热管微堆、热电转换系统及其控制方法与流程

本申请主要涉及核反应堆，尤其涉及一种热管微堆、热电转换系统及其控制方法。

背景技术：

1、热管反应堆是一种独特的小型反应堆系统，具有可工厂预制、装置可运输、运行自调节、可快速部署等特性。由于其结构简单的特性，热管微堆的安全性与灵活性都显著提高，可以适配太空、海洋、偏远地区、移动电源等特殊应用场景。热管反应堆中的热管内部高效的相变传热可以非能动地将堆芯热量传导到堆芯外部，并依靠热电转换系统作为常规热阱排出热量。

2、目前可应用于热管反应堆的热电转换系统有超临界二氧化碳布雷顿循环系统和开式空气布雷顿循环系统等。超临界二氧化碳布雷顿循环系统在一些应用场景下存在功率调节困难的情况，尤其是在低负荷工况下，超临界二氧化碳布雷顿循环系统能量转换效率低，因此会产生大量能量浪费的问题。而开式空气布雷顿循环系统则存在循环效率低的问题，使用开式空气布雷顿循环系统时，工质仍有高达210℃的温度直接排放到空气冷端，导致能量损失大，不能被有效利用；且在同等功率水平下，采用开式空气布雷顿循环系统来发电，核燃料消耗量更大，不利于延长反应堆寿命。

技术实现思路

1、本申请要解决的技术问题是提供一种热管微堆的热电转换系统及其控制方法，可以提高热电转换系统的循环效率。

2、为解决上述技术问题，本申请提供了一种热管微堆的热电转换系统，布雷顿循环装置，具有第一工质输入端、工质分流端、工质回流端和第一工质输出端，所述第一工质输入端和所述第一工质输出端适于与热管热交换，所述布雷顿循环装置还包括工质分流管路、工质回流管路和分流阀，所述分流阀具有第一端、第二端和第三端，所述第一端连接所述工质分流管路，所述第二端连接所述工质分流端，所述第三端和所述工质回流端连接所述工质回流管路；有机朗肯循环装置，具有第二工质输入端和第二工质输出端；中间换热器，具有热端入口、热端出口、冷端入口和冷端出口，所述热端入口连接所述工质分流端，所述热端出口连接所述工质回流端，所述冷端入口连接第二工质输出端，所述冷端出口连接所述第二工质输入端；控制器，用于根据外部输入的负荷需求信号控制所述分流阀的开度，以调节所述工质分流管路通过所述工质回流端传递给所述有机朗肯循环装置的第一工质比例。

3、可选地，当所述负荷需求信号小于等于第一阈值时，所述控制器控制所述分流阀关闭第三端，当所述负荷需求信号大于所述第一阈值且小于第二阈值时，所述控制器控制所述分流阀线性打开第三端，当所述负荷需求信号大于等于所述第二阈值时，所述控制器控制所述分流阀完全打开第三端，所述第一阈值小于所述第二阈值。

4、可选地，热电转换系统还包括热管换热器，连接所述热管，且连接所述第一工质输入端和第一工质输出端，适于将热量从所述热管传递给所述布雷顿循环装置。

5、可选地，所述布雷顿循环装置还包括透平膨胀器、第一发电机、回热器及压缩机，所述透平膨胀器、第一发电机和回热器依次连接，所述回热器包括回热器热端入口、回热器热端出口、回热器冷端入口和回热器冷端出口，所述工质分流管路连接所述回热器热端出口，所述压缩机连接在所述工质回流管路和所述回热器冷端入口之间，所述回热器冷端出口连接所述第一工质输出端。

6、可选地，热电转换系统还包括空冷换热器，与所述冷凝器连接，适于排出所述有机朗肯循环装置中的发电后热量。

7、可选地，所述有机朗肯循环装置包括依次连接的螺杆膨胀机、第二发电机、冷凝器及立式多级密封泵。

8、可选地，所述布雷顿循环装置中的第一工质包括氦氙工质、空气、酒精和制冷剂。

9、可选地，所述有机朗肯循环装置中的第二工质包括有机工质、空气、酒精和制冷剂，其中有机工质包括r123、r1234ze、r245fa、r600a、rc318和r141b。

10、为解决上述技术问题，本申请提供了一种热管微堆，包括堆芯、热管和如上所述的热电转换系统。

11、为解决上述技术问题，本申请提供了一种如上所述的热管微堆的热电转换系统的控制方法，包括以下步骤：判断负荷需求是否小于等于第一阈值，若是则关闭所述分流阀第三端，使所述工质分流管路中的工质全部经所述第二端流入所述工质回流管路，若否则判断所述负荷需求是否小于第二阈值；当所述负荷需求大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，所述分流阀根据所述负荷需求线性改变开度，从而使工质在所述第二端和第三端之间按比例分配；当所述负荷需求大于等于所述第二阈值时，完全打开所述分流阀第三端。

12、与现有技术相比，本申请通过结合布雷顿循环与朗肯循环，充分利用热电转换系统中的热量，且能够灵活控制热电转换系统以满足不同的负荷需求，有效提高了热电转换系统的循环效率。

技术特征：

1.一种热管微堆的热电转换系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，当所述负荷需求信号小于等于第一阈值时，所述控制器控制所述分流阀关闭第三端，当所述负荷需求信号大于所述第一阈值且小于第二阈值时，所述控制器控制所述分流阀线性打开第三端，当所述负荷需求信号大于等于所述第二阈值时，所述控制器控制所述分流阀完全打开第三端，所述第一阈值小于所述第二阈值。

3.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，还包括热管换热器，连接所述热管，且连接所述第一工质输入端和第一工质输出端，适于将热量从所述热管传递给所述布雷顿循环装置。

4.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，所述布雷顿循环装置还包括透平膨胀器、第一发电机、回热器及压缩机，所述透平膨胀器、第一发电机和回热器依次连接，所述回热器包括回热器热端入口、回热器热端出口、回热器冷端入口和回热器冷端出口，所述工质分流管路连接所述回热器热端出口，所述压缩机连接在所述工质回流管路和所述回热器冷端入口之间，所述回热器冷端出口连接所述第一工质输出端。

5.如权利要求4所述的热电转换系统，其特征在于，还包括空冷换热器，与所述冷凝器连接，适于排出所述有机朗肯循环装置中的发电后热量。

6.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，所述有机朗肯循环装置包括依次连接的螺杆膨胀机、第二发电机、冷凝器及立式多级密封泵。

7.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，所述布雷顿循环装置中的第一工质包括氦氙工质、空气、酒精和制冷剂。

8.如权利要求1所述的热电转换系统，其特征在于，所述有机朗肯循环装置中的第二工质包括有机工质、空气、酒精和制冷剂，其中有机工质包括r123、r1234ze、r245fa、r600a、rc318和r141b。

9.一种热管微堆，包括堆芯、热管和如权利要求1-8任一项所述的热电转换系统。

10.一种如权利要求1所述的热管微堆的热电转换系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本申请提供了一种热管微堆的热电转换系统及其控制方法，包括布雷顿循环装置，具有第一工质输入端、工质分流端、工质回流端和第一工质输出端，且还包括工质分流管路、工质回流管路和分流阀，第一工质输入端和第一工质输出端适于与热管热交换；有机朗肯循环装置具有第二工质输入端和第二工质输出端；中间换热器具有热端入口、热端出口、冷端入口和冷端出口，热端入口连接工质分流端，热端出口连接工质回流端，冷端入口连接第二工质输出端，冷端出口连接第二工质输入端；控制器，用于根据外部输入的负荷需求信号控制分流阀的开度，以调节工质分流管路通过工质回流端传递给有机朗肯循环装置的第一工质比例。本申请能够提高热电转换系统的循环效率。技术研发人员：颜岩,汤春桃,叶成,兰花,陈其昌,袁春田,史凌玥,姜旭东,张晋,桂璐廷,杨波受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25