產氫循環和布雷登循環邊界條件

上圖4-2 下方增加一個產氫循環。因裂解過程頗為複雜，從能量角度來探討，

只單純考慮能量平衡分析。假設產氫循環中各個化學反應皆為穩態反應，對於反 應器的回流率 (Reflux Ratio)等化工參數不予考慮，可將複雜裂解過程簡化為一個 反應器。

圖4-4 產氫循環示意圖

圖4-4 為核能產氫循環示意圖，利用不同顏色的線段區分三種循環，淡藍色 線段為高溫氦氣(來自 VHTR 或 HTR-10 原子反應爐)，橘色線段為硫酸循環，紅 色線段為碘循環。硫酸循環：T9到 T10為硫酸利用氦氣進行加熱動作，加熱所需 工作溫度為 400℃，T10到 T11為硫酸裂解過程產生三氧化硫和水。 T11到 T12為 三氧化硫加熱過程，T12到T13為三氧化硫裂解過程產生三氧化硫和氧氣。碘循環：

T15到T16將碘化氫 流體加熱至工作溫度 330℃，T16到T17為碘化氫 裂解成氫氣 和碘，T17到 T14溫度從 330℃必須冷卻回 120℃。藍色線段的氦氣循環最主要的

以熱交換器的型式提供熱。氦氣最後回流至 VHTR 循環，最後出口溫度必須要高 於 479.9℃，倘若低於該溫度，則原先 VHTR 循環能量不守恆。，循環中無壓力 變化的元件(例如: 渦輪機、壓縮機等)，實際上管路所造成的壓降十分小，若將 壓降考慮進去徒增分析上的困難度，並無實質上的意義。將產氫循環中的壓力變 化忽略不計。

根據熱力一般式在等壓條件下，在反應器元件進出口兩端的狀態點焓值差為 式(3-5)，將 對溫度進行積分就可以得知元件進出口間的焓差， 可由文 獻[28]查表得知。假設為等溫等壓下進行化學反應，以三氧化硫裂解為例如圖 4-5 所示，將氦氣的熱能轉化至三氧化硫，使三氧化硫能夠裂解反應，能量守恆方程 式表示成：

(4-1)

hR代表三氧化硫裂解時所需要的反應焓差， 為裂解反應時的絕熱效率，在皆假 設為90%。

圖4-5 三氧化硫裂解示意圖

上圖 4-4 中 T13和 T8這兩狀態點之間的溫度差相當大，若將此過程中熱能直 接 120℃，造成相當大的熱能浪費。針對此一過程設計三種不同型式的廢熱回收 方案。Case 1 為最基本的布雷登循環搭配有機郎肯循環，元件如下圖 4-6 所示。

Case 2 多增加一段壓縮過程，分別為高壓段壓縮機和低壓段壓縮機，示意圖如下 圖4-7 所示。最後一項設計 Case 3 布雷登循環額外增加一段回熱器，示意圖如下

圖4-8 所示。根據上述三種不同型式探討溫度和壓縮比等參數變化對循環效率的 影響。

圖4-4 在 T7與邊界條件480℃之間是利用布雷登循環進行廢熱回收，T17至T14

之間則是利用ORC。本節中所有布雷登循環和 ORC 的工作流體分別為氦氣和苯，

不論在布雷登循環和ORC，假設所有元件等熵效率皆為 90%。

圖4-6 Case 1 布雷登循環示意圖

圖4-7 Case 2 布雷登循環示意圖

圖4-8 Case 3 布雷登循環示意圖