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21世纪以来,超临界CO2循环受到了研究学者们的广泛关注。S-CO2循环具有效率高,系统结构简单,部件紧凑等优点。广泛应用于核能、太阳能、低温余热以及燃煤电厂。S-CO2循环主要分为S-CO2朗肯循环和S-CO2布雷顿循环,而由于CO2临界温度低,冷端冷却困难,近几年的研究更加侧重于S-CO2布雷顿循环。S-CO2布雷顿循环根据压缩机、中间冷却器、回热器、再热器个数分为许多不同的循环模式,其中以一级再压缩循环即S-CO2再压缩布雷顿循环的研究最为广泛,其系统结构简单,性能较好,被科研工作者们广泛认可。传统分析方法均以热力学第一定律及第二定律作为基础,但经典热力学对于处理多过程耦合体系具有一定的局限性。本文在现代热力学框架下,引入热力学流和热力学力建立了实际热机效率表达式。从T-Q图出发,定义换热器中换热过程曲线T-Q图面积为热功转换耗散,代表可用能损失。建立了加热和冷却过程的热负荷和热功转换耗散之间的定量关系。在考虑加热和冷却过程热耦合的情况下,得出了实际热机效率的表达式。实际热机效率表达式告诉我们,无论一个热机有多复杂,为了提高热机效率都应尽可能降低热阻之比。该理论为广义热机的设计和运行提供了指导。基于现代热力学理论,将其进一步运用于S-CO2循环的分析中,指导S-CO2循环的构建并进一步验证热机实际效率理论的正确性及普适性。针对超临界CO2再压缩布雷顿循环,主要分析了循环分流比变化对系统性能的影响。新方法指出,热机系统循环热效率只与热机与外界热源的换热耦合有关,本文从该角度深入分析了分流比对超临界CO2再压缩布雷顿循环性能影响的原因,并从内部回热器性能的变化更进一步的分析造成该现象的原因。结果指出:热机外部与内部的耦合性能主要取决于两流体的传热路径,最终体现为T-Q图面积。内部回热器的热功转换耗散会进一步影响外部热源与工作流体的换热过程,从而影响热机的外部耦合性能,最终影响热机效率。当分流比为0.3时,高温回热器和低温回热器热功转换耗散均较小,此时对应热源换热器和冷源换热器中的热功转换耗散也较小,热机效率较高为50.81%。为了进一步提升CO2循环性能,考虑引入ORC作为底循环,吸收CO2循环余热,并采用实际热机效率理论指导CO2循环于ORC之间的耦合换热。结果发现:联合循环能在单一循环的基础上提升效率至少2个百分点,并且当ORC窄点在耦合换热器预热段之间时,即有机工质与CO2之间又较好的换热匹配,T-Q曲线所示封闭面积较小时,联合循环对系统性能有更大的提升。