碱金属热电直接发电装置的热辐射损失

　　张来福

　　(山西电力科学研究院，山西太原030001)

摘　要：寄生热辐射损失，特别是BASE管外表面的热辐射是影响碱金属热电转换器(AMTEC)高效运行的主要因素之一。为了量化BASE管外表面的热辐射对碱金属热电转换器热电转换效率的影响程度，文章用一简化模型，计算了采用不同层数遮热屏的碱金属热电转换器中的BASE管外表面的净热辐射量。结果表明，恰当设计AMTEC装置的结构，并在BASE管外加数层遮热屏，可使BASE管外单位电极表面的净热辐射损失在其工作温度范围内控制在1W/cm2以下。
关键词：碱金属热电转换器；热辐射；角系数；遮热屏
Thermalradiationlossofalkalimetalthermaltoelectricconverter

　　ZHANGLai－fu

　　(ShanxiElectricPowerScience＆ResearchInstitute，Taiyuan030001，China)

Abstract：Parasiticalthermalradiationlossisthemainfactorwhichgreatlyinfluencesthethermal－to－electricconvertingefficiencyofAMTEC.InordertoevaluatetheinfluenceofthethermalradiationfromtheoutersurfaceofBASEtubeonthether－mal－to－electricconvertingefficiencyofAMTEC，asimplifiedmodelisusedtocalculatethenetthermalradiationquantitiesfromtheoutersurfaceofBASEtubeinAMTECwithdifferentlayernumbersofthermalshield.Itisindicatedthatthenetther－malradiationlossfromtheoutersurfaceofBASEtubemaybelessthan1W/cm2ifthestructureofAMTECisreasonableandseverallayersofthermalshieldarefixedaroundtheBASEtube.
　　Keywords：alkalimetalthermaltoelectricconverter(AMTEC)；thermalradiation；radiationviewfactor；thermalshield

0　引言
　　寄生热辐射损失是影响碱金属热电直接发电装置(AMTEC)热电转换效率的主要因素之一。关于碱金属热电直接发电装置的工作原理，笔者在以前的文章中有过详细的介绍[1,2]，在此不再赘述。本文以中国科学院电工研究所现有的单管实验装置为实例，对AMTEC实验装置中的寄生热辐射损失作一考察。
　　实验装置的结构如图1所示。上部为高压室，下部为低压室。末端封闭的管状β″氧化铝固体电解质(BASE)与用作绝缘、过渡的α－Al2O3短管封接后，再与合金法兰封接成一体，并固定在上下两室的隔离法兰上，用银丝密封。BASE管外径15mm，壁厚1mm，长150mm。内径70mm、长77mm的圆筒形外加热器装置在BASE管外围，使热区完全包围BASE管。BASE管内也安装有用因各镍作护套的电加热器，加热器外径仅为6.5mm，有效长80mm。电加热器用来作为模拟热源。同时设有内、外两个加热器配合使用，能降低BASE管的径向温度梯度，以尽可能保证工质钠等温膨胀的条件。在BASE管外表面上制备的薄膜多孔电极分成两部分：主电极用于输出电流，计算钠流量；副电极用于测量电压，计算该处的钠蒸气压。主副电极长度分别为60mm和3mm，电极之间相隔10mm。BASE管内管外及冷凝器内壁均装有热电偶，分别从顶盖和侧面法兰引出温度信号。测量BASE管外壁温度的热电偶捆缚在集流栅下，但与引出法兰绝缘。装置底部为冷凝器，其一侧法兰引出正端电流引线和正端电压引线，另一侧法兰经冷阱与真空机组连接，为容器预抽真空，并保证低压侧的真空度，典型压力为1×10－3Pa。顶盖设有充钠管，抽真空后将液钠一次性注入BASE管中，由内部电加热器使液钠保持所要求的工作温度。为了防止BASE管内的液钠沸腾，并阻止BASE管与顶盖之间经由钠蒸气的迅速热交换，在上部高压室充氩气，其压力略高于钠的蒸气压。负端电流引线与负端电压引线亦从顶盖引出。负端电压引线与顶盖之间有Al2O3陶瓷绝缘。

1　条件和假设
　　(1)设BASE管中的液态工质的工作温度范围为500～850℃。
　　(2)设BASE管中液态工质的高度在常温下为BASE管总长的2/3，即100mm，且BASE管中液态工质的温度均匀。因此，如果忽略BASE管壁厚所造成的温差(BASE管壁厚仅为1mm)，则在此长度范围内，BASE管的温度是均匀的。
　　(3)实验装置所在实验室内的温度为室温(25℃)。由于实验室空间比实验装置的尺寸要大得多，可以假定实验装置放置在一个黑体封闭腔内，该黑体的温度为25℃。
　　(4)设所有辐射体表面均为漫反射灰体表面，而工质蒸气对于热辐射是透明的。BASE管和α－Al2O3过渡件的半球平均黑度均取0.90；高低压侧不锈钢腔体的内表面及遮热壁的双侧表面由于覆盖有一层液相工质膜，其半球平均黑度均取0.05；实验装置的不锈钢外表面的半球平均黑度均取0.20［3－6］。
　　(5)由于该实验装置各部分均由薄壁构成，而且不锈钢、BASE管和α－Al2O3过渡件均为热
的不良导体，为简化分析，仅考虑辐射换热而忽略热传导的影响。
　　(6)在稳态时，实验装置各部分的温度不随时间而变。除实验装置外虚拟的黑体(可看作具有无限大热容)和BASE管的充钠部分外，任一部分从其它部分吸收的总热量为零。

2　由BASE管和α－Al2O3管内侧以及工质液面通过α－Al2O3管口投射到高压侧不锈钢腔体内表面的热辐射
　　由BASE管和α－Al2O3管内侧以及工质液面通过α－Al2O3管口投射到高压侧不锈钢腔体内表面的热辐射，可用BASE管内侧表面、α－Al2O3管内侧表面和工质液面对α－Al2O3管口假想面的角系数来衡量。
　　设将α－Al2O3管内侧表面沿其轴向等分成两段，从上往下分别用A1、A2表示；将BASE管内侧表面(未充液态工质部分)沿其轴向等分成10段，从上往下分别用A3～A12表示；工质液面用B表示；α－Al2O3管口假想面用C表示。以上各符号并表示其相应的面积。计算用简化图如图2。计算结果如表1。

　　由表1可见，从BASE管内表面发出的热辐射只有很少一部分通过α－Al2O3管口投射到高压侧不锈钢腔体的内表面，而且温度越高部分(距BASE管中工质液面越近部分)投射出去的热辐射比例越小。另外，虽然从α－Al2O3管内表面发出的热辐射有一定比例通过其管口投射到高压侧不锈钢腔体内表面，但由于α－Al2O3管的温度比液态工质的温度有很大的降低，而且α－Al2O3管内表面的面积也不大，因此，从α－Al2O3管内表面发出的热辐射通过其管口投射到高压侧不锈钢腔体内表面的绝对量并不大。而由工质液面B发出的热辐射能，也只有很少一部分可通过α－Al2O3管口投射到高压侧不锈钢腔体的内表面。
综上所述，由BASE管和α-Al2O3管内侧及工质液面发出的热辐射通过α－Al2O3管口投射到高压侧不锈钢腔体内表面的量是很少的，可以忽略不计。

4　BASE管外表面的热辐射
　　AMTEC实验装置的热辐射损失主要是由BASE管外表面向低压侧不锈钢腔体内表面的热辐射。但要准确计算由BASE管外表面向低压侧不锈钢腔体内表面的热辐射损失是困难的。为了估计其数量级，考虑下面的极限模型(如图3)。

　　两无限长的同心圆筒面，内圆筒A半径为rA＝7.5mm，温度为TA，其外表面A2黑度为eA2＝0.9；外圆筒B半径为rB＝100mm，温度为TB，其内表面B1黑度为eB1＝0.05，外表面B2黑度为eB2＝0.2；在内圆筒A和外圆筒B之间等间隔放置L层同心圆筒面，从里向外依次为C1～CL，温度为TC1～TCL，其内表面和外表面的黑度均为eC＝0.05；在外圆筒B外还有一同心圆筒面D，半径为rD(rD>>rB)温度为TD(设为25℃)，其内表面D1黑度为eD1＝1。计算仅考虑热稳态的情况(计算公式略———编注)。计算结果如表2，表中为单位面积的内圆筒外表面A2向C1的内表面(L＝0时为B1)的辐射换热量。

　　可见，在A和B之间没有遮热屏的情况下(L＝0)，内圆筒外表面A2向B1的辐射换热量是很大的。在加了一层遮热屏以后，内圆筒外表面A2向C1内表面的辐射换热量已有很大减小。

5　结语
　　为了评价寄生热辐射损失对AMTEC热电转换效率的影响，本文以中国科学院电工研究所现有的单管实验装置为参考实例，对AMTEC实验装置中的寄生热辐射损失进行了分析和计算。结果表明，AMTEC实验装置的热辐射损失主要是由BASE管外表面向低压侧不锈钢腔体内表面的热辐射。恰当设计AMTEC装置的结构，并在BASE管外加数层遮热屏，可使BASE管外单位电极表面在其工作温度范围内的净热辐射损失控制在1W/cm2以下。当然，遮热屏C1与BASE管应有一定距离，否则会影响低压侧气态工质向冷凝器方向的迅速扩散。

参考文献

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［2］张来福，李斌，童建忠，等.碱金属热电转换器的电极效率［J］.太阳能学报，2002，23(5)：599～603.
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［4］德意志联邦共和国工程师协会工艺与化学工程学会.传热手册［M］.化学工业部第六设计院译.北京：化学工业出版社，1983，411.
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［6］TournierJM，El－GenkMS.RadiationheattransferinmultitubeAMTEC［J］.JournalofHeatTransfer，1999，121：239～245.
能源工程