为什么用超临界二氧化碳代替水和蒸汽呢

  我们知道自从瓦特发明蒸汽机以来,火和水一直领导着热能、机械、电力和能量转换过程。瓦特的蒸汽机用煤燃烧水,将其转化为蒸汽,推进活塞运动,产生机械动力。现在也是利用这个原理进行火力发电,通过使活塞往复运动使汽轮机旋转,来驱动发电机组或者使用斯特林发动机进行发电。那么,下面就来了解一下为什么用超临界二氧化碳代替水和蒸汽呢?

超临界二氧化碳

  水和蒸汽只是在整个过程中起到传递能量的工程学作用。一直以来,水是一个非常好的能量传递工程,廉价可靠,可以在任何地方使用,所以无论是火力发电厂还是核电站都大量使用水和蒸汽进行发电。


  那为什么用超临界二氧化碳代替水和蒸汽呢?这取决于超临界二氧化碳优点。


  物质的气体和液体的不同是密度的不同。当一个气液共存的平衡系统不断升温加压时,当温度和压力上升到一定程度时,气体和液体的密度相等,它们的边界线也消失。热膨胀会使液体密度不断减小,同时气体密度随压力的变大而不断变大。物质的这种状态就是其临界状态。此时的气液状态非常接近,超临界的液体比本来的物质液体状态具有更好的流动性和热传导性。物质达到超临界状态时,气体物质像液体一样流动,液体像气体一样被压缩。利用超临界状态作为发电系统的能量传输工质,可以大幅度降低传输过程中的能量损失。


  当压力达到220个大气压,温度达到374时,高温下膨胀的水的密度和高压下压缩的水蒸气的密度正好相同。此时,水的液体与气体没有区别,完全溶解,成为呈现新的高压高温状态的气体,水从通常的状态变成“超临界水”。溶解这种水分的压力和温度被称为“临界点”。超过“临界点”的水是超临界水。使水达到超临界状态,需要满足高温和高压两个条件,水的超临界状态有一定的氧化和腐蚀性,对系统的强度和耐腐蚀性有很高的要求。


  同样,通过控制超临界二氧化碳的温度和压力,具体来说,温度为31,气压达到72.8地表大气压时,使这两个参数同时达到某个阈值,超临界二氧化碳也会达到特殊的超临界状态。超临界二氧化碳会变成超临界流体。此时,可以像液体一样流动,但会像气体一样被压缩,容易形成超临界状态。超临界二氧化碳是一种非常密集的流体,兼有气体特性,粘性小,流动性强,放入容器中也会像气体一样膨胀,充满整个容器。超临界二氧化碳循环无相变,压缩过程中压缩功耗有效减少,仅占率的30%,临界温度和压力远远低于水的临界点,系统循环损失小,具有液体特性,密度大,传热效率高,功能强。而常规氦气循环占45%左右,燃气轮机占50~60%。对国外研究图表的分析表明,当超临界二氧化碳温度达到550时,超临界二氧化碳发电系统从热能到输出功率的转换效率通常达到45%以上。随着温度的上升,效率也会进一步提高。


  体积小、重量轻。超临界二氧化碳发电系统中的循环介质为二氧化碳,超临界二氧化碳发电系统的体积和重量约为传统蒸汽发电系统的50%多。在整个循环过程中超临界二氧化碳处于超临界状态,不发生相变,密度大,动能大,冷却器、管道附件尺寸小。


  噪音低。对于旋转类机械设备,转速高,以高频振动频谱为主,有利于隔振降噪,其振动特征频率主要集中在轴频以上。超临界二氧化碳发电系统一般采用高速汽轮发电机组。


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