超临界二氧化碳循环
- 分类：经典案例
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- 发布时间：2024-02-17 16:04
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【概要描述】用于超临界CO2换热，超临界CO2发电，超临界CO2无水印染等行业； 用于超临界SCO2换热，超临界SCO2发电，超临界SCO2无水印染等行业；
超临界二氧化碳循环
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漫谈：超临界二氧化碳循环
作者：太泽透平
步入21世纪后，世界各国开始大力研发第四代核反应堆。诸如钠冷却快堆（SFR），铅冷快堆（LFR），气冷快堆（GFR），超临界水冷反应堆（SCWR），超高温气冷反应堆VHTR）和熔盐反应堆（MSR）等都是大家竞相研究的对象。相比前几代核反应堆，第四代核反应堆一个典型的特点是工作温度提高到500~900摄氏度，而传统的水冷反应堆工作温度约为300摄氏度。目前，核反应堆热力系统效率低于传统化石燃料热力系统。而根据热力学知识可知，提高核反应堆工作温度就能够提高涡轮进口温度，从而将有效提高整个热力系统的效率。
01 / 各种热力循环系统效率和涡轮进口温度关系
随着核反应堆出口温度的提高，研制出能够利用好这一温度的能源转换系统也得到各国重视和研究。传统的朗肯循环当涡轮进口温度超过500摄氏度后，会出现材料性能恶化而在使用中受到限制，而燃气轮机循环由于气体压缩过程中消耗大量的功而使得燃机效率无法显著提升。同时，通过提高燃机涡轮进口温度来提高燃机效率也会受到材料冶金极限的限制。在各种热力循环候选者中，超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是有希望在第四代反应堆工作温度区域内，提供高效率，同时使用传统结构材料，并具有更好的稳定性，最终提高电力转换系统的安全性和可靠性的有前景的替代方案之一。
02 / 蒸汽循环和燃气循环示意图及二氧化碳超临界态
当二氧化碳温度超过30.98摄氏度同时压力超过7.38兆帕后，二氧化碳达到超临界状态。超临界二氧化碳的物理和化学性质介于液体和气体之间，既不是液体也不是气体，其密度与液体相近而其低粘度及高扩散系数又与气体相近，流动与传递性能良好。
03 / 超临界二氧化碳的热力性质
正是由于处于超临界状态的二氧化碳具有以上性质，从而使得热力循环过程中减少了压缩过程消耗的功，在燃机进口温度不变的情况下，提高了整个热力系统的效率。同时二氧化碳易于获取且对环境危害较小，这也让其受到各国研究者的青睐。
04 / 蒸汽、燃气、超临界二氧化碳循环热力系统比较
此外，超临界二氧化碳循环系统的整个尺寸也相比朗肯循环和燃气循环系统尺寸减少很多。
05 / 蒸汽、燃气、超临界二氧化碳循环热力系统部件尺寸比较
由于要保证循环过程中二氧化碳处于超临界状态，一般涡轮出口气体压力比较高而使得涡轮出口气体还存储着大量热能。所以一般循环中要设置回热器。由于应有场景的不同，超临界二氧化碳布雷顿循环可以有多种布局，常用的有以下布局。其中再压缩（Recomperssion）布局具有最高的循环效率。
06 / 超临界二氧化碳循环布局1
08 / 超临界二氧化碳再压缩布局及温度-熵图
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