海洋温差能动力系统储热室结构传热特性研究

沙浩男 张锦竹 王佳典 姜东岳

（1．中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078；2．东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；3．大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 引言

潜航器在海洋资源勘探、灾难预警、军事侦查以及海床测绘等领域有重要应用，现有潜航器以蓄电池为动力来源，然而蓄电池的使用限制了潜航器航程的进一步发展[1]。海洋温差能具有较大潜力，王树新等人[2]主持设计了温差能驱动潜航器的结构及控制系统，于2005年研制出我国首台由温差能驱动的潜航器的样机，并通过样机上的温度和压力传感器成功获得了千岛湖的环境温度和压力数据。马捷等人[3]基于焓法模型，并采用液相分数场与温度场解耦的方法建立了相变材料传热数学模型，求出了最佳相变时间点和最优体积变化率。孔巧玲等人[4]建立了一维的水下热潜航器热管换热模型，对潜航器上相变材料的固液相变过程换热特性进行了研究，利用等效导热系数的方法来表现凝固融化过程中自然对流作用的影响，但是计算过程并未扩展到二维或三维情况。

然而目前潜航器仍存在换热时间过长、相变材料体积变化率低等问题，导致潜航器航行速度慢，该文通过三维数值模拟研究了常规圆柱体结构、空心圆柱结构和带孔翼形结构的储热室相变传热情况。中空圆柱体结构和带孔翼形结构有望为提高温差能潜航器动力系统的稳定性提供支撑。

潜航器在海洋测量、排雷、监视和侦查领域具有重要作用。20世纪50年代以来，美、俄等国相继开发了多类型潜航器。动力系统是潜航器的关键部件，其性能直接决定了潜航器的设备载荷和水下自持力。经历了电推力-电浮力-热浮力几代动力系统的研发和迭代，虽然潜航器在续航里程和巡航速度上取得了进步，但是在实际应用中仍存在电推进系统航速高、续航短和浮力式滑翔动力系统续航长、航速慢相互制约的关系。常见的轻型无人潜航器采用电推进配合可控翼提供推力，潜航器具有较好的机动性，然而电池容量限制了潜航器的自持力（20 h～100 h），从而限制了潜航器的任务类型和续航能力。

1 海洋温差蓄热式潜航器动力系统结构

水下滑翔机工作剖面和动力系统结构如图1和图2所示。

图1 水下滑翔机工作剖面

图2 水下滑翔机动力系统结构

基于海表及海底的温差，结合相变材料的特性，该文提出超长续航蓄热式潜航器动力系统。利用海洋温差能的蓄热式潜航器，将海洋不同深度的温差转换为相变材料发生相变时体积变化产生的机械能，以改变潜航器的浮力，驱动潜航器在无须外供能量的情况下实现长续航的目标。

基于海洋温差能的潜航器工作原理，循环运行分为开始下沉、位于海底、开始上浮和位于海表4个阶段。在开始下沉阶段，潜航器整体位于海表，由于海表温度比储热室内储热材料的相变温度（正十六烷18.2 ℃）高，因此会使储热材料融化且体积膨胀，压缩传动油经单向阀至氮气蓄能器打开电磁阀2。由于大气压力比潜航器内部压力高，因此会使传动油由外油馕流至内油箱，在系统总质量不变的情况下体积变小，潜航器具有负浮力，开始下沉；当位于海底工况时，由于海底温度比储热材料相变温度低，因此储热材料凝固收缩，内油箱中的传动油经单向阀流至储热室；在开始上浮阶段，打开电磁阀1，氮气蓄能器释放能量，将传动油压至外油馕，在系统总质量不变的情况下体积变大，潜航器具有正浮力，开始上浮；当位于海表工况时，海表水温比储热材料相变温度高，使储热材料融化膨胀，并使传动油经单向阀流至氮气蓄能器，实现蓄能，为下一个循环做准备。

系统设计过程中需要注意储热材料相变过程带来的体积变化应足以改变潜航器整体的净浮力，系统储热材料的相变温度应位于海表、海底温度之间，氮气蓄能器初始压力应与潜航器下沉深度相匹配，目前常见的储热材料为正十五烷和正十六烷，这2种材料具备适宜的相变温度和较大的固液相变体积变化率。

蓄热式潜航器的核心为储热室，储热室与海水传热的性能直接决定了热能向机械能的转化程度，目前储热室设计仅依靠储热室壳体与海水之间的导热和对流，传热性能差，使潜航器在水面或者水底进行传热和相态转变的耗时过长，约2 h，大大削弱了潜航器在特定应用场所的隐蔽性和机动性。该研究旨在使储热室强化换热，缩短潜航器在水面和水底位置的驻留时间。

2 建立储热室的数值模型

该研究采用多物理场数值模拟平台COMSOL对储热室在海表、海底之间运动过程中的热力性能进行仿真，海表温度设置为25 ℃，海底温度设置为4 ℃，海水与储热室之间的传热为0.35 m/s的强制对流。采用的物理模型如图3所示，依次为传统圆柱结构、中通圆柱结构和带孔翼形结构。为确保数值模拟具有可比性，储热材料均为4 L的正十六烷，储热室外壳为金属钛，内侧传动油体积相同。详细物理模型参数见表1。

图3 数值模拟所选用的3种储热室结构

3 计算结果及分析

在对模型正确性进行验证的基础上，该章节探讨不同几何形状对储热室传热性能的影响。中通圆柱结构和带孔翼形结构储热室内储热材料的体积分数随时间的变化规律如图4所示。

图4 储热室凝固过程体积分数随时间的变化关系

随着时间的推移可以发现，无论是中通圆柱形结构还是带孔翼形结构的固相、液相率，其随时间变化的规律均呈现出与圆柱形结构相同的趋势，即固相率逐渐升高，液相率逐渐降低，且相变初期体积变化率随时间变化明显，相变后期体积变化率随时间变化不明显。这一趋势与传统相变材料相变过程体积变化率相似，在凝固过程中，与水接触的相变材料首先遇冷凝固，材料凝固后对内部相变材料的凝固形成导热热阻，与对流传热相比，导热热阻明显。

随着时间的不断推移，形成的固体相变材料层厚度增加，加剧了导热热阻的影响，进而使相变材料的体积分数变化逐渐变弱。值得注意的是，在采用相同体积储热材料的情况下，该研究提出的2种储热室结构均有效削弱了储热时间，中通圆柱形结构强化传热效果最明显，将原来的6 500 s缩短至3 500 s，而带孔翼形结构可以将凝固时间缩短至5 000 s。实现缩短相变时间的主要原因是增大的传热面积。与传统圆柱形结构相比，中通圆柱结构传热面积增大，使圆柱长度明显变长，传热面积由0.35 ㎡增至0.64 ㎡，带孔翼形结构的传热面积为0.45 ㎡，增大的传热面积能使储热室内的相变材料高效释放热量。

3种储热室结构在海洋温差条件下的融化过程、凝固过程和融化凝固总体过程所消耗的时间的对比如图5所示。

图5 圆柱形、中通圆柱形和带孔翼形结构储热室相变过程时间对比

无论是何种结构，其融化时间均比凝固时间短，其原因是在融化过程中，外侧储热材料受热融化后，其向固体储热材料的热量传递方式为对流传热，对流传热热阻显著低于导热热阻，因此融化时间较短。刘鸿瑨等人[5]指出在高压条件下，融化过程和凝固过程的时间变化会发生逆转，其原因是高压条件对储热材料的相变温度产生了影响。而该研究中假设储热材料的相变温度为定值，外界压力条件对储热材料相变温度及传热时间的影响有待进一步探讨。由融化过程和凝固过程的总时间可知，该文提出的中通圆柱形结构和带孔翼形结构对储热室的传热均起到了强化作用，该作用是由增大的传热面积而产生的。

4 结语

针对海洋温差能潜航器传热过慢、滑翔速度低和丢失率高的问题，该研究提出了3种储热室结构并进行了数值分析。通过和文献试验值对比，证明了该数值模型的准确性。结果表明，该文提出的中通圆柱形结构和带孔翼形结构均可以有效地缩短储热材料融化过程和凝固过程所需的时间，其原因是所提出的结构具有较大的传热面积。虽然中通圆柱形结构获得了最短的凝固、融化总时间，但是中通圆柱结构的储热室长度明显大于传统圆柱结构，会产生较大的滑翔阻力，带孔翼形的结构不仅能够缩短传热时间，而且其长度增加得也不明显；同时，其流动外形具备一定减阻特性，有望成为基于海洋温差能的潜航器储热室的理想结构。