新型閉式鋁粉燃燒斯特林機水下動力系統構型分析

金旭東, 呂 田, 蘭 健

新型閉式鋁粉燃燒斯特林機水下動力系統構型分析

金旭東, 呂 田, 蘭 健

(中國船舶重工集團公司 第711研究所, 上海, 201203)

針對現有的動力電池、柴油-液氧型斯特林機等常規水下動力系統的能量密度多在300 W?h/kg以內的問題, 提出了一種以鋁粉燃燒為基礎的新型高能量密度斯特林水下動力系統方案。通過數值仿真方法, 分別構建了鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統以及鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統, 并與傳統柴油-液氧斯特林機動力系統進行了能量密度以及燃料成本的比較。結果發現, 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統的能量密度高達648 Wh/L, 為傳統柴油-液氧斯特林機動力系統的2倍, 燃料成本為傳統柴油-液氧斯特林機動力系統的2倍; 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統的能量密度為傳統柴油-液氧斯特林機動力系統的1.7倍。可見, 新型閉式鋁粉燃燒斯特林水下動力系統有著良好的發展潛力, 可為未來水下動力系統的設計提供理論參考。

水下動力系統; 斯特林機; 鋁粉燃燒; 數值仿真

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)等水下航行器的未來主要發展方向之一就是提升續航力[1-3], 長航程必然對應高能量密度的動力系統, 目前動力電池、柴油-液氧型斯特林機等可用于水下航行器的常規動力系統, 能量密度多在300 Wh/kg 以內, 不太可能滿足水下航行器未來發展的長遠要求。因此, 研發具有長運行壽命、高比功率、高能量密度、高能量效率且無污染的動力系統是水下航行器未來發展的關鍵問題之一。

2002年, 美國賓西法尼亞州立大學應用實驗室提出鋁粉-海水反應作為動力系統的水下沖壓發動機概念[4], 由于金屬鋁具有高能量密度的特點, 以及可作為氧化劑的海水能夠源源不斷地提供, 因此水沖壓發動機被認為具有很好的水下應用前景。Bergthorson等[5-6]結合該技術并借鑒生物質燃燒和煤粉燃燒特點提出了金屬空氣燃燒器, 從而更充分地利用金屬燃燒的能量, 并提出了概念設計。為了滿足美國政府提出的長航程UUV的目標要求, Barone等[7]分析了鋁水反應能源(water-aluminum reactor power, WARP)應用于UUV時的能量密度。針對一個航程1 000 n mile, 航行時間90天的UUV, 分析鋁水動力系統的能量密度, 通過比較蒸汽輪機、斯特林機和熱電轉換3種熱能轉換動力系統后, 發現鋁水反應的斯特林機有著最高的能量密度, 能達到800 Wh/kg。Eagle等[8]通過數值仿真計算論證了金屬鋁顆粒在UUV中應用的可行性并提出了理論可行方案。

國內也進行了相應的研究。陳顯河等[9]針對旋渦燃燒器進行了數值仿真, 發現了合適的尺寸結構以及各影響因素對鋁粉著火燃燒的影響。隨后他們[10-11]介紹了一種基于鋁水燃燒的UUV 混合動力系統(hybrid aluminum/water combustion, HAC)概念, 并提出了3種新的閉式系統方案, 在給定燃燒室溫度及換熱器效率條件下, 結合系統組件建立性能計算模型。HAC系統的能量密度比現有鋰電池技術提升10倍, 比固體氧化物燃料電池提升近5倍。其中采用增加蒸發器和固體換熱器系統方案以及雙燃燒室加壁面冷卻換熱型系統方案的系統性能均有所提升。白杰等[12]為適應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。

由此可見, 目前國內外實際應用的鋁水反應多用于超空泡魚雷等開放式系統, 而WARP以及斯特林機動力系統并沒有應用于UUV等水下航行器的實例, 水下航行器的閉式鋁粉燃燒能源系統相關研究尚處于概念設計或方案論證階段, 但是結合現有斯特林機作為其他水下航行器動力系統的應用情況, 其高可靠性、少維護及長壽命的特點已經得到了很好驗證, 所以針對UUV, 該動力系統可以重復啟動以及回收后再次使用。因此, 論文針對未來長航程的大型及超大型UUV需求, 提出一種基于鋁粉燃燒為基礎的新型高能量密度斯特林水下動力系統解決方案, 研究不同的新型斯特林機動力系統的能量密度, 為未來水下動力系統的設計提供理論參考。

1 模型介紹

構建WARP系統計算模型時主要考慮以下3個方面[7]: 1) 設備效率; 2) 設備尺寸; 3) 設備質量體積的優化設計, 是否滿足系統設計要求。

1.1 設備效率

鋁粉燃燒斯特林機動力系統的總效率為

式中:out為輸出功;in為輸入熱量;system為系統能量, 即系統發電量;fuel為燃料能量, 即鋁燃料燃燒熱值與氫燃料燃燒熱值。

1.2 設備尺寸

設備體積公式

設備質量公式

式中:tank為設備外殼的體積;tank為設備外殼的密度。其中斯特林機的體積和材料密度是根據現有機型選取的參數。

通過對各設備尺寸及效率迭代求解后, 獲得合適的系統參數, 最終獲得新型閉式鋁粉燃燒斯特林機動力系統的能量密度等特征參數。

2 系統介紹

2.1 傳統柴油-液氧型斯特林機動力系統

傳統柴油-液氧型斯特林機動力系統(簡稱方案1), 如圖1所示。其主要由動力艙、氧艙、燃料艙和代換水艙等子系統組成, 各主要設備包括斯特林機、發電機、液氧罐、油罐、泵及冷卻器等。

圖1 柴油-液氧型斯特林機動力系統布置示意圖

2.2 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統

針對鋁粉顆粒的燃燒特點, 其燃燒過程存在著大量固體顆粒的生成, 若直接作為斯特林機燃料, 在外燃系統中直接燃燒容易導致加熱器熱頭堵塞等問題, 結合文獻[10]和[11]的思路以及斯特林機特性, 提出了以下2種可行方案。

圖2給出了鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統(簡稱方案2)。由圖所示, 鋁顆粒和水在預燃燒室內燃燒后放熱并生成氫氣。由于鋁顆粒燃燒溫度很高, 需通過水冷壁來冷卻燃燒室同時吸收熱量產生水蒸氣, 被加熱的水蒸氣進入預燃燒室與鋁顆粒反應, 有助于加快鋁顆粒與水反應速率。為了使得含固高溫煙氣能夠直接進入斯特林機燃燒室, 且防止固體顆粒堵塞加熱器熱頭, 借鑒氣固分離器原理, 采用類似旋風分離技術, 使得氧化鋁固體顆粒產物自由下落并沉積到水冷式氧化鋁罐被冷卻, 同時采用蓄熱式換熱器原理, 利用氧化鋁固體顆粒產物的余熱預加熱水, 而鋁水燃燒后產生的氫氣經過高溫金屬膜再一次過濾固體顆粒后進入斯特林機燃燒室。斯特林機外燃系統中燃燒氫氣來加熱斯特林機加熱器, 推動工質作功來發電。斯特林機中燃氫后產生的水蒸氣進入汽液換熱器中, 利用其預熱來氣化液氧。隨后尾氣通過冷凝器冷凝和分離器分離后, 用于攜帶鋁粉顆粒的氦氣重新進入給粉系統進行送粉, 由水泵進行循環供水。這樣由預燃燒室、燃氫斯特林機和其他輔助設備構成了整個閉式系統。

圖2 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統布置示意圖

2.3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統

圖3給出了鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統(簡稱方案3)。方案2雖然充分利用了鋁粉顆粒燃燒過程中各個階段的熱量, 但是整個煙氣流動過程中會存在固體顆粒物, 盡管已先后通過氣固分離裝置以及高溫金屬膜的過濾, 但超長時間的運行一定會在斯特林機、換熱器等設備中積聚甚至產生堵塞, 有可能影響整個系統的運行, 因此在方案2的基礎上, 再一次進行系統改進, 提出了方案3。鋁顆粒和水在預燃燒室內燃燒后放熱并生成氫氣, 隨后通入氧氣與其燃燒放熱。之所以不是直接采用鋁顆粒與氧氣進行燃燒, 一則是因為前面實驗結果已經證實鋁顆粒與氧氣燃燒反應十分劇烈, 燃燒后溫度很高, 這給預燃燒室設計帶來困難; 另一則是因為先通過與水反應再通入氧氣讓其與氫氣反應容易控制燃燒溫度, 且能保證鋁顆粒燃盡, 其類似于煤粉鍋爐中分級燃燒的概念, 針對這一情況, 有外國學者采用循環流化床燃燒鋁顆粒, 使得反應溫度相對均勻且燃盡率相對提高。預燃燒室中通過填充液鈉進行冷卻壁面溫度, 同時進行熱量吸收和傳遞。由于液鈉的導熱性能十分突出, 被加熱的液鈉進入斯特林機直接和加熱器進行換熱, 推動工質作功后發電。同樣, 采用上述氣固分離技術、余熱利用技術、氣液分離技術以及循環技術使得整個系統形成一個由預燃燒室、液鈉型斯特林機和其他輔助設備組成的高效閉式水下動力系統。

圖3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統布置示意圖

3 系統能量密度與性價比分析

假設某30 t級UUV功率要求5 kWh, 航程時間為504 h, 其需求的能量為2 520 kWh, 通過數值計算比較3種方案的能量密度與性價比。

3.1 傳統柴油-液氧型斯特林機動力系統

根據傳統柴油-液氧型斯特林機動力系統的實際運行情況, 斯特林機效率為32%, 則為滿足2520 kWh能量需求, 各設備預估質量與體積如表1所示。計算可得, 傳統柴油-液氧型斯特林機動力系統的比能為338 Wh/kg, 能量密度為285 Wh/L。

3.2 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統

針對方案2, 為簡化計算, 假設鋁顆粒燃燒效率為85%, 沉積下來的氧化鋁固體顆粒攜帶走40%的熱量, 燃燒煙氣攜帶60%的熱量進入斯特林機, 水冷式氧化鋁罐換熱效率為40%。斯特林機能量效率為32%, 斯特林機尾氣與液氧換熱效率為40%。假設每小時發電量5 kWh時, 需要鋁顆粒2.2 kg, 燃燒熱為10.4 kWh, 產生氫氣為0.24 kg, 熱量9.6 kWh。所以系統效率為

表1 柴油-液氧型斯特林機部件質量與體積

若航程時間為504 h時, 則各設備預估質量與體積見表2。計算可得鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統的比能為631 Wh/kg, 能量密度為648 Wh/L。

假設進入燃燒室的水質量為2.8 kg, 將其汽化成100℃水蒸氣需要消耗23%的燃燒熱, 此時的換熱系數為4 W/(m2?K–1), 由此可確定高0.5 m, 直徑0.31 m的圓筒型燃燒室就能滿足換熱要求。氧化鋁攜帶走40%的熱量, 利用水將其冷卻, 同時冷卻水被加熱后進入預燃燒室中, 假設換熱效率為40%, 則1.6 kg水正好汽化成100℃水蒸氣, 因此利用余熱為16%, 由此煙氣共攜帶走69.6%的燃燒熱進入斯特林機。通過計算發現, 冷卻系統的換熱系數需要6 W/(m2?K–1),可以確定系統由高0.5 m, 直徑0.57 m的圓筒型燃燒室就能滿足換熱需求。此外, 固廢浪費熱量約為2.1kWh。

進入斯特林機的熱量為6.1 kWh, 斯特林機氫氣燃燒熱為9.6 kWh, 汽化液氧帶來的熱量約0.3 kWh, 因此總熱量為16 kWh, 則發電量為5.07 kWh。其中尾氣余熱為1.9 kWh, 汽化1.96 kg氧氣需要0.3 kWh熱量, 除去換熱后的預熱利用, 浪費能量約為1.3 kWh。

表2 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統部件質量與體積

3.3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統

為簡化計算, 假設鋁顆粒燃燒效率為85%, 沉積下來的氧化鋁固體顆粒攜帶走16%熱量, 煙氣攜帶24%熱量進入斯特林機, 水冷式氧化鋁罐換熱效率為40%。液鈉換熱效率為60%, 斯特林機外燃效率為80%, 能量轉換效率50%, 機械效率80%, 電機效率90%, 斯特林機尾氣與液氧換熱效率40%。則假設每小時發電量5 kWh時, 鋁顆粒需要3.2 kg, 燃燒熱為15.1 kWh, 產生氫氣為0.36 kg, 熱量14.0 kWh。則總熱量為29.1 kWh, 所以系統總效率為

若航程時間為504 h, 熱量為2 520 kWh時, 各設備預估質量與體積見表3。計算可得, 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統的比能為467 Wh/kg, 能量密度為490 Wh/L。

由此可見, 方案2的比能是方案1的1.8倍, 能量密度是方案1的2.3倍, 方案3的比能是方案1的1.4倍, 能量密度則為方案1的1.7倍。不難發現, 方案2的性能最優, 但是可能存在的固體顆粒物堵塞問題仍需解決。而方案3盡管性能提升沒有方案2那樣大, 但是其系統更可靠, 同時整個系統中各個設備的效率假設比較保守, 因此該系統同樣有著較好的應用前景。

表3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統部件質量及體積

3.4 3種系統燃料成本預估

由于各系統設備不同, 因此僅對成本進行預估。其中燃油價格為1.45萬元/噸, 液氧價格為0.1萬元/噸, 鋁粉價格為2.8萬元/噸。3種方案的燃料成本如表4所示。從燃料成本來看, 方案2是方案1的2倍, 方案3是方案1的3倍。

綜上所述, 從能量密度和燃料成本來看, 方案2的比能達631 Wh/kg, 能量密度為648 Wh/L, 其遠高于方案1, 而其燃料成本價格為傳統的柴油液氧型斯特林機動力系統的2倍。

4 結論

針對現有的動力電池、柴油/液氧型斯特林機等可用于水下航行器的常規動力系統不能滿足未來的需求, 提出了一種以鋁粉燃燒為基礎的新型高能量密度水下斯特林機動力系統方案。通過數值仿真方法, 分析比較了傳統柴油-液氧型斯特林機系統、鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統以及鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統的能量密度和成本。得出如下結論:

表4 各系統方案燃料成本預估

1) 鋁水燃燒聯合燃氫斯特林機水下動力系統的能量密度達到648 Wh/L, 是傳統柴油液氧斯特林機動力系統的2.3倍, 而燃料成本僅為傳統柴油液氧型斯特林機動力系統的2倍;

2) 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯合液鈉斯特林機水下動力系統的能量密度為490 Wh/L, 是傳統柴油液氧斯特林機動力系統的1.7倍。

由此可見, 新型閉式鋁粉燃燒斯特林機動力系統在未來水下動力系統中有著良好的發展潛力。但由于鋁粉顆粒燃燒存在著顆粒著火困難、燃燒效率低下、固體顆粒物生成和脫除機理不明確、含固高溫煙氣傳換熱機理不明等難點仍有待進一步研究予以攻克。

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Conformational Analysis of a New Type of Closed Aluminum Powder Combustion Stirling Underwater Power System

JIN Xu-dong, Lü Tian, LAN Jian

(The 711 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 201203, China)

To increase the energy density of conventional underwater power systems, a new type of high energy density Stirling underwater power system based on aluminum powder combustion was proposed. An aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system and an aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system were built by numerical simulation. The energy density and fuel cost of the two new systems were compared with those of conventional diesel-liquid oxygen Stirling power system. Numerical simulation results show that the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system is 648 Wh/L, which is two times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system, and the fuel cost of the former system is also two times that of the latter one; the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system is 1.7 times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system. As a result, the new type of closed aluminum powder combustion Stirling underwater power system has good application potential in the future underwater power system.

underwater power system; Stirling engine; aluminum powder combustion; numerical simulation

TJ630.32; TM911.4

A

2096-3920(2020)02-0214-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.015

2019-09-15;

2019-10-24.

金旭東(1986-), 博士, 高級工程師, 研究方向為特種發動機水下動力系統.

金旭東, 呂田, 蘭健, 等. 新型閉式鋁粉燃燒斯特林機水下動力系統構型分析[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(2): 214-219.

(責任編輯: 許 妍)