二氧化碳动力循环的工作特性解析

CO2作为超临界或跨临界动力循环的工质，具有很多明显的优势。在超临界动力循环中，CO2与其他工质相比，具体有以下优点：　（1）无毒，无腐蚀性，不易燃，不会引起爆炸；　（2）储量丰富，成本较低，不需要回收；（3）临界压力适中，在应用的温度范围内稳定性好；（4）与其他材料和润滑剂的兼容性好，对环境无毒害性；　（5）超临界CO2密度大，膨胀机体积小，可使用紧凑型换热器；（6）临界温度和压力可适配多种外部热源；（7）环保特性好，ODP值为零，GWP值为1；（8）工质热力学和输运属性已知，有利于动力循环应用；　（9）具有高的热稳定性，高温换热器可直接与热源换热，减少损，降低系统复杂度和成本。此外，针对总等效温室影响（Total Equivalent Warming Impact，TEWI）和全球温度变化影响（Global Temperature Change Potential，GTCP）的研究也表明CO2具有优势。

针对汽车尾气的余热动力循环，Chen等分析了二氧化碳跨临界朗肯循环的工质特性［17］。当蒸发器工作压力为13 MPa，冷凝器工作压力为6 MPa，对应冷凝温度为25℃时，系统主要工作参数对热效率的影响如图7-12（a）和（b）所示。在不同的膨胀机和工质泵效率下，随着膨胀机入口温度的提高，系统热效率逐渐增加，尤其在低温区，如果能提高膨胀机入口温度，可明显提高系统热效率。在实际应用中，膨胀机入口的最高温度受到热源温度的约束。随着膨胀机效率的提高，所有工况下的热效率均成比例提高，而工质泵效率的改变对低温区更加敏感。系统热效率随膨胀比的变化规律如图7-12（c）所示，在膨胀机入口温度一定时，系统热效率随着膨胀比的增加先增加后减小，存在一个最佳的膨胀比使系统热效率最大。

不管是布雷顿循环还是朗肯循环，CO2在高压膨胀机的入口总是处于超临界状态，因此高压膨胀机入口压力和温度是决定系统工作性能的两个关键参数。在实际应用中，不仅需要考虑循环的净输出功率、热效率和效率等热力学性能，还要考虑体积、成本和经济性等指标，可采用多目标优化方法对系统工作参数进行优化，得到的优化结果通常对单个指标来说未必是最优的。针对低温热源的二氧化碳跨临界朗肯循环，以热效率、比净输出功率、效率、换热器总面积和系统成本为指标，以膨胀机入口压力和温度等为工作参数进行了优化分析，结果表明不存在一组工作参数使6个指标都达到最优［18］。

图7-12　工作参数对二氧化碳跨临界朗肯循环系统热效率的影响［17］

（a）膨胀机效率；（b）工质泵效率；（c）膨胀比

系统热效率随膨胀机入口压力和温度的变化曲线如图7-13（a）所示，比净输出功率结果如图7-13（b）所示。随着膨胀机入口温度的增加，系统热效率和比净输出功率单调递增。在膨胀机入口温度一定的条件下，存在一个最佳的膨胀机入口压力使系统热效率和比净输出功率最大，而且，比净输出功率对应的优化膨胀机入口压力明显小于系统热效率对应的优化膨胀机入口压力。

图7-13　膨胀机入口压力和温度对系统性能的影响［18］

（a）系统热效率；（b）比净输出功率

当净输出功率保持固定时，换热器总面积随涡轮入口压力和温度的变化如图7-14（a）所示。可以看出，当涡轮入口温度一定时，存在一个最佳涡轮入口压力，使总换热面积最小。当净输出功率逐渐增大时，优化的换热器总面积也逐渐增加，结果如图7-14（b）所示。冷凝器面积随净输出功率的增加近乎线性增加，蒸发器面积在净输出功率较小时也呈线性增加，但是在高净输出功率区间，其面积以指数速度增加。在高净输出功率区间，蒸发器面积明显大于冷凝器面积，使换热器总面积的变化趋势与蒸发器类似。

图7-14　总换热面积随涡轮入口压力和温度以及净输出功率的变化曲线［18］

当系统净输出功率保持固定时，相对总成本随涡轮入口压力和温度的变化如图7-15（a）所示。当涡轮入口温度一定时，存在一个最佳的涡轮入口压力，使相对总成本最低，且对应相对总成本的优化压力明显小于图7-13中系统热效率对应的优化压力。随着净输出功率的增加，优化相对总成本结果如图7-15（b）所示，在大部分功率范围内，优化相对总成本随净输出功率的增加呈线性增大。单位输出功率相对总成本随净输出功率的变化曲线如图7-15（c）所示，其在某一个净输出功率下达到最小。

图7-15　相对总成本结果［18］

（a）相对总成本；（b）优化相对总成本；（c）单位输出功率的相对总成本

对二氧化碳动力循环而言，由于涡轮入口的CO2为超临界状态，涡轮的设计与有机朗肯循环的涡轮相比有一定差异。针对大功率发动机的排气余热回收用二氧化碳超临界布雷顿循环，Uusitalo等对比了CO2、乙烷、乙烯和六氟乙烷等工质的涡轮性能［19］。采用CO2和乙烷为工质的涡轮输出功率高于采用乙烯和六氟乙烷为工质时。选择CO2工质还会影响涡轮和压缩机的设计。采用不同工质的涡轮工作参数随涡轮入口压力的变化曲线如图7-16所示。对图中的4种工质而言，随着涡轮入口压力的增大，涡轮转速和尺寸逐渐减小。CO2和乙烷的涡轮转速较高。CO2的涡轮尺寸较大，有利于降低泄漏损失。对于超临界循环，设计的涡轮尺寸均明显小于亚临界有机朗肯循环，有利于在余热回收等对空间要求严格的场合使用。另一方面，高转速、小尺寸和高工作压力等设计条件对涡轮发电机的机械设计要求很高，尤其是轴承和密封设计。4种工质在定子出口的速度均达到了超声速。与其他工质相比，采用CO2工质的涡轮定子出口马赫数较小，有利于减小激波损失。(www.xing528.com)

图7-16　采用不同工质的涡轮工作参数随涡轮入口压力的变化曲线［19］

（a）涡轮转速；（b）转子直径；（c）转子入口叶片高度；（d）定子出口马赫数

对于二氧化碳超临界布雷顿循环，压缩机入口的CO2工质状态接近临界点，压缩机入口压力和温度的微小变化会引起工质热物性的明显变化，在设计时需要慎重选择。另一方面，当超临界CO2中混有其他杂质时，也会对其热物性产生影响，从而影响系统工作性能。Vesely等分析了超临界CO2不纯度对压缩机和冷却器性能的影响［20］。所考虑的杂质包括He、CO、O2、N2、H2、CH4、H2 S等，这些杂质与CO2组成二元混合工质；所考虑的系统构型包括预压缩式、再压缩式和两级膨胀的再压缩式。当含有1%摩尔浓度的杂质时，3种构型的热效率均降低，具体结果见表7-1。可以看出，He引起的热效率降低最明显，而含有H2 S、Xe和SO2等杂质则可以小幅提高热效率。再压缩式的净输出功率随O2、He、H2 S和Ar等杂质浓度的变化曲线如图7-17所示。随着H2 S摩尔浓度的增大，净输出功率明显增加，而其他3种杂质则不利于净输出功率的提升。对于冷却器内的传热而言，He、H2、CO和N2等杂质可提高工质与冷却介质之间的温差，有利于提高换热系数和减小换热器体积，而H2 S、Xe和SO2对传热的影响较小。

表7-1　杂质对二氧化碳超临界布雷顿循环热效率的影响

由于CO2工质不易燃，当其以一定比例与其他工质组成非共沸混合工质时，可有效降低工质的可燃性。如CO2/R161混合工质中，当CO2的摩尔浓度达到30%时，整个混合工质基本不燃［21］。另一方面，CO2与其他工质组成非共沸混合工质时的最大温度滑移可能很高，超过150℃，过高的温度滑移会导致混合物的分离，降低循环的热力学性能［22］，因此需控制温度滑移在一定的合理范围内。针对热源温度为210℃的跨临界朗肯循环，Sanchez和da Silva分析了含有CO2的6种二元非共沸混合工质的热力学性能［23］。考虑到工质的环保　属 性，选 取 的 其 他 工 质 分 别 为R134a、R32、R152a、R41、R161、R1234ze、R1234yf、R1270（丙烯）。基于带回热器的朗肯循环，当涡轮入口温度为200℃，混合工质中CO2的质量分数为0.5时，系统效率随涡轮入口压力的变化曲线如图7-18（a）所示。CO2/R32和CO2/R161的效率稍高于其他混合工质。随着涡轮入口压力的增大，效率先增加后减小，存在一个最优涡轮入口压力值。不同工质的最优涡轮入口压力随混合工质中CO2质量分数的增加基本呈线性增加，如图7-18（b）所示。当CO2质量分数较小时，CO2/R41的最优涡轮入口压力值明显高于其他工质。

图7-17　杂质浓度对净输出功率的影响［20］

图7-18　系统效率随涡轮入口压力的变化曲线和最优涡轮入口压力随CO2质量分数的变化［23］

图7-18　系统效率随涡轮入口压力的变化曲线和最优涡轮入口压力随CO2质量分数的变化［23］（续）

在优化条件下得到的循环净输出功率随CO2质量分数的变化曲线如图7-19（a）所示。对于CO2/R161、CO2/R1234ze、CO2/R134a 3种混合工质，净输出功率对CO2质量分数敏感度不大；其他工质随着CO2质量分数的增大其净输出功率逐渐降低，其中CO2/R161的敏感度最大。在优化条件下，计算得到的总换热面积随CO2质量分数的变化曲线如图7-19（b）所示。除CO2/R41外，其他工质随着CO2质量分数的增大，总换热面积先逐渐增大后减小。这主要是由于CO2质量分数在0.3～0.6范围内，混合工质温度滑移大，导致换热器UA值也增大。采用高浓度CO2工质系统的尺寸可接近甚至低于采用纯有机工质系统的尺寸。

图7-19　CO2质量分数对循环净输出功率和总换热面积的影响［23］

图7-19　CO2质量分数对循环净输出功率和总换热面积的影响［23］（续）