基于Li/SF6能源的新型UUV動(dòng)力系統(tǒng)熱力性能分析

白 杰, 黨建軍, 曹蕾蕾

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基于Li/SF6能源的新型UUV動(dòng)力系統(tǒng)熱力性能分析

白 杰1, 黨建軍2, 曹蕾蕾1

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710064; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為適應(yīng)無人水下航行器(UUV)長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、大航深等應(yīng)用需求, 提出了一種以Li/SF6為能源的新型UUV熱電聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案。該系統(tǒng)采用朗肯循環(huán), 燃料能量密度可達(dá)600 Wh/kg, 是現(xiàn)有電池的3倍。文中建立了工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律的求解算法, 分析了蒸發(fā)器出口溫度、壓力和冷凝器壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明: 在研究范圍內(nèi), 蒸發(fā)器出口溫度每增加100 K系統(tǒng)效率增加0.8%; 蒸發(fā)器壓力每增加1 MPa系統(tǒng)效率增加0.5%; 冷凝器壓力每降低0.01 MPa系統(tǒng)效率增加0.2%。該方案可為現(xiàn)有UUV供能不足提供新的解決途徑, 文中所做研究結(jié)論可為UUV動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

無人水下航行器; Li/SF6能源; 動(dòng)力系統(tǒng); 熱力性能

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)在軍民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景, 正處于飛速發(fā)展的時(shí)期[1]。目前UUV主要使用電動(dòng)力推進(jìn), 而現(xiàn)有電池的水平制約了動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展[2]。研究人員轉(zhuǎn)向研究高密度燃料電池[3-4]或熱電混合動(dòng)力系統(tǒng), 期望應(yīng)用到未來的UUV上[5-7]。

在尋求UUV新的能源途徑中, 金屬Li及SF6氣體的燃燒供能方案, 因其能量密度大, 超過現(xiàn)有電池, 且不依賴空氣, 無產(chǎn)物排放的特點(diǎn), 備受研究人員關(guān)注。最成功的應(yīng)用當(dāng)屬美國(guó)霍尼韋爾公司研制的以Li/SF6為能源的MK 50魚雷[8]。該系統(tǒng)采用SF6氣體噴入熔融Li液進(jìn)行反應(yīng)的模式[9-12]。然而, UUV相比魚雷功率較低, 需要長(zhǎng)時(shí)間工作, 浸沒式反應(yīng)容易導(dǎo)致噴嘴堵塞, 需要新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)方案。因此, Chen等[13]開展了針對(duì)Li/SF6小功率反應(yīng)的研究, 期望研制一種熱管反應(yīng)器來為UUV提供動(dòng)力。

目前, 現(xiàn)有的文獻(xiàn)多針對(duì)浸沒式反應(yīng)的燃燒數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究[14], 而涉及熱管反應(yīng)器的很少。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)熱力性能分析是十分重要的環(huán)節(jié), 需要建立在對(duì)系統(tǒng)特性的深入理解之上, 文中將對(duì)此開展討論, 以期為發(fā)展新型水下航行器動(dòng)力技術(shù)提供參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)型

以Li/SF6為能源, 水為工質(zhì), 適用于小型UUV的熱電聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。系統(tǒng)主要包括的部件為: 熱管反應(yīng)器、蒸發(fā)器、冷凝器、微型渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、集液器和泵等。

熱管反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置金屬絲網(wǎng), 下端部分浸沒到燃料Li中。系統(tǒng)啟動(dòng)后, 金屬絲網(wǎng)通過毛細(xì)力將液態(tài)Li提升至反應(yīng)區(qū)域, 與通入的SF6氣體反應(yīng)。生成的熱量將熱管反應(yīng)器外側(cè)蒸發(fā)器中的水加熱至過熱蒸汽狀態(tài)。過熱蒸汽在微型渦輪機(jī)中膨脹做功, 進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電, 完成能量轉(zhuǎn)換過程。乏汽經(jīng)過殼體冷凝器冷凝后由水泵加壓進(jìn)入蒸發(fā)器, 進(jìn)入下一循環(huán)。反應(yīng)過程中, 生成物L(fēng)iF和Li2S密度大于Li, 處于Li液下層, 不需排出體外。整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能量密度高, 啟動(dòng)性好, 無產(chǎn)物排放, 不受海水深度影響, 滿足小型UUV對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)低輸出功率、長(zhǎng)工作時(shí)間的要求。

圖1 閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖

2 熱源性質(zhì)

熱管反應(yīng)器內(nèi)燃燒反應(yīng)物與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。在系統(tǒng)未啟動(dòng)前, 金屬Li存儲(chǔ)于反應(yīng)器里, SF6呈液態(tài)存放于鋼瓶中。系統(tǒng)啟動(dòng)后, 在毛細(xì)作用下, 熔融Li上升到絲網(wǎng)并蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)區(qū), 與噴入的SF6氣體進(jìn)行燃燒反應(yīng), 放出熱量。

燃燒反應(yīng)放熱計(jì)算如下:

表1 反應(yīng)物與產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)

此相當(dāng)于8 mol Li和1 mol SF6, 共202 g反應(yīng)物放熱2 893 kJ, 單位質(zhì)量的反應(yīng)物放熱4 kWh/kg。由于目前可工程應(yīng)用的鋰電池能量密度不到200 Wh/kg, 該系統(tǒng)熱效率即使僅有15%, 燃料的能量密度也可達(dá)到600 Wh/kg, 高于現(xiàn)有電池的水平。由此可見, 該能源能量密度大, 結(jié)合上述無產(chǎn)物排放, 不受海水背壓影響的特點(diǎn), 非常適合UUV使用。

3 熱力性能計(jì)算

在對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前, 需要給出各個(gè)設(shè)備的性能參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo), 這就需要通過熱力計(jì)算分析工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律, 合理確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 算法流程圖

計(jì)算工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的算法流程如圖2所示。

圖2 工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的算法流程圖

3.2 蒸發(fā)器出口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

根據(jù)UUV動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo), 結(jié)合工程實(shí)際、各熱力設(shè)備的性能, 以及Li/SF6緩慢燃燒放熱特性, 選取的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。研究蒸發(fā)器出口溫度在600~890 K之間對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律, 結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出, 在蒸發(fā)器及冷凝器壓力不變的情況下, 提高蒸發(fā)器出口溫度, 可以提高系統(tǒng)熱效率, 降低工質(zhì)流量, 提高燃料比能。在研究范圍內(nèi), 出口溫度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg。由于系統(tǒng)工質(zhì)流量很小, 設(shè)計(jì)時(shí)其節(jié)省水量的作用可以忽略, 但是其變化范圍可以對(duì)水泵選型提供參考。

表2 計(jì)算蒸發(fā)器出口溫度影響規(guī)律的參數(shù)值

提高蒸發(fā)器出口溫度, 對(duì)提高系統(tǒng)效率有利, 但蒸發(fā)器材料的耐溫性是一個(gè)很大的限制, 因此要平衡好系統(tǒng)效率與安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)系, 合理設(shè)計(jì)蒸發(fā)器出口溫度。

3.3 蒸發(fā)器壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

蒸發(fā)器壓力是系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù), 其對(duì)過熱蒸汽在渦輪機(jī)中的做功性能有著重要影響, 另外該壓力對(duì)應(yīng)著水相變的飽和溫度, 影響著蒸發(fā)器的換熱性能以及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 蒸發(fā)器出口溫度對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律

為研究蒸發(fā)器壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響, 結(jié)合實(shí)際情況選蒸發(fā)器壓力3~8 MPa, 蒸發(fā)器出口溫度860 K, 其他參數(shù)見表2, 計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)器出口壓力對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律

可以看出, 在蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度及冷凝器壓力不變的情況下, 提高蒸發(fā)器壓力, 可以提高系統(tǒng)熱效率, 提高燃料的比能, 降低工質(zhì)流量。在研究范圍內(nèi), 蒸發(fā)器壓力每增加1 MPa系統(tǒng)效率增加0.5%, 燃料比能增加19.2 Wh/kg, 工質(zhì)流量變化范圍很小, 可以忽略。

由此可知, 提高蒸發(fā)器壓力對(duì)系統(tǒng)性能有利, 但是只提高蒸發(fā)器壓力, 蒸汽在渦輪機(jī)膨脹過程中, 乏汽將有可能有水出現(xiàn), 這將不利于渦輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)的渦輪機(jī)不同于電廠的汽輪機(jī), 要盡量避免含乏汽出水。因此, 在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí), 不能單獨(dú)提高蒸發(fā)器壓力, 還需要同時(shí)提高出口溫度, 平衡好兩者之間的關(guān)系, 才會(huì)獲得好的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性。

3.4 冷凝器壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

冷凝器的壓力是渦輪機(jī)出口的背壓, 影響著工質(zhì)在渦輪機(jī)中的膨脹性能, 另外該壓力對(duì)應(yīng)著水蒸汽的冷凝飽和溫度, 影響著冷凝過程的散熱量, 對(duì)系統(tǒng)熱效率有重要影響。

為研究蒸發(fā)器壓力對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響, 結(jié)合實(shí)際情況選冷凝器壓力0.06~0.2 MPa, 蒸發(fā)器出口溫度860 K, 其他參數(shù)見表2, 計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 冷凝器壓力對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律

可以看出, 在蒸發(fā)器壓力及進(jìn)出口溫度不變的情況下, 降低冷凝器壓力, 可以提高系統(tǒng)熱效率, 提高燃料比能, 而工質(zhì)流量不變。在研究范圍內(nèi), 冷凝器壓力每降低0.01 MPa系統(tǒng)效率增加0.2%, 燃料比能增加8.9 Wh/kg。

雖然降低冷凝器壓力對(duì)系統(tǒng)性能有益, 但也會(huì)帶來相應(yīng)的問題。一是降低冷凝器壓力會(huì)造成渦輪機(jī)乏汽比體積增大, 需要增大冷凝器的體積,而UUV采用殼體冷凝的方式, 對(duì)空間緊湊性有較高要求。二是有可能會(huì)造成膨脹過程中有水出現(xiàn), 危害渦輪機(jī)運(yùn)行。另外, 冷凝器壓力的選定還受到周圍海水溫度的限制, 冷凝器中的飽和蒸汽應(yīng)該與海水保持一定的溫差, 其設(shè)計(jì)壓力過低會(huì)造成溫差變小, 增大了冷卻通道長(zhǎng)度, 不利于動(dòng)力系統(tǒng)緊湊設(shè)計(jì)的要求。因此, 冷凝器設(shè)計(jì)壓力的選定需要平衡經(jīng)濟(jì)性、安全性及緊湊性等因素。

4 結(jié)束語

文章分析了一種以Li/SF6為能源的新型UUV熱電聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案, 該動(dòng)力系統(tǒng)采用蒸汽動(dòng)力循環(huán)方式, 燃料放熱能力可達(dá)4 kWh/kg, 遠(yuǎn)高于現(xiàn)有電池能量密度, 非常適合UUV長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、大航深的應(yīng)用需求。文中給出了工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律的求解算法, 采用該算法可進(jìn)行熱力性能計(jì)算, 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)分析了工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。在研究范圍內(nèi), 蒸發(fā)器出口溫度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg; 蒸發(fā)器壓力每增加1 MPa系統(tǒng)效率增加0.5%, 燃料比能增加19.2 Wh/kg; 冷凝器壓力每降低0.01 MPa系統(tǒng)效率增加0.2%, 燃料比能增加8.9 Wh/kg。

[1] 鐘宏偉. 國(guó)外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 215-225.

Zhong Hong-wei. Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(4): 215-225.

[2] Wang X, Shang J, Luo Z, et al. Reviews of Power Systems and Environmental Energy Conversion for Unmanned Underwater Vehicles[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(4): 1958-1970.

[3] Waters D F, Cadou C P. Modeling a Hybrid Rankine-cycle/fuel-cell Underwater Propulsion System Based on Aluminum-water Combustion[J]. Journal of Power Sources, 2013, 221(1): 272-283.

[4] Waters D F, Cadou C P. Estimating the Neutrally Buoyant Energy Density of a Rankine-cycle/fuel-cell Underwater Propulsion System[J]. Journal of Power Sources, 2014, 248(4): 714-720.

[5] 聶衛(wèi)東, 馬玲, 張博, 等. 淺析美軍水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 310-318.

Nie Wei-dong, Ma Ling, Zhang Bo, et al. A Brief Analysis of United States Unmanned Underwater Combat System[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(5): 310-318.

[6] 錢東, 趙江, 楊蕓. 軍用UUV發(fā)展方向與趨勢(shì)(上)——美軍用無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃分析解讀[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(2): 1-30.

Qian Dong, Zhao Jiang, Yang Yun. Development Trend of Military UUV(Ⅰ): a Review of U.S. Military Unmanned System Development Plan[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(2): 1-30.

[7] 錢東, 趙江, 楊蕓. 軍用UUV發(fā)展方向與趨勢(shì)(下)——美軍用無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃分析解讀[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(3): 107-150.

Qian Dong, Zhao Jiang, Yang Yun. Development Trend of Military UUV(Ⅱ): a Review of U.S. Military Unmanned System Development Plan[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(3): 107-150.

[8] 黃慶, 卜建杰, 鄭邯勇. Li/SF6熱源在魚雷和UUV推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2006, 28(2): 6-10.

Huang Qing, Bu Jian-jie, Zheng Han-yong. The Application of Li/SF6Heat Source in the Torpedo and the UUV Propulsion Systems[J]. Ship Science & Technology, 2006, 28(2): 6-10.

[9] 張文群, 張振山. 應(yīng)用Gibbs自由能最小法研究Li/SF6氣液浸沒燃燒反應(yīng)[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2005, 26(6): 812-815.

Zhang Wen-qun, Zhang Zhen-shan. Study on Li/SF6Gas-liquid Fuel Combustion with the Minimum of Gibbs Energy[J]. Acta Armamentarii, 2005, 26(6): 812-815.

[10] Dahikar S K, Gulawani S S, Joshi J B, et al. Effect of Nozzle Diameter and Its Orientation on the Flow Pattern and Plume Dimensions in Gas-Liquid Jet Reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(24): 7471-7483.

[11] Gulawani S S, Dahikar S K, Joshi J B, et al. CFD Simulation of Flow Pattern and Plume Dimensions in Submerged Condensation and Reactive Gas Jets into a Liquid Bath[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(9): 2420-2435.

[12] Deshpande S S, Mathpati C S, Gulawani S S, et al. Effect of Flow Structures on Heat Transfer in Single and Multiphase Jet Reactors[J]. Indengchemres, 2009, 48(21): 9428-9440.

[13] Lyu H Y, Chen L D. Numerical Modeling of Buoyant Ethanol-air Wick Diffusion Flames[J]. Combustion & Flame, 1991, 87(2): 169-181.

[14] 劉曉瑜. Li/SF6表面噴射反應(yīng)器內(nèi)燃燒流場(chǎng)數(shù)值研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

Thermodynamic Performance Analysis of a New Type of UUV Power System Based on Li/SF6Energy

BAI Jie1, DANG Jian-jun2, CAO Lei-lei1

(1. Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an Univerisity, Xi’an 710064, China; 2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To develop an unmanned undersea vehicle(UUV) with the performances of long endurance, long range and deep depth, a new thermoelectric power system using Li/SF6as energy is proposed. The system adopts Rankine cycle, and its fuel’s energy density can reach 600 Wh/kg, which is three times higher than that of the current battery. The solution algorithm for the working medium parameters’ effects on the system performance is established, and then the influences of evaporator outlet temperature, pressure, and condenser pressure on the system performance are analyzed. The results show that, within the scope of certain parameters, 0.8% increase in the system efficiency is gained for every 100 K increase in the evaporator outlet temperature; the system efficiency rises by 0.5% for every 1 MPa increase in the evaporator pressure; and the system efficiency rises by 0.2% for every 0.01 MPa decrease in the condenser pressure. This system gives a new solution to enhancing UUV energy supply, and the obtained conclusions may provide a reference for the power system design of an UUV.

unmanned undersea vehicle(UUV); Li/SF6energy; power system; thermodynamic performance

TJ630.32; TK21

A

2096-3920(2019)02-0212-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.014

白杰, 黨建軍, 曹蕾蕾. 基于Li/SF6能源的新型UUV動(dòng)力系統(tǒng)熱力性能分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 212-216.

2018-09-25;

2018-10-08.

陜西省自然科學(xué)基金資助(2018JM5108); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(300102258102).

白 杰(1985-), 男, 博士, 講師, 研究方向?yàn)樗潞叫衅鲃?dòng)力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)