一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，属于核反应堆动力转换技术领域，包括液金属‑工质换热系统、斯特林循环系统、传动系统；液金属‑工质换热系统包括弯管式换热器，换热管束为环形排列，中央设有液金属入口管和液金属出口管，液金属入口管管壁上设有入口窗，液金属出口管管壁上设有出口窗；气缸外壁与弯管式换热器的外壳限制形成弯管式换热器的壳程空间，液金属在壳程空间内流动，工质在换热管束内流动；活塞将气缸内空间分割为热腔室和冷腔室，热腔室与弯管式换热器的热腔接口相连；弯管式换热器的冷腔接口与回热器相连。本发明专利技术提供的系统能够以液金属反应堆产生的热量作为热源进行热电转换，并保证较高的转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统
本专利技术属于核反应堆动力转换
，具体涉及一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统。
技术介绍
目前常用的与核反应堆耦合的动力转换装置是汽轮机，汽轮机组具有技术发展成熟，转换效率高，工程应用经验丰富等多种优势，但是对于液金属尤其是碱金属作为冷却剂的反应堆耦合，由于金属的化学性质活泼，与水在高温条件下存在发生反应的风险，因此汽轮机与液金属反应堆耦合存在风险，而且汽轮机组的配套装置结构复杂，不利于核反应堆发电装置的小型化、模块化和可移动化。斯特林发动机技术发展相对成熟，结构简单，且其固有的能够适用多种热源的特性使其更能适用于与液金属反应堆的耦合。常规斯特林发动机多采用碳氢燃料燃烧产生的热能作为热源，驱动工质做功，燃料燃烧时火焰最高温度可达2000℃，发电机冷热端温差多在700℃左右，而以液金属反应堆作为热源，冷热端温差仅为300℃，因此需要对斯特林机进行改造以适应温差较低的换热形式的热源。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，以使斯特林发动机能够以液金属反应堆产生的热量作为热源进行热电转换并保证较高的能量转换效率。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述系统包括液金属-工质换热系统，斯特林循环系统、传动系统和输出轴；所述液金属-工质换热系统包括弯管式换热器，弯管式换热器的换热管束为环形排列，所述弯管式换热器的中央设有液金属入口管和液金属出口管，所述液金属入口管的管壁上设有液金属入口窗，所述液金属出口管的管壁上设有液金属出口窗；气缸外壁与所述弯管式换热器的外壳限制形成弯管式换热器的壳程空间，液金属在所述壳程空间内流动，工质在所述换热管束内流动；斯特林循环系统包括气缸、在所述气缸内侧往复运动的活塞、置于所述气缸外的回热器和冷却器以及连接两个相邻气缸的冷腔联管，所述活塞将所述气缸内空间分割为热腔室和底部冷腔室，所述热腔室与所述弯管式换热器的热腔接口相连；所述冷腔联管一端连接所述冷却器的冷却腔，另一端连接相邻气缸的底部冷腔室，所述冷却器的冷却腔、所述冷腔联管和相邻气缸的底部冷腔室共同组成冷腔室；所述弯管式换热器的冷腔接口与所述回热器相连并通过所述回热器和所述冷却器与所述冷腔室连通；所述活塞的底面设有连杆，通过所述连杆与所述传动系统相连。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述液金属为液钠、钠钾合金或铅铋合金。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述工质为氦气、氢气、氮气或空气。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述弯管式换热器的换热管束为一层或多层。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述活塞的顶面为半球形。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述系统为多缸斯特林发动机系统，所述多缸为四缸的倍数，每个气缸配置一套液金属-工质换热系统。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述冷却器包括冷却水进出口接管、冷却水通道和冷却装置。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述冷却器使用的冷却水为海水或工业循环冷却水。进一步，如上所述的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，所述系统还包括流量分配器，用于将液金属均匀分配至各个液金属-工质换热系统。本专利技术提供的用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统具有以下优点：本专利技术的斯特林发动机系统完成了对常规斯特林发动机外燃系统的改造，采用多层弯管式换热器，解决了液金属-氦气之间的高效换热的问题，实现了斯特林发动机利用从反应堆中导出的热量作为热源驱动发电机发电，为斯特林发动机耦合液金属反应堆提供了设备基础，为实现液金属反应堆的小型化、模块化和可移动化提供了一条切实可行技术路线。附图说明图1是本专利技术具体实施方式中提供的一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统的结构示意图；图2是图1实施例中液金属-工质换热系统的剖视图；图3是图1实施例中液金属-工质换热系统的俯视图；其中：1-液金属-工质换热系统；2-斯特林循环系统；3-传动系统；4-输出轴；11-液金属入口管；12-液金属出口管；13-液金属入口窗13；14-液金属出口窗；15-弯管式换热器；16-热腔接口；17-冷腔接口；21-气缸；22-活塞；23-回热器；24-冷却器；25-冷腔联管；26-热腔室；27-冷腔室；31-连杆；32-曲轴。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步描述。如图1-3所示，本实施例提供一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，系统包括四套液金属-工质换热系统1、四套斯特林循环系统2、四套传动系统3和输出轴4；液金属-工质换热系统1包括弯管式换热器15，弯管式换热器15的换热管束为环形排列，弯管式换热器的中央设有液金属入口管11和液金属出口管12，液金属入口管11的管壁上设有液金属入口窗13，液金属出口管12的管壁上设有液金属出口窗14；气缸外壁与弯管式换热器15的外壳限制形成弯管式换热器15的壳程空间，液金属在壳程空间内流动，工质在换热管束内流动。其中，液金属为液钠、钠钾合金、铅铋合金或其他冷却反应堆用的液金属；工质为氦气、氢气、氮气或空气。由于液金属反应堆冷热端温差较低，对于斯特林发动机属于低温热源，需较大的换热面积来保证足够的换热量，因此设置弯管式加换热器，在本实施例中换热管的数量为一层，液金属为液钠，工质为氦气。氦气工质在换热管束内进行流动，液钠由液金属入口管11经液金属入口窗13流入，沿着换热管束流动半圈后再由液金属出口窗14经液金属出口管12流出。弯管式换热器的优点在于液金属侧压力较低，不需要设计非常耐压的结构，弯管还可以自发的解决管束热膨胀所带来的热应力问题，同时加热器无益容积也可以得到有效控制，保证斯特林发动机的整机效率得到控制。根据液金属热源温度和输出功率的不同，可以通过计算确定换热管的数量，通常情况下换热管束采用不锈钢或特殊金属材质。在本专利技术的其他实施例中，可根据换热量需求设多层换热管。多层弯管结构由于必须将加热器中心圆形区域与周边环形区域一对一的连接起来，因此加热管的设计与布置相对更为复杂，首先由于半径不同，内圈等半径的管束数量必然不能与外圈的管束数量保持一致。斯特林循环系统2包括气缸21、在气缸内侧往复运动的活塞22、置于气缸外的回热器23和冷却器24以及连接两个相邻气缸的冷腔联管25，活塞22将气缸内空间分割为热腔室26和底部冷腔室，热腔室26与弯管式换热器15的热腔接口16相连；冷腔联管25一端连接冷却器24的冷却腔，另一端连接相邻气缸的底部冷腔室，冷却器24本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，其特征在于，所述系统包括液金属-工质换热系统(1)，斯特林循环系统(2)、传动系统(3)以及输出轴(4)；/n所述液金属-工质换热系统(1)包括弯管式换热器(15)，所述弯管式换热器(15)的换热管束为环形排列，所述弯管式换热器(15)的中央设有液金属入口管(11)和液金属出口管(12)，所述液金属入口管(11)的管壁上设有液金属入口窗(13)，所述液金属出口管(12)的管壁上设有液金属出口窗(14)；气缸外壁与所述弯管式换热器(15)的外壳限制形成弯管式换热器(15)的壳程空间，液金属在所述壳程空间内流动，工质在所述换热管束内流动；/n斯特林循环系统(2)包括气缸(21)、在所述气缸(21)内侧往复运动的活塞(22)、置于所述气缸外的回热器(23)和冷却器(24)以及连接两个相邻气缸的冷腔联管(25)，所述活塞(22)将所述气缸内空间分割为热腔室(26)和底部冷腔室，所述热腔室(26)与所述弯管式换热器的热腔接口(16)相连；所述冷腔联管(25)一端连接所述冷却器(24)的冷却腔，另一端连接相邻气缸的底部冷腔室，所述冷却器(24)的冷却腔、所述冷腔联管(25)和相邻气缸的底部冷腔室共同组成冷腔室(27)；所述弯管式换热器的冷腔接口(17)与所述回热器(23)相连并通过所述回热器(23)和所述冷却器(24)与所述冷腔室(27)连通；/n所述活塞(22)的底面设有连杆(31)，通过所述连杆(31)与所述传动系统(3)相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于耦合液金属冷却反应堆的斯特林发动机系统，其特征在于，所述系统包括液金属-工质换热系统(1)，斯特林循环系统(2)、传动系统(3)以及输出轴(4)；
所述液金属-工质换热系统(1)包括弯管式换热器(15)，所述弯管式换热器(15)的换热管束为环形排列，所述弯管式换热器(15)的中央设有液金属入口管(11)和液金属出口管(12)，所述液金属入口管(11)的管壁上设有液金属入口窗(13)，所述液金属出口管(12)的管壁上设有液金属出口窗(14)；气缸外壁与所述弯管式换热器(15)的外壳限制形成弯管式换热器(15)的壳程空间，液金属在所述壳程空间内流动，工质在所述换热管束内流动；
斯特林循环系统(2)包括气缸(21)、在所述气缸(21)内侧往复运动的活塞(22)、置于所述气缸外的回热器(23)和冷却器(24)以及连接两个相邻气缸的冷腔联管(25)，所述活塞(22)将所述气缸内空间分割为热腔室(26)和底部冷腔室，所述热腔室(26)与所述弯管式换热器的热腔接口(16)相连；所述冷腔联管(25)一端连接所述冷却器(24)的冷却腔，另一端连接相邻气缸的底部冷腔室，所述冷却器(24)的冷却腔、所述冷腔联管(25)和相邻气缸的底部冷腔室共同组成冷腔室(27)；所述弯管式换热器的冷腔接口(17)与所述回热器(23)相连并通过所述回热器(23)和所述冷却器(24)与所述冷腔室(27)连通；
所述活塞(22)的底面设有连杆(31)，通过所述连杆(31)与所述传动系统(3)相连。

【专利技术属性】
技术研发人员：侯斌，吕田，杨红义，顾根香，余华金，黄晓宇，宋广懂，王晓坤，周科源，周立军，庄毅，肖常志，朱丽娜，杜丽岩，陈振佳，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11