柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷及余热回收方法 |
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| 申请号 | CN201610111314.8 | 申请日 | 2016-02-29 | 公开(公告)号 | CN105694818A | 公开(公告)日 | 2016-06-22 |
| 申请人 | 哈尔滨工程大学; | 发明人 | 张文平; 侯胜亚; 张新玉; 明平剑; 柳贡民; 曹贻鹏; 国杰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供的是一种柴油机余热回收 朗肯循环 混合工质六氟丙烷和五氟乙烷及余热回收方法。六氟丙烷和五氟乙烷 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％。本发明采用的两种二元混合工质其临界压 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℃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混合工质及纯工质都要高，产生这种效果的原因在于采用该配比在回热时，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高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷，其特征是：由六氟丙烷和五氟乙烷物理混合成二元混合工质，六氟丙烷和五氟乙烷质量百分数为(0.3-0.9)： |
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| 说明书全文 | 柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷及余热回收方法 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 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℃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六氟丙烷和五氟乙烷。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六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法。 [0006] 本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷是由六氟丙烷和五氟乙烷物理混合而成的二元混合工质，六氟丙烷和五氟乙烷质量百分数为(0.3-0.9)：(0.1-0.7)，两组元物质质量分数之和等于100％。 [0008] 利用本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之一为：六氟丙烷和五氟乙烷二元混合工质经工质泵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泵8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体。 [0009] 利用本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之二为：六氟丙烷和五氟乙烷二元混合工质经工质泵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泵8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体。 [0010] 利用本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之三为：六氟丙烷和五氟乙烷二元混合工质经工质泵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泵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] 利用本发明的柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之四为：六氟丙烷和五氟乙烷二元混合工质经工质泵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泵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。 [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℃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℃时，热源温度为200℃柴油机排气温度条件下，热效率超过20％的工质配比。 [0014] 本发明涉及的二元混合工质有机朗肯循环系统包括中冷器-有机工质预热器、烟气-有机工质换热器、膨胀机、回热器、冷凝器、工质泵。 [0015] 所述的二元混合工质有机朗肯循环系统循环工质选用六氟丙烷和五氟乙烷物理混合为二元混合工质，六氟丙烷和五氟乙烷质量百分数为(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。 [0016] 表1 二元混合工质中所含组元的基本参数 [0017] Tc：临界温度，Pc：临界压力，ODP：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100年) [0018] [0019] 本系统所采用的两种二元混合工质其临界压力相近，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℃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混合工质及纯工质都要高，产生这种效果的原因在于采用该配比在回热时，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高。 [0020] 采用上述技术方案具有如下显著优点： [0021] (1)采用二元混合工质作为有机朗肯循环的工质，能够有效地回收柴油机余热，采用六氟丙烷/五氟乙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。 [0022] (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。 [0024] 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。 [0025] 图5为亚临界温熵图。 [0026] 图6为跨临界温熵图。 具体实施方式[0027] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。 [0028] 结合图1，利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之一涉及的系统由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-工质泵和9-中冷器-有机工质预热器组成。二元混合工质经工质泵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泵8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体。 [0029] 结合图2，利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之二涉及的系统由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-冷凝器和8-工质泵组成。二元混合工质经工质泵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泵8出口的有机工质，之后进入冷凝器7冷凝成饱和液体。 [0030] 结合图3，利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之三涉及的系统由1-柴油机、2-排气管、3-烟气-水或导热油换热器、4-膨胀机、5-功率传递设备、6-回热器、7-冷凝器、8-工质泵、9-中冷器-有机工质预热器和10-水-有机工质换热器组成。该实施方案属于间接换热方案，采用水或导热油作为传导介质，将烟气的热量传递给混合工质，二元混合工质经工质泵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泵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。 [0031] 结合图4，利用柴油机余热回收朗肯循环混合工质六氟丙烷和五氟乙烷的余热回收方法之四涉及的系统由1-柴油机、2-排气管、3-烟气-水或导热油换热器、4-膨胀机、5-功率传递设备、6-回热器、7-冷凝器、8-工质泵和10-水或导热油-有机工质换热器组成。该实施方案属于间接换热方案，采用水或导热油作为中间传递介质，将烟气的热量传递给混合工质，二元混合工质经工质泵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泵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。 [0032] 上述四种方法中：柴油机余热为排气余热和中冷器余热。排气作为热源温度范围为200℃-350℃，与二元混合工质通过换热器直接进行换热，或柴油机余热产生温度范围100℃-170℃的热水与二元混合工质通过中间换热器进行间接换热。冷却水温度为10℃到 36℃之间。冷凝压力为二元混合工质临界压力的大约9％到49％之间，冷凝器温度滑移为11℃到24℃之间。冷凝温度比冷凝压力下的泡点温度低0℃到5℃之间，即过冷度为0℃到5℃之间。有机朗肯循环采用亚临界循环或者跨临界循环之中的一种循环。所述亚临界循环，对于二元混合工质通过换热器直接进行换热，蒸发压力为二元混合工质临界压力的大约73％到100％之间，蒸发滑移温度在3到12℃之间；对于二元混合工质通过中间换热器进行间接换热，蒸发压力为二元混合工质临界压力的大约18％到100％之间，蒸发滑移温度在2到22℃之间。所述跨临界循环，蒸发压力为工作流体混合物临界压力的大约1.01到1.3之间，循环最高温度比临界温度高5℃到112℃之间。 [0033] 图5为亚临界温熵图，具体表示出循环工质的做功过程，与图6的区别在于其蒸发压力低于临界压力。过程3-4：凝结后的有机工质经工质泵8后压力提高，饱和液态有机工质经工质泵8的升压过程可视为定熵压缩过程。过程4-a：有机工质经回热器6吸收热量，回收了部分热量。过程a-1：有机工质在中冷器-有机工质预热器9、烟气-有机工质换热器3中吸热，由未饱和态变为过热或饱和有机工质蒸汽。过程中工质与外界无技术功交换。忽略了工质流动过程的阻力，该过程为定压吸热过程。过程1-2：过热或饱和的有机工质蒸汽在膨胀机4中膨胀并对外输出功。在膨胀机4出口工质达到低压状态，主要由饱和的蒸汽组成，称为乏汽。忽略工质的摩擦与散热，该过程为等熵膨胀过程。过程2-b：膨胀机4出口的有机工质进入回热器6把热量传递给过冷态的有机工质。过程b-1：在冷凝器7中乏汽放热给冷却水，凝结成为冷凝器乏汽压力下的饱和液态或过冷态的有机工质。该过程可视为定压放热过程。由该T-S图可以明显看出高压回热出口a点跨越过高压下的泡点温度点5，低压回热出口b点可跨越低压下的露点温度点7。温度夹点出现在蒸发器和冷凝器的进出口端。这也是该种混合物相对于其他朗肯循环工质的优势。 [0034] 图6为跨临界温熵图，具体表示出循环工质的做功过程，过程3-4：凝结后的有机工质经工质泵8后压力提高，饱和液态有机工质经工质泵8的升压过程可视为定熵压缩过程。过程4-a：有机工质经回热器6吸收热量，回收了部分热量。过程a-1：有机工质在中冷器-有机工质预热器9、烟气-有机工质换热器3中吸热，由未饱和态变为过热或饱和有机工质蒸汽。过程中工质与外界无技术功交换。忽略了工质流动过程的阻力，该过程为定压吸热过程。过程1-2：过热或饱和的有机工质蒸汽在膨胀机4中膨胀并对外输出功。在膨胀机4出口工质达到低压状态，主要由饱和的蒸汽组成，称为乏汽。忽略工质的摩擦与散热，该过程为等熵膨胀过程。过程2-b：膨胀机4出口的有机工质进入回热器6把热量传递给过冷态的有机工质.过程b-1：在冷凝器7中乏汽放热给冷却水，凝结成为冷凝器乏汽压力下的饱和液态或过冷态的有机工质。该过程可视为定压放热过程。由该T-S图可以明显看低压回热出口b点可跨越低压下的露点温度点7。这也是该种混合物相对于其他朗肯循环工质的优势。 |
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