CN114183751A - 一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置，属于无人水下航行器技术领域。本发明设计的基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置具有较高的能量密度，应用于无人水下航行器的动力推进系统，该热源以锂为燃料，以六氟化硫为氧化剂，可在封闭环境中燃烧，且燃烧无气态产物排放，不暴露行迹，产物体积较反应消耗的金属燃料体积稍小，可存于系统内不需排放，可实现真正的闭式循环。
Description
技术领域
本发明属于无人水下航行器技术领域，具体涉及一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置。
背景技术
无人水下航行器(UUV)作为一种攻防兼备的新型水下运载器，具有广泛而重要的应用前景。在UUV的关键技术中，动力与推进技术相对落后，成为制约UUV发展的主要瓶颈之一。
UUV动力系统主要分为电动力与热动力两种。目前大多数UUV采用电动力系统，但是目前电池的能量密度不高，无法满足UUV对航程与航速的要求。热动力系统主要由热源与发动机组成，既可直接向系统提供推动能，也可通过透平或者斯特林机提供电动力。热源决定了动力系统的工作特点，传统的碳氢燃料具有较高的能量密度，但它燃烧时有气态产物排放，使得UUV航行时产生尾迹，产物排出还要带走大量的热量，降低了动力系统的效率。
可以看出，目前的技术存在如下问题：
1)电池的能量密度不高，无法满足UUV对航程与航速的要求。
2)传统的碳氢燃料热源为开式循环，工作时排放气态产物，带走大量热量，降低动力系统，暴露行迹。
3)由于水下环境背压的存在，碳氢燃料热源工作时受航行深度影响，航行深度越大，系统向外排气越难，效率越低。
因此，如何设计一种闭式循环热源装置，以克服传统碳氢燃料热源工作时排放气体，降低效率，工作受航行深度影响等缺陷，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种闭式循环热源装置，以克服传统碳氢燃料热源工作时排放气体，降低效率，工作受航行深度影响等缺陷。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置，包括顶盖1、氩气进口2、六氟化硫喷嘴3、真空接口4、外壳体5、换热翅片6、内壳体7、金属锂8；
其中，所述内壳体7与外壳体5组成双层筒体，且换热翅片6位于外壳体5与内壳体7之间，外壳体5、换热翅片6、内壳体7三者采用焊接方式进行连接，形成换热通道；顶盖1与双层筒体通过法兰连接，形成反应器，氩气进口2、六氟化硫喷嘴3、真空接口4分别焊接在顶盖1上，金属锂8位于反应器内，且六氟化硫喷嘴3的喷射口伸入到反应器内部金属锂8上方一定位置。
优选地，所述金属锂8内均匀分布多个星形孔，每个星形孔内安装材料为铝热剂的点火药柱81，且点火药柱81顶部留有圆孔，供陶瓷加热棒82安装固定。
优选地，所述星形孔设计为：中心为圆孔，且周向均匀分布5个径向延伸的槽83。
本发明还提供了一种所述热源装置的使用方法。
优选地，包括以下步骤：
热源装置未启动时，金属锂8以固态形式预置在反应器内，通过真空接口4将反应器内的空气抽出，从氩气进口2注入氩气，使腔内压力高于大气压，并为金属锂8与六氟化硫反应提供惰性气氛；
热源装置启动时，金属锂8内预置的点火药柱82燃烧，将金属锂8加热熔化为液态，六氟化硫气体通过六氟化硫喷嘴3进入反应器，由于六氟化硫喷嘴3不接触液态锂，六氟化硫气体在液态金属锂液表面与液态金属锂发生反应，放出热量，这些热量通过内壳体7与外壳体5之间的换热翅片6带出。
优选地，还包括步骤：反应后产生的反应产物9沉积在双层筒体底部。
本发明还提供了一种闭式循环动力系统，包括所述的热源装置。
优选地，所述系统还包括与所述热源装置配合的发动机。
优选地，该系统中，所述热源装置放出的热量可带动发动机做功。
优选地，所述系统为无人水下航行器。
(三)有益效果
本发明的热源装置具有如下优点：
1)采用锂和六氟化硫作为燃料，锂与六氟化硫热源能量密度为锂电池的3至4倍，可在封闭环境中燃烧，且燃烧无气态产物产生，不暴露行迹，不受航行深度影响，反应产物密度大于液态锂，可沉积在反应器底部储存，实现真正的闭式循环。
2)分离式喷嘴设计：六氟化硫喷嘴不直接接触液态锂，锂与六氟化硫在锂液表面反应，相较于浸没喷射燃烧方式，分离式喷嘴设计可避免六氟化硫流量不合适或反应中止时喷嘴堵塞。同时，由于分离式喷嘴不直接与高温液态锂接触，可避免受液态锂腐蚀。
3)壳体换热器一体化设计：壳体双层筒体内焊接作为换热介质的换热翅片，形成换热通道。换热介质输出热量，同时冷却内壳体，可防止锂与六氟化硫反应高温将其烧蚀损坏；
4)星形孔的设计中，中心圆孔可固定铝热剂药柱，四周径向延伸的槽可为气体膨胀提供缓冲空间，防止点火药柱起燃瞬间反应器超压，同时，星形孔的槽可增加传热面积，加快金属锂熔化升温。
附图说明
图1为本发明的锂和六氟化硫闭式循环热源装置示意图；
图2为本发明中的星形孔及其内填充物示意图；
图3为本发明的反应器腔体温度曲线图；
图4a、图4b为反应产物图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置包括顶盖1、氩气进口2、六氟化硫喷嘴3、真空接口4、外壳体5、换热翅片6、内壳体7、金属锂8；
其中，内壳体7与外壳体5组成双层筒体，且换热翅片6位于外壳体5与内壳体7之间，外壳体5、换热翅片6、内壳体7三者采用焊接方式进行连接，形成换热通道；顶盖1与双层筒体通过法兰连接，形成反应器，氩气进口2、六氟化硫喷嘴3、真空接口4分别焊接在顶盖1上，金属锂8位于反应器内，且六氟化硫喷嘴3的喷射口伸入到反应器内部金属锂8上方一定位置；
如图2所示，金属锂8内均匀分布多个星形孔，每个星形孔内安装材料为铝热剂的点火药柱81，且点火药柱81顶部留有圆孔，供陶瓷加热棒82安装固定。星形孔进一步设计为：中心为圆孔，且周向均匀分布5个径向延伸的槽83，这样，一方面，中心的圆孔可用于固定点火药柱81，防止其晃动；另一方面，槽83可为气体膨胀提供缓冲空间，防止点火药柱81点燃瞬间反应器内超压，同时，槽83进一步增加了传热面积，使点火药柱81放出的热量能够更快地熔化加热金属锂8。
本发明的上述热源装置工作原理如下：
热源装置未启动时，金属锂8以固态形式预置在反应器内，通过真空接口4将反应器内的空气抽出，从氩气进口2注入氩气，使腔内压力略高于大气压，防止空气与金属锂8发生反应，并为金属锂8与六氟化硫反应提供惰性气氛；
热源装置启动时，金属锂8内预置的点火药柱82燃烧，将金属锂8加热熔化为液态，六氟化硫气体通过六氟化硫喷嘴3进入反应器，由于六氟化硫喷嘴3不直接接触液态锂，六氟化硫气体在液态金属锂液表面与液态金属锂发生反应，放出大量热量，这些热量通过内壳体7与外壳体5之间的换热翅片6带出，可带动发动机做功。反应产物9为固态，且密度大于液态金属锂，因此，反应产物9能够沉积在双层筒体底部，无需排出，实现真正的闭式循环。
图3为锂与六氟化硫热源原理样机运行时反应器腔体温度曲线。该热源装置运行时，反应器腔体内温度可达1000K以上，可满足大部分热机热源需求。图4a、图4b为锂与六氟化硫热源装置运行后的反应产物，可以看出反应较为完全。从表面至底部分别呈青绿色，白色，黄色，黑色，分析认为白色的产物为氟化锂，黄色的为硫化锂，底部的一层黑色物为锂，呈现黑色是由于锂在接触空气后氧化造成，分析认为锂与SF6燃烧得很充分，锂基本被消耗完。
可以看出，本发明设计的基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置具有较高的能量密度，应用于无人水下航行器(UUV)的动力推进系统，该热源以锂为燃料，以六氟化硫为氧化剂，可在封闭环境中燃烧，且燃烧无气态产物排放，不暴露行迹，产物体积较反应消耗的金属燃料体积稍小，可存于系统内不需排放，可实现真正的闭式循环。该热源装置配合发动机组成的闭式循环动力系统，能量密度为锂电池的3至4倍，具有能量密度高、无向外排放物、性能不受航行深度影响的优点，能够克服传统碳氢燃料热源工作时排放气体，降低效率，工作受航行深度影响等缺陷，可以满足水下航行器长续航力、高隐蔽性的要求。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于锂和六氟化硫反应的闭式循环热源装置，其特征在于，包括顶盖(1)、氩气进口(2)、六氟化硫喷嘴(3)、真空接口(4)、外壳体(5)、换热翅片(6)、内壳体(7)、金属锂(8)；
其中，所述内壳体(7)与外壳体(5)组成双层筒体，且换热翅片(6)位于外壳体(5)与内壳体(7)之间，外壳体(5)、换热翅片(6)、内壳体(7)三者采用焊接方式进行连接，形成换热通道；顶盖(1)与双层筒体通过法兰连接，形成反应器，氩气进口(2)、六氟化硫喷嘴(3)、真空接口(4)分别焊接在顶盖(1)上，金属锂(8)位于反应器内，且六氟化硫喷嘴(3)的喷射口伸入到反应器内部金属锂(8)上方一定位置。
2.如权利要求1所述的热源装置，其特征在于，所述金属锂(8)内均匀分布多个星形孔，每个星形孔内安装材料为铝热剂的点火药柱(81)，且点火药柱(81)顶部留有圆孔，供陶瓷加热棒(82)安装固定。
3.如权利要求2所述的热源装置，其特征在于，所述星形孔设计为：中心为圆孔，且周向均匀分布5个径向延伸的槽(83)。
4.一种如权利要求1或2或3所述热源装置的使用方法。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
热源装置未启动时，金属锂(8)以固态形式预置在反应器内，通过真空接口(4)将反应器内的空气抽出，从氩气进口(2)注入氩气，使腔内压力高于大气压，并为金属锂(8)与六氟化硫反应提供惰性气氛；
热源装置启动时，金属锂(8)内预置的点火药柱(82)燃烧，将金属锂8加热熔化为液态，六氟化硫气体通过六氟化硫喷嘴(3)进入反应器，由于六氟化硫喷嘴(3)不接触液态金属锂，六氟化硫气体在液态金属锂液表面与液态金属锂发生反应，放出热量，这些热量通过内壳体(7)与外壳体(5)之间的换热翅片(6)带出。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括步骤：反应后产生的反应产物(9)沉积在双层筒体底部。
7.一种闭式循环动力系统，其特征在于，包括如权利要求1或2或3所述的热源装置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述热源装置配合的发动机。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统中，所述热源装置放出的热量可带动发动机做功。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统为无人水下航行器。
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