0 引言
1 空间核能布雷顿循环系统描述
Fig. 1 Schematic diagram of the space nuclear Brayton cycle图1 空间核能布雷顿循环系统示意图 |
Fig. 2 T-S diagram of the Brayton cycle图2 布雷顿循环T-S图 |
2 空间核能布雷顿循环数学模型
2.1 循环组件数学模型
2.2 布雷顿循环性能计算
3 系统组件质量评估
Table 1 Parameter configuration related to the mass assessment of the system表1 系统质量评估的相关参数配置 |
参数 | 含义 | 数值 |
---|---|---|
ξEC / (kg/m2) | 热电转换单元的比质量 | 5 360 |
ξrec / (kg/m2) | 回热器的比质量 | 1.8 |
ξhex / (kg/m2) | 高温换热器的比质量 | 5.9 |
ξrad / (kg/m2) | 辐射散热器的比质量 | 6.46 |
ξgc / (kg/m2) | 气体冷却器的比质量 | 5.9 |
ψ | 压气机的压头系数 | 0.66 |
Ahp / m2 | 单根热管的辐射散热面积 | 0.25 |
4 热力学参数分析
4.1 压气机进口温度
Fig. 3 Variation of the component weight and electrical efficiency at different inlet temperatures of the compressor图3 不同压气机进口温度下组件质量和发电效率的变化 |
Fig. 4 Variation of the working temperatures and heat dissipation of the radiator at different inlet temperatures of the compressor图4 不同压气机进口温度下辐射散热器的工作温度和散热量的变化 |
Fig. 5 Overall performance of the system at different inlet temperatures of the compressor图5 不同压气机进口温度下系统总体性能的变化 |
4.2 涡轮进口温度
Fig. 6 Variation of the component weight and electrical efficiency at different inlet temperatures of the turbine图6 不同涡轮进口温度下组件质量和发电效率的变化 |
Fig. 7 Overall performance of the system at different inlet temperatures of the turbine图7 不同涡轮进口温度下系统总体性能的变化 |
4.3 压气机压比
Fig. 8 Overall performance of the system at different pressure ratio of the compressor图8 不同压气机压比下系统总体性能的变化 |
Fig. 9 Electrical efficiency and work of the system at different pressure ratio of the compressor图9 系统发电效率和做功随压气机压比的变化 |
5 热力学参数优化
Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment表2 正交实验的因素水平表 |
因素 | 水平 | ||||
---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
ηT / % | 0.79 | 0.83 | 0.87 | 0.91 | 0.95 |
ηC / % | 0.79 | 0.83 | 0.87 | 0.91 | 0.95 |
α / % | 0.81 | 0.85 | 0.89 | 0.93 | 0.97 |
Table 3 The design conditions of orthogonal experiment and optimization results表3 正交实验设计工况及优化结果 |
序号 | 设计工况 | 优化结果 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ηT / % | ηC / % | α / % | 涡轮进口温度 / K | 压气机进口温度 / K | 压气机压比 | 发电效率 / % | 系统质量 / t | 质量比功率 / (kg/kW) | |||
1 | 0.81 | 0.79 | 0.79 | 1 500 | 420 | 2.5 | 19.97 | 12.26 | 12.04 | ||
2 | 0.81 | 0.83 | 0.83 | 1 500 | 444 | 2.6 | 22.49 | 10.35 | 9.02 | ||
3 | 0.81 | 0.87 | 0.87 | 1 500 | 468 | 2.8 | 24.67 | 8.81 | 7.01 | ||
4 | 0.81 | 0.91 | 0.91 | 1 500 | 488 | 2.9 | 27.32 | 7.80 | 5.60 | ||
5 | 0.81 | 0.95 | 0.95 | 1 500 | 508 | 3.1 | 29.56 | 6.93 | 4.59 | ||
6 | 0.85 | 0.79 | 0.83 | 1 500 | 432 | 2.6 | 22.17 | 11.53 | 10.19 | ||
7 | 0.85 | 0.83 | 0.87 | 1 500 | 456 | 2.7 | 24.57 | 9.81 | 7.82 | ||
8 | 0.85 | 0.87 | 0.91 | 1 500 | 482 | 2.8 | 26.67 | 8.43 | 6.20 | ||
9 | 0.85 | 0.91 | 0.95 | 1 500 | 498 | 3.0 | 29.19 | 7.51 | 5.04 | ||
10 | 0.85 | 0.95 | 0.79 | 1 500 | 462 | 2.5 | 25.39 | 9.33 | 7.21 | ||
11 | 0.89 | 0.79 | 0.87 | 1 500 | 448 | 2.6 | 24.27 | 10.92 | 8.82 | ||
12 | 0.89 | 0.83 | 0.91 | 1 500 | 464 | 2.8 | 26.92 | 9.50 | 6.92 | ||
13 | 0.89 | 0.87 | 0.95 | 1 500 | 488 | 2.9 | 28.99 | 8.27 | 5.59 | ||
14 | 0.89 | 0.91 | 0.79 | 1 500 | 452 | 2.4 | 25.59 | 10.43 | 7.99 | ||
15 | 0.89 | 0.95 | 0.83 | 1 500 | 474 | 2.6 | 27.50 | 8.89 | 6.34 | ||
16 | 0.93 | 0.79 | 0.91 | 1 500 | 448 | 2.7 | 27.61 | 11.09 | 7.88 | ||
17 | 0.93 | 0.83 | 0.95 | 1 500 | 474 | 2.8 | 29.39 | 9.46 | 6.31 | ||
18 | 0.93 | 0.87 | 0.79 | 1 500 | 436 | 2.4 | 26.21 | 12.05 | 9.01 | ||
19 | 0.93 | 0.91 | 0.83 | 1 500 | 464 | 2.5 | 27.84 | 10.08 | 7.10 | ||
20 | 0.93 | 0.95 | 0.87 | 1 500 | 482 | 2.6 | 30.31 | 8.90 | 5.76 | ||
21 | 0.97 | 0.79 | 0.95 | 1 500 | 446 | 2.9 | 30.66 | 12.04 | 7.70 | ||
22 | 0.97 | 0.83 | 0.79 | 1 500 | 416 | 2.4 | 27.61 | 15.32 | 10.88 | ||
23 | 0.97 | 0.87 | 0.83 | 1 500 | 440 | 2.5 | 29.45 | 12.86 | 8.56 | ||
24 | 0.97 | 0.91 | 0.87 | 1 500 | 456 | 2.7 | 31.40 | 11.11 | 6.94 | ||
25 | 0.97 | 0.95 | 0.91 | 1 500 | 474 | 2.8 | 33.51 | 9.84 | 5.76 |