超臨界二氧化碳循環(huán)
- 分類：經(jīng)典案例
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- 發(fā)布時(shí)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(guó)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(jìng)相研究的對(duì)象。相比前幾代核反應(yīng)堆，第四代核反應(yīng)堆一個(gè)典型的特點(diǎn)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(shí)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(gè)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(guó)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(huì)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(shí)，通過提高燃機(jī)渦輪進(jìn)口溫度來提高燃機(jī)效率也會(huì)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(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)熱力系統(tǒng)的效率。同時(shí)二氧化碳易于獲取且對(duì)環(huán)境危害較小，這也讓其受到各國(guó)研究者的青睞。
04 / 蒸汽、燃?xì)?、超臨界二氧化碳循環(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(gè)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(chǔ)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(chǎng)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(guó)首創(chuàng)，發(fā)明專利號(hào)：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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