雙模式熱管堆電熱原理樣機設計及驗證實驗研究

李潘瀟，張智鵬，代智文，王成龍，田文喜，秋穗正，蘇光輝

(西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049)

多用途小型熱管反應堆電源技術具有續航久、結構緊湊、環境適應性強、固有安全性高等優勢[1-2]，已成為未來無人作戰系統、空間核反應堆、星球表面能源平臺、車載核電源等多種特殊領域的最佳能源動力解決方案之一[3-4]。美國開展Kilopower熱管反應堆計劃[5]，并于2018年3月完成地面演示實驗(KRUSTY)，證明了其技術可行性。西安交通大學提出了適用于無人水下航行器的靜默式熱管反應堆設計方案[6-7]，建立了非核原理樣機[8-9]，初步驗證了靜默式溫差發電熱管堆技術的可行性。

基于裝備能源多樣化需求，本文提出動靜結合雙模式熱管堆設計方案，研制一體化非核原理樣機，完成彎折高溫鉀熱管研制及測試、靜態熱電轉換模塊測試、動態熱電轉換模塊測試，初步驗證雙模式熱管堆技術可行性。

1 動靜結合雙模式熱管堆概念設計

1.1 原理概念

動靜結合雙模式熱管堆概念設計如圖1所示，利用彎折高溫鉀熱管將堆芯產生的能量非能動高效導出。熱管蒸發段與堆芯連接，絕熱段通過堆芯屏蔽層并采用納米隔熱材料保溫，熱管冷凝段分別與碲化鉍溫差發電單元基體及動態斯特林熱電轉換裝置基體耦合，將熱能轉換為電能。本設計采用動靜結合熱電轉換方式，具有以下優點：1) 低功率模式，超靜默，強隱蔽；2) 高功率模式，大功率，高效率；3) 布置合理，結構緊湊；4) 自啟動，自調節，簡化控制。

圖1 雙模式熱管堆概念設計Fig.1 Conceptual design of dual-mode heat pipe reactor

通過斯特林熱電轉換裝置彌補溫差發電轉換效率低的問題，通過溫差發電片布置靈活的優點解決斯特林熱電轉換裝置布置空間受限的問題，增強系統的緊湊性。

1.2 熱電轉換系統

斯特林熱電轉換裝置由于熱電轉換效率高、高可靠、震動小、自啟動、密封可靠及具有自動調節功能等優點，在航天方面得到了廣泛的應用[10-11]，其結構如圖2所示。利用斯特林發電機將熱管導出的熱能轉換為電能，發電過程不產生多余廢氣，熱電轉換效率在25%左右。原理樣機采用3臺1 kW自由活塞式斯特林熱電轉換裝置組成動態熱電轉換模塊，其設計參數列于表1。

圖2 斯特林熱電轉換裝置示意圖Fig.2 Scheme of Stirling generator

表1 斯特林熱電轉換裝置的參數Table 1 Parameter of Stirling generator

溫差發電技術是利用材料的塞貝克效應可將熱能直接轉換為電能，具有結構緊湊、無泄漏、無噪聲、壽命長、高可靠等優點[12]。原理樣機采用成熟的碲化鉍溫差發電器件構建靜態熱電轉換模塊，具有良好的力學性能，可承受一定的壓力，缺點是高溫時轉換效率較低，最高耐溫為400 ℃，與熱管冷凝段工作溫度存在300 ℃左右的偏差，因此需要解決二者工作溫度的匹配問題。碲化鉍熱電片工作原理示于圖3，參數列于表2。

圖3 碲化鉍熱電片示意圖Fig.3 Scheme of bismuth telluride thermoelectric sheet

表2 碲化鉍熱電片參數Table 2 Parameter of bismuth telluride thermoelectric sheet

1.3 原理樣機設計

原理樣機結構如圖4所示。樣機采用立式布置，利用六邊形紫銅基體模擬熱管堆固態基體，具有良好的導熱性及較小的熱膨脹系數。利用90根電加熱棒模擬反應堆燃料棒，通過37根高溫鉀熱管將堆芯熱量導出，設計額定功率為25 kW。熱管布置分為2組，第1組18根高溫鉀熱管冷凝端與3臺斯特林發電機連接，每臺斯特林發電機與6根熱管耦合，產生1 kW的電能。第2組19根高溫鉀熱管冷凝端與溫差發電模塊連接，品字形銅基體將19根熱管的熱量均勻地傳遞給碲化鉍發電片，通過6塊冷板將余熱排出，每面布置30片共180片，共產生約1 kW的電能。原理樣機設計參數列于表3。

圖4 雙模式熱管堆原理樣機示意圖Fig.4 Schematic diagram of dual-mode heat pipe reactor principle prototype

表3 原理樣機參數Table 3 Parameter of principle prototype

2 關鍵部件研制及測試

2.1 彎折高溫鉀熱管

高溫鉀熱管是原理樣機的關鍵部件，其傳熱性能及運行特性影響著整個系統的設計參數及轉換效率。田智星、劉逍等[13-14]對高溫鉀熱管進行了理論及實驗研究，對影響熱管傳熱性能的因素進行了探究，并開發了熱管的設計分析程序進行數值模擬。唐思邈等[8]利用鉀熱管開展了小型核電源原理樣機研究，所使用的高溫鉀熱管具有良好的傳熱性能。高溫鉀熱管還被廣泛應用于SAIRS、HP-STMCs、MSR等小型核反應堆系統設計中。研究團隊所研制彎折高溫鉀熱管原理如圖5所示。分別選取動態及靜態模塊彎折程度最大的兩種熱管進行測試，冷凝段冷卻方式采用空氣強迫對流換熱，可以滿足2 kW以內的散熱需求。測試系統結構如圖6所示，測試熱管參數列于表4、5。

圖5 彎折高溫鉀熱管示意圖Fig.5 Scheme of bending high-temperature potassium heat pipe

圖6 彎折高溫鉀熱管測試系統原理圖Fig.6 Scheme of experimental system for bending high-temperature potassium heat pipe

表4 靜態熱電轉換模塊鉀熱管參數Table 4 Parameter of potassium heat pipe in static thermoelectric conversion module

表5 動態熱電轉換模塊鉀熱管參數Table 5 Parameter of potassium heat pipe in dynamic thermoelectric conversion module

2.2 靜態熱電轉換模塊

碲化鉍溫差發電器件與高溫鉀熱管冷凝段工作溫度存在200～300 ℃左右的偏差，為了解決二者工作溫度的匹配問題，在品字形集熱銅板與溫差發電片之間加入調節氣板，氣板厚度為5 mm，氣隙厚度為3 mm，板面厚度為1 mm，由不銹鋼制成，選擇氦氣和氬氣作為填充氣體，通過調節氦氣和氬氣的配比達到控制溫差發電片熱端溫度的目的。針對該設計進行了模塊驗證實驗，利用調壓電源改變輸入功率，利用NI采集系統收集溫度數據，通過電子負載儀測量溫差發電片的工作狀態，實驗系統結構如圖7所示。

圖7 靜態熱電轉換模塊驗證實驗示意圖Fig.7 Experimental system scheme of static thermoelectric conversion module

2.3 動態熱電轉換模塊

原理樣機采用自由活塞式斯特林發電機構成動態熱電模塊。本文設計了一套熱管與斯特林熱電轉換裝置耦合傳熱性能測試實驗裝置用于研究兩者間耦合傳熱性能，驗證其可行性。裝置由電加熱絲、高溫鉀熱管、斯特林熱電轉換裝置、冷水機等部件構成，通過電加熱絲加熱6根高溫鉀熱管，熱管絕熱段采用保溫棉保溫，其冷凝段與斯特林換熱基體連接，實驗設備及原理如圖8所示。

圖8 動態熱電轉換模塊驗證實驗設備(a)及原理(b)Fig.8 Experimental equipment (a) and principle (b) of dynamic thermoelectric conversion module

2.4 不確定性分析

溫度的不確定性來自熱電偶的精度和連接。實驗溫度測量采用K型熱電偶，產生的誤差小于3 ℃。根據B型不確定度評估，假設誤差分布均勻，可從式(1)中獲得溫度不確定度。在一些帶有兩個熱電偶的測量點，溫度不確定度可根據式(2)計算。在實驗過程中，溫度范圍為300～800 ℃，熱電偶引起的溫度相對不確定度在3.0%以內。對于風冷條件下傳熱功率的不確定度，使用產生±0.1 V和±0.1 A不確定度的電壓表和電流表測量電壓(40～120 V)和電流(4～10 A)。因此，儀器引起的傳熱功率相對不確定度在2.5%以內。

(1)

(2)

(3)

式中：UB，T1、UB，T2分別為布置有1個及兩個熱電偶測點的B類不確定度；Δ為儀器誤差；ΔQ、Q分別為輸入功率測量誤差及輸入功率；ΔV、V分別為所用電壓表測量誤差及電壓測量范圍；ΔI、I分別為所用電流表測量誤差及電流測量范圍。

3 實驗結果

3.1 彎折高溫鉀熱管

不同功率下熱管壁面溫度分布如圖9所示。熱管整體等溫性較好，靜態模塊熱管軸向壁面溫差低于58 K，動態模塊熱管軸向壁面溫差低于49 K，不凝氣體段長度均小于5 cm。相比于靜態模塊較長的熱管，動態模塊熱管在相同功率下整體溫度更高。兩者均滿足傳熱功率676 W的樣機設計需求，其可用于原理樣機的搭建。

圖9 靜態熱電轉換模塊(a)與動態熱電轉換模塊(b)熱管軸向壁面溫度分布Fig.9 Axial wall temperature distribution of static thermoelectric conversion module (a) and dynamic thermoelectric conversion module (b) of heat pipe

3.2 靜態熱電轉換模塊驗證實驗結果

靜態熱電轉換模塊測試結果列于表6。表6列出了入口冷卻水溫度為20 ℃時，不同換熱基體溫度對應的溫差發電器件熱端溫度及單組6片熱電片串聯時的開路電壓。當輸入功率為4.2 kW時，溫差發電片的工作情況列于表7。

表6 靜態熱電轉換模塊測試結果Table 6 Result of static thermoelectric conversion module test

表7 溫差發電片工作情況Table 7 Working condition of thermoelectric sheet

結果顯示，在熱電片與集熱銅板間加入適配氣板可以實現高溫鉀熱管與碲化鉍溫差發電器件工作溫度的適配，氣板內充有保壓的氦氣。輸入功率為4.2 kW、冷端溫度為20 ℃時，氣板平均溫度約為310 ℃，5組30片熱電片共發出102.6 W電能，熱電轉換效率為2.44%，平均每片熱電片輸出功率為3.4 W。多組熱電片串并聯會使得輸出功率下降。

3.3 動態熱電轉換模塊驗證實驗結果

動態熱電轉換模塊測試結果列于表8，高溫鉀熱管可用于斯特林熱電轉換裝置的能量傳輸。輸入功率為3 281.5 W時，斯特林熱電轉換裝置發電功率為429 W，整體熱電轉換效率為13.1%。熱管蒸發段平均溫度為749.5 ℃，斯特林熱端平均溫度為412.6 ℃，兩者間存在較大溫差。

表8 動態熱電轉換模塊測試結果Table 8 Result of dynamic thermoelectric conversion module test

原理樣機進行了改進，減少系統熱耗散，優化熱管與斯特林熱端接觸結構，降低熱管與換熱基體間接觸熱阻，從而改進動態熱電轉換模塊的性能。改進后動態熱電轉換模塊性能列于表9。輸入功率為3 047.2 W時，熱管蒸發段平均溫度為627 ℃，斯特林熱端平均溫度為475.3 ℃，熱管蒸發段到冷凝段溫差為74 ℃，熱管冷凝段到斯特林膨脹腔溫差為76 ℃，單臺斯特林熱電轉換裝置發電功率為673 W，熱電轉換效率為22.1%。

表9 改進后動態熱電轉換模塊測試結果Table 9 Result of dynamic thermoelectric conversion module test after improvement

4 結論

為了驗證多用途熱管堆技術可行性，突破熱管堆一體化集成技術，設計了雙模式熱管堆原理樣機。完成了彎折高溫鉀熱管研制及測試、靜態熱電轉換模塊驗證實驗、動態熱電轉換模塊驗證實驗，所得實驗結果如下。

1) 所研制彎折高溫鉀熱管等溫性良好，其傳熱功率滿足非核原理樣機的設計值。對于靜態熱電轉換模塊，加入調節氣板能夠實現高溫鉀熱管與碲化鉍溫差發電片工作溫度的適配。輸入功率為4.2 kW、進口冷卻水溫為20 ℃時，溫差發電片熱端溫度為310 ℃，5組30片熱電片共發出102.6 W電能，熱電轉換效率為2.44%。對于動態熱電轉換模塊，通過高溫鉀熱管可實現斯特林熱電轉換裝置的啟動運行。輸入功率為3.3 kW時，裝置發電功率為429 W，熱電轉換效率為13.1%。

2) 改進后動態熱電轉換模塊性能有較大提升。輸入功率為3 047.2 W時，熱管蒸發段平均溫度為627 ℃，斯特林熱端平均溫度為475.3 ℃，熱管蒸發段到冷凝段溫差為74 ℃，熱管冷凝段到斯特林膨脹腔溫差為76 ℃，單臺斯特林熱電轉換裝置發電功率為673 W，整體熱電轉換效率為22.1%。

下一步將開展原理樣機穩態運行實驗及相關瞬態實驗研究。