新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析

发布时间：2021-11-25 21:48

　　针对现有的动力电池、柴油-液氧型斯特林机等常规水下动力系统的能量密度多在300W·h/kg以内的问题,提出了一种以铝粉燃烧为基础的新型高能量密度斯特林水下动力系统方案。通过数值仿真方法,分别构建了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统以及铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统,并与传统柴油-液氧斯特林机动力系统进行了能量密度以及燃料成本的比较。结果发现,铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的能量密度高达648Wh/L,为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍,燃料成本为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍;铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的1.7倍。可见,新型闭式铝粉燃烧斯特林水下动力系统有着良好的发展潜力,可为未来水下动力系统的设计提供理论参考。 

【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(02)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

柴油-液氧型斯特林机动力系统布置示意图

图2给出了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统(简称方案2)。由图所示,铝颗粒和水在预燃烧室内燃烧后放热并生成氢气。由于铝颗粒燃烧温度很高,需通过水冷壁来冷却燃烧室同时吸收热量产生水蒸气,被加热的水蒸气进入预燃烧室与铝颗粒反应,有助于加快铝颗粒与水反应速率。为了使得含固高温烟气能够直接进入斯特林机燃烧室,且防止固体颗粒堵塞加热器热头,借鉴气固分离器原理,采用类似旋风分离技术,使得氧化铝固体颗粒产物自由下落并沉积到水冷式氧化铝罐被冷却,同时采用蓄热式换热器原理,利用氧化铝固体颗粒产物的余热预加热水,而铝水燃烧后产生的氢气经过高温金属膜再一次过滤固体颗粒后进入斯特林机燃烧室。斯特林机外燃系统中燃烧氢气来加热斯特林机加热器,推动工质作功来发电。斯特林机中燃氢后产生的水蒸气进入汽液换热器中,利用其预热来气化液氧。随后尾气通过冷凝器冷凝和分离器分离后,用于携带铝粉颗粒的氦气重新进入给粉系统进行送粉,由水泵进行循环供水。这样由预燃烧室、燃氢斯特林机和其他辅助设备构成了整个闭式系统。2.3 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统

图3给出了铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统(简称方案3)。方案2虽然充分利用了铝粉颗粒燃烧过程中各个阶段的热量,但是整个烟气流动过程中会存在固体颗粒物,尽管已先后通过气固分离装置以及高温金属膜的过滤,但超长时间的运行一定会在斯特林机、换热器等设备中积聚甚至产生堵塞,有可能影响整个系统的运行,因此在方案2的基础上,再一次进行系统改进,提出了方案3。铝颗粒和水在预燃烧室内燃烧后放热并生成氢气,随后通入氧气与其燃烧放热。之所以不是直接采用铝颗粒与氧气进行燃烧,一则是因为前面实验结果已经证实铝颗粒与氧气燃烧反应十分剧烈,燃烧后温度很高,这给预燃烧室设计带来困难;另一则是因为先通过与水反应再通入氧气让其与氢气反应容易控制燃烧温度,且能保证铝颗粒燃尽,其类似于煤粉锅炉中分级燃烧的概念,针对这一情况,有外国学者采用循环流化床燃烧铝颗粒,使得反应温度相对均匀且燃尽率相对提高。预燃烧室中通过填充液钠进行冷却壁面温度,同时进行热量吸收和传递。由于液钠的导热性能十分突出,被加热的液钠进入斯特林机直接和加热器进行换热,推动工质作功后发电。同样,采用上述气固分离技术、余热利用技术、气液分离技术以及循环技术使得整个系统形成一个由预燃烧室、液钠型斯特林机和其他辅助设备组成的高效闭式水下动力系统。3 系统能量密度与性价比分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Li/SF6能源的新型UUV动力系统热力性能分析[J]. 白杰,党建军,曹蕾蕾.  水下无人系统学报. 2019(02)
[2]新型铝水燃烧无人水下航行器混合动力系统优化设计[J]. 陈显河,夏智勋,黄利亚,那旭东,王德全.  国防科技大学学报. 2018(02)
[3]国外无人水下航行器装备与技术现状及展望[J]. 钟宏伟.  水下无人系统学报. 2017(04)
[4]铝水燃烧UUV混合动力系统性能计算[J]. 陈显河,夏智勋,胡建新,那旭东.  舰船科学技术. 2015(09)
[5]UUV动力电池现状及发展趋势[J]. 蔡年生.  鱼雷技术. 2010(02)



本文编号：3518856