基于Li/SF6能源的新型UUV动力系统热力性能分析

白 杰, 党建军, 曹蕾蕾



基于Li/SF6能源的新型UUV动力系统热力性能分析

白 杰1, 党建军2, 曹蕾蕾1

(1. 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室, 陕西 西安, 710064; 2. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

为适应无人水下航行器(UUV)长航时、远航程、大航深等应用需求, 提出了一种以Li/SF6为能源的新型UUV热电联合动力系统构型方案。该系统采用朗肯循环, 燃料能量密度可达600 Wh/kg, 是现有电池的3倍。文中建立了工质参数对系统性能影响规律的求解算法, 分析了蒸发器出口温度、压力和冷凝器压力对系统性能的影响。结果表明: 在研究范围内, 蒸发器出口温度每增加100 K系统效率增加0.8%; 蒸发器压力每增加1 MPa系统效率增加0.5%; 冷凝器压力每降低0.01 MPa系统效率增加0.2%。该方案可为现有UUV供能不足提供新的解决途径, 文中所做研究结论可为UUV动力系统设计提供参考。

无人水下航行器; Li/SF6能源; 动力系统; 热力性能

0 引言

无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)在军民用领域有着广泛的应用前景, 正处于飞速发展的时期[1]。目前UUV主要使用电动力推进, 而现有电池的水平制约了动力系统发展[2]。研究人员转向研究高密度燃料电池[3-4]或热电混合动力系统, 期望应用到未来的UUV上[5-7]。

在寻求UUV新的能源途径中, 金属Li及SF6气体的燃烧供能方案, 因其能量密度大, 超过现有电池, 且不依赖空气, 无产物排放的特点, 备受研究人员关注。最成功的应用当属美国霍尼韦尔公司研制的以Li/SF6为能源的MK 50鱼雷[8]。该系统采用SF6气体喷入熔融Li液进行反应的模式[9-12]。然而, UUV相比鱼雷功率较低, 需要长时间工作, 浸没式反应容易导致喷嘴堵塞, 需要新的反应器设计方案。因此, Chen等[13]开展了针对Li/SF6小功率反应的研究, 期望研制一种热管反应器来为UUV提供动力。

目前, 现有的文献多针对浸没式反应的燃烧数值仿真及试验研究[14], 而涉及热管反应器的很少。由于在系统设计时热力性能分析是十分重要的环节, 需要建立在对系统特性的深入理解之上, 文中将对此开展讨论, 以期为发展新型水下航行器动力技术提供参考。

1 系统构型

以Li/SF6为能源, 水为工质, 适用于小型UUV的热电联合动力系统构型如图1所示。系统主要包括的部件为: 热管反应器、蒸发器、冷凝器、微型涡轮机、发电机、集液器和泵等。

热管反应器内部设置金属丝网, 下端部分浸没到燃料Li中。系统启动后, 金属丝网通过毛细力将液态Li提升至反应区域, 与通入的SF6气体反应。生成的热量将热管反应器外侧蒸发器中的水加热至过热蒸汽状态。过热蒸汽在微型涡轮机中膨胀做功, 进而带动发电机发电, 完成能量转换过程。乏汽经过壳体冷凝器冷凝后由水泵加压进入蒸发器, 进入下一循环。反应过程中, 生成物LiF和Li2S密度大于Li, 处于Li液下层, 不需排出体外。整个动力系统能量密度高, 启动性好, 无产物排放, 不受海水深度影响, 满足小型UUV对动力系统低输出功率、长工作时间的要求。

图1 闭式循环动力系统构型图

2 热源性质

热管反应器内燃烧反应物与产物的物理化学性质如表1所示。在系统未启动前, 金属Li存储于反应器里, SF6呈液态存放于钢瓶中。系统启动后, 在毛细作用下, 熔融Li上升到丝网并蒸发进入反应区, 与喷入的SF6气体进行燃烧反应, 放出热量。

燃烧反应放热计算如下:

表1 反应物与产物的物理化学性质

此相当于8 mol Li和1 mol SF6, 共202 g反应物放热2 893 kJ, 单位质量的反应物放热4 kWh/kg。由于目前可工程应用的锂电池能量密度不到200 Wh/kg, 该系统热效率即使仅有15%, 燃料的能量密度也可达到600 Wh/kg, 高于现有电池的水平。由此可见, 该能源能量密度大, 结合上述无产物排放, 不受海水背压影响的特点, 非常适合UUV使用。

3 热力性能计算

在对系统部件进行结构设计之前, 需要给出各个设备的性能参数设计指标, 这就需要通过热力计算分析工质参数对系统性能的影响规律, 合理确定设计参数。

3.1 算法流程图

计算工质参数对系统性能影响的算法流程如图2所示。

图2 工质参数对系统性能影响的算法流程图

3.2 蒸发器出口温度对系统性能的影响

根据UUV动力系统设计目标, 结合工程实际、各热力设备的性能, 以及Li/SF6缓慢燃烧放热特性, 选取的设计参数见表2。研究蒸发器出口温度在600~890 K之间对系统性能的影响规律, 结果如图3所示。由图可以看出, 在蒸发器及冷凝器压力不变的情况下, 提高蒸发器出口温度, 可以提高系统热效率, 降低工质流量, 提高燃料比能。在研究范围内, 出口温度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg。由于系统工质流量很小, 设计时其节省水量的作用可以忽略, 但是其变化范围可以对水泵选型提供参考。

表2 计算蒸发器出口温度影响规律的参数值

提高蒸发器出口温度, 对提高系统效率有利, 但蒸发器材料的耐温性是一个很大的限制, 因此要平衡好系统效率与安全稳定运行的关系, 合理设计蒸发器出口温度。

3.3 蒸发器压力对系统性能的影响

蒸发器压力是系统的重要设计参数, 其对过热蒸汽在涡轮机中的做功性能有着重要影响, 另外该压力对应着水相变的饱和温度, 影响着蒸发器的换热性能以及结构参数。

图3 蒸发器出口温度对系统的影响规律

为研究蒸发器压力对系统性能的影响, 结合实际情况选蒸发器压力3~8 MPa, 蒸发器出口温度860 K, 其他参数见表2, 计算结果如图4所示。

图4 蒸发器出口压力对系统的影响规律

可以看出, 在蒸发器进出口温度及冷凝器压力不变的情况下, 提高蒸发器压力, 可以提高系统热效率, 提高燃料的比能, 降低工质流量。在研究范围内, 蒸发器压力每增加1 MPa系统效率增加0.5%, 燃料比能增加19.2 Wh/kg, 工质流量变化范围很小, 可以忽略。

由此可知, 提高蒸发器压力对系统性能有利, 但是只提高蒸发器压力, 蒸汽在涡轮机膨胀过程中, 乏汽将有可能有水出现, 这将不利于涡轮机的稳定运行。该系统的涡轮机不同于电厂的汽轮机, 要尽量避免含乏汽出水。因此, 在系统参数设计时, 不能单独提高蒸发器压力, 还需要同时提高出口温度, 平衡好两者之间的关系, 才会获得好的系统经济性及稳定性。

3.4 冷凝器压力对系统性能的影响

冷凝器的压力是涡轮机出口的背压, 影响着工质在涡轮机中的膨胀性能, 另外该压力对应着水蒸汽的冷凝饱和温度, 影响着冷凝过程的散热量, 对系统热效率有重要影响。

为研究蒸发器压力对系统热效率的影响, 结合实际情况选冷凝器压力0.06~0.2 MPa, 蒸发器出口温度860 K, 其他参数见表2, 计算结果如图5所示。

图5 冷凝器压力对系统的影响规律

可以看出, 在蒸发器压力及进出口温度不变的情况下, 降低冷凝器压力, 可以提高系统热效率, 提高燃料比能, 而工质流量不变。在研究范围内, 冷凝器压力每降低0.01 MPa系统效率增加0.2%, 燃料比能增加8.9 Wh/kg。

虽然降低冷凝器压力对系统性能有益, 但也会带来相应的问题。一是降低冷凝器压力会造成涡轮机乏汽比体积增大, 需要增大冷凝器的体积,而UUV采用壳体冷凝的方式, 对空间紧凑性有较高要求。二是有可能会造成膨胀过程中有水出现, 危害涡轮机运行。另外, 冷凝器压力的选定还受到周围海水温度的限制, 冷凝器中的饱和蒸汽应该与海水保持一定的温差, 其设计压力过低会造成温差变小, 增大了冷却通道长度, 不利于动力系统紧凑设计的要求。因此, 冷凝器设计压力的选定需要平衡经济性、安全性及紧凑性等因素。

4 结束语

文章分析了一种以Li/SF6为能源的新型UUV热电联合动力系统构型方案, 该动力系统采用蒸汽动力循环方式, 燃料放热能力可达4 kWh/kg, 远高于现有电池能量密度, 非常适合UUV长航时、远航程、大航深的应用需求。文中给出了工质参数对系统性能影响规律的求解算法, 采用该算法可进行热力性能计算, 为系统设计提供参考。同时分析了工质参数对系统性能的影响规律。在研究范围内, 蒸发器出口温度每增加100 K效率增加0.8%, 燃料比能增加32 Wh/kg; 蒸发器压力每增加1 MPa系统效率增加0.5%, 燃料比能增加19.2 Wh/kg; 冷凝器压力每降低0.01 MPa系统效率增加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, 党建军, 曹蕾蕾. 基于Li/SF6能源的新型UUV动力系统热力性能分析[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(2): 212-216.

2018-09-25;

2018-10-08.

陕西省自然科学基金资助(2018JM5108); 中央高校基本科研业务费资助(300102258102).

白 杰(1985-), 男, 博士, 讲师, 研究方向为水下航行器动力技术.

(责任编辑: 许 妍)