熔盐空间堆斯特林换热器的热工水力设计与研究
发布时间：2021-03-08 10:25
人类进行太空探索需要能源的支持,空间核反应堆作为空间能源类型之一,具有不受环境影响、长寿命、安全可靠等特点,已成为空间能源的发展趋势。熔盐反应堆作为第四代反应堆的六种堆型之一,具有高燃料沸点,高功率密度,高输出温度,高转换效率,高安全性及可靠性,结构简单,可常压操作等特点,在空间应用方面具有较强优势,是深空探测任务以及外星球基地的理想能源之一。在空间反应堆系统中,热功转换系统的作用是将反应堆中产生的裂变热能转换成电能,是空间堆电源系统的关键部分之一。自由活塞式斯特林机作为一种动态转换方式具有许多优势,是空间电源系统的理想设备。本文以熔盐空间堆动态热功转换方式为研究对象,分析比较了斯特林及布雷顿循环在熔盐空间堆的适用性,并对斯特林机加热器开展了进一步的设计与研究。论文根据熔盐空间堆对动态热功转换方式的各项需求,对斯特林循环以及布雷顿循环建立了热力学模型并对其进行了分析与比较,得到结论:斯特林机输出功率随吸热温度的上升先增后降,随放热温度的上升而增加;循环效率随吸热温度的上升而增加,随放热温度的上升而减小;在相同的吸、放热温度下,使用氦气作为工质的斯特林机的循环效率高于使用空气或氢气作为工...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间能源的运行特性
熔盐空间堆斯特林换热器的热工水力设计与研究4终，由于特殊年代及我国的综合国力的原因，该项目目标转变为进行秦山一期压水堆。中国科学院于2011年成立钍基熔盐堆核能系统中心（ThoriumMoltenSaltReactorSystemCenter,TMSR中心）[21]，最终目标是以熔盐堆为基础实现钍燃料的高效利用，目前正在系统地进行熔盐堆的研发工作，其面向我国能源可持续发展的重大战略需求，计划用20年的时间，研发新一代钍基熔盐堆核能系统。小型模块化钍基熔盐堆作为第二阶段的重要堆型，可用于熔盐堆的商业示范，包括模块化、多用途、经济性、安全性等的示范。熔盐空间反应堆是众多小型模块化钍基熔盐堆型中的一种，可布置于太空及星球表面，用于空间探测与开发，其系统组成示意图如图1-2所示。图1-2熔盐空间堆系统示意图Figure1-2Schematicdiagramofmoltensaltspacereactorsystem在空间核反应堆方面，第二次世界大战后，美国军方致力于开发一种可为侦察卫星供能的设备，期间兰德公司建议采用空间核能装置。1955年，美国成立了空军-原子能委员会（AFAEC）联合工作组，随即整合了空间核电源项目并更名为“核电辅助系统”（SystemforNuclearAuxiliaryPower，SNAP）计划[22]。SNAPSHOT卫星于1965年4月发射，该卫星用于验证空间核反应堆电
第1章绪论7动态转换方式主要包含朗肯、布雷顿以及斯特林循环等。如图1-3所示，在空间堆系统中，这几种动态以及静态转换方式有着不同的峰值温度区间并且其效率各不相同[36]。图1-3不同热功转换方式的效率与峰值温度关系曲线图Figure1-3Relationshipbetweenefficiencyandpeaktemperatureofdifferentenergyconversionmodes在静态转换方式中，热电偶转换质量尺寸小，可靠性高，然而其转换效率较低；热离子转换和碱金属转换效率较高，但工作寿命短，不能满足需求。在动态转换方式中，朗肯循环涉及工质相变，不适合空间运行。布雷顿以及斯特林循环系统具有效率高、寿命长、功率可扩展性高等优点。为减少空间堆系统的尺寸、质量以及必须排放的剩余废热，效率是空间核能系统的一个重要指标。由于动态转换循环接近于理想的卡诺循环，故效率可以达到25%以上。一般情况下，闭式布雷顿热机在循环温度比为3~4时能达到40%的卡诺循环效率，而自由活塞式斯特林热机在循环温度比为2~3时能达到60%的卡诺循环效率。而在温度比为1.5和2之间时，空间热电偶转换的卡诺循环效率小于20%。此外，布雷顿和斯特林转换系统可在相对较低的热端工作温度下提供高效率，这允许了传统材料的使用，并避免了开发先进材料的需要。相应的冷端温度范围为300~450K，可以使用不锈钢、钛、铝等材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间核电推进球床反应堆热工水力特性数值分析[J]. 张冉,王成龙,秋穗正,田文喜,苏光辉. 原子能科学技术. 2019(07)
[2]热源互补的斯特林加热器设计与数值模拟[J]. 瞿凡,王树林,童良怀,倪明江,肖刚. 热力发电. 2019(05)
[3]空间核反应堆电源研究[J]. 吴伟仁,刘继忠,赵小津,代守仑,于国斌,万钢,刘仓理,罗琦,庞涪川,朱安文,唐生勇,柳卫平,张传飞,曾未. 中国科学:技术科学. 2019(01)
[4]空间气冷反应堆堆芯流动换热数值仿真研究[J]. 孟涛,赵富龙,程坤,曾陈,谭思超. 原子能科学技术. 2019(07)
[5]空间核能液态金属朗肯循环的热力学性能分析[J]. 张昊春,程献伟,余红星,夏榜样,赵广播. 工程热物理学报. 2018(02)
[6]兆瓦级空间热管反应堆动力系统概念设计[J]. 张文文,刘逍,田文喜,秋穗正,苏光辉. 原子能科学技术. 2017(12)
[7]基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性[J]. 潘登宇,李琦芬,李卓能,焦贵海. 科学技术与工程. 2017(35)
[8]空间反应堆布雷顿循环热力学优化分析[J]. 李智,杨小勇,王捷,张作义. 原子能科学技术. 2017(07)
[9]热管冷却空间反应堆系统启动特性研究[J]. 袁园,苟军利,单建强,张斌,张博. 原子能科学技术. 2016(06)
[10]空间核动力装置斯特林转换系统的热力学性能优化分析[J]. 张昊春,冯致远,蔡书宜,吉宇,张亦宁,赵广播. 核动力工程. 2016(03)
硕士论文
[1]1KW斯特林发动机加热器的设计及研究[D]. 黄曼.华中科技大学 2014
[2]不同热机循环下碟式太阳能热发电系统热力学分析[D]. 陈施羽.中南大学 2013
本文编号：3070895
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间能源的运行特性
熔盐空间堆斯特林换热器的热工水力设计与研究4终，由于特殊年代及我国的综合国力的原因，该项目目标转变为进行秦山一期压水堆。中国科学院于2011年成立钍基熔盐堆核能系统中心（ThoriumMoltenSaltReactorSystemCenter,TMSR中心）[21]，最终目标是以熔盐堆为基础实现钍燃料的高效利用，目前正在系统地进行熔盐堆的研发工作，其面向我国能源可持续发展的重大战略需求，计划用20年的时间，研发新一代钍基熔盐堆核能系统。小型模块化钍基熔盐堆作为第二阶段的重要堆型，可用于熔盐堆的商业示范，包括模块化、多用途、经济性、安全性等的示范。熔盐空间反应堆是众多小型模块化钍基熔盐堆型中的一种，可布置于太空及星球表面，用于空间探测与开发，其系统组成示意图如图1-2所示。图1-2熔盐空间堆系统示意图Figure1-2Schematicdiagramofmoltensaltspacereactorsystem在空间核反应堆方面，第二次世界大战后，美国军方致力于开发一种可为侦察卫星供能的设备，期间兰德公司建议采用空间核能装置。1955年，美国成立了空军-原子能委员会（AFAEC）联合工作组，随即整合了空间核电源项目并更名为“核电辅助系统”（SystemforNuclearAuxiliaryPower，SNAP）计划[22]。SNAPSHOT卫星于1965年4月发射，该卫星用于验证空间核反应堆电
第1章绪论7动态转换方式主要包含朗肯、布雷顿以及斯特林循环等。如图1-3所示，在空间堆系统中，这几种动态以及静态转换方式有着不同的峰值温度区间并且其效率各不相同[36]。图1-3不同热功转换方式的效率与峰值温度关系曲线图Figure1-3Relationshipbetweenefficiencyandpeaktemperatureofdifferentenergyconversionmodes在静态转换方式中，热电偶转换质量尺寸小，可靠性高，然而其转换效率较低；热离子转换和碱金属转换效率较高，但工作寿命短，不能满足需求。在动态转换方式中，朗肯循环涉及工质相变，不适合空间运行。布雷顿以及斯特林循环系统具有效率高、寿命长、功率可扩展性高等优点。为减少空间堆系统的尺寸、质量以及必须排放的剩余废热，效率是空间核能系统的一个重要指标。由于动态转换循环接近于理想的卡诺循环，故效率可以达到25%以上。一般情况下，闭式布雷顿热机在循环温度比为3~4时能达到40%的卡诺循环效率，而自由活塞式斯特林热机在循环温度比为2~3时能达到60%的卡诺循环效率。而在温度比为1.5和2之间时，空间热电偶转换的卡诺循环效率小于20%。此外，布雷顿和斯特林转换系统可在相对较低的热端工作温度下提供高效率，这允许了传统材料的使用，并避免了开发先进材料的需要。相应的冷端温度范围为300~450K，可以使用不锈钢、钛、铝等材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间核电推进球床反应堆热工水力特性数值分析[J]. 张冉,王成龙,秋穗正,田文喜,苏光辉. 原子能科学技术. 2019(07)
[2]热源互补的斯特林加热器设计与数值模拟[J]. 瞿凡,王树林,童良怀,倪明江,肖刚. 热力发电. 2019(05)
[3]空间核反应堆电源研究[J]. 吴伟仁,刘继忠,赵小津,代守仑,于国斌,万钢,刘仓理,罗琦,庞涪川,朱安文,唐生勇,柳卫平,张传飞,曾未. 中国科学:技术科学. 2019(01)
[4]空间气冷反应堆堆芯流动换热数值仿真研究[J]. 孟涛,赵富龙,程坤,曾陈,谭思超. 原子能科学技术. 2019(07)
[5]空间核能液态金属朗肯循环的热力学性能分析[J]. 张昊春,程献伟,余红星,夏榜样,赵广播. 工程热物理学报. 2018(02)
[6]兆瓦级空间热管反应堆动力系统概念设计[J]. 张文文,刘逍,田文喜,秋穗正,苏光辉. 原子能科学技术. 2017(12)
[7]基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性[J]. 潘登宇,李琦芬,李卓能,焦贵海. 科学技术与工程. 2017(35)
[8]空间反应堆布雷顿循环热力学优化分析[J]. 李智,杨小勇,王捷,张作义. 原子能科学技术. 2017(07)
[9]热管冷却空间反应堆系统启动特性研究[J]. 袁园,苟军利,单建强,张斌,张博. 原子能科学技术. 2016(06)
[10]空间核动力装置斯特林转换系统的热力学性能优化分析[J]. 张昊春,冯致远,蔡书宜,吉宇,张亦宁,赵广播. 核动力工程. 2016(03)
硕士论文
[1]1KW斯特林发动机加热器的设计及研究[D]. 黄曼.华中科技大学 2014
[2]不同热机循环下碟式太阳能热发电系统热力学分析[D]. 陈施羽.中南大学 2013
本文编号：3070895
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