amtec热力性能数值模拟研究

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1、产卜禽，’哈尔滨丁程大学硕士学位论文5．4冷端温度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·745．4．1冷端温度对毛细芯的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··745．4．2冷端温度对AMTEC输出性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一805．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“82结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯84参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯86攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯93致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯94(◆产哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论1．1研究的目的和意义热电直接转换是指载带热量和电荷的物质不经过转轴和活塞而直接将热能转换为电能的过程。碱金属热电转换器(theAlkaliMetalThermaltoElectricconverter，简写为AMTEC)是一种新型的热机，它以气态或者液态碱金属为循环工质，以∥一A1203固体电解质(Beta”AluminaSolidElectrolyte-BASE)为离子选择性渗透膜。AMTEC适用的热源温度范围为900K-1200K，冷端温度400K

3、-800K。AMTEC技术在某些特定场合具有重要的应用价值，如在某些要求换能设备绝对可靠，连续运行数年而无需维修的场合，例如外层空间和地球的偏远地区以及深海领域等。AMTEC适用于核能、化石能、太阳能等多种形式的热源，是一种热可再生的热电转换装置。基于其工作原理，和其它的电力转换装置比起来它有很多内在的优点阳，。这些优点有：(1)高功率密度；(2)无运动部件，可靠性好；(3)闭合回路设计：系统没有质量的进出。不会由于阀门和仪表以及其它一些流动监视装置和调节装置的堵塞和故障影响流体的流动。(4)运行无需维修：当系统启动并达到稳定状态后，不需要外界给予进一步

4、的干预就能正常运行；(5)成本有竞争优势；(6)工作温度：AMTEC有相对较高的排热温度(600K)和相对较低的热源温度(1200K)；(7)可适应多种热源；(8)标准化设计。AMTEC中的毛细蒸发器是其极为关键的部件之一，毛细蒸发器利用液态钠在其内部蒸发时产生的毛细力为AMTEC内钠循环提供驱动力，保证AMTEC进行自循环。AMTEC必须工作在一定的负荷下，毛细芯才能正常工作，一旦超出了负荷范围，毛细蒸发器内的蒸发面将移动到毛细芯内部导致毛细芯烧干或者移动到高压蒸汽腔内导致毛细芯失效，系统停止工作，因此对毛细芯蒸发面位置的研究具有非常重要的意义。另一方

5、面转换器的输出性r产，哈尔滨下程大学硕士学位论文能由BASE管区域的温度、BASE两侧的压力降以及系统内的循环流量共同决定，工质在转换器内的流动传热对这些参数都有重要影响，因此很有必要对AMTEC中的工质循环过程进行研究。本文以碱金属热电直接转换器内部流动为研究内容，包括了毛细蒸发器、导热柱、BASE电解质、高压腔和低压腔，采用数值模拟软件FLUENT对毛细蒸发器内的相变蒸发过程以及AMTEC内部流动传热过程进行数值模拟。计算结果对热电直接转换器的设计与性能分析具有指导性作用。1．2国内外发展及研究现状1．2．1AMTEC发展及研究现状1、国外发展AMT

6、EC的历史可追溯到1916年，兰金(Rankin)和麦文(Merwin)描述了一种新的化合物，他们认为这种化合物是口氧化铝的一种同素异形体。它像是口氧化铝但是很明显有一种不同的结构，他们把这种化合物叫做∥氧化铝。后来的工作证实了这种化合物中含有钠，1936年里治威(融趣way)等人揭示了这种物质是钠的铝酸盐口，。Yamaguchi和Suzuki发现了一种很接近的化合物，他们称它为∥’氧化铝。Yao和Kummer在1967年报告说氧化铝表现出很快的钠离子扩散性并且具有很高的离子导电性。他们的工作对于人们把目光集中到高离子导电性电解质和使用B氧化铝作为电解质

7、的能量电池的发展有关键性的作用。尽管人们研究了很多的固体电解质，但是对13氧化铝一直有很高的兴趣，原因是13氧化铝家族有着一个独一无二的特点：它们有着承载离子交换的能力盯，。福特汽车公司在1968年首先构想出AMTEC技术，当时一个叫做钠热机的转换器得到了认证并申请了专利。这项技术使用了∥氧化铝陶瓷作为电解质。福特公司在上世纪70年代完成了AMTEC的基础理论分析工作，同时建立了具有钠循环回路的单管实验装置。NeillWeber在1974年正式提出了碱金属热电直接转换(AMTEC)的技术。他发表了一篇论文“AThermoelectric21．一哈尔滨工程

8、大学硕七学位论文DeviceBasedonBeta-AluminaSolidEl