铯蒸气循环系统热工水力特性数值模拟研究

陈力勤 赵守智 杨夷

摘  要：铯蒸气循环系统主要用于为大功率热离子发电装置长期稳定地提供纯净铯蒸气。为此开发了基于毛细泵两相回路技术的瞬态分析程序，对系统的动态响应特性、毛细极限运行特性、几何参数对运行的影响等问题进行探究。研究发现铯蒸气循环系统具有良好的自调节功能。最后根据模拟所得运行数据，设计出合理的几何参数，并对未来的系统设计提供理论指导。

关键词：铯蒸气循环系统  毛细泵两相回路  动态响应特性  自调节功能

中图分类号：TM623                           文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）08（a）-0113-03

Abstract： The cesium vapor circulation system is mainly used to provide pure cesium vapor for high-power thermionic power generation devices stably manner for a long time. A transient analysis program based on the two-phase capillary pump technology was developed to investigate the dynamic response of system and the influence of geometric parameters on operation. Finally， according to the operating data obtained from the simulation， the geometric parameters are rationally designed to provide theoretical guidance for the experiment.

Key Words： Cesium vapor circulation system; Two phase loop of the capillary pump; Dynamic response characteristics; Self regulating

铯蒸气循环系统应用于热离子发电装置，主要是为热离子发电装置的电极间隙提供定压铯蒸气，可以达到消除负电空间电荷、降低发射极电子逸出功、减小发射极材料蒸发损耗等多重目的，既提高了热离子能量转换器的输出电功率和热电转换效率，又延长了热离子能量转换器发射极部件的寿命。

1  数学模型构建

程序主要使用集总参数法[1]，将物理模型抽象为一系列节点，不同节点代表不同的小区域，所以提取节点的过程必须保证局部的几何特征、物性参数、边界条件变化不大。系统模型搭建思路，先划分为蒸发区、蒸气管道、冷凝区、储液芯四大模块，再根据不同流动换热特点划分若干节点。

节点通用热微分方程[2]：

式中为通过节点质量，为节点定压比热;是热导率，是流动方向的传热面积，为长度;是对流换热系数;为流体的定压比热;为外加热负荷。在多孔介质中做传热分析时，其热导率等效为[3]：

式中，是毛细芯体材料;为工质热导率;为毛细芯体的有效热导率。

在蒸气与液面的交界处，不断发生着蒸发和冷凝，气液交界面处的质量传递速率为分子从蒸气空间进入液面内与液面内分子进入气体中的速率差，即净分子通量流率。可以根据分子动力学理论得[4]到蒸发速率：

式中，是蒸发率系数;是气体常数;是液面上方气体压力。是饱和液面下方液体压力，为毛细抽吸力。

铯蒸气循环系统有自调节特性，可以承受一定范围的温度、压力、流率波动。自调节原理：热负荷突然改变，蒸发率发生变化，冷凝率暂时不变，二者差值导致系统内蒸气压力变化，从而调整蒸发率和冷凝率直到平衡。

2  系统运行特性分析

本文使用程序模拟系统在启动和停机工况下，关键位置的参数变化，验证铯蒸气铯蒸气循环系统的稳定性，为将来的系统设计提供优化和设计参考。

2.1 系统启动特性分析

平稳启动是系统可靠的重要标志，将启动初始条件输入程序：初始温度是570K，5S时刻系统启动，热负荷温度突然上升至650K，冷凝温度不变，程序输入边界参数得出温度、压力、流率曲线如图1。

蒸发气体温度在6S时刻稳定，形成过热气体进入管道，冷凝腔气体几乎不变;蒸发气体压力为液面饱和压力，随温度上升而增大至600Pa，管道气体与冷凝腔气体温度也随时间小幅上升，气体压力稳定在293Pa;蒸发率随着液面饱和压力升高立刻增大，冷凝率经过短暂保持后也迅速增大，最终二者平衡在0.318g/s。为了对比负荷突然增加和缓慢增加两种启动特性，输入缓慢启动条件输入程序：初始温度570K，5S时刻系统启动，热负荷以每秒5K温升，冷凝温度不变，程序输入边界参数得出温度、压力、流率曲线图。

2.2 毛细极限工况特性分析

探究毛细极限发生时系统运行特性，将模拟的边界条件输入程序：系统在热负荷650K正常运行中，7S时刻热负荷突变为900K，这一温度必发生毛细极限，观察关键位置的各运行参数变化如图2。

发生毛细极限后，根据流动阻力与最大毛细压头的关系分为三个阶段，上升阶段、下降阶段、震荡阶段：热负荷温度上升至690K时系统发生毛细极限，此时流动压阻开始大于毛细压头，储液芯无法为蒸发器供给工质。流动阻力上升，气体压力上升，蒸发液面高度下降，蒸发率上升。蒸发器内工质不断减少，蒸发液面持续降低，蒸发面積减少，蒸发率下降，从而流动阻力下降。当流动阻力下降至毛细压头以下时，流动阻力会沿最大毛细压头曲线震荡，其他参数随之震荡，蒸发总趋势为随时间下降，直到降为零，此时蒸发区内没有液体存在，系统完全失效。

3  结论

本文通过毛细泵两相回路运行特性及工作机理的理论分析，建立了系统的瞬态特性数学模型，重点分析了启动工况、毛细极限工况的数值参数，研究了系统关键部件参数变化情况。

（1）铯蒸气循环系统具有较强的自调节能力，体现在两方面，第一种是不发生毛细极限的变工况下可以迅速使系统恢复平衡，第二种是毛细极限出现时，系统不会立刻失效，而是经历了三个阶段。这两种特性可以一定程度上保证系统的可靠性。

（2）毛细极限发生到系统失效整个过程持续400s以上，上升阶段持续50s，下降阶段持续150s，此后直到失效都是第三阶段，第三阶段发生后，整个系统处于不稳定状态，非常不利于装置维护，所以应该及时发现毛细极限的发生，在前两阶段采取降温措施。

参考文献

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