超临界二氧化碳喷射器结构设计与性能研究

冯梦娇; 刘旻昀; 黄善仿; 黄彦平

doi:10.13832/j.jnpe.2023.S1.0081

超临界二氧化碳喷射器结构设计与性能研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S1.0081

冯梦娇^1,,
刘旻昀^{2, 3},
黄善仿^2, ,,
黄彦平³

1.
中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213
2.
清华大学工程物理系，北京，100084
3.
中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室，成都，610213

详细信息

作者简介:
冯梦娇（2000—），女，硕士研究生，现主要从事氦氙气冷堆自然循环方面的研究，E-mail: mj_feng18@163.com

通讯作者:
黄善仿，E-mail: sfhuang@mail.tsinghua.edu.cn

中图分类号: TL334
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出版历程
- 收稿日期: 2023-03-01
- 修回日期: 2023-05-06
- 刊出日期: 2023-06-15

Design and Performance Investigation of Supercritical Carbon Dioxide Ejector

1.
Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
2.
Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
3.
CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 在不额外消耗机械功的条件下，为了尽可能消除超临界二氧化碳涡轮系统中产生的泄漏气体对循环稳定性的负面影响，本文基于等压混合理论和双壅塞临界状态设计了可将泄露气体加压输送回循环的喷射器结构，使用计算流体力学软件Fluent对该模型进行数值模拟，分析喷射器的性能，探究尺寸参数对喷射器性能的影响。结果表明，四级串联的喷射器能依次将0.5 MPa泄漏气体加压至2.0、4.4、6.0、8.0 MPa，实现泄漏气体的回收利用；喷射器背压小于临界压力时，引射比不受背压影响，喷射器背压大于临界压力时，引射比随背压的增大而急剧减小；引射比随入口截面的减小而增大，随喷嘴收缩角的增大先增大后减小，在收缩角为20°时，引射比达到最大。
- 超临界二氧化碳 /
- 泄漏气体 /
- 多级喷射器 /
- 结构优化
Abstract: In order to minimize the negative impact of leakage gas produced on the stability of the supercritical carbon dioxide cycle without additional mechanical work consumption, an ejector that can pressurize and transport the leakage gas back to the cycle was designed in this paper based on the constant pressure mixing theory and the double choked critical state. The computational fluid dynamics software Fluent was used to simulate the model numerically, analyze the performance of the ejector, and investigate the effect of size parameters on the performance. The results show that the four-stage ejector can sequentially pressurize the 0.5 MPa leakage gas to 2.0, 4.4, 6.0 and 8.0 MPa, realizing the recovery and utilization of the leaked gas. The entrainment ratio is not affected by the back pressure when the back pressure is less than the critical pressure. The entrainment ratio decreases sharply with the increase of the back pressure when the back pressure is greater than the critical pressure. The entrainment ratio increases with the diminution of the inlet area. The entrainment ratio increases first and then decreases with the increase of the contraction angle of the nozzle, and reaches maximum while the contraction angle is 20°.
- Supercritical carbon dioxide /
- Leaked gas /
- Multi-stage ejector /
- Structure optimization

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图 1 喷射器结构示意图

Figure 1. Structure of Ejector

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图 2 计算程序循环示意图

Figure 2. Flow Diagram of Ejector Calculation Program

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图 3 网格无关性验证

Figure 3. Grid Independence Verification

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图 4 喷射器工作曲线

Figure 4. Working Curve of Ejector Coefficient

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图 5 喷射器内部流场

Figure 5. Internal Flow Field of Ejector

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图 6 等压混合室入口直径对喷射器性能的影响

Figure 6. Influence of Constant Pressure Mixing Chamber Inlet Diameter D₂ on Ejector Performance

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图 7 收缩角对喷射器性能的影响

Figure 7. Influence of Contraction Angle on Ejector Performance

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图 8 多级喷射装置图

Figure 8. Diagram of Multi-stage Ejector

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图 9 各级喷射器流场图

Figure 9. Flow Field of Ejector at Each Stage

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表 1 流体初始参数

Table 1. Initial Parameters of Fluids

工质	压力/MPa	温度/K	质量流量/(kg·s⁻¹)
泄漏气体	0.5	700	5.43×10⁻³
工作流体	12	710	0.08

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表 2 喷射器结构参数 mm

Table 2. Structure Parameters of Ejector

尺寸参数	计算值
喷嘴入口截面直径D_p1	12
喷嘴喉部直径D_th	2.24
喷嘴扩张段出口直径D_p2	5
等压混合室入口直径D₂	17
等截面段混合室直径D_m	5.6
扩压室出口直径D_c	13
喷嘴收缩段长度L₁	24
喷嘴扩张段长度L₂	15
等压混合室长度L₃	15
等截面段混合室长度L₄	56
扩压室长度L₅	42

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表 3 数值模拟设置

Table 3. Setting Options in Numerical Simulations

项目设置	选项及取值
气体模型	real-gas-soave-redlich-kwong
对称模式	轴对称
入口边界	压力入口
出口边界	压力出口
求解器	SIMPLE算法
对流项	二阶迎风
扩散项	二阶中心差分
收敛精度	1×10⁻⁵

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表 4 多级喷射器尺寸参数 mm

Table 4. Dimensional Parameters of Multi-stage Ejector

尺寸参数	第1级	第2级	第3级	第4级
喷嘴入口截面直径D_p1	8.6	17	24.4	44
喷嘴喉部直径D_th	1.6	3.4	4.8	9.8
喷嘴扩张段出口直径D_p2	3.6	5.3	6	11
等压混合室入口直径D₂	7.6	4.3	13	23
等截面段混合室直径D_m	4.0	6.4	8.8	14.6
扩压室出口直径D_c	9.2	21.6	33.2	48
喷嘴收缩段长度L₁	17	37	55	103
喷嘴扩张段长度L₂	10.6	9	6.6	7.3
等压混合室长度L₃	10.6	10.6	8	10
等截面段混合室长度L₄	40	60	88	145
扩压室长度L₅	30	85	136	182

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表 5 多级喷射器工作参数

Table 5. Working Parameters of Multi-stage Ejector

工作参数	第1级	第2级	第3级	第4级
工作流压力 /MPa	12.0	12.0	12.0	12.0
引射流压力 /MPa	0.5	2.0	4.4	6.0
出口压力 /MPa	2.0	4.4	6.0	8.0
工作流体流量/(kg·s⁻¹)	0.044	0.196	0.389	1.618
引射流体流量/(kg·s⁻¹)	0.0056	0.055	0.274	0.669
引射比	0.127	0.281	0.704	0.413

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