CN114313174B - 超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器，超临界二氧化碳发电故障处理系统包括上浮控制舱、第一阀门及第二阀门；上浮控制舱内填充有液态金属，并用于容置热管的绝热段；热管的蒸发段与冷凝段位于上浮控制舱外；蒸发段与发热源连接，冷凝段与超临界二氧化碳发电装置连接；第一阀门与第二阀门分别设于上浮控制舱的舱壁，第一阀门用于控制上浮控制舱与超临界二氧化碳发电装置所在的发电舱连通；第二阀门用于控制上浮控制舱与海水环境连通。本发明占用空间小，可确保无人潜航器可靠地上浮，并在液态金属排出的过程中，由高温的液态金属带出热管反应堆的热量，确保了热管反应堆的安全。

Description

超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器。

背景技术

无人潜航器是一种海洋先进装备，可以代替人员到广阔的海水区域进行资源探测、渔业考察等工作。然而，受限于能源动力的不足，无人潜航器在海洋作业中难以发挥更大的作用。当前，基于微型的热管反应堆与超临界二氧化碳发电装置的结合，可较好地克服无人潜航器动力不足的缺陷，在理论上为无人潜航器提供无限续航的动力。

无人潜航器在水下航行时，若临界二氧化碳发电装置发生故障，不仅无人潜航器会丧失动力，而且热管反应堆也会丧失冷却条件，此时，无人潜航器需要紧急上浮，以在海面上等待救援和处理。为了对超临界二氧化碳发电故障进行应急处理，主要在无人潜航器内设置水舱，并将水舱与高压气瓶连接。在无人潜航器正常航行时，水舱内充满水，而在故障情况下，通过电控系统控制高压气瓶向水舱内充气，以将水舱内的水吹出，使得无人潜航器的浮力变大，从而实现无人潜航器的紧急上浮。

然而，由于无人潜航器的舱室的空间较小，而热管反应堆与超临界二氧化碳发电装置已经占用了大部分舱室空间，舱室内没有过多的空间布置水舱与存储足够的高压气瓶的空间。与此同时，由于无人潜航器能否顺利上浮，取决于对高压气瓶控制的可靠性，若高压气瓶或者与高压气瓶相关的控制系统出现问题，则无人潜航器无法正常上浮，将会带来极大的危害。

发明内容

本发明提供一种超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器，用以解决或改善现有针对超临界二氧化碳发电故障的处置装置存在占用空间大，难以确保无人潜航器上浮的可靠性问题。

本发明提供一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，包括：上浮控制舱、第一阀门及第二阀门；所述上浮控制舱内填充有液态金属，并用于容置热管的绝热段；所述热管的蒸发段与冷凝段位于所述上浮控制舱外；所述蒸发段与发热源连接，所述冷凝段与超临界二氧化碳发电装置连接；所述第一阀门与所述第二阀门分别设于所述上浮控制舱的舱壁，所述第一阀门用于控制所述上浮控制舱与所述超临界二氧化碳发电装置所在发电舱的连通状态；所述第二阀门用于控制所述上浮控制舱与海水环境的连通状态。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，所述第一阀门与所述第二阀门当中的至少一者为止回阀；在所述第一阀门与所述第二阀门均为止回阀的情况下，所述第一阀门在所述发电舱与所述上浮控制舱的压差大于零时导通，所述第二阀门在所述上浮控制舱与所述海水环境的压差大于零时导通。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，所述止回阀的阀体与阀片之间通过可溶物密封连接；所述可溶物用于在所述液态金属的温度小于预设值的情况下呈固态，在所述液态金属的温度大于或等于预设值的情况下融化。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，所述液态金属包括镓合金液态金属，所述可溶物包括铝。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，还包括：温度传感器与控制模块；所述第一阀门与所述第二阀门当中的至少一者为电控阀；所述温度传感器与所述控制模块连接，所述控制模块与所述电控阀连接；所述温度传感器用于检测所述上浮控制舱内液态金属的温度；所述电控阀在常态下处于闭合状态，所述控制模块用于在所述液态金属的温度大于预设值的情况下控制所述电控阀打开。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，还包括：热反应舱；所述发热源设于所述热反应舱内，所述发热源包括热管反应堆；所述热反应舱、所述上浮控制舱及所述发电舱沿直线顺次排布。

本发明还提供一种无人潜航器，包括：机壳；所述机壳内设有如上任一项所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统。

本发明提供的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器，通过设置上浮控制舱、第一阀门及第二阀门，由装载有液态金属的上浮控制舱替代传统的水舱，可在超临界二氧化碳发电装置出现故障时，利用超临界二氧化碳高压将上浮控制舱内的液态金属排放出去，以在超临界二氧化碳发电装置故障、热管反应堆丧失冷却条件下实现无人潜航器的可靠上浮。

由于液态金属的密度大于水，本发明只需设计较小体积的上浮控制舱即可获得较大的浮力；与此同时，由于取消了传统航行器极其依赖的高压气瓶，而是利用无人潜航器发生故障时所产生的高压气，本发明不仅缩小占用空间，同时提高了可靠性，并且在液态金属排出的过程中，还由高温的液态金属带出热管反应堆的热量，确保了热管反应堆的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的超临界二氧化碳发电故障处理系统在无人潜航器内的布置结构示意图之一；

图2是本发明提供的超临界二氧化碳发电故障处理系统在无人潜航器内的布置结构示意图之二；

图3是本发明提供的超临界二氧化碳发电故障处理系统在无人潜航器内的布置结构示意图之三；

附图标记：

1：机壳； 2：热反应舱；

3：上浮控制舱； 4：发电舱；

5：热管反应堆； 6：热管；

7：超临界二氧化碳发电装置； 31：第一阀门；

32：第二阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图3描述本发明的一种超临界二氧化碳发电故障处理系统及无人潜航器。

如图1至图3所示，本实施例提供一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，包括：上浮控制舱3、第一阀门31及第二阀门32；上浮控制舱3内填充有液态金属，并用于容置热管6的绝热段；热管6的蒸发段与冷凝段位于上浮控制舱3外；蒸发段与发热源连接，冷凝段与超临界二氧化碳发电装置7连接；第一阀门31与第二阀门32分别设于上浮控制舱3的舱壁，第一阀门31用于控制上浮控制舱3与超临界二氧化碳发电装置7所在发电舱4的连通状态；第二阀门32用于控制上浮控制舱3与海水环境的连通状态。其中，本实施例所示的发热源优选为热管反应堆5，发热源也可设置为其它发热形式，在此不做具体限定。

具体地，本实施例通过设置上浮控制舱3、第一阀门31及第二阀门32，由装载有液态金属的上浮控制舱3替代传统的水舱，可在超临界二氧化碳发电装置7出现故障时，利用超临界二氧化碳高压将上浮控制舱3内的液态金属排放出去，以在超临界二氧化碳发电装置7出现故障、热管反应堆5丧失冷却条件下，实现无人潜航器的可靠上浮。

由于液态金属的密度大于水，本实施例只需设计较小体积的上浮控制舱3即可获得较大的浮力；与此同时，由于取消了传统航行器极其依赖的高压气瓶，而是利用无人潜航器发生故障时所产生的高压气，本实施例所示的系统不仅减小了占用空间，可靠性得到提高，并且在液态金属排出的过程中，还由高温的液态金属带出热管反应堆5的热量，确保了热管反应堆5的安全。

在此应指出的是，在无人潜航器正常的水下航行时，液态金属一直储存于上浮控制舱3内，只有在出现超临界二氧化碳发电故障时，才会通过排放液态金属的方式控制无人潜航器的上浮，但是，在本实施例所示的处理方案中，液态金属的排放量相对较小，且液态金属自身不存在相关的放射性与化学性污染，而排放液态金属的直接目的是为了防止因核泄漏对海洋环境造成严重辐射污染，从而排放液态金属对海洋环境中生物的影响几乎可以忽略不计。

本实施例所示的超临界二氧化碳发电装置7具体可采用本领域公知的S-CO₂布雷顿循环的发电系统，该系统主要包括热源、气轮机、发电机、压缩机、冷却器及回热器。其中，热管6的冷凝段作为超临界二氧化碳发电装置7中的热源。

进一步地，该系统的工作过程为：低温低压的S-CO₂工质经过压缩机升压后，通过回热器与气轮机排出的乏气进行换热，预热到一定温度后被热源进一步加热，再进入气轮机进行膨胀做功，以带动发电机发电，气轮机做完功输出的乏气进入回热器，并与压缩机排出的低温高压工质换热，达到预冷的目的，且冷却后的工质进入冷却器进一步冷却，最后进入压缩机，完成了整个循环。

与此同时，本实施例所示的第一阀门31与第二阀门32既可以为本领域公知的电磁控制阀，也可以为机械式的止回阀，在此不做具体限定。

一个优选实施例中，本实施例可设置第一阀门31与第二阀门32当中的至少一者为止回阀；例如：本实施例可设置第一阀门31与第二阀门32均为止回阀，也可将第一阀门31与第二阀门32当中的一者设为止回阀，第一阀门31与第二阀门32当中的另一者设为电磁控制阀。

在整个系统的电能供应出现故障的情况下，发电舱4通常会出现超临界二氧化碳的泄漏，为了确保第一阀门31与第二阀门32在没有电力驱动的情况下能够可靠地开启，本实施例将第一阀门31与第二阀门32优选为止回阀，其中，第一阀门31在发电舱4与上浮控制舱3的压差大于零时导通，第二阀门32在上浮控制舱3与海水环境的压差大于零时导通。

进一步地，本实施例将止回阀的阀体与阀片之间通过可溶物密封连接；可溶物用于在液态金属的温度小于预设值的情况下呈固态，在液态金属的温度大于或等于预设值的情况下融化。其中，预设值具体可以为可溶物的熔点。

如图1所示，在正常运行工况下，热管反应堆5产生的热量通过热管6输送至超临界二氧化碳发电装置7，并由超临界二氧化碳发电装置7冷却。在此过程中，上浮控制舱3内的液态金属保持一定的温度，止回阀内的可溶物呈固态，并将止回阀的阀口封堵，第一阀门31与第二阀门32均处于关闭状态。

如图2所示，在发生超临界二氧化碳泄漏事故时，超临界二氧化碳不再冷却热管6的冷凝段，热管反应堆5内产生的热量使得热管6的温度在短时间内急剧升高，液态金属的温度随之升高，以将第一阀门31与第二阀门32内的可熔物熔化。由于泄漏的超临界二氧化碳具有较高的压力，最高可达到20MPa，发电舱4内的气压在短时间内迅速升高，而上浮控制舱3内为常压，从而发电舱4内的气压大于上浮控制舱3内的液压，第一阀门31在压差的作用下自动开启；在第一阀门31开启后，大量的高压的超临界二氧化碳气体进入至上浮控制舱3内，上浮控制舱3内的压力瞬时增大，这使得第二阀门32即时开启，导致液态金属在气压的作用下从上浮控制舱3内排出。

由于原有的上浮控制舱3的内部空间由高密度的液态金属替换为气体，整个无人潜航器因浮力变大而向上浮起。在无人潜航器上浮的过程中，由于第二阀门32处于的圆柱形航行器壳体后端的负压区，可持续保证发电舱4、上浮控制舱3向外吹出液态金属，同时，由于高温的液态金属的流出，同样带走了热管反应堆5的一部分热量，进一步确保了热管反应堆5的安全。

如图3所示，随着液态金属的排放，在上浮控制舱3与无人潜航器所在海水环境的压力平衡后，第二阀门32在海水压力作用下自动关闭，无人潜航器上浮到海面等待搜寻定位。

在此应指出的是，由于镓合金液态金属具有低熔点与高沸点的特性，当无人潜航器在海水作业时，为防止液态金属因低温而凝固，本实施例所示的液态金属优选为镓合金液态金属。

与此同时，在超临界二氧化碳发电装置7发电运行时，由于液态金属的温度通常会达到400℃-500℃，为了确保可溶物能够在常态下处于固态，并能够适应于发电故障而及时融化，可溶物优选为铝。其中，铝的熔点为660℃。可溶物也可选择与铝的熔点接近的其它物质，在此不做一一列举。

优选地，本实施例所示的超临界二氧化碳发电故障处理系统还可设置温度传感器与控制模块；第一阀门31与第二阀门32当中的至少一者为电控阀；温度传感器与控制模块连接，控制模块与电控阀连接；温度传感器用于检测上浮控制舱3内液态金属的温度；电控阀在常态下处于闭合状态，控制模块用于在液态金属的温度大于预设值的情况下控制电控阀打开。其中，电控阀具体为电磁开关阀。

具体地，在无人潜航器内设置有蓄电池组的情况下，本实施例可以将第一阀门31与第二阀门32均设置为电控阀，以便在超临界二氧化碳发电装置7出现发电故障的情况下，由蓄电池组分别为温度传感器、控制模块、第一阀门31及第二阀门32提供电能，并由控制模块根据液态金属的温度控制第一阀门31与第二阀门32的开关状态。

当然，本实施例也可通过气压传感器检测发电舱4内的气压，以对超临界二氧化碳的泄漏情况进行检测，以在发生超临界二氧化碳的泄漏时，即时控制第一阀门31与第二阀门32开启。

在此应指出的是，本实施例所示的控制模块可以为本领域公知的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、PLC控制器及单片机，在此不做具体限定。

进一步地，本实施例还设置有热反应舱2；发热源设于热反应舱2内；热反应舱2、上浮控制舱3及发电舱4沿直线顺次排布。

在此，当无人潜航器呈圆柱状的情况下，可将热反应舱2、上浮控制舱3及发电舱4依次沿无人潜航器的中轴线排布，以确保无人潜航器整体结构的紧凑性。

如图1至图3所示，本实施例还提供一种无人潜航器，包括：机壳1；机壳1内设有如上任一项所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统。

具体地，由于无人潜航器包括了超临界二氧化碳发电故障处理系统，超临界二氧化碳发电故障处理系统的具体结构可参照上述实施例，则无人潜航器包括了上述实施例的全部技术方案，因此，至少具有上述全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不做一一赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，包括：

上浮控制舱、第一阀门及第二阀门；

所述上浮控制舱内填充有液态金属，并用于容置热管的绝热段；所述热管的蒸发段与冷凝段位于所述上浮控制舱外；所述蒸发段与发热源连接，所述冷凝段与超临界二氧化碳发电装置连接；

所述第一阀门与所述第二阀门分别设于所述上浮控制舱的舱壁，所述第一阀门用于控制所述上浮控制舱与所述超临界二氧化碳发电装置所在发电舱的连通状态；所述第二阀门用于控制所述上浮控制舱与海水环境的连通状态；所述液态金属为镓合金液态金属。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，所述第一阀门与所述第二阀门当中的至少一者为止回阀；

在所述第一阀门与所述第二阀门均为止回阀的情况下，所述第一阀门在所述发电舱与所述上浮控制舱的压差大于零时导通，所述第二阀门在所述上浮控制舱与所述海水环境的压差大于零时导通。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，所述止回阀的阀体与阀片之间通过可溶物密封连接；

所述可溶物用于在所述液态金属的温度小于预设值的情况下呈固态，在所述液态金属的温度大于或等于预设值的情况下融化。

4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，所述液态金属包括镓合金液态金属，所述可溶物包括铝。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，还包括：温度传感器与控制模块；

所述第一阀门与所述第二阀门当中的至少一者为电控阀；所述温度传感器与所述控制模块连接，所述控制模块与所述电控阀连接；所述温度传感器用于检测所述上浮控制舱内液态金属的温度；所述电控阀在常态下处于闭合状态，所述控制模块用于在所述液态金属的温度大于预设值的情况下控制所述电控阀打开。

6.根据权利要求1至5任一所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统，其特征在于，还包括：热反应舱；

所述发热源设于所述热反应舱内，所述发热源包括热管反应堆；所述热反应舱、所述上浮控制舱及所述发电舱沿直线顺次排布。

7.一种无人潜航器，包括机壳，其特征在于，所述机壳内设有如权利要求1至6任一所述的超临界二氧化碳发电故障处理系统。