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        鋰在熱管反應器吸液芯上毛細作用的理論分析

        2018-10-29 09:31:16鄭邯勇李維維
        數字海洋與水下攻防 2018年1期
        關鍵詞:吸液目數絲網

        朱 強,鄭邯勇,李維維,張 強

        (中國船舶重工集團公司第七一八研究所,河北邯鄲056000)

        0 引言

        鋰與六氟化硫在一定條件下可以反應,釋放出很高的熱量,并生成液態(tài)氟化鋰與硫化鋰產物。產物體積與消耗鋰的體積大致相同,可以儲存在反應器中,不用向系統(tǒng)外排出。鋰 /六氟化硫反應器與汽輪機或斯特林發(fā)動機配合,可以構成性能優(yōu)異的閉式循環(huán)動力系統(tǒng),適合用作水下航行器的動力裝置[1-3]。

        鋰/六氟化硫反應有兩種形式。一種是浸沒噴射反應,氧化劑噴嘴與傳熱管均浸沒在液態(tài)鋰中,氧化劑噴射到液態(tài)鋰中發(fā)生反應,反應熱量經過液態(tài)鋰或產物傳遞到傳熱管壁,再傳輸給工質。由于氧化劑噴嘴直接與高溫鋰或產物接觸,停止反應后容易引起噴嘴的堵塞。因此這種反應方式適用于輸出功率大、持續(xù)時間短的應用場合;另一種是吸液芯反應,吸液芯布置在鋰液面上,液態(tài)鋰通過毛細作用傳輸到吸液芯上,與氧化劑反應,通過鋰的蒸發(fā)與冷凝實現反應熱量傳遞。由于六氟化硫噴嘴位于鋰液面上,停止反應后噴嘴不會堵塞,可以做到重復啟動,但是這種反應形式的放熱量受到吸液芯燃料傳輸能力限制,適用于小功率、長時間工作的應用場合。我們稱這種反應形式的反應器為熱管反應器[4]。

        熱管反應器結構示意圖見圖1,主要由筒體、傳熱管、吸液芯、法蘭蓋等組成,反應器上部是反應及傳熱區(qū),下部是鋰和產物儲存區(qū),吸液芯距傳熱管內壁一定距離處布置,其下端延伸到鋰液面下,六氟化硫噴嘴安裝在反應器的頂部。

        工作時,液態(tài)鋰在表面張力作用下沿吸液芯上升,與六氟化硫在吸液芯內表面反應放熱。反應熱量傳遞給吸液芯,吸液芯中的鋰受熱蒸發(fā),一部分參與反應,一部分擴散到傳熱管壁冷凝,將熱量傳給工質,凝結的鋰液沿螺旋管壁流至鋰池。反應產物在吸液芯上冷凝為液體,沿吸液芯向下流至儲存區(qū)底部。毛細提升力把鋰源源不斷提供給吸液芯,反應可以一直進行到鋰消耗完,反應產物儲存在反應器中[5-6]。

        在熱管反應器中鋰既是燃料,又是傳熱介質。吸液芯不僅起輸送燃料與導流產物作用,而且反應與傳熱都圍繞吸液芯進行。吸液芯作為傳熱系統(tǒng)的一部分,與傳統(tǒng)熱管的蒸發(fā)段有些類似。熱管中工作介質的循環(huán)靠吸液芯產生的毛細壓頭維持,由于吸液芯所能提供的壓頭是有限的,將使熱管的最大傳熱量受到限制。對熱管反應器來說,鋰 /六氟化硫反應放出熱量,同時吸液芯中鋰的蒸發(fā)帶走熱量,將使吸液芯溫度保持在一定水平。如果吸液芯不能輸送足夠的鋰到反應器上部,滿足反應與傳熱要求,吸液芯會發(fā)生局部干涸,可能引起吸液芯或傳熱管燒蝕,這種極限即是吸液芯毛細極限。

        為了研究熱管反應器的設計、工作特性以及吸液芯毛細極限,本文建立理論模型,對鋰在吸液芯上的毛細作用進行理論分析。

        圖1 熱管反應器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat pipe reactor structure

        1 吸液芯理論分析[7-8]

        圖2是吸液芯理論模型示意圖。液態(tài)鋰在毛細作用下爬升到吸液芯中,氧化劑噴入由法蘭蓋、吸液芯與鋰液面組成的封閉空間內,吸液芯上的鋰與氧化劑反應,反應熱使吸液芯上更多的鋰蒸發(fā),從吸液芯內部蒸發(fā)的鋰與氧化劑反應,從吸液芯外部蒸發(fā)的鋰在傳熱管壁冷凝,將熱量傳輸給工質。我們假定吸液芯表面鋰的燃燒速度均勻,鋰從吸液芯外表面的蒸發(fā)速度也均勻。假設系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),液面上全部反應熱量通過吸液芯傳輸。吸液芯液面上高度為H,吸液芯單位面積反應的燃料質量流量為mC″,吸液芯單位面積蒸發(fā)的燃料質量流量是mE″,吸液芯熱流密度是q″。

        吸液芯有多種結構形式,本文研究的吸液芯是由金屬絲網制成的。多層金屬絲網緊密排列在一起,構成多孔材料,對液體有一定的毛細作用。由于高溫情況下鋰具有很高的還原性,六氟化硫具有極高的氧化性,綜合考慮耐腐蝕情況,金屬絲網采用不銹鋼材質。

        圖2 吸液芯理論模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of wick theoretical model

        單位面積吸液芯用于反應與蒸發(fā)的燃料質量流量:

        吸液芯單位寬度的鋰流量:

        式(2)可以寫成:

        吸液芯上鋰流量隨著高度而變化:

        吸液芯中由重力和粘性引起的壓力降與吸液芯提供的毛細壓力平衡。

        為計算粘性壓降,用到達西定律:

        總粘性壓降為

        將式(6) 代入式(7),積分得:

        圖2中A點彎月面半徑為無窮大,吸液芯毛細壓力為

        鋰在吸液芯中最大提升高度條件下,毛細壓力等于靜壓與粘性壓力之和。

        解方程(10),得到:

        式中:m″為燃料單位面積質量流量;q″為熱流密度;Qr為鋰/六氟化硫反應熱;hfg為鋰的汽化熱;m'為吸液芯單位寬度燃料流量;H為吸液芯液面上高度;ΔpS為吸液芯毛細壓頭;ΔpV為粘性壓力;ρ為液態(tài)鋰的密度;μ為液態(tài)鋰的粘度;DW為吸液芯直徑;AW為吸液芯截面積;t為吸液芯厚度;R為吸液芯彎月面半徑;σ為液態(tài)鋰表面張力;d為吸液芯鋼絲直徑;N為吸液芯絲網目數;K為吸液芯滲透率;ε為吸液芯空隙率。

        2 鋰在吸液芯上升高度的計算及分析

        熱管反應器工作時吸液芯保持豎直狀態(tài),液態(tài)鋰依靠毛細作用力上升到吸液芯參加反應與傳熱,因為傳熱管布置在吸液芯外圍,合理的吸液芯上升高度不僅提供足夠的反應面積,而且提供足夠的傳熱面積,因此液態(tài)鋰在吸液芯上的上升高度是一個重要參數。

        根據公式(11)計算液態(tài)鋰在絲網吸液芯的上升高度,分析絲網目數、層數、液態(tài)鋰溫度以及熱流密度等參數對鋰在吸液芯上升高度的影響。由于鋰/六氟化硫反應產物氟化鋰與硫化鋰的共熔點大約為810℃,又考慮到不銹鋼絲網的熔點與耐腐蝕狀況,所以計算時假定鋰溫度取值范圍在827~1 027℃。熱管反應器存在毛細極限,熱流密度太大會引起吸液芯燒毀,因此熱流密度假定在1 000 kW/m2以下。

        在溫度827℃、熱流密度500 kW/m2條件下,分別對目數為20目、40目、80目,層數為2層、3層、4層的絲網吸液芯的鋰上升高度進行計算。表1為鋰在吸液芯上升高度隨層數與目數變化的計算結果。圖3為鋰在絲網吸液芯的上升高度隨目數與層數變化趨勢圖。

        表1 鋰在吸液芯上升高度隨層數與目數變化計算結果Table.1 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with layer number and mesh number

        從圖3可以看出,鋰在吸液芯的上升高度隨著絲網層數的增加而增大,但是在熱管反應器設計時絲網層數不宜選取過多,一般選取4層。因為層數多,絲網厚度就增加,會增大吸液芯的熱阻,引起吸液芯內外溫差增大,增大吸液芯受到腐蝕的可能性。鋰上升高度與絲網目數不成正比關系,在一定條件下有一個最佳目數,使得鋰的上升高度最大。這是因為增加絲網目數會增加吸液芯的毛細提升能力,但同時也增大粘性壓力,圖3中鋰上升高度取得最大值的目數是50目左右。

        圖3 鋰在絲網吸液芯的上升高度隨目數與層數變化趨勢圖Fig.3 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with mesh number and layer number

        在熱流密度500 kW/m2條件下,對80目、4層網狀吸液芯的鋰上升高度隨溫度變化進行了計算。表2為鋰在吸液芯上升高度隨溫度變化的計算結果。圖4為鋰在吸液芯的上升高度隨溫度變化趨勢圖。

        表2 鋰在吸液芯上升高度隨溫度變化計算結果Table 2 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with temperature

        圖4 鋰在絲網吸液芯的上升高度隨溫度變化趨勢圖Fig.4 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with temperature

        從圖4可以看出,在溫度827~1 027℃范圍內,鋰的上升高度隨溫度變化不明顯。原因是盡管溫度升高,使得液態(tài)鋰的密度與粘度值都減小,有利于鋰在吸液芯的上升,但是鋰的表面張力也減小了,兩方面作用相互抵消了。

        在827℃ 溫度條件下,對80目、4層網狀吸液芯,鋰在吸液芯的上升高度隨熱流密度變化情況進行了計算。表3為鋰在吸液芯上升高度隨熱流密度變化計算結果。圖5為鋰在吸液芯的上升高度隨熱流密度變化趨勢圖。

        表3 鋰上升高度隨熱流密度變化計算結果Table 3 Calculation result of rising height of lithium changing with heat flux

        圖5 鋰在絲網吸液芯的上升高度隨熱流密度變化趨勢圖Fig.5 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with heat flux

        從圖5可以看出,隨著熱流密度增加,鋰在吸液芯的上升高度反而減小。因為熱流密度的增加,要求更多的鋰參加反應,上升高度低有利于鋰在吸液芯的流動。

        3 結束語

        通過對熱管反應器吸液芯理論模型的研究,得到了鋰在吸液芯上升高度的計算公式,對給定條件下鋰在吸液芯的上升高度進行了計算,根據計算結果分析了鋰在吸液芯上升高度隨絲網層數、絲網目數、溫度、熱流密度等參數的變化規(guī)律,為熱管反應器設計及吸液芯參數選擇提供了理論依據。

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