李新春，王中偉

(1.國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙　410073；2.國防科技大學(xué) 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙　410073)

?

高超聲速飛行器的熱電技術(shù)熱管理系統(tǒng)參數(shù)*

李新春1,2，王中偉1,2

(1.國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙410073；2.國防科技大學(xué) 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙410073)

摘要：提出了集成熱電發(fā)電裝置的超燃沖壓發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)，將熱電發(fā)電器與發(fā)動機(jī)壁面結(jié)構(gòu)相結(jié)合。集成的熱電發(fā)電熱管理系統(tǒng)可以將傳入發(fā)動機(jī)壁面的熱量部分轉(zhuǎn)換為電能，同時減少了冷卻用燃料流量，“間接”提高了燃料的吸熱能力。燃料在冷卻過程中提高了自身溫度和焓值，具有一定的做功能力。高溫高壓的燃料經(jīng)過渦輪機(jī)膨脹做功，輸出可以被高超聲速飛行器利用的能量。采用熱力學(xué)的分析方法對集成熱電發(fā)電熱管理系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明其比傳統(tǒng)的再生冷卻防熱具有極好的潛在優(yōu)勢，提升了燃料的吸熱能力，同時對外輸出了可用功。

關(guān)鍵詞：再生冷卻；熱電轉(zhuǎn)換；熱管理系統(tǒng)；燃料

自20世紀(jì)90年代美國提出“全球快速打擊計劃”以來，軍事裝備武器向著快速打擊、兩小時全球到達(dá)的目標(biāo)發(fā)展[1]。飛行器向著長時間、高超聲速的方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)之一是飛行器的熱管理，其中最困難的是發(fā)動機(jī)的冷卻。再生冷卻是高超聲速飛行器對流冷卻的一種形式[2]。但是，飛行器飛行達(dá)到一定馬赫數(shù)時燃料的冷卻劑流量將大于燃燒燃料流量[3-4]?？梢酝ㄟ^熱量的熱功轉(zhuǎn)換和熱電轉(zhuǎn)換，間接提升燃料吸熱能力，同時輸出可以被利用的能量，從而提高燃料冷卻劑的吸熱能力[5]。Qin[6-8]和Bao[9]等在再生冷卻的基礎(chǔ)上，以燃料為冷卻工質(zhì)，通過燃料吸熱升溫推動渦輪機(jī)對外輸出功的形式，間接提高燃料的吸熱能力。利用燃料吸熱推動渦輪機(jī)做功具有很大的局限性，不僅增加了熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且燃料的吸熱能力提升不大[10]。在燃料與發(fā)動機(jī)壁面換熱間存在很大的溫差，可以利用溫差實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，對熱量進(jìn)一步利用[11]。熱電技術(shù)[12-13]已成熟應(yīng)用在汽車尾氣、工業(yè)廢熱等熱量回收系統(tǒng)中。Miller等[14]綜合熱電轉(zhuǎn)換裝置和熱力循環(huán)的系統(tǒng)來利用汽車發(fā)動機(jī)廢熱，分析了系統(tǒng)的理論輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和能量利用率，研究了換熱器表征值、熱阻、熱電優(yōu)值系數(shù)的特性以及整個過程中的參數(shù)設(shè)計。Shu等[15]將熱電轉(zhuǎn)換裝置和有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)合，分析這種復(fù)合系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)尾氣余熱方面的應(yīng)用，并進(jìn)行參數(shù)和熱力學(xué)分析。在超燃沖壓發(fā)動機(jī)壁面冷卻過程中，燃料冷卻劑的吸熱能力受到限制，同時還沒有熱電技術(shù)應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)壁面冷卻系統(tǒng)的相關(guān)報道。

1工作原理分析

高超聲速飛行器的熱管理是一個綜合的能量平衡系統(tǒng)。集成熱電發(fā)電的熱管理系統(tǒng)(Thermoelectric Generation Thermal Management System, TEG-TMS)將熱電轉(zhuǎn)換裝置與冷卻系統(tǒng)結(jié)合，在傳熱過程中輸出電能。設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，在冷卻劑與加熱面的高溫?zé)嵩粗g可以通過熱電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。圖1為再生冷卻流道示意圖和集成熱電發(fā)電的熱管理系統(tǒng)示意圖。對于再生冷卻系統(tǒng)，當(dāng)燃料以初始溫度T0流過冷卻通道升高到T1，吸收的熱量為Q，此時燃料流量為m1。若在冷卻通道與熱流面間嵌入熱電裝置，當(dāng)仍需要吸收熱量Q時，在傳入結(jié)構(gòu)過程中將有部分熱量轉(zhuǎn)換為電能輸出，需要冷卻劑吸收的熱量為Qf。當(dāng)燃料冷卻劑的初始溫度和流出冷卻通道的溫度仍分別為T0和T1時，則可以降低燃料的冷卻流量。

圖1　再生冷卻和TEG-TMS對比示意圖Fig.1　Simplified schematic comparison between regenerative cooling and TEG-TMS

針對集成熱電發(fā)電熱管理系統(tǒng)，在熱量傳遞與轉(zhuǎn)換過程中，一部分熱量通過結(jié)構(gòu)嵌入的熱電裝置轉(zhuǎn)換為電能，一部分由具有高焓的燃料冷卻劑通過渦輪機(jī)輸出可用功，一部分由燃料自身吸熱帶走，如圖2所示。這樣整個系統(tǒng)輸出的可用能量為W1+W2，從而提高了高超聲速飛行器傳入結(jié)構(gòu)熱量的利用率。

圖2　TEG-TMS可用功輸出示意圖Fig.2　Simplified schematic of power output in TEG-TMS

2熱力學(xué)分析

提高燃料冷卻能力的方法有直接方法和間接方法。直接方法是提高燃料的物理吸熱能力和化學(xué)吸熱能力；間接方法有熱功轉(zhuǎn)換和熱電轉(zhuǎn)換。間接提高燃料吸熱的原理是指通過將燃料吸收的部分熱量轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，降低需要燃料最終帶走的熱量。這樣，在不增加燃料流量或采用吸熱能力更大的燃料的前提下，額外的吸熱量將被帶走，相當(dāng)于單位質(zhì)量燃料的吸熱能力得到“間接”提高。

如圖1所示，對于再生冷卻方式，燃料冷卻劑可以吸收的熱量為：

Q=m1cp(T1-T0)

(1)

對于TEG-TMS方式，當(dāng)仍需要吸收熱量Q時，在傳入結(jié)構(gòu)過程中將有部分熱量轉(zhuǎn)換為電能輸出，需要冷卻劑吸收的熱量為Qf，即

Qf=m2cp(T1-T0)

(2)

因此，燃料吸收的熱量和熱電器轉(zhuǎn)換的能量之和為傳入結(jié)構(gòu)的熱量。

Q=Qf+W1

(3)

同時，熱電器的轉(zhuǎn)換效率可以表示為：

η1=W1/Q

(4)

定義ψ為燃料的消耗率，則

(5)

熱電器的轉(zhuǎn)換效率也可以表示為式(6)形式[16]。

(6)

其中：ηc是卡諾循環(huán)效率，即ηc=(Th-Tc)/Th；Th，Tc分別為熱端溫度和冷端溫度；m為負(fù)載與內(nèi)阻比，m=Rl/R；Z為材料熱電優(yōu)值系數(shù)，Z=α2/(kρ)(α，k，ρ分別為材料塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率)。

(7)

其中：T=(Th+Tc)/2。

因此，燃料的消耗率為：

(8)

對于再生冷卻方式, 燃料冷卻劑的吸熱能力可以表示為：

Q=m1hf

(9)

其中：hf為燃料的比焓。

對于TEG-TMS，燃料冷卻劑的吸熱能力可以寫為：

Q=m2h′f

(10)

其中：h′f為燃料的等效比焓。

因此，燃料吸熱倍增率為：

(11)

針對TEG-TMS，燃料的節(jié)約率和燃料熱吸倍增率與熱電器相關(guān)參數(shù)有關(guān)，如熱電器熱電材料的ZT值、冷熱端溫度，由式(11)得出燃料吸熱倍增率大于0。提高燃料吸熱倍增率，就能間接提高燃料的吸熱能力。

如圖2所示，從能量平衡關(guān)系式，得到熱電器可以獲得的電能為：

W1=η1maxQ

(12)

渦輪機(jī)輸出的可用功為：

W2=ηexpm2(h1-h2s)=m2(h1-h2)

(13)

其中：ηexp為渦輪機(jī)的膨脹效率。

能量轉(zhuǎn)換效率為：

(14)

在等熵膨脹過程中，比熱比κ可以表示為：

(15)

在理想的等熵膨脹過程中，必定滿足式(16)[17]。

(16)

初、終狀態(tài)參數(shù)滿足式(17)。

報告顯示，第三季度，全球金條和金幣投資需求增長28%，增長298 t。這是自2013年第二季度以來幅度最大的同比增長。金價走低使個人投資者選擇金條與金幣投資避險，印度、中國和整個東南亞的金飾購買量也有所增加。

(17)

其中：p為壓強(qiáng)，v為比體積，κ為比熱比。

等熵膨脹過程從初態(tài)到終態(tài)的焓降為：

(18)

其中，Rg為氣體常數(shù)。

因此，熱功轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率為：

(19)

對TEG-TMS，總輸出功為：

(20)

TEG-TMS的總轉(zhuǎn)換效率為：

(21)

在TEG-TMS中，實(shí)現(xiàn)了熱量的熱電轉(zhuǎn)換和熱功轉(zhuǎn)換，并且在理想情況下熱電器的轉(zhuǎn)換效率與冷熱端溫度和ZT值有關(guān)，渦輪機(jī)做功的循環(huán)轉(zhuǎn)換效率與比熱比和壓比有關(guān)。提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，可以提高燃料的利用率，同時輸出更多的可用功。

3結(jié)果與分析

在燃料冷卻過程中，燃料消耗率和燃料吸熱倍增率可以表征熱管理系統(tǒng)中燃料冷卻劑的吸熱能力。在受熱壁面與再生冷卻通道之間嵌入熱電器，熱量傳入結(jié)構(gòu)的過程中將有部分熱量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)對熱量的初步利用，同時間接提高燃料的吸熱能力。

假設(shè)熱端溫度為1000 K，ZT值為1.5，通過熱力學(xué)分析，燃料消耗率和燃料吸熱倍增率隨冷端溫度的變化，如圖3所示。隨著冷端溫度的升高，燃料消耗率增加，燃料吸熱倍增率減小。因?yàn)槔涠藴囟壬呤骨度氲臒犭娖鲀啥藴夭顪p小，導(dǎo)致熱電器轉(zhuǎn)換效率降低，功率下降，更多的熱量需要燃料冷卻劑吸收，從而使燃料消耗率增加，燃料吸熱倍增率減小。

圖3　燃料消耗率和吸熱倍增率隨冷端溫度的變化Fig.3　Fuel expending ratio and multiplication of fuel heat sink vs cold temperature

表征熱電器的性能指標(biāo)是熱電材料的ZT值。假設(shè)冷端溫度和熱端溫度分別為350 K和1000 K，通過分析，燃料消耗率隨著ZT值的增加而減小，燃料吸熱倍增率隨著ZT值的增加而增加。因?yàn)闊犭娖鱖T值增加，熱電器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率增加，熱電器輸出電能增加，從而需要燃料吸收的熱量減少，燃料消耗率減小，燃料吸熱倍增率增加，如圖4所示。

圖4　燃料消耗率和吸熱倍增率隨ZT值的變化Fig.4　Fuel expending ratio and multiplication of fuel heat sink vs ZT

在TEG-TMS中，熱電器將熱能轉(zhuǎn)換為電能，渦輪機(jī)可以將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在熱管理系統(tǒng)中熱電轉(zhuǎn)換效率、熱功轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)總轉(zhuǎn)換效率與冷端溫度、ZT值、比熱比和壓比有關(guān)系。設(shè)傳入的熱量為100 kW，燃料初始溫度為300 K，燃料的比熱容為3000 J/(kg·K)，膨脹后和膨脹前壓力比值為0.35，比熱比為1.2，氣體常數(shù)Rg為287 J/(kg·K)，膨脹機(jī)效率為0.8，進(jìn)入膨脹機(jī)的初始溫度為700 K。

隨著冷端溫度的升高，熱電器兩端溫差減小，由式(7)可得熱電器的轉(zhuǎn)換效率下降。渦輪機(jī)進(jìn)出口溫度和壓力沒有變化，則渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換效率在特定工況下不隨換熱過程中熱電器冷端溫度的變化而變化。由式(21)可得總的轉(zhuǎn)換效率隨冷端溫度的升高而降低，如圖5所示。熱電器的轉(zhuǎn)換效率隨熱電器ZT值的增加將提高，同理渦輪機(jī)的工況不變，轉(zhuǎn)換效率不變?？偟霓D(zhuǎn)換效率將隨ZT值的提高而提高，如圖6所示。

圖5　轉(zhuǎn)換效率隨冷端溫度的變化Fig.5　Efficiency vs cold temperature

圖6　轉(zhuǎn)換效率隨ZT值的變化Fig.6　Efficiency vs ZT

隨著循環(huán)工質(zhì)的比熱比增加，渦輪機(jī)的工況發(fā)生變化，由式(19)可得其轉(zhuǎn)換效率將減小，而熱電器轉(zhuǎn)換效率與比熱比無關(guān)，轉(zhuǎn)換效率不變，由式(21)得總的轉(zhuǎn)換效率隨比熱比的增加將減小，如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)換效率隨比熱比的變化Fig.7　Efficiency vs specific heat ratio

渦輪機(jī)膨脹做功過程中，隨著膨脹后壓力與膨脹前壓力的比值增大，根據(jù)式(19)可知渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換效率下降，熱電器轉(zhuǎn)換效率與膨脹過程壓比變化無關(guān)，因此，熱電器轉(zhuǎn)換效率不變，總的轉(zhuǎn)換效率隨著膨脹后壓力與膨脹前壓力的比值增大而降低，如圖8所示。

圖8　轉(zhuǎn)換效率隨壓比的變化Fig.8　Efficiency vs compression ratio

4結(jié)論

提出集成熱電發(fā)電裝置的熱管理系統(tǒng)。分析其工作原理，研究其熱力學(xué)過程，通過對主要影響參數(shù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)在受熱壁面與再生冷卻通道之間嵌入熱電發(fā)電裝置，熱量傳入結(jié)構(gòu)過程中將有部分熱量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)對熱量的初步利用，燃料吸收的熱量減小，從而間接提高燃料的吸熱能力；

2) 分析熱電器的冷端溫度和ZT值對燃料消耗率和燃料吸熱倍增率的影響。隨著冷端溫度的升高，燃料消耗率增加，燃料吸熱倍增率減小。隨著ZT值的增加，燃料消耗率減小，燃料吸熱倍增率增加。

3)分析熱電器的冷端溫度和ZT值、循環(huán)工質(zhì)比熱比、膨脹壓比對TEG-TMS的轉(zhuǎn)換效率的影響。隨著冷端溫度的增加，熱電器的轉(zhuǎn)換效率下降，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換效率不變，總的轉(zhuǎn)換效率降低。熱電器的轉(zhuǎn)換效率隨熱電器ZT值的增加而提高，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換效率不變，總的轉(zhuǎn)換效率提高。循環(huán)工質(zhì)的比熱比增加，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)換效率減小，熱電器轉(zhuǎn)換效率不變，總的轉(zhuǎn)換效率減小。膨脹后壓力與膨脹前壓力的比值增大，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換效率下降，熱電器轉(zhuǎn)換效率不變，總的轉(zhuǎn)換效率降低。

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doi:10.11887/j.cn.201602008

*收稿日期：2015-09-01

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505487)

作者簡介：李新春(1988—)，男，陜西榆林人，博士研究生，E-mail：xch_lee@163.com; 王中偉(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：wangzhongwei@nudt.edu.cn

中圖分類號：V233

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-043-05

Parametric of an integrated thermoelectric generation thermal management system for hypersonic vehicle

LI Xinchun1,2， WANG Zhongwei1,2

(1. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：An integrated thermoelectric generation thermal management system for a regenerative cooling scramjet was proposed. Thermoelectric power generators were integrated in the scramjet structure. The integrated thermoelectric generation thermal management system reduces the fuel flux for cooling, through converting part of the energy by heat conduction on the scramjet structure to electric power. The heat that must be taken away by fuel is decreased and the fuel cooling capacity is indirectly increased. At the same time, high temperature and high pressure fuel also has the capacity for doing work. It flows through a turbine and get additional power output for the use of hypersonic vehicle. A parametric study of the integrated thermoelectric generation thermal management system for scramjet was performed. It is known through performance analysis that the integrated thermoelectric generation thermal management system has excellent potential performance over the conventional regenerative cooling. The fuel flux is reduced while the integrated thermoelectric generation thermal management system gives power output.

Key words：regenerative cooling; thermoelectric conversion; thermal management system; fuel

http://journal.nudt.edu.cn