柴油机余热回收朗肯循环混合工质1,1,2,2,3-五氟丙烷和七氟丙烷及余热回收方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种用于回收柴油机余热的低温朗肯循环系统的二元混合工质。 本发明也涉及采用二元混合工质的柴油机余热回收方法。
【背景技术】
[0002] 能源问题己经成为经济发展中一个头等重要问题。柴油机以其经济性和热效率高 的优势，广泛应用于工业生产和运输产业的各个领域，但其废热占到燃烧总能量的55%-70%，大部分的能量通过冷却水散热和高温尾气排放到大气中。随着能源供应日益紧张，节 能、降耗、提高能源利用率越来越引起人们的重视，所以发动机排气余热的利用是必然趋 势。
[0003] 目前，针对于回收柴油机余热，有机朗肯循环系统采用纯工质，对于纯工质循环动 力系统来说，蒸发器的拥损失最高，限制了循环效率及循环净功的提高，其主要原因在于夹 点温差导致纯工质和热源的匹配效果差，夹点温差是蒸发器过程中温差最小的点，它出现 在纯工质泡点位置，纯工质的泡点温度和露点温度相同，而混合工质的泡点温度和露点温 度不同，存在温度滑移，这对于混合工质与冷热源的匹配有很大的益处。因此，开发环境友 好、热力学性能好的新型可靠的工质，对柴油机余热利用系统技术的发展至关重要。
[0004] 有关柴油机余热利用的混合工质的公开报道也较多，例如"采用非共沸混合工质 变组分的低温朗肯循环系统"的专利文件中，采用七氟丙烷和异丁烷混合用于利用地热能， 热源为85°C的地热水。循环热效率为9.41%，但其中的异丁烷易燃，安全性能差，不能用于 柴油机余热回收;再例如"一种太阳能有机朗肯循环发电系统"的专利文件中，采用二氯一 氟乙烷和正丁烷混合用于利用太阳能，但二氯一氟乙烷会破坏臭氧层，正丁烷易燃易爆。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种适用于回收柴油机排气能量，减少碳排放，保护环境 的柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙烷。本发明的目的还在 于提供一种利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷的余 热回收方法。
[0006] 本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙烷由 1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷物理混合而成，1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷的质量百 分数为〇. 3-0.9:0.1-0.7，组元物质质量分数之和等于100%。
[0007] 本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙烷的 临界压力范围为3120kPa-3628kPa，临界温度范围为123°C_167°C。
[0008] 利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷的余热 回收方法之一是：1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷二元混合工质经工质栗8加压后，进入回 热器6吸收来自膨胀机4出口的有机工质的热量，接着进入中冷器-有机工质换热器9吸收中 冷器的热量，最后进入烟气-有机工质换热器3吸收柴油机排气的热量，成为高温高压的饱 和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完的有机工质进入回热器6将一部分能量传 递给工质栗8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体。
[0009] 利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷的余热 回收方法之二是：1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷二元混合工质经工质栗8加压后，进入回 热器6吸收来自膨胀机出口的有机工质的热量，进入烟气-有机工质换热器3吸收柴油机排 气的热量，成为高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完的有机工质 进入回热器6将一部分能量传递给工质栗8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和 液体。
[0010] 利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙烷的余热 回收方法之三是：1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷二元混合工质经工质栗8加压后，进入回 热器6吸收来自膨胀机4出口的有机工质的热量，接着进入中冷器-有机工质换热器9吸收中 冷器的热量，最后进入水或导热油-有机工质换热器10吸收柴油机排气的热量，成为高温高 压的饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完的有机工质进入回热器6将一部分 能量传递给工质栗8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体，其中水或导热油-有机工质换热器的热源水来自烟气-水或导热油换热器3,在烟气-水或导热油换热器3中的 水或导热油由烟气加热。
[0011] 利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷的余热 回收方法之四是：1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷二元混合工质经工质栗8加压后，进入回 热器6吸收来自膨胀机出口的有机工质的热量，进入水或导热油-有机工质换热器10吸收柴 油机排气的热量，成为高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完的有 机工质进入回热器6将一部分能量传递给工质栗8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝 成饱和液体，其中水或导热油-有机工质换热器的热源水来自烟气-水或导热油换热器3,在 烟气-水或导热油换热器3中的水或导热油由烟气加热。
[0012] 本发明基于解决能源问题及温室效应引起的环境问题，充分考虑柴油机排气的特 点，综合提高柴油机余热利用潜力，通过二元混合工质有机朗肯系统，回收柴油机排气能 量，减少碳排放，保护环境。
[0013] 本发明总体方案的指导思想是：通过研究发现，临界温度相差70°C的工质混合后 表现出很高的热效率，在此范围内筛选出冷却水温度为25 °C时，热源温度为200 °C柴油机排 气温度条件下，热效率超过20 %的工质配比。
[0014] 本系统所采用的两种二元混合工质混合物其临界压力相近，相变时滑移温度大， 符合环保要求，循环性能优良，本发明在环境温度25°C柴油机额定工况下的朗肯循环效率 大于20%，循环热效率高，回热循环效率相对于目前其他二元混合工质混合物及纯工质都 要高，产生这种效果的原因在于采用这种配比，回热时，高压回热出口可跨越过高压下的泡 点温度，低压回热出口可跨越低压下的露点温度。避免了纯工质朗肯循环的温度夹点问题， 有利于循环效率的提尚。
[0015] 采用上述技术方案具有如下显著优点：
[0016] (1)采用二元混合工质混合物作为有机朗肯循环的工质，能够有效地回收柴油机 余热，采用1，1，2，2，3-五氟丙烷/七氟丙烷的混合方式相对于其他的混合物有更高的热效 率，有效地降低柴油机的排气。其原因在于采用这种配比，回热时，高压回热出口可跨越过 高压下的泡点温度，低压回热出口可跨越低压下的露点温度。
[0017] (2)通过中冷器-有机工质预热器可以有效地利用中冷器的热量，提高工质进入烟 气-有机工质换热器的温度，工质自中冷器-有机工质预热器出来后进入烟气-有机工质换 热器继续升温，成为饱和蒸汽或过热蒸汽。通过中冷器-有机工质预热器和烟气-有机工质 换热器联合传热，可以增大有机工质的流量，提高输出轴功。
[0018] (3)二元混合工质混合物经由烟气-有机工质换热器后成为高温高压的蒸汽，进入 膨胀机中膨胀做功，膨胀机出口的有机工质通过回热器将热量传递给工质栗出口的有机工 质，提高热效率。
【附图说明】
[0019] 图1至图4为本发明的四种二元混合工质有机朗肯循环装置结构示意图。
[0020] 图5为亚临界温熵图。
[0021]图6为跨临界温熵图。
【具体实施方式】
[0022]下面举例对本发明做更详细的描述。
[0023]本发明的二元混合工质有机朗肯循环系统循环工质选用1，1，2，2,3_五氟丙烷和 七氟丙烷物理混合为二元混合工质，1，1，2，2，3-五氟丙烷和七氟丙烷质量百分数为(0.3_ 0.9) :(0.1-0.7)。两组元物质质量分数之和等于100%，两组元物质的基本参数如表1所示。 [0024]表1二元混合工质有机工质中所含组元的基本参数
[0025] Tc:临界温度，Pc:临界压力，0DP:臭氧损耗潜能值(半经验数值），GWP:全球温室效 应潜能值(累计时间基准1 〇〇年）
[0026]
[0027] 结合图1，利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙 烷的余热回收方法之一所涉及的系统由1-柴油机，2-排气管，3-烟气-有机工质换热器，4-膨胀机，5-功率传递设备，6-回热器，7-冷凝器，8-工质栗，9-中冷器-有机工质预热器构成。 二元混合工质经工质栗8加压后，进入回热器6吸收来自膨胀机4出口的有机工质的热量，接 着进入中冷器-有机工质换热器9吸收中冷器的热量，最后进入烟气-有机工质换热器3吸收 柴油机排气的热量，成为高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完的 有机工质进入回热器6将一部分能量传递给工质栗8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷 凝成饱和液体。
[0028] 结合图2,利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质1，1，2,2,3_五氟丙烷和七氟丙 烷的余热回收方法之一所涉及的系统由1-柴油机，2-排气管，3-烟气-有机工质换热器，4- 膨胀机，5-功率传递设备，6-回热器，7-冷凝器，8-工质栗构成。二元混合工质经工质栗8加 压后，进入回热器6吸收来自膨胀机出口的有机工质的热量，进入烟气-有机工质换热器3吸 收柴油机排气的热量，成为高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机4膨胀做功，膨胀完 的有机工质进入回热器6将一部分能量传递给工质栗8出口的有机工质，之后进入