NaK-BASE管内传热传质机理及对NaK-AMTEC电输出性能的影响

To grasp the heat and mass transfer mechanism in the NaK-BASE tube, and to optimize the process for increasing the electrical output performance of NaK-AMTEC, the studies carried out on the above-mentioned contents are very important scientifically and practically. In the scope of microscopic heat and mass transfer, electrochemistry and microelectronics, th mathematical equations for the porous heat and mass transfer in NaK-BASE tube with different microstructures are explored and developed to explain the process of the heat and mass transfer of Na+ and K+ in the NaK-BASE tube. The quantitative relationship between the microstructures and physical parameters of the NaK-BASE tube is obtained by the CT and other relevant testing techniques. In order to screen out the NaK-BASE tube which can enhance heat and mass transfer, the entransy transfer equation for the heat and mass transfer of Na+ and K+ in the NaK-BASE tube is established according to entransy dissipation extreme principle. The testing platform for the NaK-AMTEC electrical output performance established, and the time-electrical output performance and thermal-to-electric converting efficiency of the NaK-AMTEC are tested with preferred microstructures NaK-BASE tubes, to determine the NaK-BASE tube with optimum microstructures and to meet the purpose of lowering the electrical output power recession and improving the thermal-to-electric converting efficiency of NaK-AMTEC.

掌握NaK-BASE管内传热传质机理并实现该过程的真正优化，以提高NaK-AMTEC电输出性能，开展相关研究具有重要科学意义和实用价值。 本项目拟在微观传热传质学、电化学及微电子学范畴内，探索发展不同显微结构NaK-BASE管内传热传质的多孔数理模型，阐释Na+和K+在NaK-BASE管内热质传递机制；采用CT及其他相关测试技术获得NaK-BASE管内显微结构与物性参数的定量关系，以（火积）耗散极值原理为指导构建Na+和K+在NaK-BASE管内热质传递过程（火积）传递方程，筛选出能强化传热传质的NaK-BASE管；建立NaK-AMTEC电输出性能测试平台，测试采用具有不同优选显微结构NaK-BASE管时NaK-AMTEC的时间-电输出特性及热电转换效率，确定最佳结构NaK-BASE管，达到有效降低NaK-AMTEC电输出功率衰退并切实提高NaK-AMTEC热电转换效率的目的。

本项目以NaK-AMTEC中的重要组成部分NaK-BASE管为研究对象，重点针对NaK-BASE管内的传热及其对Na+及K+的迁移过程的影响进行了研究，并根据研究结果对NaK-BASE管的微观结构进行了优选。.本项目采用实验及数值模拟相结合的方法，优选了最佳微结构的NaK-BASE管，通过优化NaK-BASE管内的传热传质过程，以切实提高NaK-AMTEC系统的电输出性能为研究目标，通过实验与数值模拟相结合的研究方法，制备了具有不同微观结构及物理性质的β”-Al2O3固体电解质，并烧制获得了NaK-BASE管，测试了其电特性和热物性。建立起NaK-BASE微观结构内的电荷输运方程，系统考察了不同结构NaK-BASE内的表面电荷分布及其与温度分布之间的关系，探索了温度变化对NaK-BASE内表面电荷及阳离子浓度的影响规律。建立了NaK-BASE管显微结构的分形模型，采用微观Poisson-Nernst-Planck多离子运移模型模拟了Na+和K+在BASE管中的迁移，考察了不同温度下NaK-BASE管内离子的迁移过程。对于NaK-BASE管内的传热过程采用格子Boltzmann方法进行了模拟，考察了不同微结构NaK-BASE管内的温度场分布，并结合阳离子的迁移对NaK-BASE管的传热传质特性进行了分析。对比不同显微结构的温度场和阳离子分布，优选出能强化传热传质及离子迁移性能的NaK-BASE管显微结构。通过改变NaK-BASE管显微结构（在确定一系列能加速传热传质NaK-BASE管中选择），并选择其电极输出电流和电压，通过计算得到该处的Na+、K+流量及Na、K蒸气压，进而获得阴极过电压值，根据阴极多孔薄膜电极Na、K蒸气压，计算得到电极交换电流密度及电极功率密度，进而计算得到热电转换效率，根据不同微结构NaK-BASE管的 AMTEC系统的电输出特性，确定了最佳NaK-BASE显微结构。.通过本项目的研究工作，掌握了NaK-BASE管内传热传质机理并实现了该过程的优化，切实提高了NaK-AMTEC电输出性能，因此本项目的研究具有重要科学意义和实用价值。