超臨界二氧化碳循環(huán)
- 分類：經(jīng)典案例
- 作者：
- 來源：
- 發(fā)布時間：2024-02-17 16:04
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【概要描述】用于超臨界CO2換熱，超臨界CO2發(fā)電，超臨界CO2無水印染等行業(yè)； 用于超臨界SCO2換熱，超臨界SCO2發(fā)電，超臨界SCO2無水印染等行業(yè)；
超臨界二氧化碳循環(huán)
【概要描述】用于超臨界CO2換熱，超臨界CO2發(fā)電，超臨界CO2無水印染等行業(yè)； 用于超臨界SCO2換熱，超臨界SCO2發(fā)電，超臨界SCO2無水印染等行業(yè)；
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漫談：超臨界二氧化碳循環(huán)
作者：太澤透平
步入21世紀(jì)后，世界各國開始大力研發(fā)第四代核反應(yīng)堆。諸如鈉冷卻快堆（SFR），鉛冷快堆（LFR），氣冷快堆（GFR），超臨界水冷反應(yīng)堆（SCWR），超高溫氣冷反應(yīng)堆VHTR）和熔鹽反應(yīng)堆（MSR）等都是大家競相研究的對象。相比前幾代核反應(yīng)堆，第四代核反應(yīng)堆一個典型的特點是工作溫度提高到500~900攝氏度，而傳統(tǒng)的水冷反應(yīng)堆工作溫度約為300攝氏度。目前，核反應(yīng)堆熱力系統(tǒng)效率低于傳統(tǒng)化石燃料熱力系統(tǒng)。而根據(jù)熱力學(xué)知識可知，提高核反應(yīng)堆工作溫度就能夠提高渦輪進(jìn)口溫度，從而將有效提高整個熱力系統(tǒng)的效率。
01 / 各種熱力循環(huán)系統(tǒng)效率和渦輪進(jìn)口溫度關(guān)系
隨著核反應(yīng)堆出口溫度的提高，研制出能夠利用好這一溫度的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也得到各國重視和研究。傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)當(dāng)渦輪進(jìn)口溫度超過500攝氏度后，會出現(xiàn)材料性能惡化而在使用中受到限制，而燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)由于氣體壓縮過程中消耗大量的功而使得燃機(jī)效率無法顯著提升。同時，通過提高燃機(jī)渦輪進(jìn)口溫度來提高燃機(jī)效率也會受到材料冶金極限的限制。在各種熱力循環(huán)候選者中，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)被認(rèn)為是有希望在第四代反應(yīng)堆工作溫度區(qū)域內(nèi)，提供高效率，同時使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，并具有更好的穩(wěn)定性，最終提高電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安全性和可靠性的有前景的替代方案之一。
02 / 蒸汽循環(huán)和燃?xì)庋h(huán)示意圖及二氧化碳超臨界態(tài)
當(dāng)二氧化碳溫度超過30.98攝氏度同時壓力超過7.38兆帕后，二氧化碳達(dá)到超臨界狀態(tài)。超臨界二氧化碳的物理和化學(xué)性質(zhì)介于液體和氣體之間，既不是液體也不是氣體，其密度與液體相近而其低粘度及高擴(kuò)散系數(shù)又與氣體相近，流動與傳遞性能良好。
03 / 超臨界二氧化碳的熱力性質(zhì)
正是由于處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳具有以上性質(zhì)，從而使得熱力循環(huán)過程中減少了壓縮過程消耗的功，在燃機(jī)進(jìn)口溫度不變的情況下，提高了整個熱力系統(tǒng)的效率。同時二氧化碳易于獲取且對環(huán)境危害較小，這也讓其受到各國研究者的青睞。
04 / 蒸汽、燃?xì)狻⒊R界二氧化碳循環(huán)熱力系統(tǒng)比較
此外，超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的整個尺寸也相比朗肯循環(huán)和燃?xì)庋h(huán)系統(tǒng)尺寸減少很多。
05 / 蒸汽、燃?xì)狻⒊R界二氧化碳循環(huán)熱力系統(tǒng)部件尺寸比較
由于要保證循環(huán)過程中二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，一般渦輪出口氣體壓力比較高而使得渦輪出口氣體還存儲著大量熱能。所以一般循環(huán)中要設(shè)置回?zé)崞?。由于?yīng)有場景的不同，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可以有多種布局，常用的有以下布局。其中再壓縮（Recomperssion）布局具有最高的循環(huán)效率。
06 / 超臨界二氧化碳循環(huán)布局1
08 / 超臨界二氧化碳再壓縮布局及溫度-熵圖
南京雅瓏石化裝備有限公司已經(jīng)首創(chuàng)成功研發(fā)的往復(fù)式超臨界SCO2循環(huán)泵為超臨界二氧化碳熱力循環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)做出一份貢獻(xiàn)。
最高壓差5MPa；最高出口壓力40MPa，最高輸送溫度130℃；最小流體密度0.2；中國首創(chuàng)，發(fā)明專利號：ZL 2022 1 0304025.5.
目前已經(jīng)通過中科院、交大、中科大等等機(jī)構(gòu)的5年的使用，效果優(yōu)秀.
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