CN108253416A - 一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热一体化装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热一体化装置及使用方法，集燃烧室与换热器于一体，利用电加热熔化部分Li燃料，使之与氧化剂SF6发生反应，释放热量，通过燃烧室胆壁导热将热量传至燃烧室外的环形换热器，加热换热工质，发生热量交换；可应用于水下动力系统的组织方式简单、控制操作方便的Li/SF6燃烧换热方案，系统采用电线圈加热的方式启动燃烧反应，无需设置单独的点火装置，降低了系统点火启动难度，系统运行过程中，输出功率可控，整体结构紧凑，节省空间的同时有利于减轻系统自重。

Description

一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热一体化装置及使用方法

技术领域

本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热一体化装置及使用方法。

背景技术

基于Li/SF6燃烧反应的热动力装置主要应用于水下航行体的推进系统，例如鱼雷或者水下无人航行器(UUV)。最早开始对Li/SF6热动力推进系统进行研究的是荷兰菲利浦公司，该公司于上世纪60年代通过对多种燃料和氧化剂组合的筛选研究，发现了Li/SF6这种高能量密度燃料组合的优点，并认为这是一种理想的水下动力能源。至80年代，美国从荷兰购买了Li/SF6浸没式燃烧热动力技术专利，投入重金研究，于90年代初将Li/SF6热动力推进系统装备至当时最先进的轻型MK50鱼雷上。随后，美国又在原Li/SF6热动力推进系统的基础上发展了先进型Li/SF6闭式循环热动力推进系统(ADSCEPS)，使得MK50鱼雷航速更高、航距更大、费用更低。美国通用公司和宾州大学对Li/SF6热动力推进系统应用于潜艇做了研究。德国MAN/MWM公司同样从荷兰购得Li/SF6热动力专利，并设计了应用于潜艇的50kW和100kW的Li/SF6热动力系统样机。美国信息联盟航空航天公司设计了采用Li/SF6热动力推进系统的UUV样机。美国艾奥瓦大学对Li/SF6毛细燃烧机理进行了大量研究，并提出燃烧交界面温度预测模型、平板及圆柱毛细现象液态锂流动的半经验求解及非相似求解方法。

国内对Li/SF6热动力推进系统的研究起始于二十世纪80年代，主要由中船重工718所参考美国Li/SF6热动力系统相关研究所公布的有限资料做了部分前期调研和研究规划工作，并在“六五”期间进行了以Li/SF6系统为热源的10马力热气机研究。在“七五”至“八五”期间又进行了Li/SF6闭式兰金循环鱼雷热动力的研究，并取得了一定的成果，较好地掌握了Li/SF6热源系统的特点、反应机理及传热特性，在一些关键技术，如Li/SF6锅炉反应器的启动等方面也有了一定进展。

总体而言，以往的国内外研究主要是针对Li/SF6浸没式燃烧或者毛细缓慢表面燃烧方式进行。但浸没式反应器一旦启动后，Li燃料迅速燃烧，系统的输出功率难以调控，而毛细燃烧组织方式较为复杂，二者均存在目前难以攻克的弊端。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于动力推进系统中的Li/SF6热动力供应装置，可以安全高效地实现Li/SF6热动力系统的燃烧与换热。

一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，包括燃烧室和换热器；所述燃烧室包括顶盖(1)、内胆(5)、外胆(4)以及电加热线圈(10)；所述内胆(5)用于放置锂燃料，内胆(5)置于外胆(4)内，二者由所述顶盖(1)密封形成密闭空腔；外胆(4)底部设有所述电加热线圈(10)；

所述燃烧室外壁面设置有环形罐体(7),从而形成用于盛装换热工质的密封腔体，作为所述换热器；

所述顶盖(1)上设置有与内胆(5)联通的六氟化硫入口(13)和与所述换热器联通的换热工质出口(12)；

所述燃烧室下部设置有与所述换热器联通的换热工质入口(11)。

较佳的，换热工质入口(11)在所述燃烧室下部均匀分布。

进一步的，还包括法兰(3)以及分别连接在罐体(7)上部和下部的上盖封头(6)和下盖封头(8)；所述法兰(3)固连在外胆(4)上部的外侧，并与上盖封头(6)固连，所述顶盖(1)与内胆(5)和法兰(3)均通过螺栓相连接，对燃烧室形成密封。

进一步的，还包括连接在外胆(4)底部的圆筒形的线圈支架(9)，用于固定电加热线圈(10)。

进一步的，所述外胆(4)外侧设置有翅片。

较佳的，内胆(5)由黄铜加工而成。

进一步的，所述顶盖(1)上设置有泄压阀(14)。

一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)系统启动前，内胆(5)预先通以氩气进行扫气，并放置按所需功率定量计算的燃料棒；同时，通过所述换热工质入口(11)向所述换热器内注入换热工质；

(2)系统启动后，由六氟化硫入口(13)向燃烧室内充入六氟化硫气体，排出氩气，使燃料棒处于富氧环境中；

(3)启动电加热电圈(10)，加热外胆(4)底部，从而熔化燃料棒；

(4)燃料棒熔化并达到设定温度后，部分燃料与六氟化硫气体发生反应；

(5)当燃料与六氟化硫气体进入稳定反应阶段后，电加热线圈(10)停止加热，换热工质在换热器内循环，吸收燃料燃烧所放出的热量，通过调节六氟化硫气体的供给量实现燃烧室输出功率的控制；

(6)停止六氟化硫气体供给，运行结束。

较佳的，当需要更换燃料时，拆除内胆(5)，更换带有新燃料棒的内胆(5)，并执行(1)-(6)操作步骤。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热一体化装置，集燃烧室与换热器于一体，利用电加热熔化部分Li燃料，使之与氧化剂SF6发生反应，释放热量，通过燃烧室胆壁导热将热量传至燃烧室外的环形换热器，加热换热工质，发生热量交换；可应用于水下动力系统的组织方式简单、控制操作方便的Li/SF6燃烧换热方案，系统采用电线圈加热的方式启动燃烧反应，无需设置单独的点火装置，降低了系统点火启动难度，系统运行过程中，输出功率可控，整体结构紧凑，节省空间的同时有利于减轻系统自重。

附图说明

图1是预置式Li/SF6燃烧换热一体化装置正视图。

图2是预置式Li/SF6燃烧换热一体化装置剖面图。

图3是预置式Li/SF6燃烧换热一体化装置俯视图。

图4为本发明的使用方法流程图。

其中，1-顶盖，2-密封垫片，3-上部法兰，4-外胆，5-内胆，6-上盖封头，7-罐体，8-下盖封头，9-线圈支架，10-电加热线圈，11-换热工质入口，12-换热介质出口，13-SF6入口，14-泄压阀。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，是预置式Li/SF6燃烧换热室一体化装置正视图，顶部设置有燃烧反应的氧化剂SF6入口13，系统换热介质出口12和保证燃烧室安全运行的泄压阀14，其中，换热介质出口12有三个，设置在底部。

如图2和图3所示，燃烧室的内胆5用于预先放置Li燃料棒，并充以少量惰性保护气体氩气，保证金属Li在燃烧前不被氧化。燃烧室底部设置电加热圈10用以加热熔化Li燃料。氧化剂由SF6入口13进入至燃烧室。电加热线圈10由圆桶型线圈支架9固定在燃烧室底部。线圈支架9以镙钉连接方式与装置主体相连。电加热线圈10工作后，加热外胆4底部的壁面结构，通过传导将热量传到内胆5，使部分Li棒融化为熔融态或液态；当Li液达到一定温度后，与SF6气体发生反应，进而带动整个Li棒持续熔化，并推动反应持续进行。当Li/SF6进入稳定反应阶段后，电加热线圈10停止加热，通过调节SF6气体的供给速率实现燃烧室输出功率的控制。系统燃烧的同时，对燃烧室内胆5进行压力监测，当压力达到警界点后，启动泄压阀14，保证系统运行的安全性。系统启动燃烧反应的同时，启动换热器，换热介质由燃烧室底部的换热介质入口11进入外胆5与罐体7形成的环形换热器，吸收热量，具备做功能力后，由换热介质出口12流出换热器，完成燃烧换热流程，进入动力输出系统继续做功。换热介质的流动动力由动力输出系统提供，不在此方案设计之内。为方便罐体7的加工，燃烧换热一体化装置采用分体式设计，除内、外胆和罐体外，在罐体7的上下两端分别设计了上盖封头6和下盖封头8，可分别加工。上顶盖和上部法兰3以及内胆5均通过螺钉连接，而法兰3与外胆4和上盖封头6均是通过焊接方式相连。

内胆5由导热良好的黄铜加工，可迅速将热量传递至与外胆4相接触的换热工质，确保燃烧室内温度和压力平衡，保证系统安全运行。为进一步扩大换热面积，强化换热效果，外胆4外侧设置一定数量的翅片。

预置式Li/SF6燃烧换热一体化装置主要由燃烧室和包裹其外壁面的环形换热器组成。本发明采用预置式燃烧，系统启动前将Li燃料预先放置于燃烧室内，因此燃烧室也兼做Li燃料的储藏室，节省了系统空间。燃烧室由内胆5和外胆4组成，内胆5内预置Li棒，并接收喷射进来的SF6气体，是Li/SF6燃烧反应区。外胆4与罐体7之间的环形密封腔体填充换热介质，形成换热器主体，换热介质由燃烧室底部进入，吸收热量具备做功能力后，由顶部排出至动力输出系统。

本发明所提出的设计方案无需在燃烧点火前将所有Li燃料加热并融化成液态，而是采用设置于燃烧室底部的线圈加热部分Li燃料，同时在燃烧室中充满氧化剂SF6，一定温度下可促使二者发生燃烧反应，相比于浸没式和毛细式燃烧方案，无需另设点火装置，降低了点火难度。系统启动后，调节氧化剂SF6的供给量来调整燃烧反应放热量，从而达到调整系统总输出功率的目的。根据Li/SF6燃烧特性，生成物密度较大将自动收集沉淀于燃烧室内胆，不必向外移除，相对于毛细燃烧方式，简化了燃烧产物处理流程。

总结本发明一体化装置的使用方法，步骤如下：

(1)系统启动前，内胆5预先通以惰性气体氩气进行扫气，并放置按所需功率定量计算的Li棒，保证锂在燃烧前不被氧化。同时，向外胆4与罐体7之间的环形密封腔内注入换热工质，避免系统启动后因换热不及时而出现干烧现象。

(2)系统启动后，由SF6入口13向燃烧室内充入SF6气体，排出氩气，使Li处于富氧环境中。

(3)启动加热电圈10，电圈工作后，加热外胆4底部的壁面结构，通过传导将热量传到内胆5，从而融化Li棒；

(4)Li液达到一定温度后，部分Li与SF6气体发生反应，放出热量，促进更多的Li熔化，进而带动整个Li棒持续融化和反应，维持可持续燃烧。

(5)当Li/SF6进入稳定反应阶段后，电加热线圈10停止加热，通过调节SF6气体的供给量实现燃烧室输出功率的控制。换热工质在换热器内循环，吸收燃料燃烧所放出的热量，保证燃烧器不致温度过高而被烧毁。同时对燃烧室内胆进行压力监测，当压力达到警界点后，启动泄压阀14，保证系统运行的安全性。

(6)关闭SF6供给系统，运行结束。

(7)如有需要，更换带有新锂燃料的内胆5，重复(1)-(6)操作步骤。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，包括燃烧室和换热器；所述燃烧室包括顶盖(1)、内胆(5)、外胆(4)以及电加热线圈(10)；所述内胆(5)用于放置锂燃料，内胆(5)置于外胆(4)内，二者由所述顶盖(1)密封形成密闭空腔；外胆(4)底部设有所述电加热线圈(10)；

所述燃烧室外壁面设置有环形罐体(7),从而形成用于盛装换热工质的密封腔体，作为所述换热器；

所述顶盖(1)上设置有与内胆(5)联通的六氟化硫入口(13)和与所述换热器联通的换热工质出口(12)；

所述燃烧室下部设置有与所述换热器联通的换热工质入口(11)。

2.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，换热工质入口(11)在所述燃烧室下部均匀分布。

3.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，还包括法兰(3)以及分别连接在罐体(7)上部和下部的上盖封头(6)和下盖封头(8)；所述法兰(3)固连在外胆(4)上部的外侧，并与上盖封头(6)固连，所述顶盖(1)与内胆(5)和法兰(3)均通过螺栓相连接，对燃烧室形成密封。

4.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，还包括连接在外胆(4)底部的圆筒形的线圈支架(9)，用于固定电加热线圈(10)。

5.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，所述外胆(4)外侧设置有翅片。

6.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，内胆(5)由黄铜加工而成。

7.如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置，其特征在于，所述顶盖(1)上设置有泄压阀(14)。

8.一种如权利要求1所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)系统启动前，内胆(5)预先通以氩气进行扫气，并放置按所需功率定量计算的燃料棒；同时，通过所述换热工质入口(11)向所述换热器内注入换热工质；

(2)系统启动后，由六氟化硫入口(13)向燃烧室内充入六氟化硫气体，排出氩气，使燃料棒处于富氧环境中；

(3)启动电加热电圈(10)，加热外胆(4)底部，从而熔化燃料棒；

(4)燃料棒熔化并达到设定温度后，部分燃料与六氟化硫气体发生反应；

(5)当燃料与六氟化硫气体进入稳定反应阶段后，电加热线圈(10)停止加热，换热工质在换热器内循环，吸收燃料燃烧所放出的热量，通过调节六氟化硫气体的供给量实现燃烧室输出功率的控制；

(6)停止六氟化硫气体供给，运行结束。

9.如权利要求8所述的一种预置式锂/六氟化硫燃烧换热装置的使用方法，其特征在于，当需要更换燃料时，拆除内胆(5)，更换带有新燃料棒的内胆(5)，并执行(1)-(6)操作步骤。