銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)熱工水力特性數(shù)值模擬研究

陳力勤 趙守智 楊夷

摘? 要：銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)主要用于為大功率熱離子發(fā)電裝置長期穩(wěn)定地提供純凈銫蒸氣。為此開發(fā)了基于毛細泵兩相回路技術(shù)的瞬態(tài)分析程序，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性、毛細極限運行特性、幾何參數(shù)對運行的影響等問題進行探究。研究發(fā)現(xiàn)銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)具有良好的自調(diào)節(jié)功能。最后根據(jù)模擬所得運行數(shù)據(jù)，設(shè)計出合理的幾何參數(shù)，并對未來的系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)? 毛細泵兩相回路? 動態(tài)響應(yīng)特性? 自調(diào)節(jié)功能

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0113-03

Abstract： The cesium vapor circulation system is mainly used to provide pure cesium vapor for high-power thermionic power generation devices stably manner for a long time. A transient analysis program based on the two-phase capillary pump technology was developed to investigate the dynamic response of system and the influence of geometric parameters on operation. Finally， according to the operating data obtained from the simulation， the geometric parameters are rationally designed to provide theoretical guidance for the experiment.

Key Words： Cesium vapor circulation system; Two phase loop of the capillary pump; Dynamic response characteristics; Self regulating

銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于熱離子發(fā)電裝置，主要是為熱離子發(fā)電裝置的電極間隙提供定壓銫蒸氣，可以達到消除負(fù)電空間電荷、降低發(fā)射極電子逸出功、減小發(fā)射極材料蒸發(fā)損耗等多重目的，既提高了熱離子能量轉(zhuǎn)換器的輸出電功率和熱電轉(zhuǎn)換效率，又延長了熱離子能量轉(zhuǎn)換器發(fā)射極部件的壽命。

1? 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

程序主要使用集總參數(shù)法[1]，將物理模型抽象為一系列節(jié)點，不同節(jié)點代表不同的小區(qū)域，所以提取節(jié)點的過程必須保證局部的幾何特征、物性參數(shù)、邊界條件變化不大。系統(tǒng)模型搭建思路，先劃分為蒸發(fā)區(qū)、蒸氣管道、冷凝區(qū)、儲液芯四大模塊，再根據(jù)不同流動換熱特點劃分若干節(jié)點。

節(jié)點通用熱微分方程[2]：

式中為通過節(jié)點質(zhì)量，為節(jié)點定壓比熱;是熱導(dǎo)率，是流動方向的傳熱面積，為長度;是對流換熱系數(shù);為流體的定壓比熱;為外加熱負(fù)荷。在多孔介質(zhì)中做傳熱分析時，其熱導(dǎo)率等效為[3]：

式中，是毛細芯體材料;為工質(zhì)熱導(dǎo)率;為毛細芯體的有效熱導(dǎo)率。

在蒸氣與液面的交界處，不斷發(fā)生著蒸發(fā)和冷凝，氣液交界面處的質(zhì)量傳遞速率為分子從蒸氣空間進入液面內(nèi)與液面內(nèi)分子進入氣體中的速率差，即凈分子通量流率。可以根據(jù)分子動力學(xué)理論得[4]到蒸發(fā)速率：

式中，是蒸發(fā)率系數(shù);是氣體常數(shù);是液面上方氣體壓力。是飽和液面下方液體壓力，為毛細抽吸力。

銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)有自調(diào)節(jié)特性，可以承受一定范圍的溫度、壓力、流率波動。自調(diào)節(jié)原理：熱負(fù)荷突然改變，蒸發(fā)率發(fā)生變化，冷凝率暫時不變，二者差值導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)蒸氣壓力變化，從而調(diào)整蒸發(fā)率和冷凝率直到平衡。

2? 系統(tǒng)運行特性分析

本文使用程序模擬系統(tǒng)在啟動和停機工況下，關(guān)鍵位置的參數(shù)變化，驗證銫蒸氣銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為將來的系統(tǒng)設(shè)計提供優(yōu)化和設(shè)計參考。

2.1 系統(tǒng)啟動特性分析

平穩(wěn)啟動是系統(tǒng)可靠的重要標(biāo)志，將啟動初始條件輸入程序：初始溫度是570K，5S時刻系統(tǒng)啟動，熱負(fù)荷溫度突然上升至650K，冷凝溫度不變，程序輸入邊界參數(shù)得出溫度、壓力、流率曲線如圖1。

蒸發(fā)氣體溫度在6S時刻穩(wěn)定，形成過熱氣體進入管道，冷凝腔氣體幾乎不變;蒸發(fā)氣體壓力為液面飽和壓力，隨溫度上升而增大至600Pa，管道氣體與冷凝腔氣體溫度也隨時間小幅上升，氣體壓力穩(wěn)定在293Pa;蒸發(fā)率隨著液面飽和壓力升高立刻增大，冷凝率經(jīng)過短暫保持后也迅速增大，最終二者平衡在0.318g/s。為了對比負(fù)荷突然增加和緩慢增加兩種啟動特性，輸入緩慢啟動條件輸入程序：初始溫度570K，5S時刻系統(tǒng)啟動，熱負(fù)荷以每秒5K溫升，冷凝溫度不變，程序輸入邊界參數(shù)得出溫度、壓力、流率曲線圖。

2.2 毛細極限工況特性分析

探究毛細極限發(fā)生時系統(tǒng)運行特性，將模擬的邊界條件輸入程序：系統(tǒng)在熱負(fù)荷650K正常運行中，7S時刻熱負(fù)荷突變?yōu)?00K，這一溫度必發(fā)生毛細極限，觀察關(guān)鍵位置的各運行參數(shù)變化如圖2。

發(fā)生毛細極限后，根據(jù)流動阻力與最大毛細壓頭的關(guān)系分為三個階段，上升階段、下降階段、震蕩階段：熱負(fù)荷溫度上升至690K時系統(tǒng)發(fā)生毛細極限，此時流動壓阻開始大于毛細壓頭，儲液芯無法為蒸發(fā)器供給工質(zhì)。流動阻力上升，氣體壓力上升，蒸發(fā)液面高度下降，蒸發(fā)率上升。蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)不斷減少，蒸發(fā)液面持續(xù)降低，蒸發(fā)面積減少，蒸發(fā)率下降，從而流動阻力下降。當(dāng)流動阻力下降至毛細壓頭以下時，流動阻力會沿最大毛細壓頭曲線震蕩，其他參數(shù)隨之震蕩，蒸發(fā)總趨勢為隨時間下降，直到降為零，此時蒸發(fā)區(qū)內(nèi)沒有液體存在，系統(tǒng)完全失效。

3? 結(jié)論

本文通過毛細泵兩相回路運行特性及工作機理的理論分析，建立了系統(tǒng)的瞬態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，重點分析了啟動工況、毛細極限工況的數(shù)值參數(shù)，研究了系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)變化情況。

（1）銫蒸氣循環(huán)系統(tǒng)具有較強的自調(diào)節(jié)能力，體現(xiàn)在兩方面，第一種是不發(fā)生毛細極限的變工況下可以迅速使系統(tǒng)恢復(fù)平衡，第二種是毛細極限出現(xiàn)時，系統(tǒng)不會立刻失效，而是經(jīng)歷了三個階段。這兩種特性可以一定程度上保證系統(tǒng)的可靠性。

（2）毛細極限發(fā)生到系統(tǒng)失效整個過程持續(xù)400s以上，上升階段持續(xù)50s，下降階段持續(xù)150s，此后直到失效都是第三階段，第三階段發(fā)生后，整個系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，非常不利于裝置維護，所以應(yīng)該及時發(fā)現(xiàn)毛細極限的發(fā)生，在前兩階段采取降溫措施。

參考文獻

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