CN113782233B - 一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，包括内循环回路和外循环回路；内循环回路中通过核反应堆中流出的高温液体金属在脉动换热器中与外循环回路中的氦气进行换热；氦气升温后进入涡轮机发电，并经过回热器流向水氧除碳一体化装置；流出的氦气经过冷却器的进一步散热后，进入压缩机，由压缩机流入回热器中，预热至固定温度后，再进入脉动换热器进行下一轮换热；本发明还提供了换热介质脉动装置及控制模块，通过自定义参数，周期调节阀门开度，使换热介质产生周期脉动，进一步提升换热效率；引入了水氧除碳一体化装置，实现废水利用和氧气制取，除去二氧化碳，维持空间系统中的生存环境。
Description
技术领域
本发明涉及能源循环利用技术领域，主要涉及一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统。
背景技术
随着全世界能源需求的持续增长和能源结构的优化，传统的化石能源在社会经济发展中的地位正在逐步削弱，发展更加高效能源的技术是当前的趋势。核能作为一种高效的能源，近几十年在全世界范围类得到了广泛的应用，特别是核能发电技术，目前已经十分成熟，其工作原理主要是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，与传统的火电技术相比，其具备清洁、环保、低耗、系统体积质量小等诸多优点。
在核能发电技术中，核裂变产生的巨大热量主要通过换热器进行利用，因此提高换热器的换热效率是实现核能高效发电的关键因素。目前，提高换热器的换热效率主要分为两种：从换热器的结构出发的被动强化换热，以及从换热工质流动特性出发的主动强化换热。主动强化换热主要利用外部输入，加装扰流元件来实现强化换热的目的，相比被动强化换热，它具有很高的灵活性，能够应对不同的流动工况，通过外部的控制或利用算法，实现最优的强化换热效果。脉动强化换热是主动强化换热的一种形式，在空间核电系统中加入脉动强化换热，能提高换热器的换热效率，提升核能的利用率。
目前，空间核电系统的热电转换效率普遍低于30％，因此会有超过60％的热量以废热的形式通过辐射散热器排除系统，造成了能源的浪费。在空间核电系统的外回路中引入水氧除碳一体化技术，能充分利用核电系统的废热，实现空间核电系统的水的循环利用、氧气的制取以及二氧化碳的清除，提高了整个核电系统能量的利用率。另外，空间核电系统作为空间动力系统，通常和空间站的建设紧密相联，因此维持和保障空间中的生存环境，对推进和完善空间技术也有重要的意义。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，在空间核电循环系统中增加了脉动换热器和水氧除碳一体化装置，增加能源利用率，提高整个系统的发电效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，包括内循环回路和外循环回路；
所述内循环回路包括核反应堆，所述核反应堆通过管路依次连接压力缓冲装置、气液分离器和脉动换热器；管路中采用液体金属作为内循环介质，液体金属在脉动换热器中完成换热后，经过电磁泵回流至核反应堆；
所述外循环回路采用氦气作为外循环介质；氦气在脉动换热器中完成换热后，通过管路流至涡轮机；所述涡轮机外接有发电机；氦气经涡轮机后流入回热器的热介质回路，并依次流入水氧除碳一体化装置、冷却器，经由压缩机压缩后，回流至回热器的冷介质回路；氦气经过回热器预热后，最终回流至脉动换热器；所述发电机与压缩机连接。
进一步地，所述脉动换热器包括热介质脉动装置、换热罐和冷介质脉动装置；所述换热罐中段为冷介质换热空间，两端用挡板(16)隔开；所述冷介质换热空间中分别沿上下罐壁交错设置有若干折流板(17)；所述冷介质脉动装置(18)设置于冷介质换热空间一侧，冷介质出口设置于远离冷介质脉动装置的另一侧罐壁；所述换热罐两侧依次为热介质输入端和热介质输出端；所述热介质脉动装置(15)设置于热介质输入端外侧，热介质输出端外侧连接有热介质出口；所述热介质输入端通过横穿于冷介质换热空间的若干条换热管道与热介质输出端相连；液体金属在换热管道中完成换热降温后，经由热介质出口流出脉动换热器；氦气在冷介质换热空间中换成换热升温后，经由冷介质出口流出脉动换热器。
进一步地，所述热介质脉动装置和冷介质脉动装置采用相同的控制模块；所述控制模块包括外部电源、输入端、控制电路、液压装置和流量调节阀；所述控制电路由外部电源供能，通过输入端输入参数，控制液压装置产生周期变化的压力，流量调节阀受到液压装置的液压作用力，周期调节阀门开度，使换热介质产生周期脉动。
进一步地，所述换热罐罐体和换热管道均采用钨铼合金制作。
进一步地，所述水氧除碳一体化包括废水蒸馏器、废水泵、蒸汽冷凝器、废水循环柜、冷凝水柜、电解水装置、氧气储存罐、氢气储存罐、汽水分离器、CO2加氢反应装置和氦气稳压泵；所述废水循环柜收集废水后，一部分流入废水蒸馏器，另一部分通过废水泵抽至蒸汽冷凝器中作为冷凝介质；废水蒸馏器对废水进行蒸馏，热蒸汽经过管道流入蒸汽冷凝器中冷凝处理，形成的液态水流至冷凝水柜中进行储存；所述电解水装置接收冷凝水柜流入的液态水，由发电机供电进行电解，生成的氧气储存于氧气储存罐中，生成的氢气保存于氢气储存罐中；所述氢气储存罐与CO2加氢反应装置连接，在CO2加氢反应装置中完成反应后完成反应后，生成的水和甲烷的混合物经由汽水分离器分离，液体水回流至冷凝水柜，甲烷排出系统；氦气通过管道流入废水蒸馏器中为蒸馏提供热能，并流出至CO2加氢反应装置，为CO2加氢反应继续提供热能，最终通过氦气稳压泵流向冷却器。
进一步地，所述脉动换热器与涡轮机之间设置有第一隔离阀；所述冷却器与压缩机间设有第二隔离阀；所述冷却器与辐射散热器相连，用于进一步散出多余热量。
有益效果：
(1)本发明在换热器的冷热介质入口增加了脉动装置，可以通过输入端自定义流体脉动的特征(如频率和幅值)，实现流体流量的周期脉动，增强换热器中冷、热介质的扰动，达到强化换热的效果，提高核能的利用率。
(2)本发明在空间核电系统的外部回路中，增加了水氧除碳一体化装置，利用核电系统的废热，实现空间系统中水的循环利用、氧气制取以及二氧化碳的处理，即保障空间系统的生存环境，又能提高能源的利用率，一定程度还降低了冷却器和辐射散热器的工作负荷。
附图说明
图1是本发明提供的基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统结构示意图；
图2是本发明提供的脉动换热器结构示意图；
图3是本发明提供的冷、热介质脉动装置控制模块结构示意图；
图4是本发明提供的水氧除碳一体化装置结构示意图。
附图标记说明：
1-核反应堆；2-压力缓冲装置；3-气液分离器；4-脉动换热器；5-电磁泵；6-第一隔离阀；7-涡轮机；8-发电机；9-回热器；10-水氧除碳一体化装置；11-冷却器；12-辐射散热器；13-第二隔离阀；14-压缩机；15-热介质脉动装置；16-挡板；17-折流板；18-冷介质脉动装置；19-外部电源；20-输入端；21-控制电路；22-液压装置；23-流量调节阀；24-废水蒸馏器；25-废水泵；26-蒸汽冷凝器；27-废水循环柜；28-冷凝水柜；29-电解水装置；30-氧气储存罐；31-氢气储存罐；32-汽水分离器；33-CO2加氢反应装置；34-氦气稳压泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供了一种包括脉动换热器和水氧除碳一体化装置的空间核电循环系统，结构如图1所示。本发明提供的空间核电循环系统分为内循环回路和外循环回路。内循环回路采用液体金属作为传热介质，核反应堆1通过管路依次连接压力缓冲装置2、气液分离器3和脉动换热器4。液体金属在脉动换热器4中完成换热后，经过电磁泵5回流至核反应堆。
脉动换热器4具体结构如图2所示，包括热介质脉动装置15、换热罐和冷介质脉动装置18。；换热罐中段为冷介质换热空间，两端用挡板16隔开；冷介质换热空间中分别沿上下罐壁交错设置有若干折流板17；冷介质脉动装置18设置于冷介质换热空间一侧，冷介质出口设置于远离冷介质脉动装置的另一侧罐壁；换热罐两侧依次为热介质输入端和热介质输出端；热介质脉动装置15设置于热介质输入端外侧，热介质输出端外侧连接有热介质出口；热介质输入端通过横穿于冷介质换热空间的若干条换热管道与热介质输出端相连；液体金属在换热管道中完成换热降温后，经由热介质出口流出脉动换热器4；氦气在冷介质换热空间中换成换热升温后，经由冷介质出口流出脉动换热器4。
液态金属从热介质脉动装置进口a流入，流入热介质脉动装置15，从热介质脉动装置出口b流出，再从换热罐热流体进口c流入热介质输入端。氦气从冷介质脉动装置进口e流入冷介质脉动装置18，从冷介质脉动装置出口f流出，再从换热罐冷流体进口g流入冷介质换热空间。液体金属在流经换热管道时与外部氦气进行充分换热，完成换热降温后，流入热介质输出端，并由热介质输出端流出。
上述热介质脉动装置15和冷介质脉动装置18均采用相同的控制模块，具体结构如图3所示。控制模块包括外部电源19、输入端20、控制电路21、液压装置22和流量调节阀23；控制电路21由外部电源19供能，通过输入端20输入参数，控制液压装置22产生周期变化的压力，流量调节阀23受到液压装置22的液压作用力，周期调节阀门开度，使换热介质产生周期脉动。换热介质的周期脉动可以产生涡街，扰动热边界层，使得热边界层变薄，进而达到强化换热效果。
换热罐罐体和换热管道均采用钨铼合金制成。钨合金对核辐射具有明显的屏蔽作用，由于液态金属走的是核反应堆的内部回路，会携带核辐射。液体金属只在换热管道中流动，可以起到双层屏蔽效果，又可以防止泄漏。
外循环回路采用氦气作为传热介质，氦气在脉动换热器4中完成换热后，通过管路流至涡轮机7。在脉动换热器4和涡轮机7之间设有第一隔离阀6。涡轮机7外接有发电机8，通过涡轮机7做功，发电机8实现供电。氦气经涡轮机7后流入回热器9的热介质回路，并依次流入水氧除碳一体化装置10、冷却器11。冷却器11外接有辐射散热器12，用于进一步散出多余热能。经由压缩机14压缩后，回流至回热器9的冷介质回路。冷却器11与压缩机14间设置有第二隔离阀13。压缩机14与发电机8连接，由发电机8提供动力。氦气经过回热器9预热后，最终回流至脉动换热器4。
由于经过压缩机14压缩的氦气温度过低，直接流入脉动换热器4后与液体金属温度差过大，换热效率反而会降低，因此需要设置回热器9，将经过涡轮机7做功后的氦气与经过压缩机14压缩后的氦气进一步进行换热，提升回流氦气的温度，使其达到最佳换热温度后，再流入脉动换热器4，这样可以有效提升脉动换热器4的换热效率。
本发明中采用的水氧除碳一体化装置10结构如图4所示。包括废水蒸馏器24、废水泵25、蒸汽冷凝器26、废水循环柜27、冷凝水柜28、电解水装置29、氧气储存罐30、氢气储存罐31、汽水分离器32、CO2加氢反应装置33和氦气稳压泵34。废水循环柜27负责收集空间站中的各种废水，这些废水经过初步过滤处理后，一部分流入废水蒸馏器24，另一部分通过废水泵25抽至蒸汽冷凝器26中作为冷凝介质。废水蒸馏器24对废水进行蒸馏。此时高温氦气流经废水蒸馏器24底部管道k1，进行蒸馏，获得的热蒸汽经过管道i流入蒸汽冷凝器26中冷凝处理，形成的液态水通过管道P流至冷凝水柜28中进行储存。当氧气不足时，电解水装置29接收冷凝水柜28通过管道f流入的液态水，由发电机8进行电解，生成的氧气储存于氧气储存罐30中，生成的氢气保存于氢气储存罐31中。氢气储存罐31与CO2加氢反应装置33连接。水氧除碳一体化装置收集空间站中的CO2并输入至CO2加氢反应装置33中，在加热和催化剂(如Pd、TiO2等)条件下，完成反应。流经废水蒸馏器24的氦气通过管道q流至CO2加氢反应装置33，为反应提供热能。由于氦气在流经各个管道时管道内压力会逐渐下降，因此在流出CO2加氢反应装置33时加装了氦气稳压泵34，稳定氦气管道内的压力。最终氦气通过氦气稳压泵34流向冷却器11。生成的水和甲烷的混合物经由汽水分离器32分离，液体水回流至冷凝水柜28，甲烷排出系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，其特征在于，包括内循环回路和外循环回路；
所述内循环回路包括核反应堆（1），所述核反应堆（1）通过管路依次连接压力缓冲装置（2）、气液分离器（3）和脉动换热器（4）；管路中采用液体金属作为内循环介质，液体金属在脉动换热器（4）中完成换热后，经过电磁泵（5）回流至核反应堆；
所述外循环回路采用氦气作为外循环介质；氦气在脉动换热器（4）中完成换热后，通过管路流至涡轮机（7）；所述涡轮机（7）外接有发电机（8）；氦气经涡轮机（7）后流入回热器（9）的热介质回路，并依次流入水氧除碳一体化装置（10）、冷却器（11），经由压缩机（14）压缩后，回流至回热器（9）的冷介质回路；氦气经过回热器（9）预热后，最终回流至脉动换热器（4）；所述发电机（8）与压缩机（14）连接；
所述脉动换热器（4）包括热介质脉动装置（15）、换热罐和冷介质脉动装置（18）；所述换热罐中段为冷介质换热空间，两端用挡板（16）隔开；所述冷介质换热空间中分别沿上下罐壁交错设置有若干折流板（17）；所述冷介质脉动装置（18）设置于冷介质换热空间一侧，冷介质出口设置于远离冷介质脉动装置的另一侧罐壁；所述换热罐两侧依次为热介质输入端和热介质输出端；所述热介质脉动装置（15）设置于热介质输入端外侧，热介质输出端外侧连接有热介质出口；所述热介质输入端通过横穿于冷介质换热空间的若干条换热管道与热介质输出端相连；液体金属在换热管道中完成换热降温后，经由热介质出口流出脉动换热器（4）；氦气在冷介质换热空间中换成换热升温后，经由冷介质出口流出脉动换热器（4）；
所述热介质脉动装置（15）和冷介质脉动装置采用相同的控制模块；所述控制模块包括外部电源（19）、输入端（20）、控制电路（21）、液压装置（22）和流量调节阀（23）；所述控制电路（21）由外部电源（19）供能，通过输入端（20）输入参数，控制液压装置（22）产生周期变化的压力，流量调节阀（23）受到液压装置（22）的液压作用力，周期调节阀门开度，使换热介质产生周期脉动；
所述换热罐罐体和换热管道均采用钨铼合金制作。
2.根据权利要求1所述的基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，其特征在于，所述水氧除碳一体化装置（10）包括废水蒸馏器（24）、废水泵（25）、蒸汽冷凝器（26）、废水循环柜（27）、冷凝水柜（28）、电解水装置（29）、氧气储存罐（30）、氢气储存罐（31）、汽水分离器（32）、CO2加氢反应装置（33）和氦气稳压泵（34）；所述废水循环柜（27）收集废水后，一部分流入废水蒸馏器（24），另一部分通过废水泵（25）抽至蒸汽冷凝器（26）中作为冷凝介质；废水蒸馏器（24）对废水进行蒸馏，热蒸汽经过管道流入蒸汽冷凝器（26）中冷凝处理，形成的液态水流至冷凝水柜（28）中进行储存；所述电解水装置（29）接收冷凝水柜（28）流入的液态水，由发电机（8）供电并进行电解，生成的氧气储存于氧气储存罐（30）中，生成的氢气保存于氢气储存罐（31）中；所述氢气储存罐（31）与CO2加氢反应装置（33）连接，在CO2加氢反应装置（33）中完成反应后，生成的水和甲烷的混合物经由汽水分离器（32）分离，液体水回流至冷凝水柜（28），甲烷排出系统；氦气通过管道流入废水蒸馏器（24）中为蒸馏提供热能，并流出至CO2加氢反应装置（33），为CO2加氢反应继续提供热能，最终通过氦气稳压泵（34）流向冷却器（11）。
3.根据权利要求1所述的基于脉动换热和水氧除碳一体化的空间核电循环系统，其特征在于，所述脉动换热器（4）与涡轮机（7）之间设置有第一隔离阀（6）；所述冷却器（11）与压缩机（14）间设有第二隔离阀（13）；所述冷却器（11）与辐射散热器（12）相连，用于进一步散出多余热量。
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