CN110105922B

CN110105922B - 跨临界循环c3h8/co2混合工质及其系统和方法

Info

Publication number: CN110105922B
Application number: CN201910398719.8A
Authority: CN
Inventors: 史维秀; 潘利生; 靳苏毅
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: CN110105922A

Abstract

本发明提供了一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质及其系统和方法，包括：C₃H₈/CO₂混合工质，C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为60％‑92％。本发明的工质可以大大降低工质的燃烧可能性，可以根据需求调节比例范围，提高了应用过程的安全性。

Description

跨临界循环C3H8/CO2混合工质及其系统和方法

技术领域

本发明涉及动力循环技术领域，尤其涉及一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质及其系统和方法。

背景技术

随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严重，传统的制冷剂也存在着污染环境、破坏臭氧层和造成温室效应等问题，对环境问题造成了一定的影响。CO₂是一种天然、安全的动力循环工质，采用CO₂作为制冷工质，对大气臭氧层不会产生破坏，并且可以减少全球温室效应，从根本上解决传统制冷剂对环境产生污染的问题。CO₂本身还具有安全无毒、不可燃、在自然界广泛存在、无需回收、成本低、节约能源、热稳定性好、制冷能力大和热效率高等诸多优点。

在制冷剂领域，由于CO₂的临界温度较低，在CO₂跨临界动力循环中，冷凝器中的亚临界CO₂难以被30℃左右的常规冷却水冷凝。采用以CO₂为主要组元的混合工质跨临界动力循环，掺混其他介质提升临界温度的方法，可实现常规冷却水运行的跨临界循环，可以提升临界温度、有效地解决工质的冷凝问题。但是其掺混介质都具有易燃易爆炸的特点，如混合工质C₃H₈/CO₂，泄漏后会导致安全隐患。因此，为解决这一问题，需要通过一种安全系数高、具有良好循环和燃烧特性的动力循环混合工质。

发明内容

本发明提供了一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质及其系统和方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明一方面提供了一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质，包括：C₃H₈/CO₂混合工质，所述C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为60％-92％。

优选地，C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为85-92％。

本发明的另一方面提供了一种动力循环系统，该系统中的循环工质为上述提到的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质。

本发明再一方面提供了一种动力循环方法，该方法中采用权利要求1-2任上述的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质作为循环工质。

由上述本发明的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质及其系统和方法提供的技术方案可以看出，本发明的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质，具有以下有益效果：

(1)由于在蒸发器内，超临界状态的CO₂能够很好的实现与低温热源变温特性的热匹配，平均吸热温度会增加，CO₂在蒸发器吸热量和在膨胀机中膨胀做功会增加，因此，跨临界CO₂循环能够获得更好的系统性能，热效率和净输出功率高。

(2)CO₂是一种天然工质，无毒，不燃，ODP(Ozone Depletion Potential，臭氧衰减指数)值为0，GWP(Global Warming Potential，全球变暖潜能值)值为1，对解决全球变暖和臭氧层破坏，有很积极的作用，对环境友好。

(3)本发明的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质的系统结构简单，不需要除氧、除盐和排污等设备，对维护保养要求比较低。

(4)相比有机朗肯循环，跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质在蒸发器中不存在相变，不但减少了蒸发器结构的复杂性，而且能更好地利用余热，提高了系统的循环效率。

(5)本发明的工质燃烧强度底，安全系数高，为跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质在混合动力技术领域中的安全应用提供了依据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的CO₂体积百分数为60％时得到的拟合结果图；

图2为本发明实施例的CO₂体积百分数为75％时得到的拟合结果图；

图3为本发明实施例的CO₂体积百分数为85％时得到的拟合结果图；

图4为不同二氧化碳体积百分数的燃烧速度拟合曲线对比图；

图5为CO₂体积百分数为92％时不同当量比的火焰燃烧状态图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合，本发明中C₃H₈/CO₂表示C₃H₈和CO₂。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。

本实施例涉及一种动力循环系统，系统中的循环工质为跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质为C₃H₈/CO₂混合工质，工质中CO₂的体积百分数为60％-92％。

优选的，该系统的工质中CO₂的体积百分数为85-92％。

本实施例涉及一种动力循环方法，该方法中采用跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质作为循环工质，工质中CO₂的体积百分数为60％-92％。

优选的，该系统的工质中CO₂的体积百分数为85-92％。

本实施例提供了一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质，包括：C₃H₈/CO₂混合工质，C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为60％-92％。

优选地，C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为85-92％。

下面具体分析了利用热通量法，研究高浓度CO₂对C₃H₈燃烧速度的影响，并验证本发明的参混比例范围的作用。

C₃H₈/CO₂混合工质中分别采用不同二氧化碳掺混比例(二氧化碳体积百分数分别为：0、60％、65％、70％、75％、80％、85％)下，不同当量比下混合工质的层流火焰燃烧速度。拟合出预混层流火焰燃烧速度沿当量比在0.6-1.4范围内的变化趋势线，观察二氧化碳不同掺混比例对混合气层流火焰燃烧速度的影响，从而得出二氧化碳浓度对丙烷层流火焰燃烧速度产生的作用。

其中，当量比φ为实际燃空比与理论燃空比的比值，当量比φ根据下式(1)计算：

式中，F为燃气摩尔量，A为空气摩尔量，下标st表示理论当量。

100％的C₃H₈预混层流火焰燃烧速度的峰值为40.29cm/s，可燃当量比为0.41-1.61。

下面分别详细介绍了二氧化碳体积百分数分别为60％、75％和85％时的相关实验。

实验1：在CO₂体积百分数为60％时，研究测得的在当量比0.6-1.4范围内，混合工质预混层流火焰燃烧速，对数据按抛物线形式进行拟合，得到的拟合结果如图1所示。

由图1可看出，在CO₂体积百分数为60％时，混合工质预混层流火焰燃烧速度随当量比变化趋势依旧保持抛物线形。在当量比0.6-1.4范围内，混合工质层流火焰燃烧速度随当量比先增大后减小，并在当量比1.0处取得最大值，最大值为27cm/s，在当量比0.6-1.0范围内，层流燃烧速度逐渐增大；在当量比1.0-1.4范围内，混合工质层流火焰燃烧速度逐渐减小。将图中层流火焰燃烧速度趋势线拟合外延，与Φ轴交点，即火焰燃烧速度等于0cm/s，富氧时与Φ轴交点为0.45，富燃时与Φ轴交点为1.52。因此，与100％的C₃H₈预混层流火焰燃烧速度相比，实验1比例的峰值从40.29cm/s降至27cm/s；可燃当量比区间由0.41-1.61缩短至0.45-1.52。

实验2：在CO₂体积百分数为75％时，研究测得的在当量比为0.5-1.3范围内，混合工质预混层流火焰燃烧速度数据，对数据按抛物线形式进行拟合，得到的拟合结果如图2所示。

由图2可看出，在CO₂体积百分数为75％时，混合工质预混层流火焰燃烧速度随当量比变化趋势依旧保持抛物线形。在当量比0.5-1.3范围内，混合工质层流火焰燃烧速度随当量比先增大后减小：在当量比为0.6-0.9范围内，层流燃烧速度逐渐增大；在当量比0.9-1.3范围内，混合工质层流火焰燃烧速度逐渐减小。与CO₂体积百分数为60％时相比，速度峰值继续向左偏移，在当量比为0.9处取得最大值，最大值为20.74cm/s。将图2中层流火焰燃烧速度趋势线拟合外延，与Φ轴交点，即火焰燃烧速度等于0cm/s，富氧时与Φ轴交点为0.38，富燃时与Φ轴交点为1.40。与CO₂体积百分数为60％时相比，可燃当量比区间在富氧时有所拓展，从0.45延伸至0.38；在富燃时继续缩短，从1.52缩短至1.40。与100％的C₃H₈预混层流火焰燃烧速度相比，实验2比例的峰值从40.29cm/s降至20.74cm/s，可燃当量比区间由0.41-1.61缩短至0.38-1.40。

实验3：在CO₂体积百分数为85％时，研究测得的在当量比为0.5-1.2范围内，混合工质预混层流火焰燃烧速度，对其按抛物线形式进行拟合，得到的拟合结果如图3所示。

由于当CO₂体积百分数为85％时，在富氧区域，富裕空气量较大，未参与燃烧的空气将火焰面逐步吹离多孔板，火焰面已不成平面火焰，因此，在当量比很小(当量比为0.5、0.6、0.7)时，测得速度数据偏差较大，舍弃不用(图中的空心方块)。

由图3中的趋势线可看出，虽然此时火焰虚弱不稳定，测量误差增大，但混合工质预混层流火焰燃烧速度随当量比变化趋势依旧保持抛物线形。在当量比为0.5-1.2的范围内，混合工质的层流火焰燃烧速度随当量比先增大后减小：在当量比为0.5-0.9的范围内，混合工质的层流火焰燃烧速度逐渐增大；在当量比为0.9-1.2范围内，混合工质的层流火焰燃烧速度逐渐减小。与100％的C₃H₈预混层流火焰燃烧速度相比，速度峰值向左偏移，在当量比为0.9处取得最大值，最大值为12.78cm/s。将图3中层流火焰燃烧速度趋势线拟合外延，与Φ轴交点，即燃烧速度等于0，富氧时与Φ轴交点为0.41，富燃时与Φ轴交点为1.33。与CO₂体积百分数为75％时相比，可燃当量比区间在富氧时，从0.38缩短至0.40，在富燃时，从1.40缩短至1.33；峰值从20.74cm/s降至12.78cm/s，与100％的C₃H₈预混层流火焰燃烧速度相比，实验3比例(CO₂体积百分数为85％)的峰值从40.29cm/s降至12.78cm/s，可燃当量比由0.41-1.61缩短至0.41-1.33。

图4为不同二氧化碳体积百分数(二氧化碳体积百分数分别为0、60％、65％、70％、75％、80％、85％)的燃烧速度拟合曲线对比图，参照图4，在不同体积百分数下，混合工质的层流火焰燃烧速度随当量比均成抛物线趋势变化。在可燃当量比范围内层流火焰燃烧速度先增大后减小，其中存在一个最大值。随着CO₂含量的增加，混合工质的层流火焰燃烧速度逐渐减小，燃烧速度峰值也逐步降低，由100％的C₃H₈(即二氧化碳的比例为0)时的40.29cm/s减小为CO₂体积百分数为60％时的27cm/s。可燃当量比区间也逐渐缩短并向左侧(富氧侧)偏移，峰值位置也随之往左侧偏移。可燃当量比区间由100％的C₃H₈时的0.41-1.61缩短至CO₂体积百分数为60％时的0.45-1.52，安全区间增大。当CO₂体积百分数为85％时，火焰面进一步衰弱，峰值位置由最初的Φ等于1.0处偏移至Φ等于0.9处，速度峰值降低至12.78cm/s，可燃当量比缩短至0.41-1.33。图中趋势线在富氧侧(Φ＜1)密集，在富燃侧(Φ＞1)稀疏，因此，当CO₂体积百分数为60％及以上时对C₃H₈燃烧的在富燃侧抑制比较明显，且在85％以上时抑制效果更加显著。

在CO₂体积百分数为85％时，火焰面已十分虚弱。继续减小混合工质中C₃H₈的体积占比，火焰将逐渐衰弱并最终熄灭。逐步减小C₃H₈的体积占比，测得混合工质可着火燃烧的极限掺混比例。

逐渐提高CO₂体积百分数，在CO₂体积百分数为92％时，实验可测的混合工质可燃当量比为0.5、0.6、0.7。在Φ小于等于0.4时，火焰被吹熄，在Φ大于等于0.8时，火焰不燃。

图5为当量比分别为0.5、0.6、0.7、0.8时，在不同气体来流速度的情况下，火焰的燃烧状态。

由图5可以看出，火焰面比较虚弱，此时火焰面伴随着抖动，随时可能熄灭。在Φ等于0.5，流速为6.5cm/s时，火焰面四周已明显被富裕空气吹离多孔板，呈碗装；当流速增大至7cm/s时，火焰面进一步被吹起，四周向上向中心包裹，火焰面呈半球形，随即火焰面被向上吹离多孔板，然后熄灭；在Φ等于0.6，流速为6cm/s时，火焰面四周被富裕空气吹离多孔板，呈碗装；当流速为7cm/s时，火焰面出现更加剧烈的伸缩抖动，伸缩半径和上下浮动更大；在Φ等于0.7，流速为5cm/s时，火焰中心出现双层火焰，边缘四周被富裕空气吹离多孔板，呈帽状；当流速增大为5.5cm/s时，火焰面被来流气流吹起，伸缩抖动幅度增大，随即飞离多孔板然后熄灭；在Φ等于0.8时，火焰已经不燃，在流速为4.5cm/s时，火焰中心出现双层火焰，边缘四周被富裕空气吹离多孔板，呈帽状。火焰短暂燃烧后，被吹离多孔板熄灭；在流速为5cm/s时，火焰进一步被吹起，高度增加，底部直径增大，伸缩抖动更加明显，火焰短暂燃烧后，被吹离多孔板熄灭。

综上所述，本发明实施例通过实验验证了常温常压下，C₃H₈预混层流火焰燃烧速度随当量比先增大后减小，呈抛物线形式。在当量比Φ等于1.0时取得峰值，为40.29cm/s。可燃当量比区间为0.41-1.61，之外区间为安全区域，C₃H₈不燃烧；高浓度CO₂的存在有助于抑制C₃H₈的燃烧，掺混CO₂后，混合工质的燃烧速度大大降低。火焰峰值速度由100％C₃H₈时的40.29cm/s降至CO₂体积百分数为60％时的27cm/s，可燃当量比区间从100％C₃H₈时的0.41-1.61缩短至CO₂体积百分数为60％时的0.45-1.52，随着CO₂含量逐渐增加，混合工质的可燃当量比区间逐渐缩短，安全当量比区间逐渐增大，在CO₂体积百分数为85％时，火焰面进一步衰弱，峰值位置由最初的Φ等于1.0处偏移至Φ等于0.9处，速度峰值降低至12.78cm/s，可燃当量比缩短至0.41-1.33；常温常压下，当CO₂体积百分数达到92％时，C₃H₈/CO₂混合工质不再具有燃烧性，安全性能最佳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质，其特征在于，包括：所述的C₃H₈/CO₂混合工质中CO₂的体积百分数为85-92％；

在一定CO₂的体积百分数下，混合工质的层流火焰燃烧速度随可燃当量比成抛物线趋势变化，在可燃当量比范围内层流火焰燃烧速度先增大后减小，在CO₂体积百分数为85％时，可燃当量比Φ等于0.9处层流火焰燃烧速度取得峰值，速度峰值为12.78cm/s，可燃当量比Φ的区间为0.41-1.33；常温常压下，可燃当量比Φ的范围为0.41-1.61，范围0.41-1.61之外的区间为安全区域，C₃H₈不燃烧；

随着CO₂的体积百分数的增加，混合工质的层流火焰燃烧速度逐渐减小，燃烧速度峰值也逐步降低，可燃当量比区间逐渐减小，安全当量比区间逐渐增大，常温常压下，当CO₂体积百分数达到92％时，C₃H₈/CO₂混合工质不再具有燃烧性，安全性能最佳。

2.一种动力循环系统，其特征在于，所述系统中的循环工质为权利要求1所述的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质。

3.一种动力循环方法，其特征在于，所述方法中采用权利要求1所述的跨临界循环C₃H₈/CO₂混合工质作为循环工质。