近年來(lái)，以CO₂為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有進(jìn)一步提升熱能利用效率和機(jī)組緊湊化水平的潛力，而引起關(guān)注，該技術(shù)在太陽(yáng)熱能與核能利用領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，可滿足小空間供電的緊湊化設(shè)計(jì)。自2008年起，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高效潔凈燃燒課題組對(duì)該技術(shù)開(kāi)展基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和條件，相關(guān)研究可采用超臨界CO₂布雷頓循環(huán)和CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)兩種基本循環(huán)形式，但均面臨不足。對(duì)于超臨界CO₂布雷頓循環(huán)，由于近臨界區(qū)物性對(duì)運(yùn)行參數(shù)的強(qiáng)敏感性，其近臨界大壓比增壓過(guò)程成為該循環(huán)技術(shù)的難點(diǎn)，主要體現(xiàn)為增壓部件研發(fā)難、高效穩(wěn)定運(yùn)行難；對(duì)于CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)，由于CO₂的臨界溫度僅為31℃，工程中常用的30℃左右的冷卻水難以冷凝CO₂并促成循環(huán)。針對(duì)CO₂動(dòng)力循環(huán)的特點(diǎn)和兩種基本循環(huán)形式面臨的實(shí)際問(wèn)題，研究人員提出自冷凝CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)和CO₂混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)，為避免超臨界CO₂布雷頓循環(huán)的近臨界大壓比增壓過(guò)程、解決CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)中亞臨界CO₂冷凝問(wèn)題提供新思路。

研究人員采用理論方法，探究自冷凝CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)的運(yùn)行規(guī)律和優(yōu)化方法；建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和采用實(shí)驗(yàn)方法，驗(yàn)證自冷凝CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)的可行性（2020，198：117335），實(shí)現(xiàn)CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)的30℃常規(guī)冷卻水運(yùn)行，也利于解決超臨界CO₂布雷頓循環(huán)近臨界壓縮問(wèn)題。針對(duì)烷烴/CO₂混合工質(zhì)的可燃性問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得丁烷/CO₂、異丁烷/CO₂和丙烷/CO₂等二元混合工質(zhì)的燃燒特性，獲得其可燃臨界摩爾比分別為0.04/0.96、0.09/0.91和0.08/0.92。

相關(guān)研究已產(chǎn)生5項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，并獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院儀器設(shè)備功能開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目、力學(xué)所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)課題的資助。

圖1.自冷凝CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)

圖2.自冷凝CO₂跨臨界動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

圖3.丁烷/CO₂混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)

圖4.丁烷/CO₂燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究（火焰形態(tài)）