以CO2為主要組元新型動力循環混合工質及其系統和方法與流程

本發明涉及動力機械技術領域，特別涉及一種以CO2為主要組元新型動力循環混合工質。

背景技術：
低品位熱能廣泛存在，主要包括低溫地熱能、太陽熱能和工業余熱廢熱能等。低品位熱能儲量巨大，若能高效利用將產生巨大經濟和社會效益。工業領域的余熱總量巨大，冶金、化工、煤炭等行業的余熱總資源占其燃料消耗的17%-67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。中高溫熱能可采用水作為工質的傳統朗肯循環進行回收，低于350℃的熱能采用傳統朗肯循環時余熱回收效率大幅降低，低于250℃的熱能采用傳統朗肯循環時系統甚至不能工作，造成目前低溫熱能大量浪費，回收利用的潛力非常大。采用低沸點工質的朗肯循環是低品位熱能高效利用的有效方法，目前采用的低沸點工質主要是氟利昂類和烷烴類工質。氟利昂類工質一般具有較好的穩定性和安全性，但氟利昂類工質普遍對環境不友好，處于分階段淘汰過程當中，且價格昂貴；烷烴類主要包括直鏈式烴類和芳香族烴類，如丁烷、異丁烷、戊烷、甲苯等，它們具有較好的熱力學屬性，但是可燃，運行安全性較差。CO2屬于自然工質，具有良好的環境性能，ODP為0，GWP為1，自身無毒，不可燃，熱穩定性強，價格低廉。但由于CO2臨界溫度為31℃，以CO2作為動力循環工質時，其不能被常規冷卻水冷凝。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提出較好的動力循環工質，在保證系統運行穩定和安全的前提下，降低動力循環工質成本。本發明提出一種以CO2為主要組元新型動力循環混合工質，包括：CO2/丙烷混合工質、CO2/環丙烷混合工質、CO2/丙炔混合工質、CO2/丁烷混合工質、CO2/異丁烷混合工質、CO2/順丁烯混合工質、CO2/反丁烯混合工質和CO2/環戊烷混合工質。優選地，CO2/丙烷混合工質中丙烷質量百分數在20%-60%；CO2/環丙烷混合工質中環丙烷質量百分數在1%-30%；CO2/丙炔混合工質中丙炔質量百分數在1%-30%；CO2/丁烷混合工質中丁烷質量百分數在1%-30%；CO2/異丁烷混合工質中異丁烷質量百分數在1%-30%；CO2/順丁烯混合工質中順丁烯質量百分數在1%-30%；CO2/反丁烯混合工質中反丁烯質量百分數在1%-30%；CO2/環戊烷混合工質中環戊烷質量百分數在1%-30%。另一方面，本發明還同時提供一種動力循環系統，該系統中的循環工質為上述混合工質。再一方面，本發明還同時提供一種動力循環方法，該方法中采用上述混合工質作為循環工質。本發明涉及的混合工質具有比CO2更高的臨界溫度和更低的臨界壓力，與采用純CO2作為工質相比，混合工質循環中，工質能夠被30℃左右的常規冷卻水冷凝，且循環壓力更低，有助于降低系統成本；由于主要組元CO2的存在，混合工質的可燃性也低壓第二組元可燃性；同時混合物工質具有很好的環境友好性。附圖說明圖1為本發明的混合工質所使用的循環系統結構示意圖；圖2為本發明的混合工質所采用的循環流程示意圖；圖3為本發明的一個實施例中將CO2與丙烷按50:50的質量百分比混合所得混合工質的性能曲線示意圖。具體實施方式下面通過實施例結合附圖對本發明作進一步的描述。本發明涉及的新型動力循環混合工質應用于低品位熱能驅動的動力循環系統中，如圖1所示，工質循環系統包括加熱器1、膨脹機（或汽輪機）2、冷卻器3、工質泵4。循環工作原理如圖2所示，工質在加熱器中被熱源流體加熱，然后高溫高壓工質進入膨脹機（或汽輪機）膨脹并對外輸出軸功，低溫低壓的氣態工質進入冷卻器與低溫熱源流體（冷卻水）進行換熱冷卻并冷凝為液態，低溫低壓液態工質經過工質泵增壓達到設計壓力，進入加熱器與熱源流體換熱重新達到高溫高壓狀態，從而完成一個循環。本發明旨在提供一種更易被處理且循環性能更高的循環工質，為此提供了一種以CO2為主要組元新型動力循環混合工質。本發明涉及的混合工質在加熱器中吸熱和在冷凝器中放熱時，混合工質與熱源流體具有比純質更好的溫度匹配，循環具有更高的低品位熱能利用效率。具體地，本發明的混合工質包括以下實施方式：實施例A1：系統充灌工質時將丙烷和CO2按50:50的質量百分比進行物理混合。實施例B1：系統充灌工質時將環丙烷和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例B2：系統充灌工質時將環丙烷和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例B3：系統充灌工質時將環丙烷和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例C1：系統充灌工質時將丙炔和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例C2：系統充灌工質時將丙炔和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例C3：系統充灌工質時將丙炔和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例D1：系統充灌工質時將丁烷和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例D2：系統充灌工質時將丁烷和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例D3：系統充灌工質時將丁烷和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例E1：系統充灌工質時將異丁烷和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例E2：系統充灌工質時將異丁烷和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例E3：系統充灌工質時將異丁烷和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例F1：系統充灌工質時將順丁烯和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例F2：系統充灌工質時將順丁烯和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例F3：系統充灌工質時將順丁烯和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例G1：系統充灌工質時將反丁烯和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例G2：系統充灌工質時將反丁烯和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例G3：系統充灌工質時將反丁烯和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。實施例H1：系統充灌工質時將環戊烷和CO2按10:90的質量百分比進行物理混合。實施例H2：系統充灌工質時將環戊烷和CO2按20:80的質量百分比進行物理混合。實施例H3：系統充灌工質時將環戊烷和CO2按30:70的質量百分比進行物理混合。下表具體顯示了各實施例中混合工質的臨界參數，可以看出，通過各實施例中以適當的比例混合CO2及相應工質，可以實現對工質所需臨界溫度和臨界壓力的有效調節。表1.臨界參數比較進一步地，針對200℃，液態型熱源（比熱為2.3kJ/(kg·K），密度為0.790kg/m3），熱源流體質量流量為10kg/s，汽輪機（或膨脹機）和工質泵效率均為0.75，加熱器傳熱窄點溫差為10℃，冷凝器傳熱窄點溫差為5℃，汽輪機（或膨脹機）進口溫度為180℃，冷凝溫度為35℃，得到部分實施例循環性能如表2所示。表2.循環性能對比通過上述實施例及其實驗數據可知，本發明利用CO2與有機物質的適當混合，得到了臨界參數可控的混合工質。本發明涉及的混合工質具有比CO2更高的臨界溫度和更低的臨界壓力，與采用純CO2作為工質相比，混合工質循環中，工質能夠被30℃左右的常規冷卻水冷凝，且循環壓力更低，有助于降低系統成本；由于主要組元CO2的存在，混合工質的可燃性也低壓第二組元可燃性；同時混合物工質具有很好的環境友好性。