一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统

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1.本发明属于大功率空间核动力热电转换技术领域，具体地，涉及一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统。

背景技术：

2.大力发展深空探测技术是保障我国现代化建设和经济可持续发展的重要战略手段，大功率，轻质化，长寿命的能源供给系统是航天任务的基石。因此具有高能量密度的核能成为空间动力系统初始能量的不二选择。热电转换系统是实现低品位热能向高品位电能转换的重要模块，根据有无做功部件可以分为静态转换和动态转换。动态转换系统的效率较大，可达到20％以上，在复杂多变的空间任务中表现出明显的优势。
3.动态热电转换包含布雷顿循环，朗肯循环和斯特林循环，其中，朗肯循环系统热电转换效率高(可达30％)，辐射散热器面积较小，结构紧凑且扩展性强，是大功率空间核能热电转换系统重点研发方案。碱金属是一种良好的高温循环工质，它具有高热导率，低粘度，适宜的饱和蒸气压等优势。因此以碱金属为工质的朗肯循环系统效率可以得到进一步的提升。
4.然而，碱金属朗肯循环系统中部件尺寸优化与系统效率提升之间的矛盾问题不利于朗肯循环系统在先进空间核动力领域的应用广度和深度。因此，有必要提出新的热电转换方式在确保热电转换系统满足基本空间任务需求的同时兼顾系统的适应性与经济性能。

技术实现要素：

5.本发明为了解决大功率空间核电系统中热电转换模块的废热耗散问题，提出了一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统；通过引入低温有机循环回路回收废热形成有机-碱金属联合的双回路朗肯循环发电系统，实现空间核电系统整体效率的提升。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统：
8.所述系统包括：空间核反应堆子系统、双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统；
9.所述空间核反应堆子系统包括核反应堆1，第一电磁泵2以及位于热交换器中的循环工质的流动管路；
10.所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，所述高温碱金属顶循环包括蒸汽发生器3，主蒸汽透平机4，回热器5，主冷凝器6和第二电磁泵7，所述低温有机底循环包括有机工质泵9，副蒸汽透平机10和副冷凝器11；
11.所述空间热排放子系统包括第四电磁泵12，辐射散热器13以及冷凝器中循环工质流动管路；
12.所述空间核反应堆子系统和双回路朗肯循环热电转换子系统通过蒸汽发生器3连
接；所述双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统通过副冷凝器11相连接。
13.进一步地，所述空间核反应堆为以碱金属锂为冷却工质的快中子堆，高温碱金属顶循环工质为碱金属钾，低温有机底循环工质为有机物甲苯。
14.进一步地，在双回路朗肯循环热电转换子系统中，
15.所述蒸汽发生器3出口连通主蒸汽透平机4，主蒸汽透平机4出口连通主冷凝器6，主冷凝器6出口连通第二电磁泵7，第二电磁泵7出口连通回热器5，回热器5连通第三电磁泵8，第三电磁泵8出口连通蒸汽发生器3。
16.进一步地，所述高温碱金属顶循环回路中需要从主蒸汽透平机4中抽取部分未完全膨胀的蒸汽进入回热器5中，高温工质在回热器5中释放能量后与主蒸汽透平机4出口工质混合共同进入主冷凝器6。
17.进一步地，所述高温碱金属顶循环中主冷凝器6是低温有机底循环中的蒸汽发生器，顶循环中废热被收集用于加热有机工质；
18.所述低温有机底循环的有机工质泵9连通主冷凝器6，主冷凝器6连通副蒸汽透平机10，副蒸汽透平机10连通副冷凝器11，副冷凝器11连通有机工质泵9。
19.进一步地，所述空间热排放子系统循环工质为钠钾合金，将低温有机底循环废热导出，排放至深空，完成系统换热循环。
20.进一步地，所述蒸汽发生器3，主冷凝器6和副冷凝器11均为管壳式换热器，均分别包括碱金属一侧和有机工质一侧，且蒸汽发生器的管道为u型管式。
21.进一步地，所述的主蒸汽透平机4为钾涡轮机。
22.进一步地，所述回热器5为板式换热器，包括高温侧和低温侧，主蒸汽透平机4中间抽汽进入回热器5高温侧放热，主冷凝器6出口进入回热器5低温侧吸热。
23.进一步地，所述辐射散热器13为热管式或液滴式辐射散热器。
24.一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统的控制方法，
25.所述空间核反应堆子系统用于为整体发电系统提供热能；
26.所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，将热能转化为电能；
27.在所述高温碱金属顶循环中废热被收集用于加热有机工质，有机工质膨胀做功，实现能量的梯级利用；
28.所述空间热排放子系统将低温有机底循环废热导出，排放至深空，完成系统换热循环。
29.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
30.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
31.本发明有益效果
32.本发明引入了有机朗肯为底循环形成了双回路朗肯循环发电系统，高温碱金属朗肯循环系统中冷凝器废热被收集用于底循环中蒸汽发生能量，减少了部分能量损失，从而提高了系统整体循环热效率；
33.本发明在顶循环系统中引入了抽气回热式内循环系统，通过抽取部分主蒸汽透平
机未完全膨胀的蒸汽预热循环工质，减小系统吸热量以达到提高系统热效率的目的；
34.本发明通过调节主蒸汽透平机抽汽比，有机工质和碱金属工质流量灵活控制系统输出功率以满足不同空间任务需求；
35.本发明可扩展性强，初始能源供给是通过外部加热的独立子系统，双回路朗肯循环发电系统可以与太阳能，风能，等不同能源形势耦合形成适合于地面，空间等多维度的发电系统；
36.本发明解决了部件尺寸优化与系统效率提升之间的矛盾，双回路朗肯循环热电转换系统与核能相耦合形成的大功率空间供电系统在载人航空，星表基地等空间任务具有广泛应用和发展前景。
附图说明
37.图1为有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统；
38.图2为有机-碱金属联合的双回路朗肯循环系统；
39.其中1、核反应堆；2、第一电磁泵；3、蒸汽发生器；4、主蒸汽透平机；5、回热器；6、主冷凝器；7、第二电磁泵；8、第三电磁泵；9、有机工质泵；10、副蒸汽透平机；11、副冷凝器；12、第四电磁泵；13、辐射散热器。
具体实施方式
40.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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
41.结合图1至图2：
42.本发明提出了一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统，所述系统包括一次循环回路，二次循环回路和三次循环回路；
43.所述一次循环回路为空间核反应堆子系统；包括核反应堆1，第一电磁泵2以及位于热交换器中的循环工质的流动管路；核反应堆是快中子堆，系统工质为碱金属锂，碱金属锂吸收堆芯热量，通过热交换器将能量传递至二次循环回路中，锂工质出口温度在1300k以上。
44.所述二次循环回路为双回路朗肯循环热电转换子系统；包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，高温碱金属顶循环包括蒸汽发生器3，主蒸汽透平机4，回热器5，主冷凝器6，第二电磁泵7，低温有机底循环包括有机工质泵9，副蒸汽透平机10，副冷凝器11；
45.所述三次循环回路为空间热排放子系统；包括第四电磁泵12，辐射散热器13以及冷凝器中循环工质流通管路。通过热辐射的方式将底循环中的废热排放至空间环境，辐射散热器包括热管式和液滴式。三次循环回路中系统工质为钠钾合金。
46.所述空间核反应堆子系统和双回路朗肯循环热电转换子系统通过蒸汽发生器3连接；所述双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统通过副冷凝器11相连接。
47.所述空间核反应堆为以碱金属锂为冷却工质的快中子堆，高温碱金属顶循环工质为碱金属钾，低温有机底循环工质为有机物甲苯。
48.在双回路朗肯循环热电转换子系统中，
49.所述蒸汽发生器3出口连通主蒸汽透平机4，主蒸汽透平机4出口连通主冷凝器6，主冷凝器6出口连通第二电磁泵7，第二电磁泵7出口连通回热器5，回热器5连通第三电磁泵8，第三电磁泵8出口连通蒸汽发生器3。
50.所述高温碱金属顶循环回路中需要从主蒸汽透平机4中抽取部分未完全膨胀的蒸汽进入回热器5中，高温工质在回热器5中释放能量后与主蒸汽透平机4出口工质混合共同进入主冷凝器6。高温碱金属顶循环主蒸汽透平机出口温度在800～1200k，冷凝器出口温度在400k～600k。
51.所述高温碱金属顶循环中主冷凝器6是低温有机底循环中的蒸汽发生器，顶循环中废热被收集用于加热有机工质，有机工质膨胀做功，实现能量的梯级利用；
52.所述低温有机底循环的有机工质泵9连通主冷凝器6，主冷凝器6连通副蒸汽透平机10，副蒸汽透平机10连通副冷凝器11，副冷凝器11连通有机工质泵9。
53.所述空间热排放子系统循环工质为钠钾合金，将低温有机底循环废热导出，排放至深空，(即废热是以热辐射的方式排放到空间环境中)完成系统换热循环。
54.所述蒸汽发生器3，主冷凝器6和副冷凝器11均为管壳式换热器，均分别包括碱金属一侧和有机工质一侧，且蒸汽发生器的管道为u型管式。
55.所述的主蒸汽透平机4为钾涡轮机。
56.所述回热器5为板式换热器，包括高温侧和低温侧，主蒸汽透平机4中间抽汽进入回热器5高温侧放热，主冷凝器6出口进入回热器5低温侧吸热。
57.所述辐射散热器13为热管式或液滴式辐射散热器。
58.一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统的控制方法，
59.所述空间核反应堆子系统用于为整体发电系统提供热能；
60.所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，将热能转化为电能；
61.在所述高温碱金属顶循环中废热被收集用于加热有机工质，有机工质膨胀做功，实现能量的梯级利用；
62.所述空间热排放子系统将低温有机底循环废热导出，排放至深空，完成系统换热循环。
63.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
64.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
65.以上对本发明所提出的一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统，其特征在于：所述系统包括：空间核反应堆子系统、双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统；所述空间核反应堆子系统包括核反应堆(1)，第一电磁泵(2)以及位于热交换器中的循环工质的流动管路；所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，所述高温碱金属顶循环包括蒸汽发生器(3)，主蒸汽透平机(4)，回热器(5)，主冷凝器(6)和第二电磁泵(7)，所述低温有机底循环包括有机工质泵(9)，副蒸汽透平机(10)和副冷凝器(11)；所述空间热排放子系统包括第四电磁泵(12)，辐射散热器(13)以及冷凝器中循环工质流动管路；所述空间核反应堆子系统和双回路朗肯循环热电转换子系统通过蒸汽发生器(3)连接；所述双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统通过副冷凝器(11)相连接。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述空间核反应堆为以碱金属锂为冷却工质的快中子堆，高温碱金属顶循环工质为碱金属钾，低温有机底循环工质为有机物甲苯；所述空间热排放子系统循环工质为钠钾合金。3.根据权利要求2所述系统，其特征在于：在双回路朗肯循环热电转换子系统中，所述蒸汽发生器(3)出口连通主蒸汽透平机(4)，主蒸汽透平机(4)出口连通主冷凝器(6)，主冷凝器(6)出口连通第二电磁泵(7)，第二电磁泵(7)出口连通回热器(5)，回热器(5)连通第三电磁泵(8)，第三电磁泵(8)出口连通蒸汽发生器(3)。4.根据权利要求3所述系统，其特征在于：所述高温碱金属顶循环回路中需要从主蒸汽透平机(4)中抽取部分未完全膨胀的蒸汽进入回热器(5)中，高温工质在回热器(5)中释放能量后与主蒸汽透平机(4)出口工质混合共同进入主冷凝器(6)。5.根据权利要求4所述系统，其特征在于：所述高温碱金属顶循环中主冷凝器(6)是低温有机底循环中的蒸汽发生器，顶循环中废热被收集用于加热有机工质；所述低温有机底循环的有机工质泵(9)连通主冷凝器(6)，主冷凝器(6)连通副蒸汽透平机(10)，副蒸汽透平机(10)连通副冷凝器(11)，副冷凝器(11)连通有机工质泵(9)。6.根据权利要求5所述系统，其特征在于：所述蒸汽发生器(3)，主冷凝器(6)和副冷凝器(11)均为管壳式换热器，均分别包括碱金属一侧和有机工质一侧，且蒸汽发生器的管道为u型管式。7.根据权利要求6所述系统，其特征在于：所述的主蒸汽透平机(4)为钾涡轮机；所述回热器(5)为板式换热器，包括高温侧和低温侧，主蒸汽透平机(4)中间抽汽进入回热器(5)高温侧放热，主冷凝器(6)出口进入回热器(5)低温侧吸热；所述辐射散热器(13)为热管式或液滴式辐射散热器。8.一种应用于权利要求1-7中任意一项所述的有机-碱金属联合的双回路空间核能朗
肯循环发电系统的控制方法，其特征在于：所述空间核反应堆子系统用于为整体发电系统提供热能；所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，将热能转化为电能；在所述高温碱金属顶循环中废热被收集用于加热有机工质，有机工质膨胀做功，实现能量的梯级利用；所述空间热排放子系统将低温有机底循环废热导出，排放至深空，完成系统换热循环。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求8所述方法的步骤。

技术总结

本发明提出了一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统，包括一次循环回路，二次循环回路和三次循环回路，一次循环回路是以碱金属锂为工质的快中子堆，二次循环回路是高效双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，顶循环中引入回热器对进入蒸汽发生器中的工质预热，减小系统吸热量，从而提高系统效率；顶循环中冷凝器为底循环蒸汽发生器，利用沸点较低的有机工质甲苯将热量导出进行二次朗肯循环，降低能量耗损，减少废热排放，实现系统效率提升。三次循环回路是以钠钾合金为工质的热排放子系统，将低温有机朗肯循环废热排放至空间环境，确保系统循环完整性。系统循环完整性。系统循环完整性。