CN114439558B - 基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统 - Google Patents
基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿‑朗肯循环核动力系统，属于核动力热电转换领域。解决了大功率核动力航天器高效热电转换问题及常规的超临界CO2循环系统高效率与压缩机进口温度难以冷却取到CO2的临界温度之间的矛盾问题。它包括空间核反应堆子系统、超临界混合工质热电转换子系统、空间热排放子系统、循环工质供给子系统和朗肯循环余热利用子系统。本发明以超临界N2O和He混合物工质实现高效热电转换，并采用再压缩布雷顿‑朗肯循环系统减少冷却器部件热耗散，综合利用混合工质在导热性、热容、压缩比等方面的优势，本发明的空间核动力系统的转换效率40％以上，实现了核能、电能和动力之间的高效转换。
Description
技术领域
本发明属于先进空间核动力热电转换技术领域，尤其是涉及一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统。
背景技术
随着科技的进步，人类探索宇宙、寻求地外能源的需求越来越迫切。深空探测是航天器重要的应用领域，热电转换技术是制约航天器深空探测能力的重要因素。深空探测任务牵引了多种热电转换技术的发展，热电转换技术的进步也为深空探测任务的拓展提供了更多选择。空间核动力因具有能量密度大、适应性强、运行时间长等优点逐渐成为载人探索的理想选择。
核能在航天的应用主要有放射性同位素电源、空间核反应堆电源和核热推进等，是自主能源，基本不受太空环境影响。目前，放射性同位素带能源技术已经比较成熟，小部分反应堆核电源也仍然处于千瓦级以内的小功率范围。热电转换方式分为静态热电转换和动态转换，静态热电转换主要包含热电偶热电转换、碱金属热电转换以及热离子热电转换，碱金属热电转换实验室测试下转换效率高，但在核反应堆电源上应用尚不成熟，热电偶热电转换和热离子热电转换转换效率低(7％)，功率较低，无法满足大功率航天特种设备需要，目前多用于小功率的空间探测器；动态热电转换主要包含斯特林循环、布雷顿循环和朗肯循环，转换效率高、功率高。
对于空间核动力系统，在大功率阶段下，空间布雷顿循环系统和空间核能斯特林循环发展和应用较多。布雷顿循环时大功率空间核动力的主要研究方向，转换的功率范围宽，可以从数十千瓦到兆瓦级；可以采用高温气冷反应堆；适用于双模式反应堆。
常规的超临界CO2循环系统高效率与压缩机进口温度难以冷却取到CO2的临界温度之间的矛盾问题，以及更先进的空间核能布雷顿循环热电转换装置的关键性能指标为：更高的循环热效率、灵活功率调节及回收系统热耗散等。在确保安全性提高系统热力学性能的同时，需要兼顾系统的经济性能。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，以解决了大功率核动力航天器高效热电转换问题及常规的超临界CO2循环系统高效率与压缩机进口温度难以冷却取到CO2的临界温度之间的矛盾问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，包括空间核反应堆子系统、超临界混合工质热电转换子系统、空间热排放子系统、循环工质供给子系统和朗肯循环余热利用子系统；
所述的超临界混合工质热电转换子系统包括布雷顿循环涡轮、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机和发电机，所述的主压缩机、再压缩机、发电机和布雷顿循环涡轮同轴布置，主压缩机的出口与低温回热器的冷流侧进口连通，低温回热器的冷流侧出口与高温回热器的冷流侧进口连通，高温回热器的冷流侧出口与循环工质供给子系统的混合工质管路连通，混合工质管路与换热器内的换热器混合工质管路连通，所述换热器混合工质管路与布雷顿循环涡轮的进口连通，布雷顿循环涡轮的出口与高温回热器的热流侧进口连通，高温回热器的热流侧出口与低温回热器的热流侧进口连通，低温回热器的热流侧出口与混合工质回路一连通，所述的混合工质回路一与设置在朗肯循环余热利用子系统的蒸发器内的蒸发器混合工质回路连通，蒸发器混合工质回路通过混合工质回路二分别与压缩机的进口及冷却器内的冷却器混合工质管路连通，冷却器混合工质管路与主压缩机的进口连通，再压缩机的出口与连通在低温回热器的冷流侧出口及高温回热器的冷流侧进口之间管路连通；
所述的循环工质供给子系统为超临界混合工质热电转换子系统提供循环工质，所述的空间核反应堆子系统用来加热流经换热器的循环工质，所述的混合工质为N2O和He的混合物，所述的超临界混合工质热电转换子系统通过布雷顿循环涡轮将循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率驱动主压缩机和再压缩机完成循环工质循环增压，部分轴功率用于驱动发电机输出电能；所述的空间热排放子系统将超临界混合工质热电转换子系统的冷却器中的热量导出；所述的朗肯循环余热利用子系统再利用所述的超临界混合工质热电转换子系统余热。
更进一步的，所述空间核反应堆子系统包括核反应堆和位于换热器内的换热器工质锂管路，所述的核反应堆的出口与进口分别与换热器工质锂管路的两端连通。
更进一步的，所述空间热排放子系统包括辐射散热器和设置在冷却器内的冷却器载热剂管路，所述辐射散热器与冷却器载热剂管路连通。
更进一步的，所述循环工质供给子系统还包括氦气存储罐、氦气电磁阀、氦气流量计、氦气止回阀、一氧化二氮气体存储罐、一氧化二氮气体电磁阀、一氧化二氮气体流量计、一氧化二氮气体止回阀和混合工质混合罐，所述氮气存储罐通过氮气管路与混合工质混合罐的进口连通，所述一氧化二氮气体存储罐通过一氧化二氮管路与混合工质混合罐的进口连通，混合工质混合罐的出口与混合工质管路连通，所述氦气电磁阀、氦气流量计和氦气止回阀依次设置在氮气管路上，所述一氧化二氮气体电磁阀、一氧化二氮气体流量计和一氧化二氮气体止回阀依次设置在一氧化二氮管路上。
更进一步的，超临界N2O和He混合物工质中He的摩尔比例范围为0.10-0.40。
更进一步的，在混合工质管路上依次设有混合工质电动阀、混合工质流量计和混合工质供给总电磁阀。
更进一步的，所述朗肯循环余热利用子系统还包括朗肯循环涡轮、冷凝器、电磁泵和设置在蒸发器内的蒸发器有机工质回路，所述朗肯循环涡轮的出口与冷凝器的进口连通，冷凝器的出口与电磁泵连通，所述电磁泵与蒸发器有机工质回路连通，所述蒸发器有机工质回路与朗肯循环涡轮的进口连通。
更进一步的，所述布雷顿循环涡轮和主压缩机设置在轴的两端，所述再压缩机靠近主压缩机布置，所述发电机设置在再压缩机和布雷顿循环涡轮之间。
更进一步的，所述辐射散热器为热管式、流体回路式或液滴式辐射散热器。
更进一步的，在冷却器载热剂管路中通入液态金属钾作为载热剂，将冷却器中的热量导出，在深空环境放热，完成换热循环。
与现有技术相比，本发明所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统的有益效果是：
(1)以N2O和He混合气体作为循环工质，采用超临界再压缩布雷顿-朗肯联合循环进行热电转换，转换效率40％以上，实现了核能、电能和动力之间的高效转换；
(2)系统设计中引入了循环工质供给子系统，对N2O和He混合工质的热物性分析，可根据深空探测任务调节N2O和He的混合比，提高系统运行灵活性；
(3)同时，系统中一部分流体不经过主压缩机来减少吸热，通过分流方式是循环系统增加吸热量，减少了冷却器中的部分能量损失；朗肯循环进一步对余热进行利用，从而整体提高系统循环热效率。
(4)本发明适用于以核能为动力，长期在轨运行、深空探测的飞行器以及星表基地能源站等方面具有广泛的应用前景。
(5)根据循环工质子系统的N2O和He的流量调节功率从千瓦级到兆瓦级及混合比例控制系统热效率，从而适应不同飞行任务功率调节。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、空间核反应堆子系统；2、超临界N2O和He混合物工质热电转换子系统；3、空间热排放子系统；4、循环工质供给子系统；5、朗肯循环余热利用子系统；6、核反应堆；7、换热器；8、换热器工质锂管路；9、换热器混合工质管路；10、布雷顿循环涡轮；11、高温回热器；12、低温回热器；13、冷却器；14、冷却器混合工质管路；15、主压缩机；16、再压缩机；17、发电机；18、布雷顿循环总电磁阀；19、冷却器载热剂管路；20、辐射散热器；21、氦气存储罐；22、氦气电磁阀；23、氦气流量计；24、氦气止回阀；25、一氧化二氮气体存储罐；26、一氧化二氮气体电磁阀；27、一氧化二氮气体流量计；28、一氧化二氮气体止回阀；29、混合工质混合罐；30、混合工质电动阀；31、混合工质流量计；32、混合工质供给总电磁阀；33、蒸发器；34、朗肯循环涡轮；35、冷凝器；36、电磁泵；37、蒸发器混合工质回路；38、蒸发器有机工质回路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，包括空间核反应堆子系统1、超临界混合工质热电转换子系统2、空间热排放子系统3、循环工质供给子系统4和朗肯循环余热利用子系统5；
所述的超临界混合工质热电转换子系统2包括布雷顿循环涡轮10、高温回热器11、低温回热器12、主压缩机15、再压缩机16和发电机17，所述的主压缩机15、再压缩机16、发电机17和布雷顿循环涡轮10同轴布置，所述布雷顿循环涡轮10和主压缩机15设置在轴的两端，所述再压缩机16靠近主压缩机15布置，所述发电机17设置在再压缩机16和布雷顿循环涡轮10之间；主压缩机15的出口与低温回热器12的冷流侧进口连通，低温回热器12的冷流侧出口与高温回热器11的冷流侧进口连通，高温回热器11的冷流侧出口与循环工质供给子系统4的混合工质管路连通，混合工质管路与换热器7内的换热器混合工质管路9连通，所述换热器混合工质管路9与布雷顿循环涡轮10的进口连通，布雷顿循环涡轮10的出口与高温回热器11的热流侧进口连通，高温回热器11的热流侧出口与低温回热器12的热流侧进口连通，低温回热器12的热流侧出口与混合工质回路一连通，所述的混合工质回路一与设置在朗肯循环余热利用子系统5的蒸发器33内的蒸发器混合工质回路37连通，蒸发器混合工质回路37通过混合工质回路二分别与再压缩机16的进口及冷却器13内的冷却器混合工质管路14连通，冷却器混合工质管路14与主压缩机15的进口连通，再压缩机16的出口与连通在低温回热器12的冷流侧出口及高温回热器11的冷流侧进口之间管路连通；
所述的循环工质供给子系统4为超临界混合工质热电转换子系统2提供循环工质，所述的空间核反应堆子系统1用来加热流经换热器7的循环工质，所述的混合工质为N2O和He的混合物，所述的超临界混合工质热电转换子系统2通过布雷顿循环涡轮10将高温高压的循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率驱动主压缩机15和再压缩机16完成循环工质循环增压，部分轴功率用于驱动发电机17输出电能；所述的空间热排放子系统3将超临界混合工质热电转换子系统2的冷却器13中的热量导出；所述的朗肯循环余热利用子系统5再利用所述的超临界混合工质热电转换子系统2余热。
该系统以超临界N2O和He混合物为工质，由于N2O的临界点温度(36.37℃)比CO2的临界点温度(30.98℃)稍高，N2O/CO2二者临界点压力相差不大(7.24MPa/7.38MPa)。He工质中加入N2O能够提高混合物的临界点温度，从而较好解决常规的超临界CO2循环循环系统高效率与压缩机进口温度难以冷却到CO2的临界温度之间的矛盾。
所述空间核反应堆子系统1包括核反应堆6和位于换热器7内的换热器工质锂管路8，所述的核反应堆6的出口与进口分别与换热器工质锂管路8的两端连通。
所述空间热排放子系统3包括辐射散热器20和设置在冷却器13内的冷却器载热剂管路19，所述辐射散热器20与冷却器载热剂管路19连通。所述辐射散热器20为热管式、流体回路式或液滴式辐射散热器。在冷却器载热剂管路19中通入液态金属钾作为载热剂，将冷却器中的热量导出，在深空环境放热，完成换热循环。
所述循环工质供给子系统4还包括氦气存储罐21、氦气电磁阀22、氦气流量计23、氦气止回阀24、一氧化二氮气体存储罐25、一氧化二氮气体电磁阀26、一氧化二氮气体流量计27、一氧化二氮气体止回阀28和混合工质混合罐29，所述氦气存储罐21通过氦气管路与混合工质混合罐29的进口连通，所述一氧化二氮气体存储罐25通过一氧化二氮管路与混合工质混合罐29的进口连通，混合工质混合罐29的出口与混合工质管路连通，所述氦气电磁阀22、氦气流量计23和氦气止回阀24依次设置在氦气管路上，所述一氧化二氮气体电磁阀26、一氧化二氮气体流量计27和一氧化二氮气体止回阀28依次设置在一氧化二氮管路上。
超临界N2O和He混合物工质中He的摩尔比例范围为0.10-0.40，存在一个最佳值，具体最佳值得确定根据系统的设计边界条件通过优化计算确定。
在混合工质管路上依次设有混合工质电动阀30、混合工质流量计31和混合工质供给总电磁阀32。
所述朗肯循环余热利用子系统5还包括朗肯循环涡轮34、冷凝器35、电磁泵36和设置在蒸发器33内的蒸发器有机工质回路38，所述朗肯循环涡轮34的出口与冷凝器35的进口连通，冷凝器35的出口与电磁泵36连通，所述电磁泵36与蒸发器有机工质回路38连通，所述蒸发器有机工质回路38与朗肯循环涡轮34的进口连通。朗肯循环余热利用子系统5减少整个循环系统热耗散。
本申请的系统在运行时，整个循环工程中，循环工质供给子系统根据任务需求N2O和He混合比以及流量，N2O和He混合物工质进入换热器混合工质回路9吸收由核反应堆6堆芯导出的热量，高温高压混合工质携带热量进入布雷顿循环涡轮10做功进行等熵膨胀，混合工质在高温回热器11完成定压放热，此时混合工质携带的热量对低温侧工质进行进一步加热，而后到低温回热器12中进行等压放热过程。从低温回热器12出来的混合工质进入蒸发器33加热朗肯循环有机工质，而后被一分为二，一部分混合工质直接进入主压缩机15完成等熵压缩，然后进入低温回热器12等压加热，与再压缩机出口混合工质汇合，两部分混合工质汇合后温度应大致相同，混合后的混合工质在高温回热器11等压加热，最后通过换热器7吸收来自核反应堆6的热量，如此实现了整个热电转换循环过程。朗肯循环余热利用子系统5中的有机循环工质依次流经蒸发器33、朗肯循环涡轮34、冷凝器35、电磁泵36而后再次回到蒸发器33，由此完成朗肯循环余热吸收。
系统稳定后，可根据需求灵活开关布雷顿循环总电磁阀18和混合工质供给总电磁阀32，保证循环的封闭性和完整性。
对应图1中的各部件混合工质状态应该保持在：超临界N2O和He混合物工质热电转换子系统中的工质气体流量为0.5-1.5kg/s；布雷顿循环涡轮10进口温度为1000-1200K，等熵效率为88％；高温回热器11和低温回热器12的回热度为0.5-1.0；主压缩机15和再压缩机16的分流比为0.25-0.4，压缩比为2.5-3.5；等熵效率为85％；主压缩机15进口温度为315-340K，本申请的系统达到40％以上系统热效率。
和现有技术相比较，本发明采用超临界N2O和He混合物工质，混合物工质的临界温度增加，有效提高了循环系统的热效率；通过设置再压缩机，能过解决低温回热器夹点问题，从而实现低温回热器的有效控制；增加朗肯循环余热利用子系统，较少整个循环系统热耗散，达到整体提高热电转换系统热效率和运行高效性目的。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：包括空间核反应堆子系统(1)、超临界混合工质热电转换子系统(2)、空间热排放子系统(3)、循环工质供给子系统(4)和朗肯循环余热利用子系统(5)；
所述的超临界混合工质热电转换子系统(2)包括布雷顿循环涡轮(10)、高温回热器(11)、低温回热器(12)、主压缩机(15)、再压缩机(16)和发电机(17)，所述的主压缩机(15)、再压缩机(16)、发电机(17)和布雷顿循环涡轮(10)同轴布置，主压缩机(15)的出口与低温回热器(12)的冷流侧进口连通，低温回热器(12)的冷流侧出口与高温回热器(11)的冷流侧进口连通，高温回热器(11)的冷流侧出口与循环工质供给子系统(4)的混合工质管路连通，混合工质管路与换热器(7)内的换热器混合工质管路(9)连通，所述换热器混合工质管路(9)与布雷顿循环涡轮(10)的进口连通，布雷顿循环涡轮(10)的出口与高温回热器(11)的热流侧进口连通，高温回热器(11)的热流侧出口与低温回热器(12)的热流侧进口连通，低温回热器(12)的热流侧出口与混合工质回路一连通，所述的混合工质回路一与设置在朗肯循环余热利用子系统(5)的蒸发器(33)内的蒸发器混合工质回路(37)连通，蒸发器混合工质回路(37)通过混合工质回路二分别与再压缩机(16)的进口及冷却器(13)内的冷却器混合工质管路(14)连通，冷却器混合工质管路(14)与主压缩机(15)的进口连通，再压缩机(16)的出口与连通在低温回热器(12)的冷流侧出口及高温回热器(11)的冷流侧进口之间管路连通；
所述的循环工质供给子系统(4)为超临界混合工质热电转换子系统(2)提供循环工质，所述的空间核反应堆子系统(1)用来加热流经换热器(7)的循环工质，所述的混合工质为N2O和He的混合物，所述的超临界混合工质热电转换子系统(2)通过布雷顿循环涡轮(10)将循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率驱动主压缩机(15)和再压缩机(16)完成循环工质循环增压，部分轴功率用于驱动发电机(17)输出电能；所述的空间热排放子系统(3)将超临界混合工质热电转换子系统(2)的冷却器(13)中的热量导出；所述的朗肯循环余热利用子系统(5)再利用所述的超临界混合工质热电转换子系统(2)余热。
2.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述空间核反应堆子系统(1)包括核反应堆(6)和位于换热器(7)内的换热器工质锂管路(8)，所述的核反应堆(6)的出口与进口分别与换热器工质锂管路(8)的两端连通。
3.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述空间热排放子系统(3)包括辐射散热器(20)和设置在冷却器(13)内的冷却器载热剂管路(19)，所述辐射散热器(20)与冷却器载热剂管路(19)连通。
4.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述循环工质供给子系统(4)还包括氦气存储罐(21)、氦气电磁阀(22)、氦气流量计(23)、氦气止回阀(24)、一氧化二氮气体存储罐(25)、一氧化二氮气体电磁阀(26)、一氧化二氮气体流量计(27)、一氧化二氮气体止回阀(28)和混合工质混合罐(29)，所述氦气存储罐(21)通过氦气管路与混合工质混合罐(29)的进口连通，所述一氧化二氮气体存储罐(25)通过一氧化二氮管路与混合工质混合罐(29)的进口连通，混合工质混合罐(29)的出口与混合工质管路连通，所述氦气电磁阀(22)、氦气流量计(23)和氦气止回阀(24)依次设置在氦气管路上，所述一氧化二氮气体电磁阀(26)、一氧化二氮气体流量计(27)和一氧化二氮气体止回阀(28)依次设置在一氧化二氮管路上。
5.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：超临界N2O和He混合物工质中He的摩尔比例范围为0.10-0.40。
6.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：在混合工质管路上依次设有混合工质电动阀(30)、混合工质流量计(31)和混合工质供给总电磁阀(32)。
7.根据权利要求1所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述朗肯循环余热利用子系统(5)还包括朗肯循环涡轮(34)、冷凝器(35)、电磁泵(36)和设置在蒸发器(33)内的蒸发器有机工质回路(38)，所述朗肯循环涡轮(34)的出口与冷凝器(35)的进口连通，冷凝器(35)的出口与电磁泵(36)连通，所述电磁泵(36)与蒸发器有机工质回路(38)连通，所述蒸发器有机工质回路(38)与朗肯循环涡轮(34)的进口连通。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述布雷顿循环涡轮(10)和主压缩机(15)设置在轴的两端，所述再压缩机(16)靠近主压缩机(15)布置，所述发电机(17)设置在再压缩机(16)和布雷顿循环涡轮(10)之间。
9.根据权利要求3所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：所述辐射散热器(20)为热管式、流体回路式或液滴式辐射散热器。
10.根据权利要求3所述的基于混合工质超临界再压缩布雷顿-朗肯循环核动力系统，其特征在于：在冷却器载热剂管路(19)中通入液态金属钾作为载热剂，将冷却器中的热量导出，在深空环境放热，完成换热循环。
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