超临界二氧化碳压缩机性能不确定性量化研究

压缩机是超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环中的关键装置,其进气参数通常接近流体的临界点,进气参数的微小变化会引起流体物性的剧烈变化,从而影响压缩机性能。本文采用一维模型和三维CFD方法对某S-CO_(2)压缩机进行了数值研究,一维模型预测得到的效率、压比与三维CFD计算结果存在明显差异。基于三维CFD计算结果,采用多项式混沌展开方法对压缩机进口总温随机波动引起的气动性能不确定性进行了量化研究。结果表明,进口总温的微小变化造成了压缩机流量和等熵效率的显著变化,在压缩机的设计中有必要考虑提高进气参数不确定性的稳健性。

超临界二氧化碳压缩机进口干度与气动性能关联性分析

运用数值模拟研究进口干度对超临界二氧化碳压缩机气动性能的影响,着重对比分析了不同进口干度时叶顶间隙流动的形态特征。结果表明:随着进口干度减小,超临界二氧化碳压缩机的最高效率点对应的流量增大,效率峰值升高,压比增大,喘振裕度增大;在设计流量及小流量工况时,效率随进口干度的减小而降低;在大流量工况时,效率随进口干度的减小而升高;当叶顶间隙为进口叶高的5%时,在相同工况下,进口干度越小,叶顶泄漏流越强,易形成“二次泄漏”。

超临界二氧化碳压缩机非平衡冷凝研究进展

压缩机是超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环系统的核心设备,其工作在S-CO_(2)的近临界区域,因此S-CO_(2)工质在压缩机内流动时易发生非平衡冷凝,影响系统性能与可靠性。压缩机内部的S-CO_(2)非平衡冷凝实验观测难度大,数值模拟复杂,相关S-CO_(2)压缩机设计经验也较为缺乏。本文结合近年研究成果,从研究方法、数学模型和实验研究等角度总结了目前S-CO_(2)非平衡冷凝的研究进展,指出了需进一步开展的研究方向,如改变喷管几何结构参数,从而改变成核区体积,以改变流体在亚稳态区的滞留时间;改进气体状态方程进而提高亚稳态区域热物性精度,从而准确进行数值模拟;在设计S-CO_(2)压缩机时,利用实验测得的Wilson线设定压缩机进口条件,构建新的安全边界等。

首座大型超临界二氧化碳压缩机实验平台投运

来自中国科学院工程热物理研究所衡水基地的消息，新工质发电团队完成了我国首座大型超临界二氧化碳（SCO2）压缩机实验平台的建设工作，目前已完成设备调试，正在开展压缩机测试前的准备工作。

超临界二氧化碳离心压缩机气动设计与性能分析研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))Brayton循环具有效率高、结构紧凑等优点,在能源动力系统中有着良好的应用前景。离心压缩机作为该循环系统的重要部件,因其运行范围广、单级压比大、效率高等优点同样在能源、动力及化工行业得到广泛的应用。气动设计与性能分析是所有压缩机工作的基础,其包含一维气动设计与分析及全三维CFD(computational fluid dynamics)数值分析等关键部分。相对于传统离心压缩机,近临界点特殊的工质物性为SCO_(2)离心压缩机设计与分析带来了新的挑战。通过对近期相关文献的探讨,综述了SCO_(2)离心压缩机的设计方法以及相关学者的性能分析实验,着重介绍了一维设计方法和三维流动分析中的影响因素,并在综合分析后提出了关于SCO_(2)离心压缩机的设计和性能分析的研究重点。

超临界二氧化碳流量测量方法研究

在临界点附近的超临界流体,操作温度或操作压力的微小变化,都会引起超临界流体密度的很大变化,因此,尚无能够满足实时、准确、可溯源要求的超临界流体流量测量方法及仪表。该文首先分析超临界二氧化碳在拟临界温度区域的物理特性;然后分别研究科里奥利质量流量计和差压流量计的超临界流体测量特点,确定流量测量所需的工况条件;最后提出一种以科里奥利质量流量计对差压流量计进行动态密度修正,从而提高超临界流体质量流量测量精度的流量计组合方法。验证实验中,该文以质量法液体流量标准装置对上述两种流量计进行校准,再基于雷诺数近似原理采用质量法气体流量标准装置进行模拟测试,评估动态响应能力及两种被测介质之间的测量误差。实验结果表明:该流量计组合方法具备超临界二氧化碳流量测量的能力,可实现以科里奥利质量流量计作为工作级标准的超临界二氧化碳量值溯源。

变截面半圆通道内超临界二氧化碳热工水力性能研究

建立了不同半圆通道的数学和物理模型,并通过与实验数据的比较,验证了所建立模型的准确性。研究了超临界二氧化碳(S-CO_(2))在等截面半圆通道、渐扩型和渐缩型通道内的热工水力换热性能,并分析了不同通道和压力对S-CO_(2)在变截面半圆通道内的热工水力性能的影响。结果表明:相较于均匀截面半圆通道,渐扩型通道恶化传热,渐缩型通道强化传热;入口和出口半径比为1.0:0.5的渐缩型半圆通道的总体换热系数最大提升了39.93%,流动传热综合性能评价因子PEC最大为1.346;当压力越靠近临界压力或热通量较低时,传热性能越高。最后,从场协同性和湍动能分布的角度解释了渐缩型变截面通道强化传热的原因。研究结果可为S-CO_(2)循环系统冷却器的设计与优化提供新的思路和理论指导。

核反应堆超临界二氧化碳再压缩循环优化研究

针对应用于第四代气冷堆的超临界二氧化碳再压缩循环系统进行了优化研究。通过建立完善的热力学及㶲经济性模型,并根据核电模块化的需求引入空间紧凑性指标,从热力学性能、空间紧凑性、㶲经济性能等多个维度对超临界二氧化碳再压缩循环系统开展研究,分析了关键参数对超临界二氧化碳再压缩循环系统性能的影响,并进一步开展了多目标优化以提高系统的适用性。结果表明:通过多目标优化研究,循环的综合性能得到提升,多目标优化得到的最优点的㶲效率、单位功率成本率和单位功率换热面积分别为71.5%、3.11美分/(kW·h)和0.191 m^(2)/kW。

超临界二氧化碳离心压缩机设计及性能预测

离心压缩机是超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环系统中的关键部件之一,对系统的效率和稳定运行起决定性作用。区别于传统空气工质压缩机,S-CO_(2)工质的独特物性使得压缩机内部流场更为复杂;基于空气物性特点建立的损失模型也需要做针对性的修正以满足S-CO_(2)离心压缩机的性能预测要求,因此需要数值模拟研究探明压缩机内部流场特性,以此对压缩机性能预测方法做相应的改进。首先开展压缩机一维气动参数设计,并在一维设计参数的基础上建立三维模型,分析压缩机内部流场特点,发现分流叶片对内部流场有较大影响,同时变工况下叶轮内部流场发生改变也会引起出口气流角的变化,基于此,对压缩机非设计工况下滑移因子和计算叶片数进行修正,同时改进表面摩擦系数以预测压缩机的非设计工况性能。数值模拟结果表明,改进后模型的预测误差显著降低,非设计工况下平均效率误差从2.03%下降到0.16%。

圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

超临界二氧化碳介质中晶圆清洗与选择性刻蚀研究进展

随着集成电路特征尺寸的逐渐减小,器件结构会要求更高的纵横比,常规湿法清洗由于表面张力很难进入晶圆深沟槽结构内部,不能满足更细线条工艺要求和高深宽比结构,直接影响沟槽内的污染物去除效果;常规湿法刻蚀各向异性差、结构坍塌严重、深沟槽刻蚀效果不明显;而等离子体干法刻蚀则存在刻蚀速率慢、光刻胶脱落和黏附、结构损伤、废气处理等一系列问题。超临界清洗和刻蚀技术是最具有前景的环境友好、无损伤技术,能够耦合刻蚀、清洗与干燥工艺为一体,且可以循环使用,安全环保,是晶圆制造过程中常规清洗和刻蚀的首选替代技术。综述了超临界二氧化碳中晶圆清洗与选择性刻蚀的研究进展,重点介绍了超临界二氧化碳共溶剂、微乳液体系在光刻胶剥离以及含硅基底选择性蚀刻中的应用,展望了超临界二氧化碳晶圆清洗和刻蚀存在的问题和发展趋势。

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

超临界二氧化碳输送管道内腐蚀研究进展

碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是目前实现化石能源低碳化利用和碳中和的关键途径。随着CCUS技术的不断发展,超临界二氧化碳(CO_(2))输送管道的内腐蚀问题势必成为影响输碳管道工程安全运维的痛点之一。管线钢在超临界CO_(2)环境中的腐蚀行为和机理与传统油气田CO_(2)腐蚀有着较大不同,是一种在全新环境体系下的腐蚀问题。本文以水相介质导致超临界CO_(2)管道内腐蚀这一主要诱因为线索,综述了杂质、温度、压力以及流速等因素对典型管线钢在超临界工况下的CO_(2)内腐蚀行为的影响,尤其针对含水量这一关键因素进行了详述和对比,分析了当前超临界CO_(2)管输过程中仍然存在的腐蚀与防护问题以及挑战,最后对超临界CO_(2)腐蚀问题未来的重点关注方向进行了展望,结论有助于优化未来输碳管道工程设计与制定对应的腐蚀控制方法。

300 MW超临界二氧化碳燃煤发电机组热经济性分析

针对300 MW超临界二氧化碳(SCO_(2))部分冷却循环和部分冷却再热循环燃煤发电系统,建立了热经济性数学模型,以循环热效率η_(t)、系统㶲效率η_(ex)及平准化度电成本C_(LCOE)为评价指标,对不同系统和不同关键参数进行热经济性对比分析。结果表明:在设计工况下,与部分冷却循环系统相比,在部分冷却再热循环下η_(t)高0.33%,η_(ex)高0.35%;在相同参数条件下,2个发电机组燃煤消耗成本占比均超过70%,锅炉成本远高于其他设备成本;存在最优的主压缩机入口压力,使得η_(t)、η_(ex)达到最大,同时C_(LCOE)达到最小;随着主压缩机入口温度的增大,η_(t)、η_(ex)逐渐减小,C_(LCOE)则逐渐增大;η_(t)、η_(ex)随着透平入口温度的增大线性提升,C_(LCOE)则先减小后增大。

机器学习在超临界二氧化碳制膜技术教学中的应用实践

[目的]探索将超临界二氧化碳(CO_(2))辅助制备金属-有机框架(MOF)膜与机器学习技术相结合的创新教学模式,以提高本科生在实验数据处理、分析和预测方面的能力。[方法]在教学过程中,学生首先使用数据提取工具从复杂的实验图表中提取CO_(2)在MOF材料上的吸附等温线数据,构建包含数据点和材料性能参数的数据集。随后,学生应用极致梯度提升(XGB)和随机森林(RF)两种机器学习算法对提取的数据集进行训练和测试,建立材料性能预测模型。[结果]数据提取工具显著提高了数据处理的效率和准确性,XGB模型在材料性能参数预测方面表现出良好的准确性和可解释性。通过这种结合数据提取和机器学习的教学模式,学生在数据处理和预测方面取得了显著进步,增强了他们的数据分析和科研能力。[结论]本工作提出的教学模式为化学工程和材料科学领域的实验数据处理和分析提供了有效的解决方案,具有较高的应用价值。

Al含量对含铝奥氏体不锈钢在高温超临界二氧化碳中均匀腐蚀性能的影响研究

为进一步提升奥氏体不锈钢作为超临界二氧化碳核反应堆候选包壳材料的耐腐蚀性能,对比研究了3种不同Al含量的含铝奥氏体不锈钢及不含Al基材在650℃/20 MPa的超临界二氧化碳环境中的均匀腐蚀行为。结果表明,材料的腐蚀增重随Al含量增加而降低,不同Al含量材料的腐蚀增重均近似服从抛物线生长规律。Al含量低于1.5wt%时,材料表面生成双层富Fe氧化膜,保护性差,渗碳层厚度可达约12μm;Al含量高于2.5wt%时,材料表面生成保护性氧化膜,外层富Cr、内层富Al,氧化膜及基体中仍存在渗碳行为,渗碳层厚度减小至约6μm。造成差异的原因是较高Al含量能有效促进保护性富Al氧化膜的形成,抑制Fe的向外扩散和C的向内扩散,进而提升材料的耐氧化和渗碳属性。

超临界二氧化碳系统用箔片气体动压轴承静特性研究

超临界二氧化碳动力循环系统对实现节能减排的目标有着十分积极的作用。针对一种箔片气体动压轴承结构建立了计算模型,并通过拟合非理想状态气体超临界二氧化碳的密度与压力之间的关系,基于传热学模型和气体润滑能量方程分析了轴承气膜温升,结合实际运行过程中出现的湍流效应修正润滑气体雷诺方程、耦合力学分析模型和能量方程,分析S-CO_(2)介质箔片气体动压轴承的静特性,并与空气作为介质进行对比分析不同系统参数和湍流参数对轴承特性的影响规律。结果表明:相较于空气而言,使用超临界二氧化碳作为润滑介质的箔片气体动压轴承具有较高的承载力,而且在一定范围内随着轴承直径和宽度的增加、偏心率的上升、轴承间隙的减小、转速的提高等,轴承承载力均可以增大;对于湍流影响因素来说,在一定范围内随着局部雷诺数和湍流系数的增加、气体动力黏度和密度的提高、高温环境下环境温度的降低等,轴承承载力将会增大。

超临界二氧化碳超声速喷管设计与性能分析

超临界二氧化碳由于其独特的物理性质而受到广泛应用。同时超临界二氧化碳真实气体效应显著,其流动机理和理想气体差别较大,因此需要设计相应的喷管。采用特征线法设计超临界二氧化碳超声速喷管,其中二氧化碳的热力学参数基于S-W方程获得。通过CFD粘性仿真进行边界层修正。分析了改变喷管入口总压、总温对喷管内流场的影响。结果显示,设计工况下喷管出口质量平均马赫数与设计值相差0.033%,喷管内流场品质较好;非设计工况下,由于温度变化会显著改变CO_(2)的热物性参数,入口总温对喷管流场的影响比总压更大,当入口总压和总温分别降低83.33%,52.94%时,出口马赫数分别降低1.16%、提高3.23%。设计工况下喷管流场满足设计要求,非设计工况下喷管出口马赫数与设计值偏差较小。喷管具有较宽的工作域。

方形通道内超临界压力二氧化碳传热恶化数值研究

基于二氧化碳代替碳氢燃料进行航空发动机热防护的应用,开展方形冷却通道内超临界二氧化碳传热恶化数值研究。探究沿通道轴向和周向的换热特征,通过温度、局部流量、流线的分布情况揭示传热恶化的原因,进一步通过边界层分析阐述传热恶化的演变过程。考察运行压力和壁面粗糙度对换热的影响机制。获得不同运行压力和壁面粗糙度下的传热恶化临界热流密度,建立临界热流密度预测准则。结果表明:通道顶部壁面附近高温类气态层、局部流量减小和流线畸变是传热恶化的特征,缓冲层出现湍动能剧减和流速峰值是传热恶化的原因。提高运行压力和增大壁面粗糙度有利于抑制传热恶化问题,所建准则(误差±15%)可实现对传热恶化临界热流密度的良好预测。

超临界二氧化碳在螺杆挤出过程中塑化混合酯发射药的研究:在线流变仪设计与实验测量

为了改善混合酯发射药的加工流动性,在其挤出过程中注入超临界二氧化碳(SC-CO_(2))作为增塑剂;为了更好地研究塑化过程,设计制造了一个在线狭缝流变仪用来测量混合酯发射药的剪切黏度和流变参数。流动曲线表明,混合酯发射药和SC-CO_(2)/发射药混合物都是非牛顿假塑性流体,幂律模型可以用来描述SC-CO_(2)/发射药混合物的流变行为。实验研究了剪切黏度随加工温度和增塑剂含量的变化规律,结果显示较高的加工温度有利于降低剪切黏度。在注入SC-CO_(2)后,黏流活化能降低了约20 kJ/mol。SC-CO_(2)被证明是一种有效的增塑剂,可以显著改善混合酯发射药的流动性。并且随着SC-CO_(2)含量的增加,挤出过程中的流动性会更好,但增塑剂含量的不断增加并不能无限制地提升塑化效果。