微型堆SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)型及參數(shù)優(yōu)化

梁鐵波,唐 鑫,錢奕然,趙全斌,陳偉雄,*,嚴(yán)俊杰

(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 610213;2.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

微型反應(yīng)堆一般功率在15 MW以下,采用模塊化設(shè)計(jì),可以靈活機(jī)動(dòng)部署、遠(yuǎn)離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行,能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、孤立海島和沙漠地區(qū)等多種場(chǎng)景下的能源需求。超臨界二氧化碳(SCO2)布雷頓循環(huán)由于其具有高循環(huán)效率、高容量/功率比、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而在核電領(lǐng)域有很好的前景,很適合作為微型反應(yīng)堆的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其開(kāi)展了廣泛研究。

2004年Dostal等[1-2]建立了再壓縮SCO2循環(huán)模型及參數(shù)優(yōu)化方法,與其他動(dòng)力循環(huán)對(duì)比表明,SCO2循環(huán)系統(tǒng)具有高效、簡(jiǎn)單、緊湊、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì),非常適合第四代反應(yīng)堆。Dostal后續(xù)研究表明,與簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)相比,單級(jí)壓縮機(jī)級(jí)間冷卻和透平再熱可使循環(huán)效率分別提升3.75%和2%,并指出再壓縮循環(huán)是最適合下一代核電系統(tǒng)的循環(huán)構(gòu)型之一[3]。Ahn等[4]比較了12種SCO2循環(huán)構(gòu)型,也得出了SCO2再壓縮循環(huán)性能最好,最適合下一代核電系統(tǒng)的結(jié)論。Sarkar等[5]對(duì)帶有一次再熱的SCO2再壓縮循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化,指出與無(wú)再熱構(gòu)型相比,再熱可以使循環(huán)熱效率提高3.5%。美國(guó)德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的Patel等[6]正在建設(shè)一個(gè)小型閉式SCO2循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),前期理論分析表明,對(duì)于采用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的無(wú)回?zé)岷?jiǎn)單循環(huán)系統(tǒng),在膨脹機(jī)入口壓力和溫度分別為17.23 MPa和358.15 K時(shí),系統(tǒng)可產(chǎn)生4.5 kW的電功率,系統(tǒng)熱效率估計(jì)為12.75%。Xin等[7]為評(píng)價(jià)不同構(gòu)型的SCO2循環(huán)的性能,提出了熱循環(huán)分裂分析方法,將復(fù)雜的SCO2循環(huán)分為簡(jiǎn)單的主循環(huán)和簡(jiǎn)單的等效功率循環(huán),并采用這種新分析方法對(duì)SCO2再壓縮、中冷和再熱3種循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比,并提出了一種新的部分中間冷卻循環(huán)構(gòu)型,最終循環(huán)效率可達(dá)到53.58%。黃瀟立等[8]基于熱力學(xué)第一定律,研究了系統(tǒng)采用再壓縮循環(huán)和復(fù)疊式分流循環(huán)方案的熱力學(xué)特性和參數(shù)限制條件,并討論了兩種循環(huán)各自的適用場(chǎng)景。段承杰等[9]對(duì)再壓縮SCO2循環(huán)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明再壓縮循環(huán)適宜作為出口溫度較低的反應(yīng)堆能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

關(guān)于耦合微型反應(yīng)堆的SCO2布雷頓循環(huán)研究,美國(guó)MegaPower微型堆采用熱管堆固態(tài)堆芯,能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用SCO2循環(huán),輸出電功率在2.25～17.5 MW之間,能達(dá)到40%的發(fā)電效率[10];美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)設(shè)計(jì)的微型熱管堆也采用SCO2循環(huán)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,包括運(yùn)輸容器在內(nèi)時(shí),其質(zhì)量約35～45 t,尺寸為φ1.8 m×3.6 m,可以通過(guò)卡車或航空運(yùn)輸輕松部署[11];韓國(guó)研發(fā)的可移動(dòng)式微型堆功率等級(jí)在10～20 MW,主要方案采用高溫氣冷反應(yīng)堆耦合SCO2循環(huán)以及氦氣循環(huán),反應(yīng)堆總質(zhì)量約40 t,透平入口溫度650 ℃,冷端采用空氣冷卻,研究對(duì)比了SCO2循環(huán)以及氦氣循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件,并對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行了初步選型設(shè)計(jì),研究發(fā)現(xiàn),SCO2循環(huán)性能一般高于氦氣,氦循環(huán)的體積與葉輪機(jī)械效率高度相關(guān),而SCO2循環(huán)的體積與葉輪機(jī)械效率相關(guān)度較小,采用級(jí)間冷卻能提高效率且不會(huì)使換熱器體積顯著增加[12-13]。中國(guó)工程物理研究院提出了熱管型反應(yīng)堆耦合SCO2布雷頓循環(huán)核動(dòng)力裝置,并給出了3.5 MW海洋熱管堆總體設(shè)計(jì)方案,采用SCO2簡(jiǎn)單回?zé)岷头至髟賶嚎s方案,循環(huán)熱效率均達(dá)到30%以上[14]。Yun等[15]對(duì)用于氟化物-鈉冷卻的高溫反應(yīng)堆SCO2布雷頓循環(huán)進(jìn)行了構(gòu)型以及溫度、壓力等參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,采用粒子群優(yōu)化算法求解簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)的最優(yōu)熱效率,并提出了4種改進(jìn)構(gòu)型,結(jié)果表明再熱中冷循環(huán)的熱效率最高可以達(dá)到51.64%。Du等[16]建立了核動(dòng)力船舶SCO2再壓縮循環(huán)的熱力學(xué)模型,利用深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)該循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化,并考慮了系統(tǒng)熱效率和總部件體積的協(xié)調(diào)優(yōu)化,結(jié)果表明,基準(zhǔn)優(yōu)化下的最優(yōu)熱效率和總部件體積分別為39.92%和3.92 m3,該研究結(jié)果對(duì)高維度設(shè)計(jì)空間的SCO2再壓縮循環(huán)在空間和能量受限場(chǎng)景下的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

現(xiàn)有對(duì)于SCO2布雷頓循環(huán)的研究大多基于特定場(chǎng)景和應(yīng)用領(lǐng)域,且大多研究基于熱力學(xué)優(yōu)化,不能很好兼顧系統(tǒng)高效性和緊湊型,缺乏高效匹配微型堆的SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)型及參數(shù)優(yōu)化研究以及系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)。因此,本文擬對(duì)SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型及熱力設(shè)計(jì),并通過(guò)建立設(shè)備模型及系統(tǒng)整體分析模型,進(jìn)行不同構(gòu)型參數(shù)優(yōu)化,獲得不同優(yōu)化目標(biāo)下最佳構(gòu)型及最優(yōu)參數(shù)配置,為獲得匹配可移動(dòng)微型堆的高效、安全、靈活的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供參考。

1 SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)建模及驗(yàn)證

1.1 研究對(duì)象

本研究選取簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)(SRC)、再熱回?zé)嵫h(huán)(RRC)、再壓縮循環(huán)(RC)、再壓縮再熱循環(huán)(RHRC)共4種構(gòu)型的SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)(圖1)作為研究對(duì)象。其他構(gòu)型是在簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)型改進(jìn),采用再熱器來(lái)對(duì)工質(zhì)再熱,通過(guò)提高吸熱平均溫度來(lái)提高效率,而采用工質(zhì)再壓縮能解決換熱器“夾點(diǎn)”問(wèn)題,通過(guò)這些構(gòu)型改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)SCO2布雷頓循環(huán)性能的提升。

a——SRC;b——RRC;c——RC;d——RHRC

1.2 系統(tǒng)各部件模型

表1 系統(tǒng)各部件熱力學(xué)模型

1.3 系統(tǒng)分析模型

微型堆SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)不僅要求系統(tǒng)具有高效性,同時(shí)也要求系統(tǒng)體積和質(zhì)量較小,有很好的緊湊性,從而能更好地實(shí)現(xiàn)在可移動(dòng)場(chǎng)景下的應(yīng)用。因此,本文采用發(fā)電效率、火用效率、功率密度和功率質(zhì)量比作為系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),以此兼顧系統(tǒng)高效性與緊湊性。

系統(tǒng)發(fā)電效率表達(dá)式如下:

(1)

系統(tǒng)火用效率表達(dá)式如下:

(2)

常規(guī)熱力學(xué)建模及分析優(yōu)化是以效率作為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo),這能提高系統(tǒng)的高效性卻不能很好地兼顧系統(tǒng)的緊湊性。因此,本研究提出采用功率密度(Dp)和功率質(zhì)量比(Mp)也作為系統(tǒng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo),以較好地兼顧系統(tǒng)的高效性和緊湊性。功率密度定義為系統(tǒng)單位體積的凈輸出功率(W/m3);功率質(zhì)量比定義為系統(tǒng)單位質(zhì)量的凈輸出功率(kW/t)。其計(jì)算公式如式(3)、(4)所示。在計(jì)算過(guò)程中主要考慮反應(yīng)堆及各換熱器的體積及質(zhì)量,而壓縮機(jī)和透平由于其尺寸較換熱器小得多(小于1%),故在計(jì)算中忽略以作簡(jiǎn)化。

(3)

(4)

1.4 模型求解

本研究具體模型求解流程如圖2所示。首先在Ebsilon軟件中建立系統(tǒng)熱力學(xué)模型,并在Matlab軟件中編寫好部件熱力學(xué)設(shè)計(jì)子程序,利用Ebsilon軟件的編程接口與Matlab進(jìn)行連接;求解前在模型中預(yù)設(shè)循環(huán)邊界參數(shù),包括壓縮機(jī)等熵效率ηc、透平等熵效率ηt和換熱器壓力損失Δp;在求解過(guò)程中先通過(guò)Ebsilon軟件計(jì)算得到循環(huán)各點(diǎn)熱力學(xué)參數(shù),以此作為Matlab部件設(shè)計(jì)程序的邊界值進(jìn)行熱力學(xué)設(shè)計(jì);將部件熱力學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果帶入Ebsilon模型進(jìn)行修正并進(jìn)行迭代計(jì)算直至收斂;最后輸出熱力學(xué)參數(shù)和循環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)果,包括發(fā)電效率ηe、火用效率ηex、功率密度Dp和功率質(zhì)量比Mp。

圖2 模型求解流程圖

1.5 模型驗(yàn)證

熱力學(xué)模型是建模分析的基礎(chǔ),為確保所搭建模型的準(zhǔn)確性,需要對(duì)SCO2布雷頓循環(huán)模型進(jìn)行驗(yàn)證。本研究與馬岳庚[17]及Wang等[18]所研究的再熱再壓縮SCO2循環(huán)模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。模型驗(yàn)證的初始條件如表2所列,相同循環(huán)參數(shù)下,本文模型與文獻(xiàn)所用模型計(jì)算的循環(huán)熱效率如圖3所示。計(jì)算可得,在設(shè)計(jì)參數(shù)下,不同透平入口溫度條件下,循環(huán)熱效率的本文模型計(jì)算值與文獻(xiàn)值的最大相對(duì)誤差為1.64%,從而證明了本文SCO2布雷頓循環(huán)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

表2 模型驗(yàn)證初始條件

圖3 模型驗(yàn)證結(jié)果

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)

進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究不僅要進(jìn)行構(gòu)型及熱力學(xué)參數(shù)優(yōu)化,也要考慮系統(tǒng)部件及整體的選型設(shè)計(jì),這對(duì)推動(dòng)SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本研究主要針對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)堆、各換熱器、透平和壓縮機(jī)部件進(jìn)行選型及熱力學(xué)設(shè)計(jì)。

2.1 反應(yīng)堆選型

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),微小型反應(yīng)堆大多采用氣冷堆或熱管堆,通過(guò)消除中間回路以提高系統(tǒng)緊湊程度,在1～10 MW功率等級(jí)多采用熱管堆,其具有高可靠性和很好的熱瞬態(tài)反饋性能[11]。本研究采用美國(guó)愛(ài)德華實(shí)驗(yàn)室(INL)[19]公布的5 MW熱管堆設(shè)計(jì)方案,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,它是由一個(gè)六邊形不銹鋼(SS-316)組成的整體結(jié)構(gòu),熱管采用液態(tài)金屬鉀(K)熱管,工作溫度為675 ℃,其主要參數(shù)如表3所列。

表3 熱管堆主要參數(shù)[19]

圖4 熱管堆結(jié)構(gòu)示意圖[19]

根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的熱管堆結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù),本研究采用式(5)、(6)估算熱管堆的體積(Vrea)和質(zhì)量(Mrea):

(5)

Mrea=Mfuel+Mmatrix+Mreflector+MHP,evaporator

(6)

其中,下標(biāo)fuel、matrix、reflector和HP,evaporator分別代表堆芯燃料、剛體、反射層和熱管熱端。

2.2 各換熱器選型設(shè)計(jì)

換熱器設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。當(dāng)選定某個(gè)換熱器類型時(shí),通過(guò)給定兩側(cè)工質(zhì)及進(jìn)出口熱力邊界,采用換熱器設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,得到換熱器設(shè)計(jì)參數(shù),并通過(guò)校核確保換熱面積和壓力損失滿足要求。

圖5 換熱器設(shè)計(jì)流程圖

主換熱器及再熱器位于熱管的冷凝段,采用管殼式布置,即工質(zhì)與熱管橫向沖刷以獲得更好換熱效果,同時(shí)增加了折流板來(lái)強(qiáng)化換熱,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。熱管冷凝段體積(VHP)以及質(zhì)量(MHP)計(jì)算公式如下:

圖6 主換熱器及再熱器結(jié)構(gòu)示意圖

(7)

MHP=Mshell+Mbaffle+MHP,condenser

(8)

式中:DHP為殼體圓筒直徑;LHP為換熱管冷凝段長(zhǎng)度;下標(biāo)shell、baffle和HP,condenser分別表示翅片、折流板和熱管冷端。

回?zé)崞骼猛钙匠隹诜鉄崃考訜釅嚎s機(jī)出口工質(zhì),運(yùn)行壓力及溫度較高,因此本研究回?zé)崞鞑捎糜休^高承壓及耐高溫能力的印刷電路板換熱器(PCHE),如圖7所示,回?zé)崞鲀?nèi)部設(shè)計(jì)為半圓形直通道、單層冷熱流道交替排布的結(jié)構(gòu),材質(zhì)為304不銹鋼。回?zé)崞鞯捏w積(VRG)以及質(zhì)量(MRG)計(jì)算公式如下:

VRG=WHLRG

(9)

MRG=(VRG-NAcLRG)ρRG

(10)

式中:W為迎流面寬度;H為迎流面高度;LRG為流道長(zhǎng)度;N為流道數(shù);Ac為流道截面積。

微型堆可移動(dòng)部署,系統(tǒng)可能常處于缺水狀態(tài)運(yùn)行,因此冷卻器采用空冷設(shè)計(jì)更符合實(shí)際情況。本文空冷冷卻器采用扁平翅片管式換熱器,如圖8所示,高壓的熱工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)以滿足承壓要求,冷空氣在管外橫向沖刷換熱,并通過(guò)增加整體翅片來(lái)強(qiáng)化傳熱,采用扁管有利于減小冷空氣側(cè)阻力。冷卻器的體積(VC)及質(zhì)量(MC)計(jì)算公式如下:

VC=ABLC

(11)

MC=Mshell+Mfin+Mtube

(12)

式中:A為冷側(cè)迎風(fēng)面寬度;B為冷側(cè)流動(dòng)長(zhǎng)度;LC為換熱管長(zhǎng)度;下標(biāo)shell、fin和tube分別代表冷卻器外殼、翅片和換熱管。

系統(tǒng)中各換熱器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)壓降列于表4。

表4 各換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 壓縮機(jī)及透平選型設(shè)計(jì)

透平和壓縮機(jī)的選型需要與系統(tǒng)功率等級(jí)相匹配,文獻(xiàn)[20]給出了不同系統(tǒng)功率等級(jí)SCO2布雷頓循環(huán)的透平和壓縮機(jī)選型范圍,功率小于10 MW時(shí),透平和壓縮機(jī)建議采用單級(jí)徑流式結(jié)構(gòu)。因此,本文采用單級(jí)離心式壓縮機(jī)和向心式透平設(shè)計(jì),如圖9所示。通過(guò)給定壓縮機(jī)、透平邊界參數(shù),采用程序進(jìn)行一維熱力學(xué)設(shè)計(jì),得到葉輪機(jī)械詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)等。

圖9 葉輪機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3 不同構(gòu)型系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

3.1 循環(huán)構(gòu)型及參數(shù)優(yōu)化模型

SCO2布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)循環(huán)性能影響明顯,主要包括壓力、溫度及分流比等參數(shù),其會(huì)對(duì)效率、功率密度及功率質(zhì)量比指標(biāo)產(chǎn)生較大影響。參數(shù)優(yōu)化的冷熱端邊界設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所列。本研究以不同評(píng)價(jià)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)在Matlab中采用遺傳算法工具箱進(jìn)行不同構(gòu)型系統(tǒng)的多參數(shù)優(yōu)化,以獲得不同優(yōu)化目標(biāo)下的最佳構(gòu)型及最優(yōu)參數(shù)配置。不同構(gòu)型的主要優(yōu)化變量選擇及優(yōu)化范圍如表6所列。

表5 循環(huán)邊界設(shè)計(jì)參數(shù)

表6 優(yōu)化變量及范圍

3.2 以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化

本研究首先以發(fā)電效率最大作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)4個(gè)循環(huán)構(gòu)型進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化,以期獲得最高效的循環(huán)構(gòu)型及參數(shù)。各構(gòu)型參數(shù)優(yōu)化后的最佳值及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表7所列。

表7 以發(fā)電效率最大為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果

不同構(gòu)型在以發(fā)電效率最大作為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖10所示。由圖10可見(jiàn),以發(fā)電效率最大作為目標(biāo)優(yōu)化后,SCO2循環(huán)各構(gòu)型發(fā)電效率均可達(dá)到40%以上,其中最優(yōu)的是RHRC構(gòu)型,其發(fā)電效率可達(dá)到47.5%,但該構(gòu)型功率密度和功率質(zhì)量比與其他構(gòu)型相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì),此時(shí)RC構(gòu)型功率密度最大可達(dá)255.1 kW/m3,SRC構(gòu)型功率質(zhì)量比最大可達(dá)96.1 kW/t。

圖10 以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)

以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的體積及質(zhì)量如圖11所示。由圖11可見(jiàn):各構(gòu)型中,RC構(gòu)型的系統(tǒng)體積最小,為9.3 m3;SRC構(gòu)型的系統(tǒng)質(zhì)量最小,為21.66 t;反應(yīng)堆體積及質(zhì)量在系統(tǒng)中占比較大;對(duì)于SRC和RRC構(gòu)型,冷卻器體積及質(zhì)量在換熱器中占比最大,而對(duì)于采用了再壓縮的RC和RHRC構(gòu)型,冷卻器體積在換熱器中占比最大,回?zé)崞髻|(zhì)量在換熱器中占比最大,這是由于再壓縮時(shí)需要同時(shí)使用高溫和低溫回?zé)崞鳌?/p>

圖11 以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的體積及質(zhì)量

以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的部件火用損如圖12所示。由圖12可見(jiàn),SCO2循環(huán)構(gòu)型中RHRC構(gòu)型的火用損最小,RC與RHRC接近,而未采用再壓縮的SRC和RRC構(gòu)型總火用損較大,表明再壓縮布置能減小SCO2循環(huán)火用損;對(duì)于各部件,SRC和RRC構(gòu)型中回?zé)崞骰鹩脫p占比最大,而采用了再壓縮的RC和RHRC中,冷卻器的火用損占比最大。

圖12 以發(fā)電效率最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型部件的火用損

3.3 以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化

為了更好兼顧系統(tǒng)高效性和緊湊性,不僅要考慮效率也要考慮系統(tǒng)體積,故本研究又以功率密度最大作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)4個(gè)循環(huán)構(gòu)型進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化,各構(gòu)型參數(shù)優(yōu)化后的最佳值及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表8所列。

表8 以功率密度最大為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果

以功率密度最大作為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖13所示。由圖13可見(jiàn):以功率密度最大作為優(yōu)化目標(biāo)下,最優(yōu)的是RC構(gòu)型,其功率密度最大可達(dá)282.42 kW/m3,而RHRC發(fā)電效率較高,可達(dá)43.2%,SRC功率質(zhì)量比最大,可達(dá)96.86 kW/t;各構(gòu)型的發(fā)電效率均小于以發(fā)電效率最大作為目標(biāo)優(yōu)化時(shí)的,這是由于以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化時(shí),犧牲了部分高效性來(lái)提高緊湊性。

圖13 以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)

以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的體積及質(zhì)量如圖14所示。由圖14可見(jiàn):以功率密度最大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),各構(gòu)型的總體積差距較小,在1 m3以內(nèi),而質(zhì)量差距在3 t以內(nèi);SRC構(gòu)型的系統(tǒng)體積和質(zhì)量最小,冷卻器在換熱器體積中占比最大,回?zé)崞髟趽Q熱器質(zhì)量中占比最大。

圖14 以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后各各構(gòu)型的體積及質(zhì)量

以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的部件火用損如圖15所示。由圖15可見(jiàn),以功率密度最大為優(yōu)化目標(biāo)下,RHRC構(gòu)型的火用損最小,在SRC和RRC構(gòu)型中回?zé)崞骰鹩脫p占比最大,而再采用了再壓縮的RC和RHRC中,冷卻器的火用損占比最大,表明再壓縮會(huì)減小回?zé)崞骰鹩脫p且增大冷卻器火用損,而采用再熱的構(gòu)型回?zé)崞骰鹩脫p更大。以功率密度最大為優(yōu)化目標(biāo)下,各構(gòu)型的總火用損均大于以發(fā)電效率最大為優(yōu)化目標(biāo)下各構(gòu)型的總火用損。

圖15 以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后各部件的火用損

3.4 以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化

為了更好兼顧系統(tǒng)高效性和緊湊性,不僅要考慮效率也要考慮系統(tǒng)質(zhì)量,故本研究又以功率質(zhì)量比最大作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)3個(gè)循環(huán)構(gòu)型進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化后各構(gòu)型的參數(shù)及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表9所列。

表9 以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果

以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖16所示。由圖16可見(jiàn),以功率質(zhì)量比最大為優(yōu)化目標(biāo)下,最優(yōu)的是RC構(gòu)型,其功率質(zhì)量比最大可達(dá)到98.81 kW/t,而RHRC發(fā)電效率較高,可達(dá)45.2%,RC功率密度最大可達(dá)279.36 kW/m3。

圖16 以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)

以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的體積及質(zhì)量如圖17所示。對(duì)比圖17與圖14可知,以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后,各構(gòu)型的體積及質(zhì)量規(guī)律與以功率密度最大為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果類似,也是SRC構(gòu)型的系統(tǒng)體積和質(zhì)量最小,冷卻器在換熱器體積中占比較大。

圖17 以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的體積及質(zhì)量

不同構(gòu)型在功率質(zhì)量比最大作為目標(biāo)優(yōu)化后的部件火用損對(duì)比如圖18所示。結(jié)果表明,此優(yōu)化目標(biāo)下仍為RHRC構(gòu)型的火用損最小,SRC構(gòu)型火用損最大,各構(gòu)型部件火用損中回?zé)崞骰鹩脫p占比最大,其次是冷卻器部件。

圖18 以功率質(zhì)量比最大為目標(biāo)優(yōu)化后各構(gòu)型的部件火用損

3.5 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

以發(fā)電效率為優(yōu)化目標(biāo),RHRC構(gòu)型的發(fā)電效率最高,可達(dá)到47.5%,但相應(yīng)功率密度和功率質(zhì)量比分別只有263.47 kW/m3和98.73 kW/t;分別以功率密度和功率質(zhì)量比為優(yōu)化目標(biāo),RC構(gòu)型具有最高功率密度282.42 kW/m3和最高功率質(zhì)量比98.81 kW/t。通過(guò)上述優(yōu)化結(jié)果可以看出,以發(fā)電效率為目標(biāo)優(yōu)化得到的設(shè)計(jì)方案總體積和總質(zhì)量較另外兩個(gè)指標(biāo)更高,不利于可移動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的靈活部署;以功率密度和功率質(zhì)量比為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)犧牲循環(huán)熱效率提高了系統(tǒng)緊湊性,因此相應(yīng)設(shè)計(jì)方案在適配可移動(dòng)微型堆方面更具優(yōu)勢(shì)。綜合以上優(yōu)化結(jié)果,選擇RC構(gòu)型以功率密度最大為目標(biāo)優(yōu)化后的結(jié)果作為系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案,RC的最優(yōu)設(shè)計(jì)構(gòu)型及各狀態(tài)點(diǎn)位置如圖19所示(其中1～14為狀態(tài)點(diǎn)),最優(yōu)方案下對(duì)應(yīng)各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)列于表10。

表10 SCO2循環(huán)最佳設(shè)計(jì)方案下各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

圖19 SCO2循環(huán)RC構(gòu)型的最優(yōu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文以不同構(gòu)型的SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型及熱力學(xué)設(shè)計(jì),并開(kāi)展了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下系統(tǒng)不同構(gòu)型參數(shù)優(yōu)化,獲得了不同優(yōu)化目標(biāo)下最佳構(gòu)型及最優(yōu)參數(shù)配置。獲得如下主要結(jié)論。

1) 對(duì)于微型堆SCO2布雷頓循環(huán),系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為熱管反應(yīng)堆、向心式透平、離心式壓縮機(jī)、熱管管殼式主換熱器及再熱器、印刷電路板式回?zé)崞鳌⒈馄匠崞苁嚼鋮s器較為合理。

2) 以發(fā)電效率最大作為優(yōu)化目標(biāo),循環(huán)最優(yōu)構(gòu)型為RHRC,發(fā)電效率最高達(dá)47.5%;以功率密度最大作為優(yōu)化目標(biāo),循環(huán)最優(yōu)構(gòu)型為RC,其功率密度最高可達(dá)282.42 kW/m3;以功率質(zhì)量比最大作為優(yōu)化目標(biāo),循環(huán)最優(yōu)構(gòu)型也為RC,其功率質(zhì)量比最高可達(dá)98.81 kW/t。

3) 通過(guò)不同構(gòu)型對(duì)比發(fā)現(xiàn),RHRC構(gòu)型具有較高效率,但其系統(tǒng)體積和質(zhì)量也會(huì)較大;RC構(gòu)型效率接近RHRC構(gòu)型,且具有較高的功率密度和功率質(zhì)量比,能較好兼顧高效性和緊湊型,更適合作為可移動(dòng)微型堆能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。