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周期可以广泛分为间接的加热和直接加热方法，并且从环境兼容性和能源效率的角度迅速进行研究，并且在美国和Horizo​​n 2020 SolarsCo2ol Project实施了该步骤（超临界电力转换）项目。 The indirect heating supercritical carbon dioxide Brayton cycle consists mainly of a compressor and turbine rotating machine and a heat exchanger, and since it is operated near the critical point, it is known that thermal properties such as density and constant pressure specific heat change suddenly and continuously near the critical point, and the flow inside the compressor and the unsteady flow of supercritical carbon dioxide inside the heat exchanger have not been fully clarified.特别是，由于局部温度和压降，二氧化碳凝结在本地尚不清楚，因此导致由于液滴碰撞而导致的液滴产生和设备磨损造成的损失，但是液滴生长对流量和流量的影响尚未澄清。这项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，并阐明传热特性以及对周期的影响。今年，我们使用非平衡冷凝模型进行了流动分析，以在临界点和低压力条件附近的条件下为离心压缩机内部的流动进行流动，并评估了压力条件上的差异对凝结和流动的影响，并揭示了由于压力条件而发生的非平衡凝结的差异。这些结果有助于预测由液滴产生和液滴碰撞造成的损害引起的损失。此外，对加热管道内部的超临界流体流进行分析，以显示临界点附近热性能变化的影响。