2. 中国科学院 理化技术研究所，中国科学院低温工程学重点实验室，北京 100190;
3. 中国核动力研究设计院 反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041;
4. 西安交通大学 核科学与技术学院，西安 710049
2. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
3. Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China;
4. School of Nuclear Science and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
自2000年以来，无人装备逐渐成为世界各国海洋装备研发的热点[1]，核动力电源是动力推进系统研发中的关键技术。相比于传统的动力电源，核动力电源具有更高的可靠性和能量密度，以及更长的使用寿命，是现有动力电源的理想替代方案[2]。热管式核反应堆是通过高温热管将反应堆内的热量传输出堆芯并加以利用的装置。热管式核反应堆属于典型的固态反应堆，其发热元件不需要冷却剂冷却，而是将热量通过辐射和导热方式传递给热管，再利用热管封闭空腔内的工质蒸发与冷凝过程输运至后端动力转换系统，不需要冷却回路系统、泵等动力设备，在失重甚至逆重力条件下仍可正常工作，具有高固有安全性、高可靠性、系统高度简化、无机械能动部件及高静音性能等诸多优势[3]。
热管反应堆可应用于深空探测[4-7]、星球表面[8]、深海[9]及地面车载等多种场景，便于海岛等偏远地区设备实现无人值守、高度自动化智能化运行和长期免维护[10]功能。热管反应堆中的热管是一种利用相变原理进行高效热传递的装置。高温钠热管适用于550~900 ℃工作温度区间[11]，且其运行特性对于核动力电源的热电转换、废热排放和余热导出等至关重要[12]。
近10年来，高温碱金属热管是热管领域的研究热点。高温热管的一系列传热极限、加热启动运行方式，以及稳态和瞬态运行特性等一直是研究关注的重点[13-15]。目前，高温热管的应用研究尚不充分，在大规模推广高温热管之前，还需要积累更多初始状态、复杂交变高热流热负荷和机体一体化设计等方面相关的试验数据[16]。
热声发电技术是一种将热能转化为电能的新型能量转换技术，基于热致声效应将热能转换为振荡形式的机械能，再利用声电转换技术将机械能转换为电能。热声发电技术具有可靠、环保以及高效的特点，是当前国际动力和制冷的前沿领域和研究热点[17]。热声发动机技术经历了双驻波发动机、行驻波混合型发动机及双行波发动机3个阶段，其中双行波热声发动机是目前功率密度、效率最高的热声发动机。行波热声发动机和直线电机具有相对较高的能量转换效率，因此二者在热声发电技术中的使用是未来发展的趋势[18]。
由于热管反应堆是一种全新的堆型，需要在堆芯、热管和能量转换等关键技术领域开展技术攻关，同时还需要通过大量试验对其特性进行验证。此外，热声发电技术虽然相对成熟，但由于其热端与高温热管冷凝段配合，高温条件下的集成技术和热声发电机激励启动与热管耦合运行特性是亟需解决的关键技术。
本研究通过电加热模拟实验对高温钠热管和热声发电机集成技术方案进行验证，通过高温钠热管将热源的热量传递至热声发电机并发电，实现热声电能量的传递与转换。同时，开展热管传热与热声发电耦合运行试验，在稳态和极限条件下获得了热管-热声发电机系统耦合运行的特性，可为后续开展基于热管式核反应堆的无人潜航器核动力研究原型的设计、分析程序的开发及验证提供试验数据支持。
1 试验系统及分析方法 1.1 热管耦合热声发电系统试验装置热管耦合热声发电机能量转换电加热模拟系统试验装置如图 1所示。试验装置主要由试验本体、试验回路、仪表系统和测控系统等组成。试验回路主要由冷却系统和加热系统等组成。冷却系统可以为热声发电机冷端提供温度为7~40 ℃、流量为10~200 kg/h的冷却水。加热系统包括1台15 kW程控直流电源及供电线路和电热元件等，为热管蒸发段提供热源。试验装置中，使用N型铠装热电偶测量流体及壁面温度，使用Coriolis质量流量计测量冷却水流量；使用电参数测量仪测量热声发电机输出电流、输出电压和输出电功率。试验装置共设置温度测点34个，流量测点1个，包括基体表面温度测点4个，热管壁面温度测点24个，热声发电机热端面温度测点4个，冷水机进出口温度测点各1个，冷却水流量测点1个。其测点布置详细示意图如图 2所示。
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| 图 1 热管耦合热声发电机热电转换系统试验装置 |
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| 注：图中圆圈下方数字为测点编号。 图 2 试验装置测点布置示意图 |
1.2 试验本体
试验本体主要由基体、电热元件、高温钠热管、热声发电机、保温层和支架等组成。其主要构成为：将10根电热元件与4根钠热管的蒸发段布置于基体内，热管的冷凝段布置于热声发电机热端插孔中，热声发电机冷端连接冷却系统。热管耦合热声发电机的工作原理是：当基体中的电加热棒的输入功率达到一定值后，热管升温工作启动，热管内的工质在蒸发段吸热后发生相变，即蒸发并带走大量热量，随后在热管冷凝段冷凝，将热量传递给热声发电模块热端。热端与热声发电机高温换热器翅片连接，将热量从热管冷凝段传导至热声发电机高温换热器翅片。同时，常温换热器由常温水冷却，保持环境温度。当热端温度达到热声发电机的起振温度后，热声发电机被激励并开始工作。在高温差的作用下，热声发电机将一部分热能转化成声功，剩余热能通过常温换热器释放到环境中。直线发电机在热声发电机产生的声功作用下，其动子永磁体在定子中运动，造成线圈中的磁场变化产生电能，从而实现声电转换。
本试验用热管为毛细吸液芯钠热管，详细参数见表 1。
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
| 热管长度/mm | 400 | 热管外径/mm | 20 | |
| 热管内径/mm | 17 | 充填工质 | 钠 | |
| 蒸发段长度/mm | 100 | 充液量/g | 9 | |
| 绝热段长度/mm | 200 | 管壁材料 | 316不锈钢 | |
| 冷凝段长度/mm | 100 | 毛细类型 | 不锈钢丝网 | |
| 工作温度/℃ | 550~900 | 毛细结构 | 3层400目 |
本试验中的热声发电机由2台500 W级的热声发电单元对置组成，二者在高温换热器内部由气体流道连通，通过气路上的耦合实现良好的减振效果，详细参数见表 2。
1.3 性能评价指标
在本试验中，用绝热段平均温度评价热管温度；用热声发电机输出电功率、电流和电压表征热电转换输出参数；用输出电功率、冷却水焓升和电热元件输入功率比值评价热电转换效率。
1.4 试验数据处理及不确定度1) 热管启动转变温度。
热管启动初期，蒸发段处工质的相变主要为蒸发，管内蒸汽较少，蒸汽处于自由分子流状态，当蒸汽压力进一步提升，管内完全建立连续蒸汽流时，热管完全启动。根据分子动力学理论，自由分子流至连续流的转变温度可通过无量纲的Kn定量表示，当Kn < 0.01时，蒸汽转变为连续蒸汽流，结合Maxwell理论可得蒸汽转变温度Ttr与蒸汽腔直径D的关系为
| $ T_{\mathrm{tr}}=\frac{\sqrt{2} \pi D \sigma^2 k n}{1.051 k} P . $ | (1) |
其中：σ为分子碰撞直径，k为Boltzmann常数，P为蒸汽压。假设蒸汽处于饱和状态，联立钠蒸气压与蒸汽温度关系式，采用二分法进行迭代求解，得到了不同Kn下蒸汽流型转变温度与蒸汽腔直径的关系。对于Kn=0.01和Kn=1.00的蒸汽流型转变点而言，对应的转变蒸汽温度Ttr1、Ttr2与蒸汽腔直径的关系如图 3所示。
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| 图 3 不同蒸汽腔直径下钠热管的蒸汽转变温度 |
由此可以根据连续蒸汽流转变温度Ttr2判定热管各点是否启动，当冷凝段顶端温度达到连续流转变温度Ttr1时，热管完全启动，本实验采用的热管连续蒸汽流转变温度Ttr1为707.7 K，见图 3红线标记。
2) 热管-热电发电机能量转换效率。
在热平衡状态下，可采用“输出电功率Pout/输入热功率Pin”对热电能量转换效率ηt进行表征，表示为
| $ \eta_{\mathrm{t}}=\frac{P_{\text {out }}}{P_{\text {in }}}=\frac{W_{\text {eff }}}{U_{\text {in }} I_{\text {in }}} \times 100 \% . $ | (2) |
其中：Uin为电热元件电压，V；Iin为电热元件电流，A；Weff为热声发电机输出功率，W。
3) 热管壁温。
实验采用Ⅰ级精度，最大量程为900 ℃的N型热电偶测量管壁温度，每个测点布置2个热电偶，其温度表示为
| $ T_i=\frac{1}{N} \sum\limits_{j=1}^N T_{i, j}. $ | (3) |
其中：Ti为测点i的平均温度；Ti, j为测点i各热电偶j的测量值；N为该点测量热电偶数，N=2。
该热电偶的仪器误差Δ为3.6 ℃，采用B类不确定度进行评定，认为仪器误差的分布是均匀的，因此，置信因子C取为3，则热电偶测温不确定度UB(单位℃)为
| $U_{\mathrm{B}}=\frac{\varDelta}{C}=\frac{3.6}{\sqrt{3}}=2.08 . $ | (4) |
对于布置2个热电偶的各测点，根据误差传递理论，其温度不确定度UB, 2(单位℃)为
| $U_{\text {В. } 2}=\sqrt{\sum\limits_{i=1}^2\left(\frac{\partial f}{\partial x_i} U_{\text {в }}\right)^2}=1.47 . $ | (5) |
其中：xi表示通过仪表得到的测量值(即输入量)；
稳态试验的主要目的为获取热管-热声电能量转换系统在不同输入功率下的稳态运行特性，并掌握不同运行工况(不同输入功率)下的热管性能及热声电能量转换系统的输出特性。
稳态试验过程中，冷却水的进口温度为20 ℃，冷却水的流量为195 kg/h。
图 4为输入功率为1 530 W时，4根热管壁温的变化曲线。可以发现，4根热管的蒸发段、绝热段及冷凝段各段温度相对较均匀，蒸发段和绝热段两段温差较小，但与冷凝段温差较大且冷凝段整体温度较低，主要原因在于热管冷凝段布置于热声发电机热端中，热管冷凝段的热量通过热端传递至热声发电机热端面。热管冷凝段中的高温钠蒸汽很快冷凝回流。因此，4根热管冷凝段的温度相对较低。
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| 图 4 稳态工况下热管温度曲线(输入功率1 530 W) |
图 5为热声发电机热端面温度与发电效率曲线。由于热管内越靠近冷凝段顶部，高温蒸汽量越少，且冷凝段内部存在蒸汽压降使越靠近冷凝段顶部的壁面温度越低，导致发电机热端温度也沿热管冷凝段轴向方向下降，其上部温度比下部温度低约50 ℃。在1 530 W加热功率达到稳态后，热声发电机热端面的平均温度约为500 ℃，输出功率为253.5 W，发电效率为16.40%。
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| 图 5 热声发电机热端面温度与发电效率曲线(输入功率为1 530 W) |
图 6为稳态工况下，冷却水进出口温度与热声发电效率曲线。可以发现在稳态工况下，当系统稳定后，热声发电机的发电效率和冷却系统进出口温度相对都比较稳定。
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| 图 6 热声发电机冷却水温度与发电效率(输入功率为1 530 W) |
图 7为热声发电机输入与输出参数曲线。从图 7可以看出，在稳定的输入功率下，随着热管温度逐步提升，热管启动后通过冷凝段将热声发电机热端面温度提升至其激励起振温度，当热声发电机稳定运行后得到稳定的负载输出。
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| 图 7 热声发电机输入与输出参数曲线(输入功率为1 530 W) |
在图 8中，随着输入功率的提升，热管吸收的热量增加，其蒸发段、绝热段及冷凝段的温度皆有所上升。热管蒸发段温度的升高直接与蒸发段输入功率的增加相关联，绝热段壁面温度升高的原因在于蒸发段的饱和钠蒸气温度升高且蒸汽腔内高温饱和蒸汽更加频繁地从蒸发段流动至冷凝段，从而使蒸汽流动经过的位置温度升高；冷凝段壁面温度升高的原因则在于随着蒸汽压的增大，高温蒸汽逐渐抵达冷凝段各点发生冷凝并释放热量。在高功率下，大量蒸汽流动至冷凝段顶端且形成连续蒸汽流，使稳定的蒸发冷凝以及回流过程得以在热管整个内部区域内建立，热管冷凝段温度大幅度上升，导致发电机的热端温度上升，输出功率与热电转换效率都显著提升。
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| 图 8 不同输入功率下的输出功率与热电效率 |
2.2 长期运行试验
为了验证热管耦合热声发电系统在长期运行下的稳定性，开展了72 h连续运行试验，冷却水进口温度维持在15 ℃，输入功率维持在1 900 W。图 9~11展示了长期运行条件下的1#热管温度、热电发电机热端面温度与输出功率及发电机输入输出电参数等随时间的变化。在热电发电机成功激励并稳定运行后，热管各段温度、发电机热端温度、发电机输出功率与热电效率基本保持不变，输出功率约为360 W，热电转换效率约为19.00%，热管与热声发电机的性能在72 h内均未见衰减，整个热声发电系统运行状态稳定，具备一定的长期运行可靠性。
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| 图 9 1#热管温度曲线(输入功率1 900 W) |
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| 图 10 热声发电机热端面温度与输出功率 |
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| 图 11 热声发电机输入与输出参数(长期运行工况1 900 W) |
2.3 极限试验
极限试验主要是为探索高温钠热管耦合热声发电机系统的最高运行温度和装置的最大传热能力。在冷却水进口温度为15 ℃、流量为195 kg/h的条件下，通过不断提升总输入功率，研究系统最大发电功率与热声电转换效率。
根据高温热管以及热声发电机单项运行试验分析，发电机安全运行要求热端温度不超过610 ℃，高温热管蒸发段温度不超过850 ℃，通过不断提升功率，来探索该系统在安全限值下所能承受的最高输入功率与最大输出功率。在试验工况范围内，当输入功率从1 500 W(见图 12)提升至2 300 W(见图 13)时，发电机热端温度从530 ℃(TE31数据)上升至580 ℃，输出功率从248 W上升至463 W，热电效率由16.53%提升至20.13%。在2 300 W输入功率下，热管最高温度为725 ℃，远低于其最高限值850 ℃，如图 14所示。此时，系统运行正常，热管蒸发段温度和发电机热端温度未超出安全限值。
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| 图 12 1#热管温度曲线(总输入功率1 500 W) |
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| 图 13 热声发电机热端面温度与输出功率(总输入功率为2 300 W) |
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| 图 14 1#热管温度曲线(总输入功率2 300 W) |
可见，该系统在2 300 W高输入功率下，热管与发电机热端温度均未超过其安全限值，但此时发电机热端温度已经接近其安全运行温度。因此，本试验中所用的热声发电系统所能承受的最高输入功率为2 300 W，最高输出功率为463 W，最大热电效率为20.13%，如图 15所示。
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| 图 15 热声发电机输入与输出参数(极限试验) |
3 结论
为验证热管式核反应堆与热声发电机耦合热电能量转换原理的可行性及其运行特性，本文采用高温钠热管与热声发电机耦合集成技术，构建了热管耦合热声发电试验装置。试验证实了该装置的可靠性及技术特点，并通过不断提升总输入功率，获得了不同参数条件下的系统运行参数特性，具体如下：
1) 当热声发电机的起振温度较高(本试验中为530 ℃)时，热管处于完全启动状态下再开始激励热声发电机并起振，是钠热管-热声发电机热电转换系统稳定运行的关键。
2) 高温钠热管在正常工作温度范围内具有好的热响应和热缓冲作用，可有效提高系统的可靠性。
3) 在稳态试验中，在钠热管与热声发电机热端运行温度限值内，随着输入功率的提升，热声发电机的输出功率与热电效率都显著提升，在试验工况范围内，热声发电机的最大热电转换效率约为19.00%。
4) 在长期运行试验中，高温热管-热声发电系统在72 h内连续运行稳定，具有一定的长期运行可靠性。
5) 在极限试验中，在热管与发电机热端温度最高限值内，随着输入功率的提升，热声发电机输出功率与热电效率都显著提升，在试验工况范围内，热声发电机最大热电效率为20.13%。
本文的研究结果表明：热管与热声发电机的热电能量转换原理可行。
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