以CO2为主要组元新型动力循环混合工质及其系统和方法与流程

本发明涉及动力机械技术领域，特别涉及一种以CO2为主要组元新型动力循环混合工质。

背景技术：
低品位热能广泛存在，主要包括低温地热能、太阳热能和工业余热废热能等。低品位热能储量巨大，若能高效利用将产生巨大经济和社会效益。工业领域的余热总量巨大，冶金、化工、煤炭等行业的余热总资源占其燃料消耗的17%-67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。中高温热能可采用水作为工质的传统朗肯循环进行回收，低于350℃的热能采用传统朗肯循环时余热回收效率大幅降低，低于250℃的热能采用传统朗肯循环时系统甚至不能工作，造成目前低温热能大量浪费，回收利用的潜力非常大。采用低沸点工质的朗肯循环是低品位热能高效利用的有效方法，目前采用的低沸点工质主要是氟利昂类和烷烃类工质。氟利昂类工质一般具有较好的稳定性和安全性，但氟利昂类工质普遍对环境不友好，处于分阶段淘汰过程当中，且价格昂贵；烷烃类主要包括直链式烃类和芳香族烃类，如丁烷、异丁烷、戊烷、甲苯等，它们具有较好的热力学属性，但是可燃，运行安全性较差。CO2属于自然工质，具有良好的环境性能，ODP为0，GWP为1，自身无毒，不可燃，热稳定性强，价格低廉。但由于CO2临界温度为31℃，以CO2作为动力循环工质时，其不能被常规冷却水冷凝。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提出较好的动力循环工质，在保证系统运行稳定和安全的前提下，降低动力循环工质成本。本发明提出一种以CO2为主要组元新型动力循环混合工质，包括：CO2/丙烷混合工质、CO2/环丙烷混合工质、CO2/丙炔混合工质、CO2/丁烷混合工质、CO2/异丁烷混合工质、CO2/顺丁烯混合工质、CO2/反丁烯混合工质和CO2/环戊烷混合工质。优选地，CO2/丙烷混合工质中丙烷质量百分数在20%-60%；CO2/环丙烷混合工质中环丙烷质量百分数在1%-30%；CO2/丙炔混合工质中丙炔质量百分数在1%-30%；CO2/丁烷混合工质中丁烷质量百分数在1%-30%；CO2/异丁烷混合工质中异丁烷质量百分数在1%-30%；CO2/顺丁烯混合工质中顺丁烯质量百分数在1%-30%；CO2/反丁烯混合工质中反丁烯质量百分数在1%-30%；CO2/环戊烷混合工质中环戊烷质量百分数在1%-30%。另一方面，本发明还同时提供一种动力循环系统，该系统中的循环工质为上述混合工质。再一方面，本发明还同时提供一种动力循环方法，该方法中采用上述混合工质作为循环工质。本发明涉及的混合工质具有比CO2更高的临界温度和更低的临界压力，与采用纯CO2作为工质相比，混合工质循环中，工质能够被30℃左右的常规冷却水冷凝，且循环压力更低，有助于降低系统成本；由于主要组元CO2的存在，混合工质的可燃性也低压第二组元可燃性；同时混合物工质具有很好的环境友好性。附图说明图1为本发明的混合工质所使用的循环系统结构示意图；图2为本发明的混合工质所采用的循环流程示意图；图3为本发明的一个实施例中将CO2与丙烷按50:50的质量百分比混合所得混合工质的性能曲线示意图。具体实施方式下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。本发明涉及的新型动力循环混合工质应用于低品位热能驱动的动力循环系统中，如图1所示，工质循环系统包括加热器1、膨胀机（或汽轮机）2、冷却器3、工质泵4。循环工作原理如图2所示，工质在加热器中被热源流体加热，然后高温高压工质进入膨胀机（或汽轮机）膨胀并对外输出轴功，低温低压的气态工质进入冷却器与低温热源流体（冷却水）进行换热冷却并冷凝为液态，低温低压液态工质经过工质泵增压达到设计压力，进入加热器与热源流体换热重新达到高温高压状态，从而完成一个循环。本发明旨在提供一种更易被处理且循环性能更高的循环工质，为此提供了一种以CO2为主要组元新型动力循环混合工质。本发明涉及的混合工质在加热器中吸热和在冷凝器中放热时，混合工质与热源流体具有比纯质更好的温度匹配，循环具有更高的低品位热能利用效率。具体地，本发明的混合工质包括以下实施方式：实施例A1：系统充灌工质时将丙烷和CO2按50:50的质量百分比进行物理混合。实施例B1：系统充灌工质时将环丙烷和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例B2：系统充灌工质时将环丙烷和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例B3：系统充灌工质时将环丙烷和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例C1：系统充灌工质时将丙炔和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例C2：系统充灌工质时将丙炔和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例C3：系统充灌工质时将丙炔和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例D1：系统充灌工质时将丁烷和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例D2：系统充灌工质时将丁烷和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例D3：系统充灌工质时将丁烷和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例E1：系统充灌工质时将异丁烷和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例E2：系统充灌工质时将异丁烷和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例E3：系统充灌工质时将异丁烷和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例F1：系统充灌工质时将顺丁烯和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例F2：系统充灌工质时将顺丁烯和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例F3：系统充灌工质时将顺丁烯和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例G1：系统充灌工质时将反丁烯和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例G2：系统充灌工质时将反丁烯和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例G3：系统充灌工质时将反丁烯和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。实施例H1：系统充灌工质时将环戊烷和CO2按10:90的质量百分比进行物理混合。实施例H2：系统充灌工质时将环戊烷和CO2按20:80的质量百分比进行物理混合。实施例H3：系统充灌工质时将环戊烷和CO2按30:70的质量百分比进行物理混合。下表具体显示了各实施例中混合工质的临界参数，可以看出，通过各实施例中以适当的比例混合CO2及相应工质，可以实现对工质所需临界温度和临界压力的有效调节。表1.临界参数比较进一步地，针对200℃，液态型热源（比热为2.3kJ/(kg·K），密度为0.790kg/m3），热源流体质量流量为10kg/s，汽轮机（或膨胀机）和工质泵效率均为0.75，加热器传热窄点温差为10℃，冷凝器传热窄点温差为5℃，汽轮机（或膨胀机）进口温度为180℃，冷凝温度为35℃，得到部分实施例循环性能如表2所示。表2.循环性能对比通过上述实施例及其实验数据可知，本发明利用CO2与有机物质的适当混合，得到了临界参数可控的混合工质。本发明涉及的混合工质具有比CO2更高的临界温度和更低的临界压力，与采用纯CO2作为工质相比，混合工质循环中，工质能够被30℃左右的常规冷却水冷凝，且循环压力更低，有助于降低系统成本；由于主要组元CO2的存在，混合工质的可燃性也低压第二组元可燃性；同时混合物工质具有很好的环境友好性。