超临界二氧化碳循环分析1
超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析
ZHAO Decai1,2, QIN Zheng1,2, LIU Huimin1,2
(1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201203, China; 2. Shanghai MicroPowers Co., Ltd., Shanghai 201203, China)
2018 年第 6 期 （总第 153 期）
201热力循环分析
赵德材 1，2，秦 政 1，2，刘惠民 1，2
（1. 上海船用柴油机研究所，上海 201203；2. 上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203）
摘 要： 首先介绍了超临界二氧化碳 （S-CO2） 布雷顿简单回热循环系统，在此基础上引入了系统效率更高的S-CO2布 雷顿再压缩循环系统。针对S-CO2布雷顿再压缩循环系统，在相关假设条件的基础上，建立了S-CO2布雷顿再压缩循环热 力计算模型，并给出了进行热力参数分析时系统主要设备性能参数及状态点工况参数，然后详细研究了S-CO2布雷顿再 压缩循环系统初始状态参数、循环最高参数、叶轮机械效率及回热度、换热器设备压降、分流系数等参数对系统效率的
0 引言
超临界 CO2 （S-CO2） 布雷顿循环发电技术作为近 年来快速发展的一项前沿技术，得到了国内外学者的 广泛研究。相较于传统的蒸汽朗肯循环发电系统，在 同样的透平入口工质温度条件下，S-CO2 布雷顿发电系 统具有更高的循环效率[1]；采用 S-CO2 作为闭式循环工 质，由于 S-CO2 密度大、传热性能优异，可在保证循 环效率的同时大幅提高发电系统的能量密度[2]；闭式循 环可减小对环境的影响、水源的需求；可采用化石燃 料、核能、光热、余热等多种热源形式，因此 S-CO2 布雷顿循环系统具有十分重要的战略意义。采用再压 缩布置的 S-CO2 布雷顿循环与采用简单回热布置的布 雷顿循环相比，可明显提高系统效率，
CO2跨临界制冷循环原理及新技术
二氧化碳跨临界循环制冷CO 2作为制冷剂的应用历史•CO 2作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶采用CO 2制冷。
•但由于当时采用的CO 2亚临界循环制冷效率低，特别是当环境温度稍高时，CO 2的制冷能力急剧下降，且功耗增大。
•同时，以R12为代表的CFC 或氟氯烃制冷剂的出现，以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等特点，很快取代了CO 2在安全制冷剂方面的位置。
•近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，而CO 2跨临界制冷循环的提出，CO 2作为制冷剂开始重新得到重视•该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行。
压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。
但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成。
CO作为制冷工质的优缺点2优点•良好的安全性和化学稳定性•具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质•CO2优良的流动和传热特性•CO2制冷循环的压缩比较常规工质制冷循环低缺点•运行压力高•循环效率低带回热器和不带回热器的CO 2跨临界单级循环进行理论分析和实验性能测试2•典型的CO 2跨临界单级循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成．图1和图2分别给出了CO 2跨临界单级循环原理图和细图．图l 中：低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂(过程l 一2)，经气体冷却器进行定压放热(过程2—3)，然后经节流阀进行节流降压(过程3—4)，低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热(过程4一1)，最后回到压缩机，从而完成一个循环．2•制冷循环增设回热器，可以减小节流损失、增大制冷量，从而提高系统性能．图3和图4分别给出了带回热器的CO 2跨临界单级循环原理图和细图．两个循环性能对比分析•图5给出了两个循环COP随蒸发温度的变化．随着蒸发温度的增加，两个循环COP均呈增加趋势，蒸发温度越高，系统性能越优；•在整个蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高4．55％左右；•对于理想压缩机循环，系统性能要比实际循环性能高33．3％以上，但这种理想循环是不存在的．•图6给出了两个循环COP 随气体冷却器出口温度的变化．•随着气体冷却器出门温度的增加，两个循环COP均呈下降趋势，温度越高，系统性能越差；•在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高5．23％左右．•两个循环COP 随压缩机排气温度的变化，见图7．•在排气温度变化范围内，相同对比条件下，带回热器CO 2跨临界单级循环系统COP 要高于不带回热器循环，且带回热器单级循环排气温度要稍高些．•无论带回热器还是不带回热器循环，随着压缩机效率提高，系统COP 均变大，压缩机排气温度均有所降低，不带回热器循环降低幅度较大．•由图7还可以看出，两个单级循环都存在一个最优排气温度，使得在此温度下系统COP 最大，带回热器循环对应最优排气温度要高于不带回热器循环最优排气温度．结论•(1)在蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约4．55％；在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约5．23％；相同对比条件下，带回热器CO跨临界单级循环系统COP高于不2带回热器循环的，且带回热器单级循环最优排气温度稍高些．•(2)两种单级循环的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP，均随压缩机排气压力增加存在极值；随冷却水流量、冷冻水流量以及冷冻水进口温度增加而增加，随冷却水进口温度增加而下降．•(3)相同测试工况下，带回热器循环系统具有较高的性能．其中，制热量和制冷量分别比不带回热器的单级循环平均高约3．33％和5．35％，制热COP和制冷COP分别提高约11．36％和14．29％．CO2跨临界循环的应用前景与研究进展•1、汽车空调•2、热泵•3、食品冷藏•4、循环系统关键设备的研究进展•1、汽车空调•过去汽车空调中一般使用CFC12作为制冷工质，这使得汽车空调制冷剂的排放量在所有氟利昂的排放中占有相当大的比例。
超临界二氧化碳布雷顿循环
超临界二氧化碳布雷顿循环
超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型的低温二氧化碳发电系统。
它采用了超临界二氧化碳来代替传统的水蒸气发电系统中的水，从而提高了发电系统的效率。
在超临界二氧化碳布雷顿循环中，二氧化碳在超临界状态下被加热。
超临界状态是指二氧化碳被加热至其临界点以上的高温高压状态。
在这种状态下，二氧化碳具有非常高的密度和高度压缩性，因此可以在非常小的管道内流动。
在此循环中，加热器将超临界二氧化碳加热至高温，使其变成高压蒸汽。
接下来，高压蒸汽通过涡轮机驱动发电机，产生电能。
之后，二氧化碳蒸汽被冷却并压缩，然后再次进入加热器，循环往复。
超临界二氧化碳布雷顿循环相比传统的水蒸气发电系统具有明显的优点。
首先，它可以在较低的温度下工作，降低了设备的运营成本。
其次，由于二氧化碳的密度和压缩性很高，因此可以使用较小的管道和设备。
最后，该系统使用的材料具有良好的耐久性，因此可以更长时间地运营。
总之，超临界二氧化碳布雷顿循环是一种具有潜力的新型发电系统，可以提高能源利用效率并降低运营成本。
跨临界CO2制冷循环火用分析
《节 能 技 术 》
ＥＮＥＲＧＹ Ｃ０ＮＳ ＥＲＶＡＴＩ ＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬ ０ＧＹ
Ｖｏ ． ０， ｕ １ ３ Ｓ ｍ．Ｎｏ １ ５ ． ７
Ｓ ｐｔｍｂ ｒ ２ ２， ． ｅ ｅ ｅ ． ０１ Ｎｏ ５
跨 临 界 Ｃ ２ 冷 循 环火 分 析 Ｏ制 用
整 个循 环 的炯效 率从 ２ ． ％下 降为 １ ． ％ 。对 于 ６２ ９１ 制冷 系统 ， 蒸发温 度升高 ， 得 系统 的 Ｃ Ｐ提 高 ， 使 Ｏ 但 该 系统 中 ， 导 致 炯效 率 下 降显 著 。 因此在 跨 临 界 却 Ｃ ， 级 系统 中， 建议 单 纯 为提 高 Ｃ Ｐ而 提 高 蒸 Ｏ单 不 Ｏ
发 温度 。
２ 结 果 分 析
２ １ 各 过程 炯损失 ．
蒸 发温 度是 一ｌ ℃ ， ０ 冷凝 压 力是 ９ ０ ＭＰ ， ． ａ 冷却 终 了温 度 是 ３ ℃ ， 境 温 度 是 ３ ℃ ， 库 库 温 是 ５ 环 ０ 冷
一
５ 的条 件下 ， 算 制冷 循 环 中各 过 程 的炯损 失 ， ℃ 计
ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ｓ ｃ ｎ ｌ ｒ ｃｐ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｄ ｔ ａ ｈ ｏ ｓｅ ｅｙ ｗ ｓｍａ ｉ ｍ ｕ ｎ ｒ ｔ ｉ ｇ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｏ ｄ ｙ ｐ ｉ ｉ ｌ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗｅ ｈ ｔ ｅｌ ｓ ｘ ｒ ａ ｘｍｕ ｄ ｒ ｇ ｔ ｏｔ ｎ ｎ ｓ ｔ ｉ ｈ ｌ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ｆ ｃ ｅ ｃ ｆｃ ｃｅ ｗａ ｎ ｙ ２ ％ ．Ｉ ｃ ｅ ｓｎ ｖ ｐ ｒ ｔ ｎ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｅ ｒ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｄ ｎ ｘ ｒ ｙ ｅ ｉｎ ｙ ｏ ｙ ｌ ｓ ｏ ｌ ５ ｉ ｎ ｒａｉｇｅ ａ ｏａｉ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ａ ｄ ｄ ｃ ｅ ｓｎ ｈ ｎ
二氧化碳跨临界制冷循环
二氧化碳跨临界制冷循环摘要：CO2是一种环保型的自然工质，它对臭氧层不产生任何破坏作用且具有较小的温室效应。
本文概述跨临界C02制冷循环的原理，提出几个影响该循环的技术关键。
介绍跨临界CO2循环的相关应用领域，指出CO2作为性能良好的自然工质有着很好的发展前景。
关键词：二氧化碳；制冷；跨临界循环引言由于制冷剂中氯原子对大气臭氧层有破坏作用，《蒙特利尔协议》规定R12 等CFCS（氯氟碳）在制冷工质中被禁用，危害程度较小的R22 等HCFCS（氢氯氟碳）的禁用日期也一再提前。
目前已获应用的R134a，R410A，R407C 等HFCS （氢氟碳）仍是一类新的化学合成物，它们不仅制造成本昂贵，而且已被证明能产生较为严重的温室效应。
另外，随着研究的深入，有可能证明HFCS 在其它方面也有危害。
因此，在制冷系统中对地球生物圈中原来就有的“自然工质”进行研究，已成为近年来的前沿课题之一。
二氧化碳（R744）目前被称作是一种被遗忘的制冷剂，它在19世纪被广泛地使用，从20世纪30年代后被冷落。
现在，大家认为：已经到了使用现代的高新技术重新利用二氧化碳的时候了。
1.CO2制冷二氧化碳基本上不会引起环境问题，它无毒不燃，具有氨和烃类制冷剂所不可及的一些优点。
另外它价廉，与一般的制冷设备和润滑系统都相容。
它可以高度压缩，因此可以利用先进设备及设计大大减小压缩机的体积和管道直径。
它在高压下良好的传热效果是该制冷剂的另一个优点。
总而言之，在满足制冷要求的情况下，使用二氧化碳制冷剂可以大大降低设备的投资。
2.工作原理跨临界蒸汽压缩式制冷循环是利用气体液化后可吸收蒸发（汽化）潜热的特性以达到制冷的目的。
跨临界系统由压缩机C ，气体冷却器G ，内部热交换器I，节流阀V ，蒸发器E 与储存器A组成封闭回路，以CO2为工作介质，气体工质在压缩机C 中升压至超临界压力P2，在T 一S 图上为过程1一2 ，然后进入气体冷却器G 中，被冷却介质（空气或冷却水）所冷却。
二氧化碳跨临界循环的理论分析与研究
二氧化碳跨临界循环的理论分析与研究乔丽李树林西安建筑科技大学710055摘要：本文主要对自然工质二氧化碳的替代进行研究。
对其热力性质、循环特性进行分析研究，以求进一步完善R744循环。
关键词：自然工质跨临界循环热泵气体冷却器Theoretical Studies and analysis on Transcritical CO2 CyclesAbstract: This paper studies the CO2which one of natural refrigerant, analyzes its thermal properties, the character of CO2 cycle, to make transcritical CO2 cycle more perfectly.Keywords: natural refrigerant, transcritical system, heat pump, gas cooler1前言当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系到人类的健康和生存，引起了人们的高度重视。
在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs工质是引起臭氧层破坏的主要原因，而且，这些工质为温室气体，已列入逐步被淘汰之列。
制冷空调行业为了适应CFCs和HCFCs制冷工质的淘汰，纷纷转轨使用HFCs，人们一直认为HFCs 是CFCs制冷工质的长期替代物。
现在《京都议定书》又将HFCs列入了温室气体清单中，要对它们的排放加以控制。
国内外制冷空调行业均在探索如何总结历史经验，寻求正确、科学地解决由于环保要求提出的制冷工质替代问题，力争少走弯路。
为了应对环保要求的挑战，在寻找、开发替代制冷工质的过程中，逐渐形成了两种替代路线：即以美国、日本为首的国家仍主张使用HFCs[1]，包括开发纯组分的新一代制冷工质或二元、三元共沸和非共沸混合物；德国、瑞士等欧洲国家主张使用自然工质，包括HCs、CO2、NH3等。
二氧化碳超临界布雷顿循环发电 循环
二氧化碳超临界布雷顿循环发电循环布雷顿循环是一种经典的热力循环，常用于传统火力发电站中的蒸汽循环系统。
但是，布雷顿循环在传统火力发电中有较低的发电效率，且会产生大量的二氧化碳排放，对环境造成不良影响。
为了解决这一问题，科学家们提出了二氧化碳超临界布雷顿循环发电技术。
二氧化碳超临界布雷顿循环发电是利用二氧化碳在超临界状态（高压、高温）下的独特性质，将其作为工质来替代传统蒸汽循环中的水蒸汽。
具体的循环流程如下：1. 压缩: 二氧化碳从环境中吸入循环系统，经过压缩机进行高压压缩，使其达到超临界状态。
2. 加热: 经过高压泵将高压的二氧化碳送入加热系统，通过燃烧燃料（如煤、天然气等）产生的热能将二氧化碳加热至高温高压状态。
3. 膨胀: 加热后的超临界二氧化碳进入膨胀机，通过二氧化碳的膨胀来驱动涡轮发电机产生电能。
4. 冷却: 膨胀后的二氧化碳进入冷却系统，通过散热器将其冷却至合适温度，以便重新进入压缩机进行循环。
与传统的蒸汽循环相比，二氧化碳超临界布雷顿循环发电具有以下优势：1. 高效率: 二氧化碳超临界态具有更高的热传导性能和扩散性能，从而可以提高循环系统的热效率和发电效率。
2. 低碳排放: 二氧化碳超临界布雷顿循环发电中，将二氧化碳作为工质，可实现零排放或低排放，对环境影响较小。
3. 较小体积: 二氧化碳在超临界状态时密度较大，相比于水蒸汽，需要较小的回路体积，节省了布局空间。
4. 兼容性: 二氧化碳超临界布雷顿循环发电可以与现有的火力发电站烟气净化系统结合，对现有设备进行改造升级，降低了技术实施难度。
因此，二氧化碳超临界布雷顿循环发电技术被认为是一种可持续发展的高效、低碳的发电技术，对于减少二氧化碳排放、应对气候变化具有重要意义。
但其仍需要进一步的研发和实践验证，以提高其商业化应用的可行性和经济性。
超临界二氧化碳循环分析
超临界二氧化碳循环特性作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。
由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。
但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。
与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。
同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。
1. 二氧化碳动力循环（1）简单超临界Brayton循环与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。
其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。
回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。
图1-1简单超临界Brayton循环受堆芯出口温度限制以及CO2工况下比热容变化较大的影响，CO2简单超临界Brayton循环的效率与氦气循环相比并不高。
由于CO2相对氦气较为活泼，高温下可与燃料元件和金属构件发生化学腐蚀，因此，在使用CO2作为冷却剂的气冷堆中存在工程约束条件，即CO2的工作温度不能超过670℃。
2024年超临界CO2发电机市场环境分析
2024年超临界CO2发电机市场环境分析1. 概述超临界CO2发电技术是一种基于超临界二氧化碳工质的发电机系统。
该技术由于其高效能、低排放和可持续性的特点，在近年来得到了广泛的关注和应用。
本文将对超临界CO2发电机市场环境进行分析，探讨其市场前景、竞争状况和发展趋势。
2. 市场前景超临界CO2发电技术具有多种优势，如高效能、低排放、可替代性等。
随着全球对环境保护和可持续能源的需求不断增加，超临界CO2发电技术将逐渐替代传统的火力发电和化石能源发电。
预计未来几年内，超临界CO2发电机市场将保持稳定增长，并有望达到数十亿美元的规模。
3. 竞争状况目前，超临界CO2发电技术市场存在一些主要竞争企业。
这些企业在技术研发、产品性能和市场份额方面具有一定的优势。
然而，在市场规模和全球布局方面，超临界CO2发电技术市场尚处于初级阶段，竞争相对较弱。
因此，在市场发展的早期阶段，企业有机会加强技术创新和市场开拓，争夺更大的市场份额。
4. 发展趋势随着技术的不断进步和投资的增加，超临界CO2发电技术将迎来更广阔的发展机遇。
未来几年内，预计超临界CO2发电技术将呈现以下几个发展趋势：•技术创新：企业将加大研发投入，改善超临界CO2发电机的效率和性能，提高整个系统的可靠性和稳定性。
•市场拓展：企业将加强市场开拓，寻找更多的项目机会和合作伙伴，以扩大超临界CO2发电机的市场份额。
•政策支持：各国政府将出台更多的环保政策和能源政策，为超临界CO2发电技术提供更好的政策环境和市场保障。
•国际合作：企业将加强国际合作，开展技术交流和合作研发，共同推动超临界CO2发电技术的全球应用和推广。
5. 总结超临界CO2发电机市场具有良好的市场前景和发展潜力。
在竞争状况相对较弱的情况下，企业有机会加强技术创新和市场开拓，争夺更大的市场份额。
未来几年内，随着技术的不断进步和政策的支持，超临界CO2发电技术将取得更广阔的发展，并成为可持续能源领域的重要组成部分。
超临界CO2发电机工作原理
超临界CO2发电机工作原理超临界CO2（二氧化碳）发电机是一种新型的发电技术，其工作原理是基于超临界CO2工质的特性和循环过程。
本文将详细介绍超临界CO2发电机的工作原理，包括工质性质、循环过程以及发电效率等方面。
1. 工质特性超临界CO2是指在高于其临界压力（72.9倍大气压）和临界温度（31.1摄氏度）条件下处于液相和气相之间的CO2。
与传统的水蒸汽发电相比，超临界CO2具有较高的致密度、低的黏度、高的热物性参数和可调节的气液相变特性。
这些特性使得超临界CO2成为一种理想的工质用于发电。
2. 循环过程超临界CO2发电机的循环过程主要包括压缩、加热、膨胀和冷却四个步骤。
在压缩过程中，CO2从低压返回高压状态，吸收来自外部燃料的热量；加热过程中，高温热源使CO2进一步升温；膨胀过程中，CO2通过涡轮机转化为机械能，驱动发电机发电；冷却过程中，CO2被冷却并压缩至初始状态，以完成循环。
3. 发电效率超临界CO2发电机的发电效率相比传统的蒸汽发电机更高。
这归功于超临界CO2工质的高致密度和调节气液相变特性。
超临界CO2发电机的高效率意味着可以更充分地利用燃料能量，降低温室气体排放，并提高能源利用效率。
4. 应用前景超临界CO2发电技术具有广阔的应用前景。
它可以应用于传统的化石燃料发电厂，提高发电效率，减少环境污染。
此外，超临界CO2发电技术还可以应用于可再生能源发电领域，如太阳能和风能，提高可再生能源的利用效率。
总结：超临界CO2发电机是一种新兴的发电技术，它利用超临界CO2工质的特性和循环过程来产生电能。
其工作原理基于超临界CO2的特性和循环过程，具有高效率、可调节的气液相变特性和应用广泛等特点。
超临界CO2发电技术在化石燃料发电和可再生能源发电领域具有广阔的应用前景。
这种新型发电技术有望在未来的能源转型中发挥重要作用，降低能源消耗，减少环境污染。
超临界二氧化碳循环分析
超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。
但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。
出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。
CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。
超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1. 二氧化碳布雷顿循环分析（1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。
高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He 循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1zCO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.4630.1 1.95 0.01497 0.828 0.879He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.0330.1 0.156 0.1571 5.198 0.999 （2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆（AGR）为例。
超临界二氧化碳热值传递与热力循环
超临界二氧化碳热值传递与热力循环超临界二氧化碳热值传递与热力循环是一种新型的能源转换与利用技术，具有极高的能源效率和环保性。
本文将从介绍超临界二氧化碳的基本特性和热值传递原理出发，详细阐述其热力循环过程和应用领域，并探讨其在未来能源发展中的重要性和展望。
超临界二氧化碳是指在临界点以上的高温高压下，二氧化碳的物理状态发生变化，表现出类似气态和液态的混合物质，具有高密度、高扩散性、高可压缩性和高特性热容等特性。
这些特性使得超临界二氧化碳在热值传递领域具有独特的优势。
通过将超临界二氧化碳作为工质，利用其高温高压的特性和强烈的对流传热效应，可以实现高效的能量传递和转换，从而提高系统的热效率和节能环保性。
超临界二氧化碳的热值传递原理可以通过热力循环过程来描述。
超临界二氧化碳热力循环是一种基于Brayton循环原理的闭合式热力循环，其原理是通过一个压缩机将低温低压的二氧化碳压缩到高温高压的状态，然后将高温高压的二氧化碳加热，再通过一个膨胀机将高温高压的二氧化碳放松成低温低压的状态，最后将低温低压的二氧化碳冷却，再回到压缩机循环利用。
这一循环过程实现了机械能和热能之间的转换，从而实现对燃料能源的高效利用。
超临界二氧化碳热力循环具有广泛的应用领域。
目前，其主要应用于核电站余热利用、火力发电高温低效率的提升、航天航空动力系统、燃烧排放控制等领域。
其中，超临界二氧化碳热力循环在核电站的应用具有巨大潜力。
传统核电站在工作过程中会产生大量的余热，浪费能源。
而通过利用超临界二氧化碳热力循环技术，可以将这些余热转化为电力，发挥最大利用价值，提高核电站的能源效率。
超临界二氧化碳热力循环技术在未来的能源发展中具有重要的意义和展望。
随着全球能源消耗的不断增加和环保意识的不断提高，需要采用更加环保、高效的能源转换和利用技术。
超临界二氧化碳热力循环正是符合这一需求的新型能源技术，其节能环保性和高效能性将得到进一步的发展和应用，有望成为未来能源体系中的重要组成部分。
超临界二氧化碳循环分析
超临界二氧化碳循环分析部门： xxx时间： xxx整理范文，仅供参考，可下载自行编辑超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。
但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。
出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。
CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。
超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1.二氧化碳布雷顿循环分析<1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大<表1-1）。
高压<7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容cp和压缩因子z均与低压<0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点<7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况<图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
b5E2RGbCAP表1-1 CO2和He热物性比较<35℃）工质P/MPaρ/kg·m-3λ/W·(m·K>-1CP/kJ·(kg·K>-1zCO27.5277.60.03532 5.93060.4630.1 1.950.014970.8280.879 He7.511.320.1604 5.198 1.0330.10.1560.1571 5.1980.999 <2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆<AGR）为例。
超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
收稿日期：2018-12-18 基金项目：中核集团自主研发项目 （2017-568） 第一作者简介：冯 岩，1988年生，男，河南民权人，2012年毕业 于北京理工大学机械制造及其自动化专业，工程师。
相比，S-CO2 循环具有如下特点：a) S-CO2 工质的特点。 当 CO2 的 压 力 达 到 7.377 MPa， 温 度 达 到 304.128 K 时，变为超临界状态，其临界温度和压力远低于水的临 界点 （22.064 MPa，647.096 K），易于达到；S-CO2 具
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2019 年第 2 期
2019 年 2 月
有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强， S-CO2 兼具气体特性，黏度小、流动性强、系统循环损 耗小 ，S-CO2 工质 在循环 中无 相 变 。S-CO2 还 具有 无 毒、不可燃、良好的化学稳定性、环境友好、成本低 廉等特征[4]；b) S-CO2 布雷顿循环效率高。当 S-CO2 温 度达到 550 ℃时，S-CO2 发电系统的热效率可达 45%。 随着温度升高接近 750 ℃时，其系统热效率可达 50%， 该参数比同等条件下氦气循环发电系统效率高；c) 设 备体积小、质量轻。在 S-CO2 布雷顿循环中，CO2 始终 处于超临界状态，密度大，动能大，不发生相变，所 需涡轮级数少，涡轮机轴向尺寸小，冷却器、管路附 件等尺寸相应减小[5]。
4
5 3
2
6
1
熵s/(J·mol-1·K-1)
a) 热力循环T-S图
压缩机 1
5 涡轮机
发电机 2
4
预
冷
热
器
回热器
源3
6 b) 循环简单结构图
超临界二氧化碳循环分析1
超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。
但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。
出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。
CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。
超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1. 二氧化碳布雷顿循环分析（1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。
高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p 和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1zCO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.4630.1 1.95 0.01497 0.828 0.879He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.0330.1 0.156 0.1571 5.198 0.999 （2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆（AGR）为例。
超临界二氧化碳布雷顿循环回收燃气轮机余热 实例
超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿循环是一种新兴的能源回收技术，它可以用于回收燃气轮机的余热。
布雷顿循环利用超临界二氧化碳作为工质，在高温高压下实现高效的能量转换，因此在能源回收领域具有广阔的应用前景。
本文将结合实例，讨论超临界二氧化碳布雷顿循环回收燃气轮机余热的技术原理、优势和挑战。
1. 技术原理1.1 超临界二氧化碳布雷顿循环超临界二氧化碳布雷顿循环是一种闭式循环系统，利用超临界状态的二氧化碳来实现能量转换。
在超临界状态下，二氧化碳的密度较大，导致其压缩过程中产生较少的熵增，从而提高了循环的效率。
超临界二氧化碳的特性使其能够在较低温度下发生相变，因此可以用于吸收和释放余热。
1.2 燃气轮机余热回收燃气轮机在工作过程中会产生大量的余热，通常这些余热会被直接释放到大气中而造成能源的浪费。
利用超临界二氧化碳布雷顿循环可以将这些余热回收，通过高效的能量转换将其转化为电力或其他形式的有用能量。
2. 实例分析2.1 实例背景某工业厂区拥有多台燃气轮机，每台燃气轮机在运行过程中会产生大量余热，而目前这些余热大部分被浪费掉。
为了提高能源利用效率，厂区决定引入超临界二氧化碳布雷顿循环技术，对燃气轮机的余热进行回收利用。
2.2 实施方案首先对燃气轮机进行改造，将余热回收装置与超临界二氧化碳布雷顿循环系统相结合。
改造后，余热将被用来加热二氧化碳，将其转化为高温高压的二氧化碳气流，然后通过涡轮机和发电机将其转化为电力。
该电力可以用于厂区自身的生产设备，也可以输送到电全球信息站。
2.3 技术效果经过实施，燃气轮机的余热得到了有效回收，与此超临界二氧化碳布雷顿循环系统也实现了高效的能量转换。
通过实验数据的监测与统计，厂区的能源利用效率有了显著提高，不仅为厂区节约了大量的能源成本，还为环境保护做出了积极贡献。
3. 优势和挑战3.1 优势超临界二氧化碳布雷顿循环回收燃气轮机余热具有以下优势：- 高效能量转换：利用超临界二氧化碳的特性，实现了高效能量转换，提高了能源回收的效率。
核反应堆系统中以超临界二氧化碳为工质的热力循环过程的建模与分析
核反应堆系统中以超临界二氧化碳为工质的热力循环过程的建模与分析梁墩煌;张尧立;郭奇勋;沈道祥;黄锦锋【摘要】超临界二氧化碳(S-CO2)有可能作为循环工质应用于第四代核能系统中的3种快中子反应堆系统和当前常见商用反应堆系统内.使用工程等式求解器(engineering equation solver,EES)工具,对S-CO2布雷顿循环进行了理论建模和分析.其中,针对系统中的重要部件换热器,进行了较为详细的建模.分析了S-CO2布雷顿循环系统的循环热效率,并与核工业中常用的循环工质进行对比.结果表明,S-CO2作为循环工质在特定的温度下具有较高的热转化效率.同时,针对不同的反应堆类型,对比分析S-CO2布雷顿循环与各种类型反应堆系统耦合时的热力循环效率与特性.结果表明,孓CO2作为循环工质材料最适合在气冷快堆与液态金属快堆(钠冷快堆和铅冷快堆)中使用,具有热效率和铀资源利用率高等优势.【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(054)005【总页数】6页(P608-613)【关键词】反应堆系统;循环工质材料;超临界二氧化碳;布雷顿循环【作者】梁墩煌;张尧立;郭奇勋;沈道祥;黄锦锋【作者单位】厦门大学能源学院,福建厦门361102;厦门大学能源学院,福建厦门361102;厦门大学能源学院,福建厦门361102;厦门大学能源学院,福建厦门361102;厦门大学能源学院,福建厦门361102【正文语种】中文【中图分类】TL343目前世界上运行和在建的核电站中,绝大部分采用水蒸气朗肯循环作为能量转换系统．在中国山东石岛湾建设的高温气冷堆,选取氦气作为工质,使用布雷顿循环作为能量转换方式．超临界二氧化碳(supercritical CO2,S-CO2)作为一种工质,在物理和热工等方面表现出优异的特性．S-CO2布雷顿循环成为了第四代先进核能系统的备选热力方案之一．在第四代核能论坛提出的第四代先进核能系统6种推荐堆型中,除了超临界水反应堆(supercritical water reactor,SCWR)外,其余堆型的能量转换系统均可采用布雷顿循环[1],其中,铅冷快堆和钠冷快堆中推荐使用CO2作为布雷顿循环的循环工质．1.1 S-CO2性质CO2是自然界中的一种常见物质,多数情况下以气态形式出现．当CO2的温度超过31 ℃、压力超过7.38 MPa时,即进入S-CO2状态．在这种状态下,液体与气体之间的相界面消失．S-CO2介于气体和液体之间,兼有气体、液体的双重特点．CO2由于其性质稳定、无毒、不易燃易爆、价格低廉以及临界压力和临界温度较低,因而成为当代工业中最常见的超临界流体之一．当流体处于超临界状态时,会表现出很多不同寻常的性质．CO2在超临界状态时,比焓、定压比热、密度、音速、黏度、热传导系数、比热比等物性参数都会发生剧烈的变化．1.2 S-CO2布雷顿循环采用超临界流体作为布雷顿循环的工质,可以利用超临界流体拟临界区物性突变性质,将压缩机工况运行点设置在拟临界区温度附近的密度较大区间,将反应堆运行设置在拟临界区温度之后的密度较小区间,利用密度在临界点附件发生突变的性质,保证气体冷却,同时大幅降低压缩机功耗,使得气冷堆在中等堆芯出口温度时达到较高的循环效率[2]．这一性质使得超临界流体用作反应堆二回路能量转换工质具有明显优势．S-CO2工质用于核反应堆一般采用布雷顿热力循环模式．布雷顿循环一般包括绝热压缩(过程1→2)、定压加热(过程2→3)、绝热膨胀(过程3→4)、定压放热(过程4→1)4个基本过程,循环中温度与比熵变化过程如图1所示[3]．对于核反应堆内的S-CO2布雷顿循环,其最简单、最基本的系统流程如图2所示,主要由压缩机、回热器、汽轮机、冷却器和热源构成[4]．直接循环条件下的热源是堆芯,间接循环下的热源是反应堆一、二回路之间的换热器．低温低压的气体经压缩机升压,再经回热器高温侧流体预热后进入热源,吸收热量后直接进入汽轮机做功,做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后,再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度,进入压缩机形成闭式循环．由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近,使流体密度增大,流体压缩性较好,从而降低了压缩功耗,提高了热力系统净效率．2.1 系统布置工程等式求解器(engineering equation solver,EES)是一种计算软件，它提供了很多对工程计算常用的内置数学和热物性函数,常用于求解代数方程组，差分方程、工程优化、线性和非线性回归；并可绘制二维图形．本文为了研究S-CO2布雷顿循环在不同情况下的运行状况与性能,使用EES软件对能量转换系统热力循环进行数学建模，建立了S-CO2布雷顿循环系统的热力学分析模型．所建模型为S-CO2再压缩布雷顿循环[5],主要部件有压缩机、透平和换热器．再压缩布雷顿循环是结构简单紧凑,热效率高的一种S-CO2布雷顿循环的系统布置形式[6]．如图3所示,与简单布雷顿循环相比,再压缩布雷顿循环模式中设置了高温、低温2组回热器,并增加了再压缩压缩机．再压缩循环中温度与比熵变化如图4所示,图中所标注的1～10表示状态点，与系统布置图中(图3)的状态点相对应．2.2 换热器模型由于换热器是循环回路中最大的组件,所以换热器的设计尤为重要．本文中S-CO2布雷顿循环模型包含3个换热器：高温回热器、低温回热器和预冷器,为了减小换热器的体积,这3个换热器建模均采用印刷电路板式换热器(PCHE)设计[7],该换热器由板层组成,板层上有化学蚀刻出的流道,以冷板/热板交替叠加组成并通过扩散黏结为集成块体．流动布置为逆向对流,流道截面为半圆形．PCHE截面如图5所示．由于PCHE中各层板的厚度、流道几何尺寸均相同,因此,该换热器模型可以退化为使用n个换热单元来描述整个换热器的换热效果．以相邻冷热板对应的流道作为一个换热单元,该换热单元的换热乘以n,即得到换热器的整体换热效果．简化模型单元结构如图6所示．对于传热单元两个流道之间,模型的传热过程分为热工质与板层之间的对流换热、板层之间的热传导以及板层与冷流体之间的对流换热．对于直线半圆形流道,在雷诺数大于2 300的紊流区选用Gnielinski关联式：其中，Nu为努谢尔数,Re为雷诺数,Pr为普朗特数,fc为莫狄摩擦系数,计算关联式如式(2):这些等式适用于Pr为0.5～2 000的物质,CO2工质在这个范围内．Re的定义如下:其中v为CO2工质流速,deq为流道的水力直径,υ为工质流体运动黏度．对于半圆形流道的水力直径计算公式如下：其中dc为半圆形流道的直径．一旦确定Nu,便可以通过式(5)得到换热系数h(W/m2·K),根据h,便可以计算PCHE的整体换热量,利用EES进行迭代计算,得出各个换热器冷侧与热侧工质的进出口温度、比焓等热力学参数,确定工质热力学状态．2.3 透平及压缩机模型压缩机与透平模型假设在等熵效率为ηisen的情况下的绝热运行,当确定一个恒定的等熵效率,可由透平机械入口的温度与压力确定CO2工质的比焓和比熵(hin和sin),由于CO2工质在透平机械中的变化过程为等熵过程,出口比熵(sout)等于入口比熵,根据透平机械出口压力与比熵,便可确定出口工质的绝热比焓(hout,i)．透平机械所产生的等熵比功可由式(6)得出:wi=hin-hout,i.压缩机的实际比功可由等熵效率得出,如等式(7)所示:对于透平的实际比功可根据等熵效率由式(8)计算得出:wturbine=wiηisen.根据能量平衡,可得出透平机械出口工质实际比焓(hout):hout=hin-w.最终通过出口比焓以及出口压力等已知参数确定透平机械出口工质热力学状态．2.4 循环建模分析各个换热器、压缩机及透平之间的管路假设为绝热,反应堆作为热源提供能量Q,根据摩擦阻力公式确定沿程阻力,确定各个节点压力及各段压降,完成对S-CO2布雷顿再压缩循环回路的建模．对循环回路整体热效率进行分析时,可以由下列等式计算整体循环热效率η,或wcomp=wcm(1-rfrac)+wcrrfrace,qout=(1-rfrac)(hpin-hpout).其中w代表相应部件的功,q为相应热量,rfrac为再压缩循环中的再压缩份额,qout 为预冷器排出的热量．如式(12)所示,压缩机的功耗分为两部分,即主压缩机功耗及再压缩压缩机功耗．根据所建模的再压缩布雷顿循环回路,给定的入口温度,即透平入口温度,利用EES进行循环迭代计算,算出各个状态点的热力学参数,得出循环效率．对系统的最高压力选择为22 MPa,最低压力选择为7.8 MPa,在最高温度为300～750 ℃变化的区间内,调整再压缩回路的流量,以得到在该参数下S-CO2布雷顿循环热效率的最大值．计算结果与水蒸汽朗肯循环[8]、氦气布雷顿循环[9]进行对比,变化趋势如图7所示．图7为水蒸气朗肯循环、S-CO2布雷顿循环和氦气布雷顿循环在反应堆系统相应适用范围内,循环热效率随堆芯出口温度的相应变化．由图可见,在温度低于400 ℃时,水蒸气朗肯循环的效率高于S-CO2布雷顿循环．但是在400～750 ℃的温度范围内,S-CO2布雷顿循环效率远远高于水蒸气朗肯循环和氦气布雷顿循环．而氦气由于其性质稳定,当温度超过800 ℃时,它能够继续稳定工作,且表现出良好的热力学性能．S-CO2布雷顿循环可用于目前常见常用反应堆和第四代反应堆系统,具有热效率高、设备体积小、系统结构紧凑便于模块化制造等优点,将其与各种堆型结合，特性如表1所示．同时利用EES所建的S-CO2布雷顿循环模型,采用S-CO2为二次侧工质,与这些反应堆系统进行耦合,根据反应堆系统出口温度等热工参数,计算得到S-CO2布雷顿循环应用与各种反应堆系统时的循环热效率η,对结果进行分析比较．如表1所示,S-CO2作为循环工质应用于能量转换系统时,铅冷快堆热效率最高,高达53.8%;用于重水堆时循环热效率最低[10],为29.3%．可见，S-CO2布雷顿循环能用于各种类型的反应堆，但在不同的应用场合下,S-CO2布雷顿循环与不同的反应堆结合可以表现出不同的特性．当使用S-CO2作为循环工质用于不同反应堆时,循环热效率各不相同,循环热效率从高到低依次为铅冷快堆、气冷快堆、钠冷快堆、压水堆和重水堆．除了循环热效率外,各个堆型应用S-CO2作为循环工质也有各自的优缺点．从上述结果可以看出,S-CO2作为循环工质,比较适合应用于气冷快堆和钠冷或铅冷快堆等液态金属冷却快中子反应堆．气冷快堆系统可使用S-CO2作为循环工质进行直接循环[11],它可简化系统回路,同时由于堆芯出口温度较高,循环热效率较高,为50.54%；由于结构简单,机械效率高,损失小,净效率约为47%．气冷快堆由于可直接循环,结构紧凑,便于模块化建造,缩短了建设周期,可降低建设成本．同时气冷快堆还有可充分利用铀(U)资源和产生放射性废物极少的优点:通过快中子能谱和完全锕系元素再循环相结合,可大幅减少长寿期反射性废物的产生,快中子能谱也能更有效地利用可裂变材料和增殖材料．钠冷快堆采用闭式燃料循环,能有效管理锕系元素和U238的转换,使用钚铀氧化物混合材料(mixed oxide fuel,MOX)燃料,S-CO2作为循环工质通过中间换热器与一回路相连接,出口温度可达540 ℃,循环热效率可达46.4%．对比钠与水会发生剧烈的化学反应,CO2与钠的相容性较好,这样可提高钠冷快堆的安全性[12],降低维护成本．钠冷快堆可有效管理高放废物,系统热响应时间长,主系统可在常压下运行．铅冷快堆采用完全锕系再循环燃料循环,为两回路设计,一回路为铅或铅铋合金自然循环,通过中间热交换器将热量传递给二回路S-CO2布雷顿循环能量转换系统,S-CO2布雷顿循环工质最高温度可达750℃,循环热效率高达53.8%,在这种温度下,可利用热化学过程制氢．同时铅在常温下沸点高、导热能力强、化学性质稳定以及中子吸收截面和慢化截面都较小,因此铀资源利用率和热效率都比较高[13-14]．此外还有很好的固有安全性和非能动安全特性[15-17],因此S-CO2作为循环工质在铅冷快堆中有着很好的应用前景．通过对比工业中常见的循环工质材料可以得知,S-CO2有着许多优良性质,临界温度适宜,接近室温,因此循环热效率较高,同时CO2化学性质稳定,具有较好的核物理性质和稳定性．在反应堆堆芯冷却剂温度范围内,CO2基本表现为惰性气体的性质．同时无毒性,天然存在,成本低廉．因此很适合用作反应堆内能量传输和能量转换工质．S-CO2在反应堆运行工况中密度较大,无相变，因此,以S-CO2为工质的透平、压缩机等动力系统设备结构紧凑,便于模块化建造,可降低反应堆建造成本与缩短建造周期．通过分析发现,反应堆系统出口温度在400～750 ℃之间时,S-CO2布雷顿的循环热效率明显大于水蒸气朗肯循环和氦气布雷顿循环．在目前常见的商业反应堆系统和第四代核能系统中,最适合使用S-CO2能量转换系统的堆型为第四代气冷快堆系统、钠冷快堆和铅冷快堆．它具有循环热效率较高、结构紧凑、便于模块化建造、缩短建设周期、降低建设成本的优势,极具竞争力．【相关文献】[1] DOE.A technology roadmap for generation IV nuclear energy systems[R].US：DOM,2002.[2] Dostal V,Driscoll M J,Hejzlar P.A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear 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Thermal hydraulic challenges of gas cooled fast reactors with passive safety features[J]. Nuclear Engineering and Design,2009,239(5):840-854.[13] Moisseytsev A,Sienicki J J. Supercritical CO2 Brayton cycle control strategy for autonomous liquid Metal-cooled reactors[R]. Argonne (US):Argonne National Lab,2004.[14] Dostal V,Hejzlar P,Driscoll M J. The supercritical carbon dioxide powercycle:comparison to other advanced power cycles[J]. Nucl Technol,2006,154(3):283-30. [15] Wade D C. Optimizing economy of scale for the STAR energy supplyarchitecture[C].Miami:IAEA，2007.[16] Kato Y,Nitawaki T,Muto Y. Medium temperature carbon dioxide gas turbine reactor[J]. Nuclear Engineering and Design,2004,230(1):195-207.[17] Pope M A,Lee J I,Hejzlar P,et al. Thermal hydraulic challenges of gas cooled fast reactors with passive safety features[J]. Nuclear Engineering and Design,2009,239(5):840-854.。
超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应用
超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的
应用
超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型的能源转换技术，它可以在核能领域得到广泛应用。
该技术利用超临界二氧化碳作为工质，通过高温高压的方式将核能转化为电能，具有高效、安全、环保等优点。
在传统的核能发电中，常用的是蒸汽发电机组，但是这种方式存在着一些问题，比如效率低、安全性差等。
而超临界二氧化碳布雷顿循环则可以有效地解决这些问题。
它利用超临界二氧化碳的高压高温特性，将核能转化为电能，同时还可以实现高效、安全、环保的发电过程。
超临界二氧化碳布雷顿循环的工作原理是将超临界二氧化碳作为工质，通过高温高压的方式将核能转化为电能。
在这个过程中，超临界二氧化碳的物理性质会发生变化，从而实现了高效的能量转换。
同时，由于超临界二氧化碳的密度较大，可以减小发电机组的体积，提高发电效率。
超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应用具有广泛的前景。
它可以提高核能发电的效率，减少能源消耗，同时还可以减少对环境的污染。
此外，由于超临界二氧化碳的高压高温特性，可以实现更加安全的发电过程，减少事故的发生。
超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型的能源转换技术，可以在核能领域得到广泛应用。
它具有高效、安全、环保等优点，可以提高核能发电的效率，减少能源消耗，同时还可以减少对环境的污染。
随着技术的不断发展，相信超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应用会越来越广泛。
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超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。
但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。
出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。
CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。
超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1. 二氧化碳布雷顿循环分析（1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。
高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p 和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1zCO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.4630.1 1.95 0.01497 0.828 0.879He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.0330.1 0.156 0.1571 5.198 0.999（2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆（AGR）为例。
英国改进型气冷堆（AGR）实际运行时CO2温度高于670℃。
考虑到CO2高温下与不锈钢材料化学不相容，因此循环最高温度保守取为650℃，若要采用更高的循环温度，需要采用其他金属材料。
CO2和He 动力循环在给定条件下计算的最优参数见表1- 2，温熵图见图1-1。
其中He 循环的温熵图略有不同，采用2 个压缩机分级压缩。
图1-1 CO2循环及He循环温熵图表1-2 CO2简单循环与He循环比较从表1-2 可看出，CO2循环计算所需初参数比He 循环多出压力项。
如前文所述，He 在循环工况下取决于温度，只需给定循环的温度范围便可计算出不同压力比（ε）下循环效率（η），而CO2的c p还取决于压力。
给定超临界和跨临界压力CO2循环的最高压力（P max）是由于现有技术条件的限制，保守取为20 MPa。
表2 中的所列的最高η是P max达到限定值的效率，并未达到实际计算的最大η。
He 循环的P max为现有模块化高温气冷堆He 循环最高压力（7MPa）。
图1-2 分别给出了表2 中所列初参数下η与ε关系。
在所计算ε下，亚临界压力CO2循环与He循环相似，η随ε先增大到一个极大值点再缓慢下降。
而超临界和跨临界循环，同样受到P max的限制，在计算ε下并未达到极大值。
3 种CO2循环在相应限制条件下达到的最高η与温度条件几乎相同情形下的He 循环相近。
但是，这 3 种循环均低于He 在t max＝800℃下的η，且相同温度条件下，CO2循环达到最高η的ε要大于He 循环达到最高η的ε。
图1-2 CO2简单循环与He循环效率在气体汽轮机循环中，氦气透平带动压缩机，因此压缩机耗功也是关注的问题。
定义压缩功与膨胀功之比w c /w t为氦气透平做功返回率。
从图1-3中可看出，CO2循环的w c /w t小；这是因为CO2的z <1，易于压缩，而He的z ≈1，较难压缩的缘故。
He 循环t max提高至800℃后，各压力比下的w c /w t均有所降低，但仍然高于t max=650℃下的CO2各循环。
在CO2的3种循环中，超临界及跨临界压力循环的w c /w t显著变小；这是因为压缩过程在临界点附近进行，而在临界点附近，c p显著减小，导致z 减小，更易于压缩；尤其是跨临界压力循环的w c /w t，比相同温度下He 循环几乎小了一个量级。
图1-3 CO2简单循环与He循环氦气透平做功返回率从表1-2 还可看出，CO2循环单位质量的工质换热量均比He 循环要少，这意味着相同换热功率下CO2循环的质量流量m 较大（图1-4）。
这是由于CO2的c p较He 小，相同功率，工质温升差别不大的情况下，CO2循环需要更大的m。
图1-4 热功率310MW时，质量流量与压力比关系但是，这并不意味CO2循环没有优势。
流体体积决定了做功和换热部件的尺寸大小，单位体积的做功量或换热量越大，相同功率下的做功换热部件体积越小，成本越低。
CO2气体密度较大，因此各部件气体体积流量（V）较小（图1-5）。
图1-5 热功率310MW时，氦气透平出口体积流量与压力比关系以堆芯换热功率310 MW为例，对表1-1中的2种循环进行计算，结果见表1-3。
表1-3 CO2简单循环与He循环比较从表1-3可以看出，相同热功率，在几乎相同的温度条件下，CO2循环所消耗的压缩功远小于He 循环所需的压缩功。
3种CO2循环所需要的V均小于同等温度条件下和较优工况下He循环的工质体积流量；这表明3种CO2循环中单位体积流量的CO2气体做功能力均优于2种条件下He循环单位体积He的换热做功能力。
特别是对于CO2的超临界循环和跨临界循环，其工质的V几乎与He 循环相差一个量级，大大减小了做功部件的体积。
从表1-3还可以看出，CO2流经叶轮机械前后的V变化远比He流经叶轮机械的V变化大；因此，CO2循环的叶轮机械进出口叶高变化比He循环的大。
这些都是由于循环工况下CO2的密度比He大很多，因此虽然m大，但是V却远远小于He循环。
2. 超临界CO2循环改进—超临界CO2再压缩布雷顿循环二氧化碳超临界循环需采用多个回热器（若只采用1个回热器，由于回热器低压侧流体比热较小，换热时高压侧流体温升不够，会导致换热器出现夹点），使热量得以更好利用。
二氧化碳再压缩循环示意图如图2-1所示，循环温熵图如图2-2所示。
图2-1 二氧化碳再压缩示意图图2-2 二氧化碳再压缩循环温熵图透平出口的二氧化碳流体先进入高温回热器进行放热（5至5'），后进入低温回热器（5'至6），而后，一部分流体直接通往高温压缩机被压缩（6至2'），另一部分流体先冷却后（6至1）再进入压缩机压缩（1至2）。
然后，通过低温回热器回热（2至2'）到与直接被高温压缩机压缩的流体相同的温度，混合后一起再流经高温回热器（2'至3）、换热器（3至4），最后流入透平做功（4至5）。
（1）循环数学模型定义Brayton 循环压比ε=P max / P min 、温比τ=t max / t min 。
其中，P 为压力，t 为温度。
假设经过预冷器的分流量为x （0≤x≤1），低温回热器的回热度αlrec 可表示为： maxmin 65maxmin 22lrec )()()(''t mc h h t mc h h x p p ∆-=∆-=α （2-1）其中：max t ∆为高压侧或低压侧出入口温差最大值；h 为比焓，J/kg ；m 为质量流量，kg/s ；c p 为比定压热容，kJ/(kg·K)。
高温回热器的回热度αhrec 表示为： ),(),(''''''2555525523t p h h h h t p h h h h hrec --=--=α (2-2)αhrec 与αlrec 的计算方法差异是由分流引起的。
其中，回热器高压侧的出口温度须分别满足条件t 2 +△t ≤ t 6 ≤ t 5' 以及t 2' +△t ' ≤ t 5' ≤ t 5，△t 与△t ' 分别为避免回热器内传热恶化而设置的工程上所允许的最小温差，通常取为8℃。
整个循环的效率η可表示为： 3416)(x 1h h h h ---=η （2-3）式（2-3）是从能量损失角度来计算循环效率，可看出，采用分流设计，Brayton 循环释放到环境中未被利用的热量减少，热源吸收的热量也减少，因此，循环效率大幅提高。
分流措施可在CO 2超临界Brayton 循环中使用是因CO 2物性受工作环境下的压力、温度影响较大。
在无分流回热时有：—C p,h △t h = —C p,l △t 1，下标h 表示回热器高压侧，l 表示低压侧。
其中, —C p,h ＞—C p,l ,因 此，流 量 相 等 的 情 况 下 导 致△t h ＜△t 1，即进入堆芯的气体温度较低，在相同的ε、τ下，高压侧流经堆芯或换热器的流体需吸收较多的热量，降低了循环效率。
而分流循环则是牺牲一部分功用于压缩流体，从而使流体回热后温度得到升高。
相同条件下的循环在堆芯或换热器吸收的热量减少，同时预冷损失的热量降低，增加了循环效率。
（2）超临界CO2动力循环优化分析由数学模型可知，超临界CO 2 Brayton 再压缩循环的循环效率可表示为： η = η（ϕ，ε，τ，η，ξ，κi ） （2-4） 其中：ϕ为初始点的工况；η为压气机和透平的等熵效率；ξ为各部件压力损失；κi 为以下4个变量任选其二，即经过预冷器的流量份额x 、低温回热器低压侧出口温度与高压侧入口（即回热器冷端）温度之差△t 、低温回热器回热度αlrec 及高温回热器回热度αhrec 。
只要确定了以上参数，并保证回热器不出现传热恶化现象，即可唯一确定超临界CO 2 Brayton 循环的效率。
作为实际气体的循环，影响循环效率的参数较复杂，有的参数并非完全独立，选取有一定范围的限制。
为简化讨论，选定二氧化碳超临界Brayton 循环的最高 参数分别为压力20MPa 、温度650℃，并作为计算初始点。
英国AGR 反应堆的运行，证实了CO 2在670℃以下的安全性。
循环其余各节点的压力、温度均在临界点参数之上。
同时逆流换热器冷端温差越小，换热效果越好，但实际情况不能相等，因此，给定回热器冷端温差为8℃。