생산 사이클용 작동 유체로서 또는 열 전달 사이클용 열 전달 유체로서, 또는 이들 모두에 유용한 고도 열 안정성 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 임계 온도 및 승온에서 상대적으로 낮은 압력을 갖는 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 자동-점화 온도를 갖는 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 낮은 동결 또는 고화 온도를 갖는 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 인간 및 환경에 유해하지 않은 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 당업자들이 손쉽게 얻을 수 있는 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 광범위한 온도에서 작동가능한 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 열 회수 용도에서 전기 또는 전력 생산용 유기 랭킨 사이클 또는 다른 열-에너지 전환 사이클에서 사용하고(하거나) 열 전환 사이클에서 열 전환 유체로서 사용하기 위한 작동 유체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 전기 또는 전력 생산용 다양한 열 공급원으로부터 열 및 폐열 회수 및(또는) 열의 다른 용도를 위한 상기 작동 유체의 용도를 제공하는 것이다. 본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은 하기의 발명의 상세한 설명으로부터 자명할 것이다. 발명의 요약 본 발명은 광범위한 온도 범위에서 작동가능하고, 열적으로 안정하며, 높은 자동-점화 온도, 낮은 동결점 및 높은 임계 온도를 갖는 개선된 상업적으로 이용가능한 유기 작동 유체를 제공한다. 이러한 유기 작동 유체는 열 회수용 중간 유체로서 유기 랭킨 사이클(ORC) 발전 장치 또는 유니트 및 다른 기타 시스템에 유용하며, 여기서, 다양한 열 공급원으로부터의 열은 중간가 이용되어 추가의 작동 유체로 전달되어, 일로 전환되고, 또한 중간 유체는 전기를 생산하는데 활용된다. 또한, 이러한 유기 작동 유체는 ORC 발전 장치 또는 유니트, 또는 다른 열 전달 시스템에서 열 전달 유체로서 작동가능하다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명은 1 종 이상의 고도로 분지된 중 이소-파라핀 탄화수소 또는 상기 탄화수소 중 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 작동 유체를 제공한다. 바람직하게는, 작동 유체 중에서 1 종 이상의 고도로 분지된 이소-파라핀 탄화수소가 주 성분(즉, 50 부피% 이상)으로서 제공된다. 상기 탄화수소에 높은 열적 안정성이 제공되며, 이는 고도로 안정한 화합물을 얻기 위해 배열된 메틸 라디칼(CH3)의 위치에 기인한다. 상기의 고도로 분지된 중 이소-파라핀 탄화수소 또는 유기 유체는 높은 끓는점 온도 뿐만 아니라 높은 자동-점화 온도, 및 낮은 동결점 온도를 갖는다. 이들은 높은 열적 안정성을 나타내며, 환경에 유해하지 않으며, 인간이 사용하는데 안전하다. 이들의 높은 임계 온도는 임계 온도 이하의 고온에서의 작동을 가능하게 하고, 그럼으로써 상기의 임계점 이상 및 높은 압력에서의 작동과 관련한 복잡성 없이도 높은 사이클 효율을 얻도록 한다. 다른 이점은 이들의 상업적 이용가능성으로, 이들을 사용함으로써, 다양한 열 공급원으로부터 비용 효율적인 전기 또는 전력의 생산 또는 발전 장치 또는 다른 용에서 열 전달을 가능하게 한다. 본 발명의 유기 작동 유체에 혼합시키기에 적절한 분지된 이소-파라핀 군의 바람직한 하위군은 고도로 안정한 화합물을 얻기 위해 배열된 하나 이상의 메틸 라디칼(CH3)을 갖는 8 내지 20개의 탄소원자-함유 탄화수소를 포함한다. 바람직하게는, 분지된 이소-파라핀은 고도로 분지된 것으로서, 이는 이들이 3급 또는 4 급 탄소 원자에 부착된 3 내지 20 개의 메틸기를 갖는 갖을 의미한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, "실질적으로 분지된"은 3 개 이상의 분지된[즉, 비말단(non-end) 기인] 메틸기를 의미한다. 이러한 이소-파라핀, 또는 이들의 두 개 이상의 혼합물이 유리 랭킨 사이클(ORC)에 따른 발전 장치 운전 또는 임의의 다른 고공 열 회수 시스템에 있어서 작동 유체 중 주 성분으로서 또는 열 전달 사이클에서 열 유체로서 본 발명에 따라 사용된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 본 발명의 작동 유체 용도의 일 예로는 고도 열적 안정성 작동 유체를 포함하는 열 회수 시스템에서 그들의 용도를 들 수 있으며, 여기서, 개선점은 약 -50 내지 350℃ 범위에서 운전하는데 적정한 고도 열적 안정성 작동 유체를 포함하며, 이들은 주 성분으로서 하나 이상의 003c#화학식 1003e# 화합물을 포함한다. 003c#화학식 1003e# CnH2n+2 상기 식에서, n은 8 내지 20이며, 상기 003c#화학식 1003e#의 화합물은 실질적으로 분지된 것이다. 바람직하게는, 상기에 언급한 작동 유체는 상기 화합물에 존재하는 일부 또는 모든 메틸기는 하나 이상의 할로겐 또는 할로겐 함유 치환체로 치환된 하나 이상의 화합물을 포함하고, 여기서 할로겐은 불소, 염소 또는 브롬으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 또한, 바람직하게는, 상기에서 언급한 작동 유체는 연소방지제(fire-retardant agent), 유동 보조제. 마모 억제제, 윤활제, 동결 방지제, 항산화제 및 프로세스 오일(process oil) 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 첨가제를 추가로 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기에서 언급한 작동 유체는 이소-도데칸 또는 2,2,4,6,6-펜타메틸헵탄, 이소-에이코산 또는 2,2,4,4,6,6,8,10,10-노나메틸운데칸, 이소-헥사데칸 또는 2,2,4,4,6,8,8-헵타메틸노난, 이소-옥탄 또는 2,2,4-트리메틸펜탄, 이소-노난 또는 2,2,4,4-테트라메틸펜탄 및 이들 화합물 2 종 이상의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 이소-파라핀을 포함한다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 작동 유체 용도의 다른 예로는 고도 열적 안정성 작동 유체를 포함하는 열 회수 시스템에서 그들의 용도를 들 수 있으며, 여기서, 개선점은 약 -50 내지 350℃ 범위에서 운전하는데 적정한 고도 열적 안정성 작동 유체를 포함하며, 이들은 주 성분으로서 하나 이상의 003c#화학식 1003e# 화합물을 포함한다. 003c#화학식 1003e# CnH2n+2 상기 식에서, n은 8 내지 20이며, 상기 003c#화학식 1003e#의 화합물은 실질적으로 분지된 것이다. 바람직하게는, 상기에 언급한 작동 유체는 상기 화합물에 존재하는 일부 또는 모든 메틸기는 하나 이상의 할로겐 또는 할로겐 함유 치환체로 치환된 하나 이상의 화합물을 포함하고, 여기서 할로겐은 불소, 염소 또는 브롬으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 또한, 바람직하게는, 상기에서 언급한 작동 유체는 연소방지제(fire-retardant agent), 유동 보조제. 마모 억제제, 윤활제, 동결 방지제, 항산화제 및 프로세스 오일 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 첨가제를 추가로 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기에서 언급한 작동 유체는 이소-도데칸 또는 2,2,4,6,6-펜타메틸헵탄, 이소-에이코산 또는 2,2,4,4,6,6,8,10,10-노나메틸운데칸, 이소-헥사데칸 또는 2,2,4,4,6,8,8-헵타메틸노난, 이소-옥탄 또는 2,2,4-트리메틸펜탄, 이소-노난 또는 2,2,4,4-테트라메틸펜탄 및 이들 화합물 2 종 이상의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 이소-파라핀을 포함한다. 003c#도면의 간단한 설명003e# 이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 주제 및 그들의 실시형태에 대한 상세한 설명이 제공되나, 이러한 설명이 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한다고 여겨지는 의미는 아니다. 도 1은 본 발명의 작동 유체가 사용될 수 있는 발전 장치의 실시형태를 나타내는 도이다. 도 2는 또한 본 발명의 작동 유체가 사용될 수 있는 다른 발전 장치의 실시형태를 나타내는 도이다. 도 3은 본 발명의 작동 유체가 사용될 수 있는 발전 장치 일부분의 실시형태를 나타내는 도이다