近年來，以CO₂為工質的動力循環(huán)發(fā)電技術具有進一步提升熱能利用效率和機組緊湊化水平的潛力，而引起關注，該技術在太陽熱能與核能利用領域具有優(yōu)勢，可滿足小空間供電的緊湊化設計。自2008年起，中國科學院力學研究所高效潔凈燃燒課題組對該技術開展基礎研究和關鍵技術研發(fā)。

依據(jù)實際應用領域和條件，相關研究可采用超臨界CO₂布雷頓循環(huán)和CO₂跨臨界動力循環(huán)兩種基本循環(huán)形式，但均面臨不足。對于超臨界CO₂布雷頓循環(huán)，由于近臨界區(qū)物性對運行參數(shù)的強敏感性，其近臨界大壓比增壓過程成為該循環(huán)技術的難點，主要體現(xiàn)為增壓部件研發(fā)難、高效穩(wěn)定運行難；對于CO₂跨臨界動力循環(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CO₂動力循環(huán)的特點和兩種基本循環(huán)形式面臨的實際問題，研究人員提出自冷凝CO₂跨臨界動力循環(huán)和CO₂混合工質跨臨界動力循環(huán)，為避免超臨界CO₂布雷頓循環(huán)的近臨界大壓比增壓過程、解決CO₂跨臨界動力循環(huán)中亞臨界CO₂冷凝問題提供新思路。

研究人員采用理論方法，探究自冷凝CO₂跨臨界動力循環(huán)的運行規(guī)律和優(yōu)化方法；建立實驗平臺和采用實驗方法，驗證自冷凝CO₂跨臨界動力循環(huán)的可行性（2020，198：117335），實現(xiàn)CO₂跨臨界動力循環(huán)的30℃常規(guī)冷卻水運行，也利于解決超臨界CO₂布雷頓循環(huán)近臨界壓縮問題。針對烷烴/CO₂混合工質的可燃性問題，通過實驗獲得丁烷/CO₂、異丁烷/CO₂和丙烷/CO₂等二元混合工質的燃燒特性，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。

相關研究已產生5項相關技術，并獲得國家發(fā)明專利授權。研究工作得到國家自然科學基金、中科院儀器設備功能開發(fā)技術創(chuàng)新項目、力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室基本科研業(yè)務課題的資助。

圖1.自冷凝CO₂跨臨界動力循環(huán)系統(tǒng)

圖2.自冷凝CO₂跨臨界動力循環(huán)實驗驗證結果

圖3.丁烷/CO₂混合工質跨臨界動力循環(huán)

圖4.丁烷/CO₂燃燒特性實驗研究（火焰形態(tài)）