銫蒸氣循環系統熱工水力特性數值模擬研究

陳力勤 趙守智 楊夷

摘? 要：銫蒸氣循環系統主要用于為大功率熱離子發電裝置長期穩定地提供純凈銫蒸氣。為此開發了基于毛細泵兩相回路技術的瞬態分析程序，對系統的動態響應特性、毛細極限運行特性、幾何參數對運行的影響等問題進行探究。研究發現銫蒸氣循環系統具有良好的自調節功能。最后根據模擬所得運行數據，設計出合理的幾何參數，并對未來的系統設計提供理論指導。

關鍵詞：銫蒸氣循環系統? 毛細泵兩相回路? 動態響應特性? 自調節功能

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

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

1? 數學模型構建

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

節點通用熱微分方程[2]：

式中為通過節點質量，為節點定壓比熱;是熱導率，是流動方向的傳熱面積，為長度;是對流換熱系數;為流體的定壓比熱;為外加熱負荷。在多孔介質中做傳熱分析時，其熱導率等效為[3]：

式中，是毛細芯體材料;為工質熱導率;為毛細芯體的有效熱導率。

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

式中，是蒸發率系數;是氣體常數;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。

銫蒸氣循環系統有自調節特性，可以承受一定范圍的溫度、壓力、流率波動。自調節原理：熱負荷突然改變，蒸發率發生變化，冷凝率暫時不變，二者差值導致系統內蒸氣壓力變化，從而調整蒸發率和冷凝率直到平衡。

2? 系統運行特性分析

本文使用程序模擬系統在啟動和停機工況下，關鍵位置的參數變化，驗證銫蒸氣銫蒸氣循環系統的穩定性，為將來的系統設計提供優化和設計參考。

2.1 系統啟動特性分析

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

蒸發氣體溫度在6S時刻穩定，形成過熱氣體進入管道，冷凝腔氣體幾乎不變;蒸發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，氣體壓力穩定在293Pa;蒸發率隨著液面飽和壓力升高立刻增大，冷凝率經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時刻系統啟動，熱負荷以每秒5K溫升，冷凝溫度不變，程序輸入邊界參數得出溫度、壓力、流率曲線圖。

2.2 毛細極限工況特性分析

探究毛細極限發生時系統運行特性，將模擬的邊界條件輸入程序：系統在熱負荷650K正常運行中，7S時刻熱負荷突變為900K，這一溫度必發生毛細極限，觀察關鍵位置的各運行參數變化如圖2。

發生毛細極限后，根據流動阻力與最大毛細壓頭的關系分為三個階段，上升階段、下降階段、震蕩階段：熱負荷溫度上升至690K時系統發生毛細極限，此時流動壓阻開始大于毛細壓頭，儲液芯無法為蒸發器供給工質。流動阻力上升，氣體壓力上升，蒸發液面高度下降，蒸發率上升。蒸發器內工質不斷減少，蒸發液面持續降低，蒸發面積減少，蒸發率下降，從而流動阻力下降。當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，其他參數隨之震蕩，蒸發總趨勢為隨時間下降，直到降為零，此時蒸發區內沒有液體存在，系統完全失效。

3? 結論

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，建立了系統的瞬態特性數學模型，重點分析了啟動工況、毛細極限工況的數值參數，研究了系統關鍵部件參數變化情況。

（1）銫蒸氣循環系統具有較強的自調節能力，體現在兩方面，第一種是不發生毛細極限的變工況下可以迅速使系統恢復平衡，第二種是毛細極限出現時，系統不會立刻失效，而是經歷了三個階段。這兩種特性可以一定程度上保證系統的可靠性。

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

參考文獻

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