近日，天津大学赵力教授课题组博士研究生赵东鹏在Energy Conversion and Management期刊上发表论文“用于余热回收的跨临界二氧化碳动力循环：从理想循环到实际循环的路线图分析及案例实施”。
论文题目：Transcritical carbon dioxide power cycle for waste heat recovery: Aroadmap analysis from ideal cycle to real cycle with case implementation
论文作者：Dongpeng Zhao, Ruikai Zhao*, Shuai Deng, Li Zhao*, Mengchao Chen
第一单位：Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium GradeEnergy (Tianjin University), Ministry of Education of China, No. 135 YaguanRoad, Tianjin 300350, China（中低温热能高效利用教育部重点实验室（天津大学），雅观路135号，天津，300350，中国）
期刊名：Energy Conversion and Management
发表年份：2020
影响因子（2019）：8.208
中科院SCI分区：1区Top
DOI：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113578
摘要
余热回收是一种提高一次能源的利用效率、缓解化石燃料的短缺的重要手段。因为电力便于使用和输送，所以借助热力循环将热能转化为电能是余热回收中比较有优势的选择。
近年来，学者们不断提出新的热力学循环，并证明了这些新循环在余热回收场景中的适用性，这就引起了人们对于余热回收场景中最适宜热力循环形式的争论。虽然有一些研究通过比较不同循环的热力学性能或经济性能给出了循环选择的建议，但由于不同研究者给出的建议并不一致，所以这个争论并没有完全消除。究其原因，现有研究大多从具体的余热回收场景出发，通过比较不同的循环的性能进而得出结论，这样的结论会受到研究者所选用的性能指标的影响。由于研究者对于不同性能所赋予的权重的并不一致，因此这样得到的结论很难获得所有研究者的认可。鉴于这样的情况，本文尝试从理想循环出发，尝试解决余热回收场景中循环形式选择的争论。
在现有的研究中，针对余热回收场景提出了三角循环和梯形循环两种理想循环，然而，这两种理想循环在实施中有两个难点：（1）实际工质两相区的长度限制了这两种理想循环的最高吸热温度不能太高，无法和高温余热源形成良好换热匹配；（2）实际工质液相区加压过程的升温较小，导致梯形循环无法和变温热源达到良好的换热匹配。为了解决上述两个问题，本文提出了一种带有回热的新型理想循环。而后，本文在新型理想循环的基础上，通过逐步考虑实际因素，得出一个带有过膨胀、再压缩和内部热回收的真实循环。
最后，基于上述真实循环，提出了一种用于回收500℃烟气余热的改进型跨临界二氧化碳动力循环。并对该改进型动力循环进行了热力学分析，结果表明：在本文所考虑的工况范围之内，改进型循环的最大净输出功率和对应热回收率分别达到109.99 kW和81.5%。在相同条件下，和传统的回热式跨临界二氧化碳功率循环相比，改进型循环的净输出功、烟气余热回收率、热效率和㶲效率分别提高了33.6%~192.3%、28.6%~39.5%、3.9%~109.5%和11.4%~122.3%。这表明改进型循环性能较好，也证明本文提出的新型理想循环可以指导余热回收场景中热力循环的研究。
图文导读
图1 显热式余热回收场景下的两种现有的理想循环（a）三角循环（b）梯形循环
图2 三角循环和梯形循环在实施过程中存在的困难
图3 显热式余热回收场景下的理想循环：带有内部回热的理想循环
图4 从理想循环到实际循环的技术路径
图5 改进型跨临界CO₂动力循环
图6 传统跨临界CO₂动力循环
图7 改进循环和传统循环的性能对比
注：本文章转载自天大赵力课题组，不代表本网观点立场。
