微型堆SCO_(2)布雷顿循环系统构型及参数优化

超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环具有循环效率高、结构紧凑等优点,适合作为微型核反应堆的能量转换系统。本文以不同构型SCO_(2)布雷顿循环系统为研究对象,建立了设备模型及系统整体分析模型,进行了系统关键部件选型及热力设计,并开展了不同评价指标下系统不同构型参数优化,获得了不同优化目标下最佳构型及最优参数配置。结果表明:以发电效率最大作为优化目标,最优构型再压缩再热循环的发电效率最高达到47.5%;以功率密度最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率密度最高可达282.42 kW/m^(3);以功率质量比最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率质量比最高可达98.81 kW/t。通过不同构型对比发现,再压缩构型具有较高的功率密度和功率质量比,能较好兼顾高效性和紧凑型,更适合作为可移动微型堆能量转换系统。

空间堆氦氙布雷顿循环研究进展

氦氙混合物为工质的布雷顿循环具有循环效率高、系统结构紧凑、化学稳定性好等优势,适合作为空间核反应堆的能量转换系统。在深入调研空间堆氦氙布雷顿循环发展历史和国内外研究进展的基础上,对其关键技术问题和重点研究方向的相关研究进展进行了综述,发现主要研究方向包括氦氙混合物工质特性、氦氙布雷顿循环关键部件、循环性能提升、循环动态特性及控制策略等方面;而有待继续深入研究的关键技术问题包括不同比例氦氙工质的高精度物性及流动传热模型、高性能叶轮及高效紧凑式换热器设计及试验、不同功率等级下系统全工况优化、耦合反应堆的系统全局动态特性及控制策略等。分析结果可为推动空间堆氦氙布雷顿循环技术发展提供参考。

超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))布雷顿循环在以第四代核能和太阳能为代表的清洁能源高效利用领域具有巨大发展潜力,而合理可靠的控制策略是保证S-CO_(2)布雷顿循环系统安全、稳定、高效、灵活运行的关键。调研总结了S-CO_(2)布雷顿循环控制特点,并对不同应用场景下S-CO_(2)布雷顿循环相关控制策略进行了总结和对比。结果表明,S-CO_(2)布雷顿循环控制包括运行状态控制、叶轮机械控制、热源控制等,变负荷控制策略主要有容积控制法、透平旁路控制法、透平进口节流阀控制法、压缩机转速控制法等。分析结果可为相关发电领域S-CO_(2)布雷顿循环控制策略选择提供参考。

空气布雷顿循环系统不同构型参数分析及优化

空气布雷顿循环技术成熟度高,环境适应性强,应用于可移动微小型可电源能量转换系统有待进一步选型设计。该文通过建立闭式空气布雷顿循环系统模型,探究不同循环构型关键参数对系统性能影响规律,并分别以最大循环效率和最大功率密度为目标对不同构型进行参数优化。结果表明,采用级间冷却和再热能提高系统发电效率和(火用)效率,但会增大系统体积,使功率密度下降;以发电效率最大作为优化目标,最优构型是再热间冷回热循环,其发电效率可以达到37.95%,但其功率密度较低,仅为206.9kW/m^(3);以功率密度最大作为优化目标,最优构型是简单回热循环,其功率密度可以达到336.7kW/m^(3),换热器体积仅为4.36m^(3),但其发电效率只有29.4%,低于其他构型。因此,以最大功率密度为目标优化后的简单回热空气布雷顿循环更适合作为可移动微小型核电源能量转换系统应用。

开式布雷顿循环构型对比及优化设计

布雷顿循环具有高效、紧凑的特点,适合作为核反应堆热电转换系统。本文基于EBSILON软件建立了简单循环、简单回热循环、再热回热循环和间冷回热循环四种开式布雷顿循环构型的系统仿真模型,对循环关键参数进行热力学分析,以循环效率、功率密度为性能指标进行了循环参数优化,并与闭式布雷顿循环进行了对比分析。结果表明,四种开式循环构型中再热回热循环效率最高,可达25.44%;简单回热循环功率密度最高,可达171.13 k W·m^(-3);将开式循环改进为空冷闭式空气布雷顿循环,最高循环效率提高12.56个百分点,最高功率密度增加11.87 k W·m^(-3)。