CN113871038B - 采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统及循环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统及循环方法，在该发明的核反应堆发电系统中采用了多级换热功率屏蔽换热器。该换热器由两部分组成，第一部分为低功率管壳换热，第二部分为高功率板式换热。高温液态金属锂从核反应堆流出进入换热器，在低功率管壳换热阶段，通过屏蔽金属换热管与低温氦气进行换热。若不进行第二阶段的高功率板式换热，氦气则直接进入涡轮机做功。反之，则通过控制系统，使氦气进入第二阶段的高功率板式换热，通过屏蔽金属换热板片与高温液态锂进行第二阶段换热，满足了不同工况，如出舱作业、空间站休眠的使用需要，实现了换热器低功率和高功率的调节，从而提高了能源利用率和空间站适居性。

Description

采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统及循环方法
技术领域
本发明涉及一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统及循环方法，属于能源综合利用领域。
背景技术
面向深空探测和高分辨率对地观测等重大航天任务的大型航天器已经成为重要的发展趋势。与太阳电源和化学电源相比，空间核电源在太阳能应用困难的深空探测任务和需要大功率电源的近地轨道航天任务中具有明显的技术优势。核能发电是利用核裂变所释放的热能来进行发电，核燃料的能量密度比其他化石燃料大出一个数量级，且核能发电过程本身不会产生二氧化碳，因此燃料储存所占体积小，运输便利，符合国家空间发展的战略需求。
基于核能发电的空间核电系统与普通动力系统相比具有重量轻、体积小、输出功率高等优点，在空间探索任务中起着举足轻重的作用。空间核电源将核能转换为电能，为大功率电推进系统供电。核电推进技术结合核能的高能量密度，以及电推进的高比冲优势，被认为是未来大型空间任务的优先选择方案。空间核电系统的发展代表着一个国家的军事能力和高新技术水平，空间核电系统研究对我国抢占空间战略制高点具有重要意义，因此针对该系统也提出更高的要求，需要更加充分地利用核能，提高能源利用率，确保空间探测过程持久、高效、清洁的电源供应，以保证空间核电系统的安全性，推进我国空间事业的建设和发展。
本文结合多级换热功率屏蔽换热器，从提高核电系统的安全性和能源利用率出发，针对这两点进行了改进。多级换热功率屏蔽换热器的材料采用具有屏蔽功能的钨铼合金，且换热器有低功率和高功率两种模式，在低功率下满足了空间站休眠的使用要求，高功率下满足了工作人员作业的使用要求，从而提升了空间站的适居性，防止了辐射外泄，减轻了后续辐射散热系统热排散的压力。
发明内容
发明目的：
针对当前核电技术中存在的不足，本发明提出了一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统及循环方法，不仅提高了核电系统的能源利用率，还提高了核电系统的安全稳定性，提升了空间站的适居性，更好的满足了实际使用要求。
技术方案：
一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统，首先所述系统中，包括两个回路。
一回路包括核反应堆，压力缓冲装置，气液分离器，多级换热功率屏蔽换热器的热介质通道，电磁泵。液态金属锂吸收核热，从核反应堆出口流出，通过管路，流进压力缓冲装置和气液分离器等辅助装置，再从气液分离器的出口流进多级换热功率屏蔽换热器的热介质通道的进口，进入第一阶段，即管壳式换热阶段，在此阶段，液态金属锂通过屏蔽金属换热管与氦气进行热量交换。热量交换完毕后，在第二阶段，即板式换热阶段，液态金属锂通过屏蔽金属换热板片与氦气进行换热，然后从热流体通道的出口流出，通过管路流进电磁泵加速，回到核反应堆。
多级换热功率屏蔽换热器的主要换热元件为屏蔽金属换热管和屏蔽金属换热板片，此换热器由两部分组成，第一部分为管壳式部分，第二部分为板式部分，针对此结构，换热也分为低功率和高功率阶段，在低功率阶段氦气只通过换热器的管壳式部分进行换热，在高功率阶段，氦气不仅通过管壳式部分进行换热，还通过板式部分换热，从而达到了功率调节的作用，提高了能源利用率，满足了不同情况的使用需要。
二回路包括隔离阀，涡轮机，发电机，压缩机，冷却器，辐射散热器，回热器。高温高压氦气从多级换热功率屏蔽换热器的冷流体通道出口流出，进入涡轮机做功发电，再从管道流入回热器中，与低温氦气进行热量交换，再流入冷却器中，通过冷却器将废热传给辐射散热器，再从冷却器中流出，流入压缩机，压强升高，再从压缩机流出，流入回热器与高温氦气进行换热，换热后重新流入多级换热功率屏蔽换热器与液态金属锂进行对流换热。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明实现了换热器的换热功率调节，将换热功率设为两个挡位，从而达到了功率调节的作用，提高了能源利用率，满足了工作人员出舱工作、空间站休眠时等不同情况的使用需要。
(2)本发明提高了核电系统的安全稳定性，防止了辐射外泄的风险，液态金属锂在屏蔽金属换热管路和屏蔽金属换热板片中流动，通过屏蔽金属换热管和屏蔽金属换热板片与氦气进行换热，上述过程是第一道屏蔽，换热器的屏蔽金属外壳是第二道屏蔽，通过上述方式防止了外泄，提高了空间核电系统的安全稳定性和适居性。
(3)本发明克服了单一的管壳式换热器换热效率低和单一的板式换热器使用温度受限的缺点，合理利用了两种换热器的优点，增大了换热器的使用范围，保证了使用时的安全稳定，提高了换热器的换热效率。
(4)本发明中的多级换热功率屏蔽换热器，在低功率工作时，进入热辐射散热系统的氦气温度较低，减轻了后续的辐射散热系统热排散的压力。
附图说明
图1为本发明一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统的结构示意图；
其中：1-核反应堆，2-压力缓冲装置，3-气液分离器，4-多级换热功率屏蔽换热器，5-回热器，6-冷却器，7-辐射散热器，8-压缩机，9-发电机，10-涡轮机，11-第二隔离阀，12-第一隔离阀，13-三向旋塞阀，14-电磁泵。
图2为本发明一种多级换热功率屏蔽换热器的结构示意图；
其中：15-液态金属入口，16-管板，17-氦气管壳式入口，18-折流板，19-屏蔽金属换热管，20-屏蔽金属换热板片，21-氦气板式出口，22-液态金属出口，23-氦气板式入口，24-液态金属板式入口，25-氦气管壳式出口。
图3为本发明一种多级换热功率屏蔽换热器的三维结构示意图；
图4为本发明屏蔽金属换热板片的结构示意图；
其中：26-液态金属锂通道，27-氦气通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的解释。
一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统(如图1)，包含如下装置，1-核反应堆，2-压力缓冲装置，3-气液分离器，4-多级换热功率屏蔽换热器，5-回热器，6-冷却器，7-辐射散热器，8-压缩机，9-发电机，10-涡轮机，11-第二隔离阀，12-第一隔离阀，13-三向旋塞阀，14-电磁泵。系统包括两个回路，一回路包括核反应堆1、压力缓冲装置2、气液分离器3、多级换热功率屏蔽换热器4、电磁泵14，液态金属锂经一回路循环作业。二回路包括多级换热功率屏蔽换热器4、回热器5、冷却器6、辐射散热器7、压缩机8、发电机9、涡轮机10、第二隔离阀11、第一隔离阀12、三向旋塞阀13，氦气经二回路循环作业。
一种多级换热功率屏蔽换热器(如图2)，包含15-液态金属入口，16-管板，17-氦气管壳式入口，18-折流板，19-屏蔽金属换热管，20-屏蔽金属换热板片，21-氦气板式出口，22-液态金属出口，23-氦气板式入口，24-液态金属板式入口，25-氦气管壳式出口。液态锂进入多级换热功率屏蔽换热器的液态金属锂入口，通过屏蔽金属换热管与氦气进行热量交换，然后液态锂进入板式液态金属锂入口，流入液态金属通道，此为换热第一阶段，即管壳式换热阶段。若进行第二阶段，即板式换热阶段，则控制三向旋塞阀使氦气进入板式冷流体入口，流入氦气通道，通过屏蔽金属换热板片与液态锂进行热量交换，然后氦气从板式冷流体出口流出，液态锂从板式热流体出口流出。
一种屏蔽金属换热板片(如图4)，包含有26-液态金属锂通道，27-氦气通道。液态金属锂与氦气通过屏蔽金属换热板片进行换热。
一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统的工作流程，包括如下过程：
步骤一：一回路中，液态金属锂吸收核热，从核反应堆1流出，通过管路，流进压力缓冲装置2和气液分离器3等辅助装置，再从气液分离器3的出口流进多级换热功率屏蔽换热器4的液态锂通道的入口，进入第一阶段，即管壳式换热阶段，通过屏蔽金属换热管与氦气进行热量交换，热量交换完毕后，在第二阶段，即板式换热阶段，通过屏蔽金属换热板片与氦气进行换热，然后从热流体通道的出口流出，通过管路流进电磁泵加速14，回到核反应堆1。
步骤二：二回路中，氦气从多级换热功率屏蔽换热器的前一级换热的冷流体通道的进口b进入，通过换热金属管与液态锂进行热量交换，若不进行第二阶段的板式换热，则从多级换热功率屏蔽换热器的前一级换热的冷流体出口f流出，调节三向旋塞阀13使氦气不流回换热器，第一隔离阀12打开，第二隔离阀11打开。若进行第二阶段的换热，则从多级换热功率屏蔽换热器的前一级换热的冷流体出口f流出，此时第一隔离阀12关闭，第二隔离阀11打开，通过三向旋塞阀13流入多级换热功率屏蔽换热器的后一级换热的冷流体通道进口e，与液态锂通过屏蔽金属换热板片进行热量交换，然后从多级换热功率屏蔽换热器的后一级换热的冷流体通道出口c流出。流入涡轮机10做功发电，做功完成流进回热器5与低温氦气进行对流换热，换热完毕，流进冷却器6，通过冷却器6，将废热传给辐射散热器7。流入压缩机8经压缩后，流进回热器5中与高温氦气进行对流换热，换热结束后流入多级换热功率屏蔽换热器4中重新与高温液态金属锂进行热量交换，形成循环。
本发明公开一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统，属于能源综合利用领域。在该发明的核反应堆发电系统中采用了多级换热功率屏蔽换热器。本换热器由两部分组成，第一部分为低功率管壳换热，第二部分为高功率板式换热。高温液态金属锂从核反应堆流出进入换热器，在低功率管壳换热阶段，通过屏蔽金属换热管与低温氦气进行换热。若不进行第二阶段的高功率板式换热，氦气则直接流出。反之，则通过阀门控制，使氦气进入第二阶段的高功率板式换热，与高温液态锂进行第二阶段换热，满足了不同情况下的使用需要，实现了低功率和高功率的调节，从而合理提高了能源的利用率。并且具有核辐射屏蔽性能，液态金属锂在板片和管路中流动，通过屏蔽金属换热管和屏蔽金属换热板片与氦气进行换热，上述过程是第一道屏蔽，换热器的屏蔽金属外壳是第二道屏蔽，从而防止了外泄，提高了空间核电系统的安全性。且本换热器克服了单一的管壳式换热器换热效率低和单一的板式换热器使用温度受限的缺点，合理利用了两种换热器的优点，增大了换热器的使用范围，保证了使用时的安全稳定，同时换热效率也得到了提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进，如在地面使用时，采用水冷的形式代替辐射散热器；在海洋使用时，利用海水进行散热；换热管和换热版片的材料采用其它屏蔽金属，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统，包括一、二回路，液态金属锂经一回路循环作业，氦气经二回路循环作业，其特征在于，还包括多级换热功率屏蔽换热器(4)，其热流体通道属于一回路，冷流体通道属于二回路，一回路中的液态金属和二回路中的氦气在多级换热功率屏蔽换热器(4)内进行热量交换；
所述多级换热功率屏蔽换热器(4)包括前后两级换热，其热流体通道贯穿两级换热，两级换热各有一个冷流体通道，前一级换热的冷流体通道出口(f)、后一级换热的冷流体通道进口(e)以及所述二回路的入口通过三向旋塞阀(13)连接，三向旋塞阀(13)与所述二回路的入口之间设置第一隔离阀(12)，后一级换热的冷流体通道出口(c)与所述二回路的入口之间设置第二隔离阀(11)；
所述前一级换热为管壳式换热，包括若干根屏蔽金属换热管(19)，屏蔽金属换热管(19)的材料采用具有屏蔽性能的钨铼合金；
所述后一级换热为板式换热，包括若干个屏蔽金属换热板片(20)，屏蔽金属换热板片(20)的材料采用具有屏蔽性能的钨铼合金；所述屏蔽金属换热板片(20)包括液态金属锂通道(26)和氦气通道(27)，所述液态金属锂通道(26)与所述屏蔽金属换热管(19)连通，所述氦气通道(27)即后一级换热的冷流体通道；
所述一回路包括核反应堆(1)、压力缓冲装置(2)、气液分离器(3)、多级换热功率屏蔽换热器(4)、电磁泵(14)；液态金属依次流经核反应堆(1)的出口、压力缓冲装置(2)、气液分离器(3)、多级换热功率屏蔽换热器(4)的热流体通道、电磁泵(14)和流经核反应堆(1)的进口；
所述二回路包括多级换热功率屏蔽换热器(4)、回热器(5)、冷却器(6)、辐射散热器(7)、压缩机(8)、发电机(9)、涡轮机(10)、第一隔离阀(12)、第二隔离阀(11)、三向旋塞阀(13)；氦气依次经过多级换热功率屏蔽换热器(4)的前一级换热的冷流体通道出口(f)或后一级换热的冷流体通道出口(c)、第一隔离阀(12)或第二隔离阀(11)、涡轮机(10)、回热器(5)的热流体通道、冷却器(6)、压缩机(8)、回热器(5)的冷介质通道、多级换热功率屏蔽换热器(4)的前一级换热的冷流体通道的进口(b)。
2.根据权利要求1所述的一种采用多级换热功率屏蔽换热器的空间核电系统，其特征在于，所述屏蔽金属换热管(19)的外侧沿程设置若干个折流板(18)。
3.基于权利要求1所述的空间核电系统的循环方法，其特征在于，包括如下步骤：
前一级换热：液态金属锂从多级换热功率屏蔽换热器(4)的液态金属锂入口(a)进入与氦气进行热量交换，然后从多级换热功率屏蔽换热器(4)的热流体出口(d)流出，氦气从多级换热功率屏蔽换热器(4)的前一级换热的冷流体通道的进口(b)进入，与屏蔽金属换热管(19)中液态锂进行热量交换；氦气从多级换热功率屏蔽换热器的前一级换热的冷流体通道出口(f)流出，调节三向旋塞阀(13)使氦气不流回多级换热功率屏蔽换热器(4)，第一隔离阀(12)打开，第二隔离阀(11)关闭；
后一级换热：若进行第二阶段的换热，则从多级换热功率屏蔽换热器(4)的前一级换热的冷流体通道出口(f)流出，此时第一隔离阀(12)关闭，第二隔离阀(11)打开，通过三向旋塞阀(13)流入多级换热功率屏蔽换热器(4)的后一级换热的冷流体通道进口(e)，与液态锂通过屏蔽金属换热板片进行热量交换，然后从多级换热功率屏蔽换热器(4)的后一级换热的冷流体通道出口(c)流出。
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