模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法，系统包括：感应加热模拟热堆结构，包括感应加热体和感应加热线圈，用于模拟热堆产生热量；多个热管，一端与感应加热体连接，用于取出并传输由感应加热模拟热堆结构产生的热量；集热器，与热管的另一端连接，用于扩展热管传输热量的散热面积；绝热保温段，包裹多个热管，用于对热管进行保温隔热；热电转换模块，设置于集热器的表面，用于将石墨集热器中的热能转换为电能；电功率测量电路，与热电转换模块连接，用于测量热电转换模块的输出的电功率。实现无核辐射风险，热源功率调节方便且能够对热堆系统热电转换效率进行精确测量。进行精确测量。进行精确测量。

【技术实现步骤摘要】
模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法


[0001]本专利技术属于热堆模拟演示领域，更具体地，涉及一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]热堆是一种清洁且高效的热能能源，在空间探测、航空航天、舰船及民用清洁高效能源具有广阔应用前景，热堆工作效率的演示与模拟系统能够模拟热堆的工作状况，提供热堆能源设计的关键数据。
[0003]但基于真实热堆结构的模拟演示系统具有核辐射风险，且系统结构复杂，热源功率调节难度高，不便于热堆热传导测量的模拟及演示。
[0004]因此，需要提出一种更为安全且易于实现热堆全系统热电转换效率精确测量的模拟热堆演示系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法，实现无核辐射风险，热源功率调节方便且能够对热堆系统热电转换效率进行精确测量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出了一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统，包括：
[0007]感应加热模拟热堆结构，包括感应加热体以及设置于所述感应加热体外部的感应加热线圈，所述感应加热模拟热堆结构用于通过电磁感应加热模拟热堆产生热量；
[0008]多个热管，所述热管的一端嵌入所述感应加热体的内部，用于取出并传输由所述感应加热模拟热堆结构产生的热量；
[0009]集热器，所述热管的另一端嵌入所述集热器的内部，所述集热器用于扩展所述热管传输热量的散热面积；
[0010]绝热保温段，设置于所述感应加热模拟热堆结构与所述集热器之间且包裹多个所述热管，所述绝热保温段用于对所述热管进行保温隔热；
[0011]热电转换模块，设置于所述集热器的表面，用于将石墨集热器中的热能转换为电能；
[0012]电功率测量电路，与所述热电转换模块连接，用于测量所述热电转换模块的输出的电功率。
[0013]可选地，所述感应加热体的材料为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。
[0014]可选地，所述热管的管材为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。
[0015]可选地，所述热管的内部填充有金属导热工质，所述金属导热工质为锂、钠、钾、铷或铯。
[0016]可选地，所述绝热保温段的材料为玄武岩、莫来石、SiO2、Al2O3、ZrO2纤维或气凝胶。
[0017]可选地，所述集热器的材料为石墨。
[0018]可选地，所述热电转换模块包括多个热电转换单元，多个所述热电转换单元在所述集热器表面呈阵列排布。
[0019]可选地，所述电功率测量电路包括电功率消耗单元、电流表和电压表；
[0020]所述电功率消耗单元、所述电流表和所述热电转换模块之间形成回路，所述电流表用于测量回路电流，所述电压表用于测量所述电功率消耗单元两端的电压。
[0021]本专利技术还提出一种以上所述的模拟热堆热管取热与热电转换演示系统的设计方法，所述方法包括：
[0022]步骤S1：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及温度确定所述感应加热线圈的功率及所述感应加热体的材料；
[0023]步骤S2：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及所述感应加热体的材料的温度，选择所述热管的材料，并计算多个所述热管传输至所述集热器的热功率；
[0024]步骤S3：选择所述绝热保温段和所述集热器的材料；
[0025]步骤S4：根据所述热转换模块的热电转换效率和所述集热器的热辐射功率计算系统热电转换功率；
[0026]步骤S5：通过所述电功率测量电路测量系统的实际热电发电功率；
[0027]步骤S6：根据步骤S4计算得到的系统热电转换功率与步骤S5测得的实际热电发电功率，计算系统热电转换功率符合度；
[0028]步骤S7：若所述系统热电转换功率符合度满足误差要求，则固定所述热电转换模块的转换效率值，否则，修正所述热电转换模块的转换效率值，直至系统热电转换功率符合度满足误差要求，并更新系统热电转换模块的转换效率值。
[0029]可选地，在所述步骤S1中，所述感应加热线圈的功率通过以下公式计算：
[0030]P
IC
＝P0·
f
IC
/η
IC
[0031]式中，P
IC
为所述感应加热线圈的功率，P0为模拟热堆的标称功率，η
IC
为感应加热线圈与感应加热体之间的转换效率，f
IC
为系统功率安全余量；
[0032]在所述步骤S2中，多个所述热管传输至所述集热器的热功率通过如下公式计算：
[0033]P
gr
＝P0·
η
hp
[0034]式中，P
gr
为多个所述热管传输至所述集热器的热功率，P0为模拟热堆的标称功率，η
hp
为多个热管的热传输效率；其中，所述集热体的热辐射功率等于多个所述热管传输至所述集热器的热功率P
gr
；
[0035]在所述步骤S4中，所述系统热电转换功率通过以下公式计算：
[0036]P
h2e
＝P
gr
·
η
te
[0037]式中，P
h2e
为系统热电转换功率，P
gr
为所述集热体的热辐射功率，η
te
为所述热电转换模块的转换效率；
[0038]在所述步骤S6中，所述系统热电转换功率符合度通过以下公式计算：
[0039]C＝P
h2e
/P
e
×
100％
[0040]式中，P
h2e
为系统热电转换功率，P
e
为所述电功率测量电路测量的实际热电发电功率。
[0041]本专利技术的有益效果在于：
[0042]本专利技术通过基于电磁感应加热原理的感应加热模拟热堆结构对热堆系统进行模拟，通过热管取出感应加热模拟热堆结构内的热量并传输至石墨集热器，再在石墨集热器表面集成热电转换模块，实现热堆电源整体系统的模拟与演示，相比于真实热堆结构，本演示系统结构简单，无核辐射风险，热源功率调节方便，且易于实现全系统热电转换效率的精确测量。
[0043]本专利技术的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本专利技术的特定原理。
附图说明
[0044]通过结合附图对本专利技术示例性实施例进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本专利技术示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0045]图1示出了根据本专利技术的一个实施例的一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统的结构示意图。
具体实施方式
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统，其特征在于，包括：感应加热模拟热堆结构，包括感应加热体以及设置于所述感应加热体外部的感应加热线圈，所述感应加热模拟热堆结构用于通过电磁感应加热模拟热堆产生热量；多个热管，所述热管的一端嵌入所述感应加热体的内部，用于取出并传输由所述感应加热模拟热堆结构产生的热量；集热器，所述热管的另一端嵌入所述集热器的内部，所述集热器用于扩展所述热管传输热量的散热面积；绝热保温段，设置于所述感应加热模拟热堆结构与所述集热器之间且包裹多个所述热管，所述绝热保温段用于对所述热管进行保温隔热；热电转换模块，设置于所述集热器的表面，用于将石墨集热器中的热能转换为电能；电功率测量电路，与所述热电转换模块连接，用于测量所述热电转换模块的输出的电功率。2.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述感应加热体的材料为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。3.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热管的管材为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。4.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热管的内部填充有金属导热工质，所述金属导热工质为锂、钠、钾、铷或铯。5.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述绝热保温段的材料为玄武岩、莫来石、SiO2、Al2O3、ZrO2纤维或气凝胶。6.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述集热器的材料为石墨。7.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热电转换模块包括多个热电转换单元，多个所述热电转换单元在所述集热器表面呈阵列排布。8.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述电功率测量电路包括电功率消耗单元、电流表和电压表；所述电功率消耗单元、所述电流表和所述热电转换模块之间形成回路，所述电流表用于测量回路电流，所述电压表用于测量所述电功率消耗单元两端的电压。9.一种如权利要求1
‑
8任意一项所述的模拟热堆热管取热与热电转换演示系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及温度确定所述感应加热线圈的功率及所述感应加热体的材料；步骤S2：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及所述感应加热体的材料的温度，选择所述热管的材料，并计算多个所述热管传输至所述集热器的热功率；步骤S3：选择所述绝热保温段和所述集热器的材料；步骤S4：根据所述热转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晓光，邓代英，陈思员，胡龙飞，俞继军，艾邦成，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：