次世代発電サイクル創成のための超臨界二酸化炭素流動の解明と数理モデル構築

阐明超临界二氧化碳流动并构建数学模型以创建下一代发电循环

• 批准号: 22H01395
• 负责人: 古澤 卓
• 金额: $ 6.41万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01395/
• 关键词: 超臨界流体; 数値流体力学; 二酸化炭素; 非平衡凝縮; 超臨界二酸化炭素; ブレイトンサイクル

超臨界二酸化炭素を用いた発電サイクルは間接加熱方式および直接加熱方式に大別され，米国ではSTEP (Supercritical Transformation of Electrical Power)プロジェクト，ヨーロッパではHorizon 2020 SOLARSCO2OLプロジェクトが実施されているなど，環境適合性およびエネルギー効率の観点から急速に研究が進められている．間接加熱方式の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルでは主に圧縮機やタービンの回転機械と熱交換器で構成されており，臨界点近傍で運転されるため臨界点近傍では密度や定圧比熱などの熱物性値が急激かつ連続的に変化することが知られており，圧縮機内部流動や熱交換器内部の超臨界二酸化炭素の非定常流動について十分に明らかになっていなかった．特に圧縮機内部では局所的な温度，圧力の低下から局所的に二酸化炭素が凝縮することから液滴生成による損失，液滴衝突による機器の摩耗などが予想されているものの，液滴成長が流動や損失へ与える影響は明らかになっていない．本研究では遠心圧縮機流動，熱交換器流動の数値解析および熱伝達特性の解明およびサイクルへの影響について明らかにすることを目的としている．本年度は臨界点近傍条件および低圧条件における遠心圧縮機内部流動について非平衡凝縮モデルを用いた流動解析を実施して，圧力条件の差異が凝縮および流動に与える影響を評価し，圧力条件によって非平衡凝縮に差異が生じることを明らかにした．これらは液滴生成による損失，液滴衝突による損傷の予測に資する結果となった．さらに加熱管路内部の超臨界流体流動の解析を実施して臨界点近傍における熱物性値変化の影響を示した．

使用超临界二氧化碳的发电循环大致分为间接加热法和直接加热法，并且与环境兼容，例如美国的STEP（超临界电力转换）项目和欧洲的Horizo​​n 2020 SOLARSCO2OL项目。从能源效率和能源效率的角度来看，正在迅速进步。间接加热式超临界二氧化碳布雷顿循环主要由压缩机、涡轮等旋转机械以及热交换器构成，由于在临界点附近运行，因此在恒压下密度、比热等热物性发生变化。已知该值快速且连续地变化，并且压缩机内部的流动和热交换器内部超临界二氧化碳的非定常流动尚未充分阐明。特别是在压缩机内部，二氧化碳由于局部温度和压力下降而局部凝结，预计会因液滴碰撞而产生液滴和设备磨损而造成损失，但目前尚不清楚液滴生长缓慢的原因。这对损失的影响。本研究的目的是对离心压缩机流量和热交换器流量进行数值分析，阐明传热特性，并阐明其对循环的影响。今年，我们利用非平衡凝结模型对离心压缩机在临界点附近和低压条件下的内部流动进行了流动分析，评估了压力条件差异对凝结和流动的影响，并据透露，冷凝存在差异。这些结果对于预测由于液滴生成造成的损失和由于液滴碰撞造成的损坏非常有用。此外，我们分析了加热管内的超临界流体流动，并显示了临界点附近热物理性质变化的影响。