適用于UUV的閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)

朱 強(qiáng)，李維維，張 強(qiáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

UUV有著廣泛而重要的軍事和民用前景，近年來(lái)受到國(guó)際上的充分重視，并得到長(zhǎng)足的發(fā)展。在UUV的關(guān)鍵技術(shù)中，動(dòng)力與推進(jìn)技術(shù)的研究水平較低，性能相對(duì)落后，成為制約UUV發(fā)展的主要瓶頸技術(shù)之一。隨著UUV的快速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)動(dòng)力推進(jìn)性能提出了很高的要求，體積小、重量輕、能量密度高、安全可靠的新型動(dòng)力系統(tǒng)益發(fā)成為研究趨勢(shì)。

UUV動(dòng)力系統(tǒng)主要分電動(dòng)力與熱動(dòng)力2種。目前大多數(shù)UUV采用電動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)力系統(tǒng)具有隱蔽性好、無(wú)尾跡、噪聲低、對(duì)深度不敏感，操作安全，可重復(fù)使用等特點(diǎn)，但是目前電池的比能不夠高，無(wú)法滿足UUV對(duì)航程與航速的更高需求。

熱動(dòng)力系統(tǒng)主要由熱源與發(fā)動(dòng)機(jī)組成，熱源決定了動(dòng)力系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，碳?xì)淙剂暇哂休^高的能量密度，但它燃燒時(shí)有產(chǎn)物排放，使得UUV航行時(shí)產(chǎn)生尾跡，產(chǎn)物排出還要帶走大量的熱量，降低了動(dòng)力系統(tǒng)的效率。鋰/六氟化硫熱源具有較高的能量密度，不產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物，液態(tài)產(chǎn)物體積較反應(yīng)消耗的金屬燃料體積稍小，可存于系統(tǒng)內(nèi)不需排放。該熱源配合發(fā)動(dòng)機(jī)組成的閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，具有能量密度高、無(wú)向外排放物、性能不受航行深度影響的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足水下航行器長(zhǎng)續(xù)航力、高隱蔽性的要求。適合與鋰/六氟化硫熱源配合的發(fā)動(dòng)機(jī)有：汽輪機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、布賴頓循環(huán)渦輪機(jī)等，這些發(fā)動(dòng)機(jī)與鋰/六氟化硫熱源分別構(gòu)成汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、布賴頓循環(huán)渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)[1–3]。

1 鋰/六氟化硫熱管反應(yīng)器的工作特點(diǎn)

氣態(tài)SF6能與液態(tài)鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間放出大量的熱。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：8Li+SF6=6LiF+Li2S-46 800 kJ/kgLi。

Li/SF6熱源的能量密度高，質(zhì)量能量密度12 960 kJ/kg，體積能量密度12 240 kJ/L，比柴油/液氧的能量密度高出約40%。Li/SF6反應(yīng)不產(chǎn)生氣體產(chǎn)物，生成產(chǎn)物在工作溫度下為液態(tài)，所占體積與消耗的鋰燃料體積大致相同，可以儲(chǔ)存在反應(yīng)器內(nèi)無(wú)需排放。SF6容器內(nèi)液體表面形成的SF6蒸氣不需要泵，可直接通過(guò)噴嘴進(jìn)入燃燒室與鋰發(fā)生反應(yīng)，調(diào)節(jié)氧化劑的流量可以控制產(chǎn)熱功率。

鋰與六氟化硫在熱管反應(yīng)器中反應(yīng)并將熱量傳出。圖1為熱管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，反應(yīng)器上部是反應(yīng)與傳熱區(qū)，下部是鋰與產(chǎn)物儲(chǔ)存區(qū)。上部傳熱管構(gòu)成反應(yīng)器外壁，金屬毛細(xì)網(wǎng)距傳熱管壁一定距離處布置，下端延伸到鋰液面下。SF6噴嘴安裝在反應(yīng)器上部。

施鎂也可以提高作物對(duì)鐵、錳、銅等微量元素的吸收和利用。每公頃煙田基施鎂肥（MgO計(jì)）60公斤，烤煙對(duì)銅、錳、鐵、鋅、硼的吸收效率分別提高38%-46%、38%-60%、33%-161%、30%-38%和32%-40%，煙葉產(chǎn)量提升10%-12%。又如，楊梅株施0.5公斤的鎂肥（MgO計(jì)）后，植株對(duì)鐵和錳的同化效率分別提高11%和19%，單果增產(chǎn)4%，株產(chǎn)增加7%。

工作時(shí)，啟動(dòng)裝置熔化少量鋰，同時(shí)通入SF6與鋰反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鋰迅速熔化，液態(tài)鋰在表面張力作用下沿毛細(xì)網(wǎng)上升、蒸發(fā)，在毛細(xì)網(wǎng)內(nèi)表面穩(wěn)定反應(yīng)放熱。反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到毛細(xì)網(wǎng)時(shí)冷凝為液體，沿毛細(xì)網(wǎng)向下流至鋰池底部。反應(yīng)熱量傳遞給毛細(xì)網(wǎng)，毛細(xì)網(wǎng)中的鋰受熱蒸發(fā)，一部分參與反應(yīng)，一部分?jǐn)U散到傳熱管壁冷凝，將熱量傳遞給工質(zhì)，凝結(jié)的鋰液沿傳熱管壁流至鋰池。毛細(xì)提升力把鋰源源不斷提供給吸液芯，反應(yīng)可以一直進(jìn)行到鋰消耗完，反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)存在反應(yīng)器中[4–7]。

熱管反應(yīng)器工作過(guò)程中不向外界排放產(chǎn)物，可以重復(fù)啟動(dòng)，調(diào)節(jié)六氟化硫流量能實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。熱管反應(yīng)器可以模塊化設(shè)計(jì)，航行結(jié)束后，將用過(guò)的反應(yīng)器卸下處理，換上新的反應(yīng)器，氧化劑罐充裝六氟化硫，UUV就可以開(kāi)始新的航程。熱管反應(yīng)器經(jīng)過(guò)處理后裝上燃料，可以重復(fù)使用。

2 汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

熱管反應(yīng)器與汽輪機(jī)可組成朗肯循環(huán)汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，以水為工質(zhì)，組成示意圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由六氟化硫儲(chǔ)罐、熱管反應(yīng)器、汽輪機(jī)、冷凝器與給水泵等組成。水在熱管反應(yīng)器中定壓吸熱，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，蒸汽經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)絕熱膨脹做功。排出的乏汽在冷凝器中定壓放熱而凝結(jié)成水，水泵再將凝結(jié)水打入熱管反應(yīng)器完成一個(gè)循環(huán)。

若忽略水泵消耗的功，朗肯循環(huán)的熱效率

式中：ηt為熱效率；h1為汽輪機(jī)進(jìn)口水蒸汽焓值，kJ/kg；h2為汽輪機(jī)出口水蒸汽焓值，kJ/kg；h′為汽輪機(jī)出口壓力下飽和水的焓值，kJ/kg。

假設(shè)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)：p1=5 MPa，t1=650℃，乏汽壓力：p2=0.2 MPa，計(jì)算一下朗肯循環(huán)的熱效率。

查未飽和水與過(guò)熱水蒸汽的熱力性質(zhì)表[8]，p1=5 MPa，t1=650℃ 時(shí)：

查飽和水與飽和水蒸汽的熱力性質(zhì)表，p2=0.2 MPa時(shí)：

水蒸汽理論上在汽輪機(jī)中進(jìn)行等熵膨脹過(guò)程，即

根據(jù)s2，p2查得：h2=2 815.3 kJ/kg。

該循環(huán)的理論熱效率為：

假設(shè)汽輪機(jī)內(nèi)部相對(duì)效率為70%，機(jī)械效率為90%[9]，則循環(huán)的實(shí)際效率可達(dá)18.6%。

對(duì)UUV來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)體積與重量受到限制，內(nèi)部相對(duì)效率較低。并且蒸汽在汽輪機(jī)中不能膨脹到較低壓力，水蒸汽的大量潛熱無(wú)法得到應(yīng)用，造成朗肯循環(huán)的熱效率較低。在循環(huán)回路中加回?zé)崞骺梢允篃嵝实玫揭欢ǔ潭鹊奶岣?。因?yàn)槠啓C(jī)出口蒸汽溫度較高，若直接向冷凝器放熱，熱損失較大，若在系統(tǒng)中增添一個(gè)回?zé)崞鳎瑒t可利用汽輪機(jī)排氣的熱量來(lái)加熱進(jìn)入反應(yīng)器的水工質(zhì)，使動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率有所提高。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

熱管反應(yīng)器與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組成斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃的、閉式循環(huán)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，由膨脹腔、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和壓縮腔組成閉式循環(huán)回路。工作氣體（如氦氣、氮?dú)獾龋┓忾]在機(jī)器內(nèi)，并在各腔室間循環(huán)，反復(fù)使用。斯特林循環(huán)由等容加熱、等溫膨脹、等容冷卻和等溫壓縮4個(gè)過(guò)程組成，循環(huán)的理論熱效率等于相同溫度范圍內(nèi)的卡諾循環(huán)熱效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作噪聲低，在很寬的速度范圍內(nèi)有良好的扭矩特性。當(dāng)使用傳熱工質(zhì)間接加熱時(shí)，可以使用任何高溫?zé)嵩?，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身不需要進(jìn)行較多的修改。

熱管反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)剿固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器，發(fā)動(dòng)機(jī)便可以輸出功率，在發(fā)動(dòng)機(jī)與反應(yīng)器之間有一個(gè)對(duì)接問(wèn)題。一種解決方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器與反應(yīng)器傳熱管設(shè)計(jì)成一體，但是由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器和其他部件緊密結(jié)合在一起，改變加熱器會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布置及工作性能帶來(lái)不利的影響；另一種解決方法是采用中間傳熱工質(zhì)將熱量從熱管反應(yīng)器傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器，這樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較小，但必須增加一個(gè)中間介質(zhì)回路，要有管路、泵等一系列部件，增加了系統(tǒng)的重量與復(fù)雜性。圖3為帶中間傳熱介質(zhì)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)組成示意圖。

斯特林循環(huán)熱效率：

式中：TH為工質(zhì)高溫，K；TL為工質(zhì)低溫，K。

假設(shè)工質(zhì)低溫為350 K，工質(zhì)高溫為973 K，則循環(huán)的理論熱效率為64%。斯特林循環(huán)實(shí)際熱效率可以達(dá)到32%～40%[9]。

4 布賴頓渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

熱管反應(yīng)器與渦輪機(jī)可以組成布賴頓渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由熱管反應(yīng)器、六氟化硫儲(chǔ)罐、渦輪機(jī)、壓氣機(jī)和冷卻器等組成。氣體工質(zhì)首先進(jìn)入壓氣機(jī)，壓縮到一定的壓力后送入熱管反應(yīng)器，在反應(yīng)器中定壓吸熱，而后進(jìn)入渦輪機(jī)膨脹做功，一部分機(jī)械功用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)而其余部分對(duì)外輸出，為有效功。做功后的工質(zhì)進(jìn)入冷卻器，向冷源放出熱量，定壓冷卻到一定溫度時(shí)再進(jìn)入壓氣機(jī)，完成一個(gè)閉式循環(huán)。布賴頓循環(huán)是由絕熱壓縮、定壓吸熱、絕熱膨脹和定壓放熱4個(gè)過(guò)程組成，適合用于布賴頓循環(huán)的工質(zhì)有氬氣、空氣等。

同汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)一樣，工質(zhì)在渦輪機(jī)中膨脹做功后的溫度仍相當(dāng)高，若直接排向冷卻器放熱，熱損失較大。若在系統(tǒng)中增加一個(gè)回?zé)崞?，利用渦輪機(jī)排氣放出的熱量來(lái)加熱壓縮后的工質(zhì)，則會(huì)使熱效率得到較大的提高。圖4為帶回?zé)崞鞯臏u輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)組成示意圖。

布賴頓循環(huán)的熱效率：

式中：π=p2/p1（增壓比，氣體在壓氣機(jī)中壓力升高的倍數(shù)）；k為絕熱指數(shù)。

布賴頓循環(huán)的理想熱效率隨增壓比π的增大總是提高的。但對(duì)于實(shí)際循環(huán)，由于壓氣機(jī)與渦輪機(jī)都存在損耗，壓氣機(jī)消耗的功比較大，單純地增大π值不一定能提高系統(tǒng)效率。對(duì)應(yīng)于一定的增溫比τ（τ為循環(huán)最高溫度與最低溫度之比），有一個(gè)熱效率最高的π值，超高此值熱效率反而下降，增大τ值總會(huì)使系統(tǒng)的效率提高。但由于熱管反應(yīng)器材料強(qiáng)度限制，不能過(guò)高增加工質(zhì)的最高溫度，熱管反應(yīng)器工質(zhì)的溫度控制在700℃左右，布賴頓循環(huán)渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際效率可達(dá)到20%左右。

5 結(jié) 語(yǔ)

熱管反應(yīng)器與汽輪機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)均可以構(gòu)成閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)，適用于UUV動(dòng)力系統(tǒng)。對(duì)汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熱管反應(yīng)器與發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)接比較簡(jiǎn)單，反應(yīng)器效率可以做得很高，主要問(wèn)題是如何提高汽輪機(jī)的熱效率；對(duì)于斯特林動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率比較高，而熱管反應(yīng)器與發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)接比較困難?？梢圆捎弥虚g傳熱系統(tǒng)將熱量從熱管反應(yīng)器傳給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，因此主要問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)高效、可靠的中間傳熱系統(tǒng)；對(duì)于渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)在微型渦輪機(jī)研究方面基礎(chǔ)比較薄弱，同時(shí)熱管反應(yīng)器工作溫度也限制了渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高。

綜上所述，汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)較好兼顧了工作性能和技術(shù)成熟度的問(wèn)題，是UUV閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)的首選方案；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)熱效率較高，如果解決了中間傳熱技術(shù)，將會(huì)是很有前景的UUV閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)方案。