倪文濤，丁校勇，廉麗莉，趙愛虎，解家春

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所， 北京 102413)

1 引言

空間核反應(yīng)堆電源具有壽命長、高比功率、高可靠性和不依賴于太陽光等優(yōu)點(diǎn)，是深空探索理想的能源選擇[1-3]。空間核反應(yīng)堆電源的熱電轉(zhuǎn)換方式分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，靜態(tài)轉(zhuǎn)換包括溫差發(fā)電、熱離子轉(zhuǎn)換、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換包括斯特林循環(huán)、布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)等。溫差發(fā)電和熱離子轉(zhuǎn)換的效率相對較低，通常應(yīng)用于幾十千瓦左右的空間堆電源系統(tǒng)；堿金屬熱電轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電技術(shù)不成熟，目前還處于研究階段。與布雷頓循環(huán)相比，斯特林循環(huán)在同樣的熱端和冷端溫度下能達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率，是國際上百千瓦量級空間堆電源的主選技術(shù)路線之一，而在兆瓦以上功率范圍常選擇工作溫度更高的布雷頓循環(huán)；朗肯循環(huán)的工質(zhì)吸熱汽化后需去除夾帶液體，氣液分離技術(shù)尚未成熟，而斯特林循環(huán)不需要考慮相變；因此，斯特林循環(huán)是空間核反應(yīng)堆電源的理想循環(huán)形式。液態(tài)金屬(如鋰和鈉鉀合金等)傳熱能力強(qiáng)、沸點(diǎn)高、流動(dòng)性好，是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的良好熱源工質(zhì)。因此，液態(tài)金屬加熱斯特林發(fā)電機(jī)成為空間核電源熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主選路線之一。

2006年，美國開展FSP(fission surface power)項(xiàng)目，采用鈉鉀合金冷卻堆芯方案，自由活塞斯特林動(dòng)力轉(zhuǎn)換被確定為月球和火星上潛在的FSP系統(tǒng)的一個(gè)可行的選擇[4-5]。2007年，Sunpower公司研制的EG-1000采用鈉鉀合金流動(dòng)傳熱，采用兩機(jī)對置構(gòu)型，在熱端溫度550 ℃、冷端溫度40 ℃下，發(fā)電機(jī)電輸出功率達(dá)到2 240 W，熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28.6%[6]。近年來，國內(nèi)的中科院理化所、航天510所和電科第十六所等單位開展了斯特林發(fā)電技術(shù)研究，研制出了原理樣機(jī)并開展了燃?xì)饣鹧嬉约案邷厝埯}加熱方式下的試驗(yàn)測試[7-8]，其中510所開展的燃?xì)饣鹧婕訜? kW自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)測試較為典型[9]。國內(nèi)尚未開展液態(tài)金屬加熱自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)研究，僅進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬計(jì)算工作。

為驗(yàn)證液態(tài)金屬加熱國產(chǎn)斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)可行性，同時(shí)為液態(tài)金屬加熱斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)性能提升提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，本文開展了鈉鉀合金加熱1 kW自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)試驗(yàn)，完成了國產(chǎn)斯特林發(fā)電機(jī)在鈉鉀合金加熱工況下發(fā)電的原理驗(yàn)證，獲取了斯特林發(fā)電機(jī)在鈉鉀合金加熱工況下的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步探究了鈉鉀合金流量、溫度等參數(shù)對斯特林發(fā)電機(jī)性能的影響規(guī)律，并與燃?xì)饣鹧婕訜嵩囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及試驗(yàn)過程

為開展鈉鉀合金加熱斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電試驗(yàn)研究，搭建了專用的鈉鉀合金試驗(yàn)臺架，試驗(yàn)對象為經(jīng)過燃?xì)饧訜嵩囼?yàn)測試的1 kW自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)，為滿足鈉鉀合金加熱要求對斯特林發(fā)電機(jī)的熱頭進(jìn)行了適應(yīng)性改造。

2.1 鈉鉀合金試驗(yàn)臺架

鈉鉀合金試驗(yàn)臺架由鈉鉀合金主回路、鈉鉀合金灌注和排放系統(tǒng)、水冷回路、儀控電系統(tǒng)組成。由鈉鉀合金主回路的電加熱器來加熱鈉鉀合金，電磁泵實(shí)現(xiàn)鈉鉀合金在主回路內(nèi)的流動(dòng)，斯特林發(fā)電機(jī)作為發(fā)電部件，將鈉鉀合金傳送過來的熱能轉(zhuǎn)換為電能。水冷回路實(shí)現(xiàn)斯特林發(fā)電機(jī)廢熱排放。鈉鉀合金灌注和排放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鈉鉀合金的灌注、排放和凈化功能。儀控電系統(tǒng)主要包括電氣系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 斯特林發(fā)電試驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程框圖

2.2 斯特林發(fā)電機(jī)

在上述試驗(yàn)臺架上安裝了國產(chǎn)自由活塞斯特林發(fā)電樣機(jī)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，熱端換熱器從熱源吸熱，使熱腔內(nèi)氣體受熱膨脹推動(dòng)配氣活塞運(yùn)動(dòng)，熱能轉(zhuǎn)化為冷腔內(nèi)氣體壓力波，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞連同發(fā)電機(jī)動(dòng)子一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切割磁感線實(shí)現(xiàn)發(fā)電?；?zé)崞髟诠べ|(zhì)從熱腔流向冷腔時(shí)吸收熱量，在工質(zhì)流回?zé)崆粫r(shí)將熱量釋放，用以提高循環(huán)效率。進(jìn)行鈉鉀合金加熱試驗(yàn)時(shí)，高溫鈉鉀合金從斯特林發(fā)電機(jī)熱頭入口流入，通過壁面與斯特林發(fā)電機(jī)內(nèi)部工質(zhì)氣體進(jìn)行換熱，從熱頭出口流出完成整個(gè)換熱過程。而冷卻水進(jìn)入斯特林發(fā)電機(jī)冷端將未轉(zhuǎn)換為電能的廢熱帶走。為減少試驗(yàn)中的漏熱，在斯特林發(fā)電機(jī)熱頭、鈉鉀合金管道以及冷卻水管道外均加裝保溫層。圖3為加裝保溫層的斯特林發(fā)電機(jī)的實(shí)物圖。表1所示為1 kW斯特林發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 1 kW斯特林發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of 1 kW Stirling generator

圖2 自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 加裝保溫層的斯特林發(fā)電機(jī)實(shí)物圖

2.3 參數(shù)測量與采集

試驗(yàn)過程中，斯特林發(fā)電機(jī)熱頭進(jìn)出口溫度和冷端進(jìn)出口溫度均通過K型熱電偶測得，本試驗(yàn)使用的熱電偶均在100～600 ℃區(qū)間內(nèi)每隔50 ℃進(jìn)行了標(biāo)定，在熱頭鈉鉀合金進(jìn)口處沿入口管道周向每隔120°各布置1個(gè)熱電偶，共3個(gè)，出口處以同樣方法布置3個(gè)熱電偶，進(jìn)出口溫度均取3個(gè)溫度測量值的平均值。而鈉鉀合金流量由電磁流量計(jì)測得，該電磁流量計(jì)借助鈉鉀灌注和排放系統(tǒng)采用容積法進(jìn)行標(biāo)定。冷卻水流量采用0.5級流量計(jì)進(jìn)行測量，試驗(yàn)前完成流量計(jì)標(biāo)定工作。斯特林發(fā)電機(jī)電輸出功率為所測輸出電流電壓乘積。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄與存儲。

鈉鉀合金加熱斯特林發(fā)電機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

(1)

2.4 試驗(yàn)過程

按啟動(dòng)及額定工況運(yùn)行要求投入各相關(guān)系統(tǒng)，緩慢提升加熱功率，控制升溫速率不超過1 ℃/min，當(dāng)斯特林發(fā)電機(jī)熱頭鈉鉀合金入口溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后繼續(xù)加熱，直至斯特林發(fā)電機(jī)熱端鈉鉀合金入口溫度達(dá)到額定溫度450 ℃，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行24 h后，轉(zhuǎn)入運(yùn)行工況。斯特林發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行工況為：熱端鈉鉀入口溫度450 ℃，鈉鉀流量1 m3/h，冷端冷卻水入口溫度15 ℃，水流量1.5 m3/h。裝置啟動(dòng)及運(yùn)行期間，開展相關(guān)試驗(yàn)，測量有關(guān)參數(shù)。主要試驗(yàn)內(nèi)容包括：① 斯特林發(fā)電機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)特性試驗(yàn)；② 斯特林發(fā)電機(jī)輸出電特性隨鈉鉀加熱溫度變化試驗(yàn)；③ 斯特林發(fā)電機(jī)輸出電特性隨鈉鉀流量變化試驗(yàn)；④ 斯特林發(fā)電機(jī)輸出電特性隨冷端溫度變化試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 斯特林發(fā)電機(jī)啟停特性

啟動(dòng)溫度決定了斯特林發(fā)電機(jī)可利用熱源的品質(zhì)，是其重要參數(shù)。圖4表示了啟動(dòng)過程中鈉鉀合金進(jìn)口溫度與電輸出功率隨時(shí)間的變化關(guān)系。維持冷卻水入口溫度為13 ℃，鈉鉀流量為1 m3/h，水流量為1.5 m3/h，緩慢提高鈉鉀合金溫度，當(dāng)鈉鉀合金溫度至180 ℃時(shí)激勵(lì)斯特林發(fā)電機(jī)，此時(shí)斯特林發(fā)電機(jī)起振，因熱頭從鈉鉀合金吸收的熱量不足加以維持斯特林發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作，故斯特林發(fā)電機(jī)很快熄振；當(dāng)加熱鈉鉀合金至186 ℃時(shí)，斯特林發(fā)電機(jī)完全啟動(dòng)，啟動(dòng)功率為30 W。自斯特林發(fā)電機(jī)投入工作后，增大對鈉鉀合金的加熱功率，鈉鉀合金升溫速率變大，直至達(dá)到額定工況。

圖4 啟動(dòng)過程中鈉鉀進(jìn)口溫度與電輸出功率 隨時(shí)間變化曲線

圖5為停機(jī)過程中鈉鉀合金溫度與電輸出功率隨時(shí)間變化曲線，控制冷卻水溫度為13 ℃，鈉鉀流量為1 m3/h，水流量為1.5 m3/h，當(dāng)鈉鉀合金溫度降至241 ℃時(shí)，斯特林發(fā)電機(jī)首次熄振，此時(shí)鈉鉀溫度的降低趨勢突然變緩，經(jīng)分析主要有下列原因：① 沒有了斯特林發(fā)電機(jī)來輸出電功，熱量排出的速度變慢。② 熄振使得斯特林發(fā)電機(jī)內(nèi)部氦氣停止流動(dòng)，只有鈉鉀合金一側(cè)還在流動(dòng)，故熱頭的熱阻變大、對流換熱系數(shù)降低，熱量排出速度變慢。因此時(shí)未關(guān)閉斯特林發(fā)電機(jī)啟動(dòng)按鈕，在之后的停機(jī)過程中，斯特林發(fā)電機(jī)往復(fù)啟停。鈉鉀合金溫度降至201 ℃時(shí)，斯特林發(fā)電機(jī)徹底熄振，故停機(jī)溫度為201 ℃，熄振時(shí)斯特林發(fā)電機(jī)電輸出功率為48 W。

圖5 停機(jī)過程中鈉鉀進(jìn)口溫度與電輸出功率 隨時(shí)間變化曲線

3.2 鈉鉀合金進(jìn)口溫度對斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電性能的影響

圖6 理想斯特林循環(huán)溫熵圖

此試驗(yàn)過程中控制鈉鉀合金流量為1 m3/h，冷端冷卻水入口溫度為13 ℃，水流量為1.5 m3/h，分別測得斯特林發(fā)電機(jī)熱端鈉鉀合金入口溫度為250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃條件下的發(fā)電數(shù)據(jù)。圖7為斯特林發(fā)電機(jī)電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率隨鈉鉀合金入口溫度的變化曲線，可以看出隨著鈉鉀合金入口溫度的增加，電輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率都基本呈線性增長。整個(gè)試驗(yàn)過程中獲得的最大電輸出功率為884 W，此時(shí)鈉鉀合金入口溫度為470 ℃，熱電轉(zhuǎn)換效率為23.3%。

圖7 電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率隨鈉鉀 入口溫度變化曲線

圖8為卡諾效率和相對卡諾效率隨鈉鉀合金入口溫度的變化曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫?zé)嵩礈囟壬邥r(shí)，理論卡諾效率升高，相對卡諾效率隨著熱源溫度升高也呈上升趨勢。因?yàn)橄鄬ㄖZ效率取決于斯特林發(fā)電機(jī)自身，圖8表明在一定范圍內(nèi)，熱源溫度升高可以提高斯特林發(fā)電機(jī)自身發(fā)電能力，使其效率更趨近理論卡諾效率。

圖8 卡諾效率和相對卡諾效率隨鈉鉀 入口溫度的變化曲線

3.3 冷卻水進(jìn)口溫度對斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電性能的影響

試驗(yàn)過程中，控制熱端鈉鉀合金入口溫度為470 ℃，鈉鉀合金流量為1 m3/h，水流量為1.5 m3/h，冷端冷卻水入口溫度劃分為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃這5組工況。圖9反映了電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率隨冷卻水進(jìn)口溫度的變化，電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而降低，且基本呈負(fù)線性關(guān)系。綜合分析圖7和圖9，熱源與冷源的溫差越大，發(fā)電效率和電輸出功率就越大，這符合熱力學(xué)第二定律。

圖9 電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率隨冷卻水 進(jìn)口溫度變化曲線

圖10為卡諾效率和相對卡諾效率隨冷卻水進(jìn)口溫度的變化曲線，冷卻水進(jìn)口溫度越低，卡諾效率和相對卡諾效率越高，表明在一定范圍內(nèi)，冷源溫度降低可以提高斯特林發(fā)電機(jī)自身發(fā)電能力，使其效率更趨近理論卡諾效率。

圖10 卡諾效率和相對卡諾效率隨冷卻水 進(jìn)口溫度的變化曲線

3.4 鈉鉀流量對斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電性能的影響

控制熱端鈉鉀合金入口溫度為465 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度13 ℃，水流量為1.5 m3/h，鈉鉀合金流量劃分為0.4 m3/h、0.6 m3/h、0.8 m3/h、1 m3/h這4組工況。圖11為鈉鉀流量對電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率的影響曲線，鈉鉀合金流量越大，電輸出功率越多，熱電轉(zhuǎn)換效率略有增加。主要是因?yàn)椋孩?鈉鉀合金流量的增大提高了熱頭內(nèi)鈉鉀合金的對流換熱系數(shù)，熱頭的整個(gè)換熱熱阻降低，熱頭的換熱功率增大，從而使斯特林發(fā)電機(jī)電輸出功率更大；② 鈉鉀合金流量增大會(huì)降低熱端鈉鉀合金進(jìn)口和出口溫差，在保持進(jìn)口溫度不變的情況下，進(jìn)出口溫差減小會(huì)使得進(jìn)出口平均溫度增大，即斯特林發(fā)電機(jī)的熱源平均溫度升高，因而使得電輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率都變大。這也符合圖6。但是不難發(fā)現(xiàn)，在鈉鉀合金流量從0.4 m3/h到1 m3/h明顯增大的情況下，熱電轉(zhuǎn)換效率只有從22.1%到22.7%的微弱增大，說明在此試驗(yàn)工況下，熱電轉(zhuǎn)換效率對鈉鉀流量變化并不敏感，主要因?yàn)闊岫蒜c鉀合金進(jìn)出口溫差隨流量變化較小，熱端平均溫度變化很小，冷熱端溫比變化很小，見表2。

圖11 電輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率 隨鈉鉀流量的曲線

表2 鈉鉀合金進(jìn)出口溫差隨鈉鉀合金 流量變化的數(shù)據(jù)Table 2 Variation of inlet and outlet temperature difference of sodium potassium alloy with flow rate of sodium potassium alloy

4 鈉鉀合金加熱試驗(yàn)與燃?xì)饣鹧婕訜嵩囼?yàn)的對比分析

本試驗(yàn)使用的斯特林發(fā)電機(jī)已進(jìn)行過燃?xì)饣鹧婕訜嵩囼?yàn)，燃?xì)饧訜嵩囼?yàn)系統(tǒng)示意圖如圖12。測試時(shí)間10 min，測試前后電子秤示數(shù)差值為燃燒的燃?xì)赓|(zhì)量。熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

(2)

式中:ηa為燃?xì)鉄崮艿睦眯?，取?0%；m1、m2為消耗的燃?xì)赓|(zhì)量，kg；q為熱值，J/kg；Δt為測試時(shí)間，600 s。經(jīng)測試，該斯特林發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行在約450 ℃熱端溫度情況下，電輸出功率為916 W，熱電轉(zhuǎn)換效率為28.7%。

圖12 火焰加熱系統(tǒng)連接示意圖

與鈉鉀合金加熱試驗(yàn)進(jìn)行對比分析可知：

1) 在熱端進(jìn)口溫度450℃、冷端進(jìn)口溫度13 ℃的情況下，燃?xì)饧訜嵩囼?yàn)電輸出功率為916 W，而鈉鉀加熱試驗(yàn)電輸出功率為795W，低于燃?xì)饧訜岚l(fā)電功率。分析認(rèn)為，主要原因是：① 火焰加熱試驗(yàn)的熱電偶所測溫度可能是火焰溫度而不是熱頭壁溫，即熱電偶測量溫度與熱頭實(shí)際加熱溫度(熱端進(jìn)口溫度)有一定誤差。② 燃?xì)饣鹧鏈囟仍跓犷^外壁沿周向的分布是不均勻的，一個(gè)熱電偶測點(diǎn)溫度不能準(zhǔn)確整個(gè)熱頭壁面的平均溫度。

2) 在熱端進(jìn)口溫度450 ℃、冷端進(jìn)口溫度13 ℃的情況下，火焰加熱試驗(yàn)的熱電轉(zhuǎn)換效率為28.7%，高于鈉鉀加熱的22.5%。但是，火焰加熱試驗(yàn)中燃?xì)鉄崮芾眯师莂難以準(zhǔn)確測得，得出的熱電轉(zhuǎn)換效率具有一定誤差；鈉鉀合金加熱試驗(yàn)的熱電轉(zhuǎn)換效率是嚴(yán)格按照定義(電輸出功率/輸入熱功率)進(jìn)行計(jì)算，熱電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)以實(shí)際鈉鉀加熱試驗(yàn)為準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1) 在鈉鉀合金入口溫度470 ℃、流量1 m3/h，冷卻水入口溫度13 ℃、流量1.5 m3/h的情況下，獲得了884 W的電輸出功率，熱電轉(zhuǎn)換效率為23.3%。

2) 該發(fā)電機(jī)鈉鉀加熱啟動(dòng)溫度為186 ℃，此時(shí)冷卻水進(jìn)口溫度為13 ℃；停機(jī)溫度為201 ℃，此時(shí)冷卻水進(jìn)口溫度為13 ℃。停機(jī)溫度高于啟動(dòng)溫度，可為后續(xù)液態(tài)金屬結(jié)合自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

3) 鈉鉀合金入口溫度的升高或冷卻水入口溫度的降低均能提高斯特林發(fā)電機(jī)的電輸出功率。一般情況下，冷卻水溫度降至環(huán)境溫度時(shí)很難進(jìn)一步降低，應(yīng)盡可能地提高鈉鉀合金入口溫度并選用合適的耐高溫材料來提高發(fā)電機(jī)電輸出功率。

4) 隨著鈉鉀合金流量增大，輸出功率明顯增大，熱電轉(zhuǎn)換效率僅有微弱增大，熱電轉(zhuǎn)換效率對鈉鉀流量變化不敏感。

本試驗(yàn)中斯特林發(fā)電機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)中發(fā)電功率并未達(dá)到設(shè)計(jì)功率1 kW，待后續(xù)對斯特林發(fā)電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后，將再次利用已有臺架進(jìn)行試驗(yàn)測試。

本文利用鈉鉀合金臺架在國內(nèi)首次開展了液態(tài)金屬加熱斯特林發(fā)電機(jī)試驗(yàn)研究，取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為斯特林發(fā)電機(jī)性能改進(jìn)提供參考。