發(fā)布時間：2021-11-25 21:48

　　針對現(xiàn)有的動力電池、柴油-液氧型斯特林機等常規(guī)水下動力系統(tǒng)的能量密度多在300W·h/kg以內(nèi)的問題,提出了一種以鋁粉燃燒為基礎(chǔ)的新型高能量密度斯特林水下動力系統(tǒng)方案。通過數(shù)值仿真方法,分別構(gòu)建了鋁水燃燒聯(lián)合燃氫斯特林機水下動力系統(tǒng)以及鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機水下動力系統(tǒng),并與傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機動力系統(tǒng)進行了能量密度以及燃料成本的比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁水燃燒聯(lián)合燃氫斯特林機水下動力系統(tǒng)的能量密度高達648Wh/L,為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機動力系統(tǒng)的2倍,燃料成本為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機動力系統(tǒng)的2倍;鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機水下動力系統(tǒng)的能量密度為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機動力系統(tǒng)的1.7倍�？梢�,新型閉式鋁粉燃燒斯特林水下動力系統(tǒng)有著良好的發(fā)展?jié)摿?可為未來水下動力系統(tǒng)的設(shè)計提供理論參考。 

【文章來源】：水下無人系統(tǒng)學(xué)報. 2020,28(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

柴油-液氧型斯特林機動力系統(tǒng)布置示意圖

圖2給出了鋁水燃燒聯(lián)合燃氫斯特林機水下動力系統(tǒng)(簡稱方案2)。由圖所示,鋁顆粒和水在預(yù)燃燒室內(nèi)燃燒后放熱并生成氫氣。由于鋁顆粒燃燒溫度很高,需通過水冷壁來冷卻燃燒室同時吸收熱量產(chǎn)生水蒸氣,被加熱的水蒸氣進入預(yù)燃燒室與鋁顆粒反應(yīng),有助于加快鋁顆粒與水反應(yīng)速率。為了使得含固高溫?zé)煔饽軌蛑苯舆M入斯特林機燃燒室,且防止固體顆粒堵塞加熱器熱頭,借鑒氣固分離器原理,采用類似旋風(fēng)分離技術(shù),使得氧化鋁固體顆粒產(chǎn)物自由下落并沉積到水冷式氧化鋁罐被冷卻,同時采用蓄熱式換熱器原理,利用氧化鋁固體顆粒產(chǎn)物的余熱預(yù)加熱水,而鋁水燃燒后產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過高溫金屬膜再一次過濾固體顆粒后進入斯特林機燃燒室。斯特林機外燃系統(tǒng)中燃燒氫氣來加熱斯特林機加熱器,推動工質(zhì)作功來發(fā)電。斯特林機中燃氫后產(chǎn)生的水蒸氣進入汽液換熱器中,利用其預(yù)熱來氣化液氧。隨后尾氣通過冷凝器冷凝和分離器分離后,用于攜帶鋁粉顆粒的氦氣重新進入給粉系統(tǒng)進行送粉,由水泵進行循環(huán)供水。這樣由預(yù)燃燒室、燃氫斯特林機和其他輔助設(shè)備構(gòu)成了整個閉式系統(tǒng)。2.3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機水下動力系統(tǒng)

圖3給出了鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機水下動力系統(tǒng)(簡稱方案3)。方案2雖然充分利用了鋁粉顆粒燃燒過程中各個階段的熱量,但是整個煙氣流動過程中會存在固體顆粒物,盡管已先后通過氣固分離裝置以及高溫金屬膜的過濾,但超長時間的運行一定會在斯特林機、換熱器等設(shè)備中積聚甚至產(chǎn)生堵塞,有可能影響整個系統(tǒng)的運行,因此在方案2的基礎(chǔ)上,再一次進行系統(tǒng)改進,提出了方案3。鋁顆粒和水在預(yù)燃燒室內(nèi)燃燒后放熱并生成氫氣,隨后通入氧氣與其燃燒放熱。之所以不是直接采用鋁顆粒與氧氣進行燃燒,一則是因為前面實驗結(jié)果已經(jīng)證實鋁顆粒與氧氣燃燒反應(yīng)十分劇烈,燃燒后溫度很高,這給預(yù)燃燒室設(shè)計帶來困難;另一則是因為先通過與水反應(yīng)再通入氧氣讓其與氫氣反應(yīng)容易控制燃燒溫度,且能保證鋁顆粒燃盡,其類似于煤粉鍋爐中分級燃燒的概念,針對這一情況,有外國學(xué)者采用循環(huán)流化床燃燒鋁顆粒,使得反應(yīng)溫度相對均勻且燃盡率相對提高。預(yù)燃燒室中通過填充液鈉進行冷卻壁面溫度,同時進行熱量吸收和傳遞。由于液鈉的導(dǎo)熱性能十分突出,被加熱的液鈉進入斯特林機直接和加熱器進行換熱,推動工質(zhì)作功后發(fā)電。同樣,采用上述氣固分離技術(shù)、余熱利用技術(shù)、氣液分離技術(shù)以及循環(huán)技術(shù)使得整個系統(tǒng)形成一個由預(yù)燃燒室、液鈉型斯特林機和其他輔助設(shè)備組成的高效閉式水下動力系統(tǒng)。3 系統(tǒng)能量密度與性價比分析

【參考文獻】：
期刊論文
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