適用于UUV的閉式循環熱動力系統

朱 強，李維維，張 強

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

UUV有著廣泛而重要的軍事和民用前景，近年來受到國際上的充分重視，并得到長足的發展。在UUV的關鍵技術中，動力與推進技術的研究水平較低，性能相對落后，成為制約UUV發展的主要瓶頸技術之一。隨著UUV的快速發展和應用，對動力推進性能提出了很高的要求，體積小、重量輕、能量密度高、安全可靠的新型動力系統益發成為研究趨勢。

UUV動力系統主要分電動力與熱動力2種。目前大多數UUV采用電動力系統，電動力系統具有隱蔽性好、無尾跡、噪聲低、對深度不敏感，操作安全，可重復使用等特點，但是目前電池的比能不夠高，無法滿足UUV對航程與航速的更高需求。

熱動力系統主要由熱源與發動機組成，熱源決定了動力系統的工作特點，碳氫燃料具有較高的能量密度，但它燃燒時有產物排放，使得UUV航行時產生尾跡，產物排出還要帶走大量的熱量，降低了動力系統的效率。鋰/六氟化硫熱源具有較高的能量密度，不產生氣態產物，液態產物體積較反應消耗的金屬燃料體積稍小，可存于系統內不需排放。該熱源配合發動機組成的閉式循環動力系統，具有能量密度高、無向外排放物、性能不受航行深度影響的優點，可以滿足水下航行器長續航力、高隱蔽性的要求。適合與鋰/六氟化硫熱源配合的發動機有：汽輪機、斯特林發動機、布賴頓循環渦輪機等，這些發動機與鋰/六氟化硫熱源分別構成汽輪機動力系統、斯特林發動機動力系統、布賴頓循環渦輪機動力系統[1–3]。

1 鋰/六氟化硫熱管反應器的工作特點

氣態SF6能與液態鋰發生化學反應，瞬間放出大量的熱。化學反應方程式如下：8Li+SF6=6LiF+Li2S-46 800 kJ/kgLi。

Li/SF6熱源的能量密度高，質量能量密度12 960 kJ/kg，體積能量密度12 240 kJ/L，比柴油/液氧的能量密度高出約40%。Li/SF6反應不產生氣體產物，生成產物在工作溫度下為液態，所占體積與消耗的鋰燃料體積大致相同，可以儲存在反應器內無需排放。SF6容器內液體表面形成的SF6蒸氣不需要泵，可直接通過噴嘴進入燃燒室與鋰發生反應，調節氧化劑的流量可以控制產熱功率。

鋰與六氟化硫在熱管反應器中反應并將熱量傳出。圖1為熱管反應器結構示意圖，反應器上部是反應與傳熱區，下部是鋰與產物儲存區。上部傳熱管構成反應器外壁，金屬毛細網距傳熱管壁一定距離處布置，下端延伸到鋰液面下。SF6噴嘴安裝在反應器上部。

施鎂也可以提高作物對鐵、錳、銅等微量元素的吸收和利用。每公頃煙田基施鎂肥（MgO計）60公斤，烤煙對銅、錳、鐵、鋅、硼的吸收效率分別提高38%-46%、38%-60%、33%-161%、30%-38%和32%-40%，煙葉產量提升10%-12%。又如，楊梅株施0.5公斤的鎂肥（MgO計）后，植株對鐵和錳的同化效率分別提高11%和19%，單果增產4%，株產增加7%。

工作時，啟動裝置熔化少量鋰，同時通入SF6與鋰反應。隨著反應的進行，鋰迅速熔化，液態鋰在表面張力作用下沿毛細網上升、蒸發，在毛細網內表面穩定反應放熱。反應產物擴散到毛細網時冷凝為液體，沿毛細網向下流至鋰池底部。反應熱量傳遞給毛細網，毛細網中的鋰受熱蒸發，一部分參與反應，一部分擴散到傳熱管壁冷凝，將熱量傳遞給工質，凝結的鋰液沿傳熱管壁流至鋰池。毛細提升力把鋰源源不斷提供給吸液芯，反應可以一直進行到鋰消耗完，反應產物儲存在反應器中[4–7]。

熱管反應器工作過程中不向外界排放產物，可以重復啟動，調節六氟化硫流量能實現功率調節。熱管反應器可以模塊化設計，航行結束后，將用過的反應器卸下處理，換上新的反應器，氧化劑罐充裝六氟化硫，UUV就可以開始新的航程。熱管反應器經過處理后裝上燃料，可以重復使用。

2 汽輪機動力系統

熱管反應器與汽輪機可組成朗肯循環汽輪機動力系統，以水為工質，組成示意圖如圖2所示。系統主要由六氟化硫儲罐、熱管反應器、汽輪機、冷凝器與給水泵等組成。水在熱管反應器中定壓吸熱，產生過熱蒸汽，蒸汽經過汽輪機絕熱膨脹做功。排出的乏汽在冷凝器中定壓放熱而凝結成水，水泵再將凝結水打入熱管反應器完成一個循環。

若忽略水泵消耗的功，朗肯循環的熱效率

式中：ηt為熱效率；h1為汽輪機進口水蒸汽焓值，kJ/kg；h2為汽輪機出口水蒸汽焓值，kJ/kg；h′為汽輪機出口壓力下飽和水的焓值，kJ/kg。

假設進入汽輪機的蒸汽參數：p1=5 MPa，t1=650℃，乏汽壓力：p2=0.2 MPa，計算一下朗肯循環的熱效率。

查未飽和水與過熱水蒸汽的熱力性質表[8]，p1=5 MPa，t1=650℃ 時：

查飽和水與飽和水蒸汽的熱力性質表，p2=0.2 MPa時：

水蒸汽理論上在汽輪機中進行等熵膨脹過程，即

根據s2，p2查得：h2=2 815.3 kJ/kg。

該循環的理論熱效率為：

假設汽輪機內部相對效率為70%，機械效率為90%[9]，則循環的實際效率可達18.6%。

對UUV來說，汽輪機體積與重量受到限制，內部相對效率較低。并且蒸汽在汽輪機中不能膨脹到較低壓力，水蒸汽的大量潛熱無法得到應用，造成朗肯循環的熱效率較低。在循環回路中加回熱器可以使熱效率得到一定程度的提高。因為汽輪機出口蒸汽溫度較高，若直接向冷凝器放熱，熱損失較大，若在系統中增添一個回熱器，則可利用汽輪機排氣的熱量來加熱進入反應器的水工質，使動力系統的熱效率有所提高。

3 斯特林發動機動力系統

熱管反應器與斯特林發動機組成斯特林發動機動力系統。斯特林發動機是一種外燃的、閉式循環活塞式熱力發動機，由膨脹腔、加熱器、回熱器、冷卻器和壓縮腔組成閉式循環回路。工作氣體（如氦氣、氮氣等）封閉在機器內，并在各腔室間循環，反復使用。斯特林循環由等容加熱、等溫膨脹、等容冷卻和等溫壓縮4個過程組成，循環的理論熱效率等于相同溫度范圍內的卡諾循環熱效率。斯特林發動機的工作噪聲低，在很寬的速度范圍內有良好的扭矩特性。當使用傳熱工質間接加熱時，可以使用任何高溫熱源，而發動機本身不需要進行較多的修改。

熱管反應器產生的熱量傳輸到斯特林發動機的加熱器，發動機便可以輸出功率，在發動機與反應器之間有一個對接問題。一種解決方法是將發動機加熱器與反應器傳熱管設計成一體，但是由于斯特林發動機加熱器和其他部件緊密結合在一起，改變加熱器會對發動機結構布置及工作性能帶來不利的影響；另一種解決方法是采用中間傳熱工質將熱量從熱管反應器傳輸給發動機加熱器，這樣對發動機影響較小，但必須增加一個中間介質回路，要有管路、泵等一系列部件，增加了系統的重量與復雜性。圖3為帶中間傳熱介質的斯特林發動機動力系統組成示意圖。

斯特林循環熱效率：

式中：TH為工質高溫，K；TL為工質低溫，K。

假設工質低溫為350 K，工質高溫為973 K，則循環的理論熱效率為64%。斯特林循環實際熱效率可以達到32%～40%[9]。

4 布賴頓渦輪機動力系統

熱管反應器與渦輪機可以組成布賴頓渦輪機動力系統，該系統主要由熱管反應器、六氟化硫儲罐、渦輪機、壓氣機和冷卻器等組成。氣體工質首先進入壓氣機，壓縮到一定的壓力后送入熱管反應器，在反應器中定壓吸熱，而后進入渦輪機膨脹做功，一部分機械功用來驅動壓氣機而其余部分對外輸出，為有效功。做功后的工質進入冷卻器，向冷源放出熱量，定壓冷卻到一定溫度時再進入壓氣機，完成一個閉式循環。布賴頓循環是由絕熱壓縮、定壓吸熱、絕熱膨脹和定壓放熱4個過程組成，適合用于布賴頓循環的工質有氬氣、空氣等。

同汽輪機動力系統一樣，工質在渦輪機中膨脹做功后的溫度仍相當高，若直接排向冷卻器放熱，熱損失較大。若在系統中增加一個回熱器，利用渦輪機排氣放出的熱量來加熱壓縮后的工質，則會使熱效率得到較大的提高。圖4為帶回熱器的渦輪機動力系統組成示意圖。

布賴頓循環的熱效率：

式中：π=p2/p1（增壓比，氣體在壓氣機中壓力升高的倍數）；k為絕熱指數。

布賴頓循環的理想熱效率隨增壓比π的增大總是提高的。但對于實際循環，由于壓氣機與渦輪機都存在損耗，壓氣機消耗的功比較大，單純地增大π值不一定能提高系統效率。對應于一定的增溫比τ（τ為循環最高溫度與最低溫度之比），有一個熱效率最高的π值，超高此值熱效率反而下降，增大τ值總會使系統的效率提高。但由于熱管反應器材料強度限制，不能過高增加工質的最高溫度，熱管反應器工質的溫度控制在700℃左右，布賴頓循環渦輪機動力系統的實際效率可達到20%左右。

5 結 語

熱管反應器與汽輪機、斯特林發動機、渦輪機均可以構成閉式循環熱動力系統，適用于UUV動力系統。對汽輪機動力系統來說，熱管反應器與發動機的對接比較簡單，反應器效率可以做得很高，主要問題是如何提高汽輪機的熱效率；對于斯特林動力系統，發動機效率比較高，而熱管反應器與發動機的對接比較困難。可以采用中間傳熱系統將熱量從熱管反應器傳給斯特林發動機，因此主要問題是如何設計高效、可靠的中間傳熱系統；對于渦輪機動力系統，國內在微型渦輪機研究方面基礎比較薄弱，同時熱管反應器工作溫度也限制了渦輪機動力系統效率的進一步提高。

綜上所述，汽輪機動力系統較好兼顧了工作性能和技術成熟度的問題，是UUV閉式循環熱動力系統的首選方案；斯特林發動機動力系統熱效率較高，如果解決了中間傳熱技術，將會是很有前景的UUV閉式循環熱動力系統方案。