基于地面应用的AMTEC多孔芯冷凝器凝结传热特性

Porous wick condenser is an important component of controlling cyclic flow, heat and mass transfer of working medium within the alkali metal thermal to electric converter (AMTEC). Taking the porous wick condenser of AMTEC for terrestrial applications as the research object, this project investigates numerically and experimentally the sodium vapor condensation heat transfer and flow characteristics on the porous wick condenser surfaces by considering the dual effects of the gravity and capillary force generated by porous wick. Through the establishment of physical and mathematical models, as well as the experiment platform based on visual technology, the impacts of different operating parameters, porous wick materials and structural parameters on the heat transfer and flow characteristics of sodium vapor condensation on AMTEC porous wick condenser surfaces are discussed. The influential characteristics and mechanism of gravity and capillary force on the sodium vapor condensation on AMTEC porous wick condenser surfaces under the ground condition are revealed. On the one hand, the project can enrich and develop the research on alkali metal vapor condensation on porous wick surfaces; on the other hand, it can provide a scientific basis for the improvement of condensation heat transfer and flow performance of AMTEC porous wick condenser and the AMTEC thermoelectric conversion efficiency, as well as the design and operation of the combined power generation system composed by AMTEC and other system.

多孔芯冷凝器是碱金属热电转换器（AMTEC）内控制工质循环流动和传热传质的重要部件。本项目以地面应用的AMTEC多孔芯冷凝器为研究对象，在考虑重力和多孔芯产生的毛细力双重作用下，对钠蒸气在AMTEC多孔芯冷凝器表面的凝结传热与流动特性进行数值模拟和实验研究。通过建立AMTEC多孔芯冷凝器凝结特性的物理数学模型和基于可视化技术的实验台，探讨不同运行参数、多孔芯材料及结构参数对钠蒸气在AMTEC多孔芯冷凝器表面凝结的传热和流动特性的影响规律；揭示地面条件下，重力和毛细力对钠蒸气在多孔芯表面凝结特性的影响特征与机理。本项目的研究一方面可丰富和发展有关碱金属蒸气在多孔芯表面凝结传热和流动特性研究，另一方面可为改善AMTEC多孔芯冷凝器凝结传热和流动性能，提高AMTEC热电转换效率，以及为AMTEC与其它系统组成联合发电系统的设计和运行提供科学依据。

多孔芯冷凝器是碱金属热电转换器（AMTEC）内控制工质循环流动和传热传质的重要部件。本项目首先以地面应用的AMTEC多孔芯冷凝器为研究对象，对钠蒸气在AMTEC多孔芯冷凝器表面的凝结传热与流动特性进行了研究，获得了各物理场的分布云图，探讨了相关参数的影响规律，揭示热辐射的影响特征。对应用于零重力条件下的AMTEC，建立了描述钠蒸汽在多孔表面凝结传热的物理数学模型，求解得到零重力条件下钠蒸气在多孔表面凝结传热的解析解。此外，考虑到液体回流通道是连接蒸发器与冷凝器的重要部件，对液体回流通道内填充内接正多边形多孔介质的流动与传热特性进行了数值模拟。最后，作为AMTEC应用领域的探索性研究，我们提出了一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置。. 研究结果表明，凝结液膜呈“中间薄，四周厚”的趋势。辐射换热使得液膜厚度减小，努塞尔数增大，并且在一定工况下是否考虑辐射传热使得液膜厚度及平均努塞尔数的变化率均相差10%以上。同时，随着有效导热系数λe，冷凝温差ΔT，回流通道距冷凝器顶端的长度L和冷凝器内外半径r1、r2的减小，BASE管温度TB的增大，都会造成不同程度的液膜厚度减小以及凝结传热的平均努塞尔数增大。当δ>H时，凝结液膜厚度和局部努塞尔数都随着H的增加而增大，但是对于液膜较薄(δ<H)的情况，H不影响凝结传热。对于液体回流通道而言，采用内接正多边形如正方形分段填充时的努塞尔数Nu、阻力系数f、综合性能指标PEC均优于完全填充方式。一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置的提出是AMTEC与余热利用相结合的有益思考与探索。本项目的研究一方面丰富和发展了有关碱金属蒸气在多孔芯表面凝结传热和流动特性的理论研究，另一方面为扩展AMTEC的应用领域奠定了理论基础。. 本项目已发表或录用论文10篇，其中SCI杂志论文5篇（含2篇已录用待发表），EI论文2篇；获授权发明专利1项。参加境外学术交流2人次，在国内召开的国际学术会议2人次；已协助培养毕业博士生1名，培养毕业硕士生1名。