新型铝水燃烧无人水下航行器混合动力系统优化设计*

随着世界各国对于海洋的日益重视，无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)动力技术已经成为科学研究的重要领域[1-2]。现有的传统动力电池、锂电池在一定程度上已经难以满足未来对于动力系统的需求，而新兴的燃料电池技术发展不够成熟，尤其是氢气运输和存储是其动力系统的一大难题[3-6]，变形壳体可在一定程度上解决这种问题。一直以来，铝作为一种绿色高能金属燃料[7-9]成为研究的热点，特别是近几年学者们纷纷提出了基于铝水反应的动力系统方案[10-13]如铝水混合动力系统并探讨了铝水在发电及制氢方面的应用，该类系统主要目的在于采用水作为氧化剂，铝作为燃料，利用反应后产生的热量来加热水产生高温高压水蒸气与氢气推动涡轮做功及收集氢气。根据相关的性能计算结果，认为系统具有高能量密度，可以在一定程度上满足动力系统的需求。由于该类系统由燃料供应组件、燃烧室组件、换热器组件、分离器组件、涡轮、燃料储箱及水泵等组成，因此可以通过增加其他组件或者改变系统组件布局来提高系统的性能。此外，在铝水动力系统构型性能优化以及系统内部燃烧室的热防护方面均没有相关研究报道。

为了进一步探讨铝水反应动力系统在UUV中能达到的系统性能，文中通过采用直接返回高温水蒸气作为一次进水，增加蒸发器和固体换热器系统以及采用双燃烧室加壁面冷却换热等方式，提出了几种新的系统方案，并借鉴文献[10]提出的数学模型及组件质量、体积计算模型，建立各系统数学模型，分别对各系统性能如系统净输出功率、能量密度、系统效率进行了对比分析。

（3）撰写技术指导原则规定，“在某些情况下有理由限制适应症，例如，建议药品不作为某种感染的一线治疗”应予描述。中国说明书没有这种描述，而美国说明书则有“作为不能用一线治疗方案个体的一线治疗替代方案”的描述。

1 系统说明

四种方案分别命名为HAC-1、HAC-2、HAC-3和HAC-4。其中方案HAC-1为文献[10]提出的系统配置，HAC-2、HAC-3和HAC-4为新的系统配置。

方案HAC-1示意图如图1所示。由图1可知，该类系统主要包括的组件有：燃烧室、燃料供给系统、压缩机、涡轮、换热器、冷凝器等，其中代表功率。系统工作过程可归纳为：燃料供给系统中，铝颗粒在H2作为载气的带动下进入燃烧室，与循环水蒸气按接近化学当量比反应产生氧化铝、氢气及热量，二次冷却水用于降低产物温度，产生大量的水蒸气；高温高压燃烧产物进入分离器，去掉固相氧化铝等。经分离器出来的气流分为两股，小部分气流与冷却水混合后经压缩机进入燃烧室形成循环温水蒸气，用来维持燃烧室持续反应；余下大部分气流用于驱动涡轮做功。气流经过涡轮后进入换热器，用来预热海水。从换热器出来的气流通过冷凝器将水蒸气完全冷却成液态水，经过气液分离器后，液态水反馈回海水进水系统，氢气则经过压缩机进入燃料供给系统，重新用作铝粉的流化气；过量的氢气压缩存储或者排放出去。系统中压缩机能源均由涡轮提供。

  

图1 系统方案HAC-1Fig.1 Diagram of system HAC-1

方案HAC-2的示意图如图2所示，其是在HAC-1的基础之上进行修改的。考虑铝水燃烧较为困难，特别是铝和液态水燃烧难以实现，因此所有的系统方案采用的均是高温的水蒸气。为了保证铝水高效燃烧，在增加循环水蒸气温度的考虑下，将方案HAC-1进行改进，得到系统方案HAC-2。其主要改进之处在于将从分离器内引出的高温气流在压缩机的带动下直接作为一次高温水蒸气进入燃烧室与铝燃料发生反应。

  

图2 系统方案HAC-2Fig.2 Diagram of system HAC-2

式中，表示系统净输出功率，为涡轮输出功率，为压缩机消耗功率，为泵消耗功率，由于氢气排出航行器外，此处不考虑氢气的利用。

  

图3 系统方案HAC-3Fig.3 Diagram of system HAC-3

因为铝颗粒可维持点火的温度约2000 K，且铝颗粒与水完全燃烧的温度为3000 K以上，所以，长时间工作条件下，燃烧室的冷却成了必须要解决的问题。为此，提出了双燃烧室构型加壁面冷却换热方案HAC-4，如图4所示。HAC-4系统构型采用经过换热器的高温液态水的一部分，通过壁面冷却换热的方式形成高温水蒸气，一方面解决了燃烧室的冷却问题，另一方面充分利用了系统的热量，省去了高温压缩机等部件，提升了系统性能。

  

图4 系统方案HAC-4Fig.4 Diagram of system HAC-4

2 数学模型

当前提出的六种系统方案的性能计算模型参见文献[10]。每种系统方案的性能计算数学模型与控制参数如铝粉流量、进水温度、进水流量、燃烧室压力、燃烧室温度、组件效率等相关。模型计算中的氢气及水蒸气等组分的热力学属性来自于NIST[14]，而组分的相变则考虑了热力参数随压力及温度变化的影响。由于燃烧室温度在1200 K左右，通过热力计算可知，反应后的产物为氧化铝及氢气，其他组分均为微量，可忽略不计，因此本模型中不考虑化学湍动能及表面反应的影响，热量释放计算仅为单步的铝-水反应[12-13]。

2Al(s)+3H2O(g)→Al2O3(s)+2H2(g)+

15 152 kJ/kg(T=298.15 K;P=101.325 kPa)

(1)

为了预估几种系统方案的总体性能，输出净功率可表示为：

 

(2)

根据文献计算结果，从分离器返回燃烧室的气流约20%，一方面降低了涡轮的输出功率，另一方面需要消耗大量的能量将其压缩回燃烧室，降低了系统性能，因此提出了改进型系统方案HAC-3，如图3所示。相比之前的系统方案，此种系统增加了一个蒸发器和一个固体换热器组件，省去了高温蒸气压缩机组件。蒸发器目的在于将冷却水蒸发为轻微过热水蒸气；固体换热器目的在于利用高温固相产物的热量，将轻微过热水蒸气加热形成循环水蒸气。但此种方案需要提高燃烧温度。

总而言之，在特色酒店设计中对民族文化的展现，能够对我国优秀传统文化形成更好的传承与发扬，带给旅客别样的感官体验。这种展现并不是对传统文化的照抄照搬，而是经过收集、分析与提炼之后，实现传统民族文化与现代文化元素之间有机的融合，这样才能有效提升酒店的整体品味，拓展服务质量，展现出别样的服务效果。

通过对文献[10]中采用绝热压缩条件下的case1进行算例验证，结果如图5所示。由此可知，涡轮输出功率略大于文献值，而绝热压缩条件下系统净功率略小于文献值，等温压缩条件下则大于文献值；绝热压缩时，效率略低于文献值，而等温压缩时，略高于文献值；燃烧室温度取自文献值，因此温度值基本一致；质量流量结果略低于文献值。总体来说，计算结果与文献结果符合较好，证明了本模型计算的准确性。

 

(3)

式中，ρAl为铝粉燃料密度，为铝粉燃料质量流量，VAl为铝粉燃料总体积，Vsys为总的系统体积(系统体积取1000 L[11])，VAl=Vsys-VC-Vempty。VC表示系统组件体积，Vempty表示空的体积。

系统总效率[10]为：

 

(4)

1）要对现有的计算机软件进行改造，确保原有和单机运行的软件可以在网络环境下顺利运行，并借助网络传输提供必要条件的文件；

3 结果与讨论

为与其他能量系统如锂电池进行对比分析，取能量密度作为系统性能表征。系统能量密度[10]EDV定义为：

  

(a) 功率(a) Power (b) 效率(b) Efficiency (c) 温度(c) Temperature (d) 质量流量(d) Mass flow-rate 图5 计算结果验证Fig.5 Calculation results verification

下面具体就四种不同系统方案进行对比分析。根据文献结果可知，低的涡轮压力比可以提高系统的能量密度，因此取涡轮压力比为20。铝水的不完全燃烧参照文献中给定的燃烧效率95%作为表征[15-16]，其他系统参数均与文献基本一致。表1为各系统方案的初始计算条件，图6～11为四种方案在相同输出功率15 kW条件时得到的主要计算结果。

 

表1 初始计算条件

 

Tab.1 System operating condition

  

物理量值系统净输出功率/kW15燃烧室压力/MPa2.76水压/MPa4.0氢气存储压力/MPa4.8一次进水温度/K755海水温度/K298.15涡轮效率0.65绝热压缩效率0.7等温压缩效率0.7换热效率0.5燃烧效率0.95涡轮压力比20水深/m3

图6为相同输出功率15 kW条件下需要的铝粉流量对比。首先，绝热压缩条件下需要的铝粉流量大于等温压缩条件下的。这是因为等温压缩消耗的功率较低，使得在相同输出功率下，系统需要的铝粉量降低。其次，各系统铝粉流量分布为HAC-2>HAC-1>HAC-4>HAC-3。HAC-3系统利用了部分氧化铝产物的热量，因此该系统需要消耗的铝粉最低；而相比HAC-1系统，HAC-2直接采用从分离器返回的高温水蒸气作为一次进水，消耗的能量较大，因此铝粉消耗量最大；HAC-4省去了气流返回的压缩机部分消耗功率，因此相比HAC-1系统，HAC-4系统铝粉流量低于HAC-1系统。

2015年以来，累计完成120个贫困村脱贫销号，22104户83111人稳定脱贫，贫困发生率降至1.59%。经县级自查、市级核查、社会公示和国家专项评估，实现高质量“脱贫摘帽”。

  

(a) 绝热压缩条件(a) Adiabatic compression condition

  

(b) 等温压缩条件(b) Isothermal compression condition图6 铝粉质量流量Fig.6 Mass flow-rate of aluminum powers

图7为绝热压缩条件下涡轮输出功率对比。由于绝热压缩与等温压缩仅影响压缩机而不影响涡轮的输出功率，此处仅给出了绝热压缩条件下的涡轮输出功率变化。由图7可知，其分布趋势与铝粉流量分布趋势完全一致：HAC-2>HAC-1>HAC-4>HAC-3。原因在于，当涡轮入口气流温度一致且换热器效率相同时，铝粉流量越大涡轮输出功率越大。

  

图7 绝热压缩条件下涡轮输出功率Fig.7 Turbine power in adiabatic compression

图9为各系统的能量密度对比。根据式(3)，当系统净输出功率一定时，其值与铝粉燃料体积成正比，与铝粉质量流量成反比。由图9可知，两种压缩条件下其分布趋势均为：HAC-4>HAC-3>HAC-1>HAC-2。结合铝粉质量流量(图6)及铝燃料体积(图8)。HAC-4系统铝粉燃料体积最大且铝粉质量流量较小，因此该系统得到的能量密度最大，HAC-4系统相比原HAC-1系统能量密度增加约53.8 Wh/L。同样，HAC-2系统铝粉燃料体积最小且铝粉流量最大，因此该系统能量密度最小，但该系统提高了一次进水温度，使其达到1149 K，可以在一定程度上促进铝水燃烧。

长期以来，我国基层水利建设主要依靠农民投工投劳，政府投入相对不足。在2000年取消“两工”后，基层水利投入锐减，建设力度明显放缓。近年中央启动了小型农田水利建设“民办公助”等试点，在农村饮水工程、小农水等项目上加紧了中央与地方财政配套共筹资金的模式建设，基层水利基础设施建设投入严重不足的局面才有所缓解。据不完全统计，各项基层水利建设投入，总体上以地方财政为主，中央投入仅占1/3。

  

图8 各系统铝粉体积Fig.8 Aluminum fuel volume for each system

图8为绝热压缩时各系统铝粉燃料体积对比。其分布趋势为：HAC-4>HAC-1>HAC-3>HAC-2。该分布趋势与铝粉流量及涡轮输出功率分布趋势不同。一般来说，根据系统组件体积计算方法，系统内部气流流量越大，系统组件体积越大，由于总体积一定，从而得到的铝粉燃料体积越小。但由于HAC-3系统增加了固体换热器以及一个高温蒸发器，使得整个系统组件体积增加，从而铝粉燃料体积降低。而HAC-2系统由于铝粉流量最大，系统内部气流流量最大，系统组件体积最大，从而该系统铝粉燃料体积最小。

虽然“互联网+”仍处在初级阶段，但这个概念自提出就受到了各大领域和行业的关注和探索，尤其是那些传统的行业开始尝试使销售平台互联网化，努力通过互联网提升自身的价值和利益。而对于那些刚刚开始起步的企业则不需要像传统企业一样转型和升级，这些企业的项目大多都是直接和互联网相连的。“互联网+”伊始便得到了国家的重视，它站在了国家高度的战略层面，政府和相关部门都尽力推动其发展，并引导各个企业了解、认识“互联网+”。“互联网+”的诞生省去了人力、财力和物力去研究传统行业的发展与转型，大量互联网企业项目的诞生形成了一个新的趋势，那就是传统企业模式的“破”与“立”和“互联网+”创业的爆发。

  

(a) 绝热压缩条件(a) Adiabatic compression condition

  

(b) 等温压缩条件(b) Isothermal compression condition图9 各系统能量密度Fig.9 Energy density for each system

图10为系统效率对比。由图10可知，在相同输出功率15 kW条件下，绝热压缩系统效率在14%左右，等温压缩系统效率在17.5%左右。各系统总效率中，HAC-3系统最高，HAC-2系统效率较低，主要因为HAC-3系统充分利用了氧化铝的热值。HAC-4相对HAC-1也有所提高，主要因为HAC-4系统省去了高温压缩部分，使得系统消耗功率降低，总系统效率相对较高。

  

(a) 绝热压缩条件(a) Adiabatic compression condition

  

(b) 等温压缩条件(b) Isothermal compression condition图10 各系统效率对比Fig.10 Total efficiency for each system

图11为各个HAC系统在输出功率为15 kW条件下能量密度与目前主流的应用于水下动力系统中的电池(固体燃料电池、锂电池、碱性电池以及铅酸电池)能量密度对比。在HAC系统中，深灰色与浅灰色分别代表绝热压缩与等温压缩得到的能量密度。由对比可知，新型系统能量密度值为固体燃料电池的3.5倍左右，为传统锂电池的9倍左右，由此可知，该类系统具有较高的能量密度特性，使得其在水下动力技术中具有广阔的应用前景。

  

图11 各系统能量密度对比Fig.11 Comparison of energy density for each system

4 结论

通过增加系统组件或改变系统组件布局，得到了几种不同的系统方案，结论如下：

1)从分离器内引出高温气流，在压缩机的带动下直接作为一次高温水蒸气进入燃烧室与铝发生反应，得到的系统能量密度及系统总效率均小幅度下降，但可将一次进水温度提升至1149 K，有利于铝水燃烧。

2)增加蒸发器及固体氧化铝换热器组件，同时去除高温蒸气压缩机组件后，充分利用剩余氧化铝的热量来获得高温水蒸气，可以降低铝粉质量流量，提高铝粉燃料体积以及系统能量密度与系统总效率。

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式中，ΔHreac为铝与水的反应热。

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最后，选择这个题材，就是希望引发各界对非物质文化保护的思考和关注。是否表面看似优良的物质条件就能够带给民众幸福感？农耕文明和城镇化之间又该如何过度？远离文化沃土的少数民族该如何去竭力保护自己的民族文化？

3)提出双燃烧室构型加壁面再生冷却换热方案，通过壁面冷却换热的方式获得高温水蒸气。一方面解决了燃烧室壁面的冷却问题，另一方面充分利用的系统的热量，省去了高温压缩机等部件。计算结果表明，该系统可以降低铝粉质量流量，提高铝粉燃料体积，提升系统能量密度与系统总效率。

①读写器的数据交换协议如何制定？是我们制定完成后，RF将其进行调制，采用的CRC校验可以杜绝黑匣子部分不能解决可能性。

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USDA11月报告将2018/2019年度阿根廷大豆产量预测值调整至5550万吨，低于上月预测的5700万吨，但仍比上年因为干旱而严重减产的3780万吨产量高出47%。预计出口量维持800万吨，高于2016/2017年度703万吨及2017/2018年度的211万吨。

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翻译不仅是语言行为，更是一种文化传递行为，是一种文化间的交流活动。翻译并不只局限于两种不同语言之间的转换，其中还蕴含了许多活跃的文化因素，而这些因素在翻译时都需被考虑入内。翻译行为论关注源语和目标语文化的差异，跨文化的互动缺失易导致部分翻译难以被理解，而翻译时注重跨文化因素能更好地传达原文信息。例如：

现阶段，大部分电力企业的数据都是来自于其电力行业内部的数据系统，这种内部数据的收集方式较为狭隘。再加上其电网数据系统由于使用年限过久也会出现老化问题，进而造成无法全面收集数据，数据种类较少，如果所收集的数据种类不够全面，就意味着数据获取的方式不具备智能化的特征，这就大大降低了数据收集的价值与作用。

[13] Mercati S, Milani M, Montorsi L, et al. Design of the steam generator in an energy conversion system based on the aluminum combustion with water[J]. Applied Energy, 2012, 97(9): 686-694.

图1中，直线AB为烟气绝热冷却线，表示高温烟气在脱硫装置内降温增湿至饱和状态的过程，饱和曲线BC为饱和烟气从脱硫装置出口至烟囱出口的湿度及温度变化过程，D点为大气状态点，从烟囱排出的饱和烟气与大气混合，沿直线CD向D点发生状态变化，C、E点处于饱和状态，直线CE为白雾发生区，当E点混合烟气进一步与大气混合达到非饱和区D点时白雾消失。

[14] NIST Chemistry WebBook. Standard reference database the number 69[DB]. The U.S. Secretary of Commerce on Behalf of the United States of America, 2017.

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