基于Li/SF6能源的新型UUV動力系統熱力性能分析

白 杰, 黨建軍, 曹蕾蕾

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基于Li/SF6能源的新型UUV動力系統熱力性能分析

白 杰1, 黨建軍2, 曹蕾蕾1

(1. 長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室, 陜西 西安, 710064; 2. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為適應無人水下航行器(UUV)長航時、遠航程、大航深等應用需求, 提出了一種以Li/SF6為能源的新型UUV熱電聯合動力系統構型方案。該系統采用朗肯循環, 燃料能量密度可達600 Wh/kg, 是現有電池的3倍。文中建立了工質參數對系統性能影響規律的求解算法, 分析了蒸發器出口溫度、壓力和冷凝器壓力對系統性能的影響。結果表明: 在研究范圍內, 蒸發器出口溫度每增加100 K系統效率增加0.8%; 蒸發器壓力每增加1 MPa系統效率增加0.5%; 冷凝器壓力每降低0.01 MPa系統效率增加0.2%。該方案可為現有UUV供能不足提供新的解決途徑, 文中所做研究結論可為UUV動力系統設計提供參考。

無人水下航行器; Li/SF6能源; 動力系統; 熱力性能

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)在軍民用領域有著廣泛的應用前景, 正處于飛速發展的時期[1]。目前UUV主要使用電動力推進, 而現有電池的水平制約了動力系統發展[2]。研究人員轉向研究高密度燃料電池[3-4]或熱電混合動力系統, 期望應用到未來的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, 超過現有電池, 且不依賴空氣, 無產物排放的特點, 備受研究人員關注。最成功的應用當屬美國霍尼韋爾公司研制的以Li/SF6為能源的MK 50魚雷[8]。該系統采用SF6氣體噴入熔融Li液進行反應的模式[9-12]。然而, UUV相比魚雷功率較低, 需要長時間工作, 浸沒式反應容易導致噴嘴堵塞, 需要新的反應器設計方案。因此, Chen等[13]開展了針對Li/SF6小功率反應的研究, 期望研制一種熱管反應器來為UUV提供動力。

目前, 現有的文獻多針對浸沒式反應的燃燒數值仿真及試驗研究[14], 而涉及熱管反應器的很少。由于在系統設計時熱力性能分析是十分重要的環節, 需要建立在對系統特性的深入理解之上, 文中將對此開展討論, 以期為發展新型水下航行器動力技術提供參考。

1 系統構型

以Li/SF6為能源, 水為工質, 適用于小型UUV的熱電聯合動力系統構型如圖1所示。系統主要包括的部件為: 熱管反應器、蒸發器、冷凝器、微型渦輪機、發電機、集液器和泵等。

熱管反應器內部設置金屬絲網, 下端部分浸沒到燃料Li中。系統啟動后, 金屬絲網通過毛細力將液態Li提升至反應區域, 與通入的SF6氣體反應。生成的熱量將熱管反應器外側蒸發器中的水加熱至過熱蒸汽狀態。過熱蒸汽在微型渦輪機中膨脹做功, 進而帶動發電機發電, 完成能量轉換過程。乏汽經過殼體冷凝器冷凝后由水泵加壓進入蒸發器, 進入下一循環。反應過程中, 生成物LiF和Li2S密度大于Li, 處于Li液下層, 不需排出體外。整個動力系統能量密度高, 啟動性好, 無產物排放, 不受海水深度影響, 滿足小型UUV對動力系統低輸出功率、長工作時間的要求。

圖1 閉式循環動力系統構型圖

2 熱源性質

熱管反應器內燃燒反應物與產物的物理化學性質如表1所示。在系統未啟動前, 金屬Li存儲于反應器里, SF6呈液態存放于鋼瓶中。系統啟動后, 在毛細作用下, 熔融Li上升到絲網并蒸發進入反應區, 與噴入的SF6氣體進行燃燒反應, 放出熱量。

燃燒反應放熱計算如下:

表1 反應物與產物的物理化學性質

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

3 熱力性能計算

在對系統部件進行結構設計之前, 需要給出各個設備的性能參數設計指標, 這就需要通過熱力計算分析工質參數對系統性能的影響規律, 合理確定設計參數。

3.1 算法流程圖

計算工質參數對系統性能影響的算法流程如圖2所示。

圖2 工質參數對系統性能影響的算法流程圖

3.2 蒸發器出口溫度對系統性能的影響

根據UUV動力系統設計目標, 結合工程實際、各熱力設備的性能, 以及Li/SF6緩慢燃燒放熱特性, 選取的設計參數見表2。研究蒸發器出口溫度在600~890 K之間對系統性能的影響規律, 結果如圖3所示。由圖可以看出, 在蒸發器及冷凝器壓力不變的情況下, 提高蒸發器出口溫度, 可以提高系統熱效率, 降低工質流量, 提高燃料比能。在研究范圍內, 出口溫度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg。由于系統工質流量很小, 設計時其節省水量的作用可以忽略, 但是其變化范圍可以對水泵選型提供參考。

表2 計算蒸發器出口溫度影響規律的參數值

提高蒸發器出口溫度, 對提高系統效率有利, 但蒸發器材料的耐溫性是一個很大的限制, 因此要平衡好系統效率與安全穩定運行的關系, 合理設計蒸發器出口溫度。

3.3 蒸發器壓力對系統性能的影響

蒸發器壓力是系統的重要設計參數, 其對過熱蒸汽在渦輪機中的做功性能有著重要影響, 另外該壓力對應著水相變的飽和溫度, 影響著蒸發器的換熱性能以及結構參數。

圖3 蒸發器出口溫度對系統的影響規律

為研究蒸發器壓力對系統性能的影響, 結合實際情況選蒸發器壓力3~8 MPa, 蒸發器出口溫度860 K, 其他參數見表2, 計算結果如圖4所示。

圖4 蒸發器出口壓力對系統的影響規律

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

由此可知, 提高蒸發器壓力對系統性能有利, 但是只提高蒸發器壓力, 蒸汽在渦輪機膨脹過程中, 乏汽將有可能有水出現, 這將不利于渦輪機的穩定運行。該系統的渦輪機不同于電廠的汽輪機, 要盡量避免含乏汽出水。因此, 在系統參數設計時, 不能單獨提高蒸發器壓力, 還需要同時提高出口溫度, 平衡好兩者之間的關系, 才會獲得好的系統經濟性及穩定性。

3.4 冷凝器壓力對系統性能的影響

冷凝器的壓力是渦輪機出口的背壓, 影響著工質在渦輪機中的膨脹性能, 另外該壓力對應著水蒸汽的冷凝飽和溫度, 影響著冷凝過程的散熱量, 對系統熱效率有重要影響。

為研究蒸發器壓力對系統熱效率的影響, 結合實際情況選冷凝器壓力0.06~0.2 MPa, 蒸發器出口溫度860 K, 其他參數見表2, 計算結果如圖5所示。

圖5 冷凝器壓力對系統的影響規律

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

雖然降低冷凝器壓力對系統性能有益, 但也會帶來相應的問題。一是降低冷凝器壓力會造成渦輪機乏汽比體積增大, 需要增大冷凝器的體積,而UUV采用殼體冷凝的方式, 對空間緊湊性有較高要求。二是有可能會造成膨脹過程中有水出現, 危害渦輪機運行。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該與海水保持一定的溫差, 其設計壓力過低會造成溫差變小, 增大了冷卻通道長度, 不利于動力系統緊湊設計的要求。因此, 冷凝器設計壓力的選定需要平衡經濟性、安全性及緊湊性等因素。

4 結束語

文章分析了一種以Li/SF6為能源的新型UUV熱電聯合動力系統構型方案, 該動力系統采用蒸汽動力循環方式, 燃料放熱能力可達4 kWh/kg, 遠高于現有電池能量密度, 非常適合UUV長航時、遠航程、大航深的應用需求。文中給出了工質參數對系統性能影響規律的求解算法, 采用該算法可進行熱力性能計算, 為系統設計提供參考。同時分析了工質參數對系統性能的影響規律。在研究范圍內, 蒸發器出口溫度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg; 蒸發器壓力每增加1 MPa系統效率增加0.5%, 燃料比能增加19.2 Wh/kg; 冷凝器壓力每降低0.01 MPa系統效率增加0.2%, 燃料比能增加8.9 Wh/kg。

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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動力系統熱力性能分析[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(2): 212-216.

2018-09-25;

2018-10-08.

陜西省自然科學基金資助(2018JM5108); 中央高校基本科研業務費資助(300102258102).

白 杰(1985-), 男, 博士, 講師, 研究方向為水下航行器動力技術.

(責任編輯: 許 妍)