【目的】 クリーンで低炭素な新しい電力システムの構築には、高効率で柔軟な火力発電技術の開発が必要である。半閉式超臨界二酸化炭素(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)循環は、燃料と純酸素の燃焼によって作動流体を直接加熱し、高効率発電と炭素回収の協調を実現する。本論文は、半閉式S-CO₂循環の回熱器内でのCO₂/H_2O複合作動流体の凝縮熱伝達および物質伝達特性が不明瞭である問題を探究することを目的とする。【方法】 CO₂/H_2O複合作動流体の凝縮流動および熱伝達の三次元数値モデルを構築し、質量流量(2×10^–4～4×10^–4 kg/s)、熱流密度(–9～–14 kW/m²)および入口水蒸気モル分率(3.3%～20.0%)が凝縮液膜の分布、熱伝達係数および物質伝達速度に与える影響を体系的に研究した。【結果】 結果は、平均表面熱伝達係数が質量流量の増加に伴い向上する一方、異なる質量流量下では平均熱伝達係数の熱流密度増加に対する変化傾向に差異があることを示した。軸方向の物質伝達速度は流動方向に沿って一度増加した後減少し、低質量流量・高熱流密度条件では凝縮水が管底に集まり、高質量流量・低熱流密度条件では環状分布を示した。入口水蒸気モル分率が3.3%から20.0%に増加すると平均熱伝達係数は20.22%向上し、物質伝達速度のピークは入口方向に移動した。【結論】 本研究結果は半閉式S-CO₂循環回熱器設計の理論的支援となり、システム効率および炭素回収性能の向上に寄与することが期待される。

CO_2/H_2O複合作動流体;数値シミュレーション;凝縮;熱伝達物質伝達特性;半閉式S-CO_2循環