CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
熔盐空间堆斯特林换热器的热工水力设计与研究
赵恒
Subtype硕士
Thesis Advisor徐洪杰
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword熔盐空间堆 斯特林换热器 结构设计 数值模拟 换热能力
Abstract人类进行太空探索需要能源的支持,空间核反应堆作为空间能源类型之一,具有不受环境影响、长寿命、安全可靠等特点,已成为空间能源的发展趋势。熔盐反应堆作为第四代反应堆的六种堆型之一,具有高燃料沸点,高功率密度,高输出温度,高转换效率,高安全性及可靠性,结构简单,可常压操作等特点,在空间应用方面具有较强优势,是深空探测任务以及外星球基地的理想能源之一。在空间反应堆系统中,热功转换系统的作用是将反应堆中产生的裂变热能转换成电能,是空间堆电源系统的关键部分之一。自由活塞式斯特林机作为一种动态转换方式具有许多优势,是空间电源系统的理想设备。本文以熔盐空间堆动态热功转换方式为研究对象,分析比较了斯特林及布雷顿循环在熔盐空间堆的适用性,并对斯特林机加热器开展了进一步的设计与研究。论文根据熔盐空间堆对动态热功转换方式的各项需求,对斯特林循环以及布雷顿循环建立了热力学模型并对其进行了分析与比较,得到结论:斯特林机输出功率随吸热温度的上升先增后降,随放热温度的上升而增加;循环效率随吸热温度的上升而增加,随放热温度的上升而减小;在相同的吸、放热温度下,使用氦气作为工质的斯特林机的循环效率高于使用空气或氢气作为工质的热机效率。对于布雷顿循环而言,功率与效率随温度比的上升先增后减;压缩机效率与透平效率对功率以及效率的影响较大。通过对两种循环的比较确定了斯特林循环作为熔盐空间堆的热功转换方式。针对熔盐空间堆斯特林机设计加热器结构方案,从增强换热能力、降低压损以及功率展平几个角度为加热器设计了不同型式的翅片以及熔盐通道结构。使用CFD软件Fluent对加热器进行了数值模拟,分析了翅片高度、间隙、宽度、通道外径、通道型式等参数对加热器的影响,根据进出口压降、换热功率、对流换热系数以及热流密度分布等指标对各种加热器方案进行对比分析并得到优化方案,选择了三种方案对比分析其在不同流速下的适用性。得到结论:在熔盐通道添加翅片能大幅提高加热器的换热能力;对径向翅片,减小翅间距与宽度可以提高换热能力,而增加翅高对换热有不利影响;对周向翅片,增加翅高与减小翅间距均可进一步增强换热能力,而减小翅宽对换热有不利影响;减小熔盐通道外径也能在一定程度上加强换热;与无翅片结构相比,换热功率与换热系数最大增幅分别为76.2%与68.8%;与单径向入口和切向入口相比,双径向进出口通道结构具有相对均匀的热流密度分布,同时其压降降幅明显,换热能力有显著提升;在低流速情况下,采用缩小通道外径与周向密排翅片的双径向进出口结构拥有更好的换热能力;而在高流速情况下,其不再具有性能优势,采用径向翅片的加热器结构拥有更优的换热水平以及更低的压损。以上结论可为熔盐空间堆斯特林加热器的设计提供一定的参考。
Pages95
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32512
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
赵恒. 熔盐空间堆斯特林换热器的热工水力设计与研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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