衛(wèi)光仁，柴寶華，魏國鋒，畢可明，馮 波，韓 冶，龍俞伊

（中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

高溫?zé)峁苤腹ぷ鳒囟仍?50～1 000 ℃范圍內(nèi)［1］、多以液態(tài)堿金屬作為工作介質(zhì)的熱管。目前高溫?zé)峁軕?yīng)用研究正在不斷升溫，其應(yīng)用已滲透到石油、化工、建材、冶金和動(dòng)力等領(lǐng)域。從高溫?zé)峁苣壳暗膽?yīng)用情況看，在設(shè)備運(yùn)行可靠性、使用壽命、生產(chǎn)能力方面尚存在一定缺陷，未來高溫?zé)峁苎芯繉?cè)重解決這些問題。為設(shè)計(jì)制造一種能在600℃環(huán)境下穩(wěn)定工作的散熱設(shè)備，需針對(duì)高溫?zé)峁荛_展相關(guān)研究，以期利用高溫?zé)峁茏鳛閭鳠嵩?，用于該設(shè)備的制造。

為研制高性能、長(zhǎng)壽命的高溫?zé)峁?，建立一套高溫?zé)峁苤圃?、試?yàn)設(shè)施，先后對(duì)多種吸液芯結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峁苓M(jìn)行研制。本文主要介紹其中一種干道式吸液芯結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峁?，重點(diǎn)介紹該熱管的試驗(yàn)過程，并對(duì)其試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)熱管由端蓋、管殼、吸液芯、充裝管及冷焊口保護(hù)罩組成。根據(jù)熱管的工作溫度及材料與工質(zhì)相容性要求，除充裝管外，其他部件均采用316L不銹鋼［1-2］。

吸液芯采用雙干道式吸液芯，具體結(jié)構(gòu)示于圖1。

圖1 干道式熱管結(jié)構(gòu)及流動(dòng)示意圖Fig.1 Structure and flow scheme of arterial heat pipe

干道式熱管相對(duì)常規(guī)熱管具有很多優(yōu)點(diǎn)，這是由其內(nèi)部流動(dòng)特性所決定的。從圖1可了解到干道式熱管的流動(dòng)及傳熱特性。在蒸發(fā)段，干道內(nèi)從冷凝段流回的工質(zhì)，沿管壁毛細(xì)結(jié)構(gòu)周向流動(dòng)，然后在管壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣在蒸氣通道向后流動(dòng)，在冷凝段的管壁毛細(xì)結(jié)構(gòu)上凝結(jié)。凝結(jié)的工質(zhì)沿管壁周向毛細(xì)結(jié)構(gòu)流回干道內(nèi)，干道內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)在毛細(xì)力的作用下流向蒸發(fā)段，從而形成工質(zhì)的循環(huán)并完成熱量從蒸發(fā)段到冷凝段的軸向傳遞。干道式熱管內(nèi)，液態(tài)工質(zhì)主要沿管壁周向流動(dòng)以及在干道內(nèi)軸向流動(dòng)。與液態(tài)工質(zhì)主要沿管壁毛細(xì)結(jié)構(gòu)軸向流動(dòng)的常規(guī)熱管相比，由于周向流動(dòng)行程較短及干道內(nèi)流動(dòng)阻力較小，所以干道式熱管具有較高的傳熱能力和較小的徑向熱阻，對(duì)提高熱管毛細(xì)極限的作用十分明顯［3］。

干道內(nèi)液態(tài)工質(zhì)要求具有靠毛細(xì)力自充滿的能力，因此干道的設(shè)計(jì)有所限制，即要求水平放置時(shí)干道的最大直徑不超過Dmax，由毛細(xì)力和重力壓頭相平衡可得：

式 中：H 為 輻 條 長(zhǎng) 度；σ 為 表 面 張 力；ρl 為 液 態(tài)工質(zhì)密度。試驗(yàn)熱管干道直徑選為2.2mm。

試驗(yàn)熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

表1 熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameter of heat pipe

2 制造工藝

熱管的性能優(yōu)劣以及壽命長(zhǎng)短，在很大程度上取決于熱管的制造工藝，以及在制造過程中對(duì)各道工序的質(zhì)量控制［4-6］。對(duì)于高溫?zé)峁?，其工質(zhì)——高溫液態(tài)金屬的物理及化學(xué)性質(zhì)特殊，因此，對(duì)熱管材料的相容性以及工質(zhì)的純度均提出了較高要求。試驗(yàn)熱管的制造工藝流程示于圖2。

3 試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖示于圖3。試驗(yàn)中熱管分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，長(zhǎng)度分別為200、200和600mm。

加熱采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，輸出功率連續(xù)可調(diào)。絕熱段用硅酸鋁保溫材料保溫。試驗(yàn)過程中，角度通過可調(diào)角支撐座調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)被安置于結(jié)構(gòu)箱體臺(tái)面上，其翹板可在微型電動(dòng)千斤頂?shù)膸?dòng)下，連續(xù)產(chǎn)生±15°以內(nèi)的傾角。翹板上安裝有精度為±0.1%的傾角傳感器，實(shí)時(shí)將傾角信號(hào)傳入控制計(jì)算機(jī)，并將翹板調(diào)整至所需角度。

圖2 熱管的制造工藝流程Fig.2 Manufacture process for heat pipe

為測(cè)量傳熱量，冷凝段外面套有1個(gè)水冷卻的量熱計(jì)。量熱計(jì)進(jìn)水口與保持恒定水位的高位水箱連接，流量測(cè)量采用精度為±0.2%的柯氏流量計(jì)。量熱計(jì)水套和熱管間保持一定的間隙，內(nèi)充入氬氣或氦氣。間隙的存在增大了熱管同水冷套壁面間的溫降，可避免量熱計(jì)中的冷卻水沸騰產(chǎn)生氣泡，減小試驗(yàn)時(shí)的測(cè)量誤差，同時(shí)也可避免由于沸騰而造成的振動(dòng)。利用間隙中氬氣和氦氣導(dǎo)熱系數(shù)相差較大的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)兩種氣體的混合比例調(diào)節(jié)冷卻量，從而滿足在不同工況下測(cè)量極限功率的要求。試驗(yàn)中傳熱量Q 通過下式計(jì)算：

式中：m 為水的質(zhì)量流量；cp為水的比定壓熱容；Δt為出口和進(jìn)口水的溫差。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)

采用外徑1 mm 的Ⅰ級(jí)精度K 型鎧裝絕緣熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。在熱管管壁上開多條深1mm、寬1mm 的縱向槽道，將熱電偶埋在槽道中。圖4為熱電偶測(cè)點(diǎn)位置示意圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 熱管水平放置時(shí)的啟動(dòng)

該試驗(yàn)的目的是檢查熱管能否正常啟動(dòng)及真空條件下熱管的等溫性能。通過對(duì)熱管等溫性能的測(cè)定，了解熱管軸向溫度分布，從而判斷熱管的制造質(zhì)量。

圖5為真空啟動(dòng)時(shí)熱管壁面的軸向溫度分布。

圖3 性能試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖［7］Fig.3 Equipment scheme of performance experiment［7］

圖4 熱電偶測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Test location of thermocouples

圖5 真空啟動(dòng)時(shí)熱管壁面軸向溫度分布Fig.5 Axial wall temperature profile at vacuum starting up moment

當(dāng)熱管處于真空條件下時(shí)，散熱主要靠熱輻射，冷卻能力不太強(qiáng)。此時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段的蒸氣壓差不太大，啟動(dòng)十分順利，且啟動(dòng)速度較快。只需一定的時(shí)間將固態(tài)鉀逐步熔化為液態(tài)鉀，即能很快啟動(dòng)。熱管完全啟動(dòng)后，壁面溫度沿軸向變化不大，等溫性能很好。如圖5所示，當(dāng)熱管工作溫度約為450℃時(shí)，熱管已完全啟動(dòng)。當(dāng)熱管工作溫度約為500 ℃時(shí)，熱管壁面沿軸向溫差不超過20 ℃。由于冷凝段端部溫度未突降，證明熱管內(nèi)無不凝結(jié)氣體。

4.2 熱管聲速限測(cè)量

為測(cè)量極限傳熱功率，氣隙中須充入兩種導(dǎo)熱系數(shù)不同的氣體介質(zhì)，通過改變兩種氣體的組成比例，從而改變其導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到增強(qiáng)冷卻能力的目的，試驗(yàn)中，氣體介質(zhì)一般選擇氬氣與氦氣［8］。

熱管在較低溫度范圍工作時(shí)，可能遇到的極限為黏性限和聲速限［3，9-10］。試驗(yàn)中，通過試驗(yàn)現(xiàn)象判斷，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，熱管未遇到黏性限，在510℃以下，熱管出現(xiàn)極限的現(xiàn)象均為典型的聲速限現(xiàn)象。

當(dāng)對(duì)熱管進(jìn)行加熱時(shí)，蒸發(fā)段液體不斷蒸發(fā)，蒸氣不斷涌入蒸氣通道。從蒸發(fā)段上游至下游，蒸氣量不斷增加，而蒸氣流通截面積不變，因此蒸氣從上游至下游是一加速過程，在絕熱段為等速過程。通過降低蒸發(fā)段出口壓力或升高進(jìn)口壓力，可使蒸發(fā)段出口蒸氣速度達(dá)到聲速，即聲速限。熱管內(nèi)這一流動(dòng)特性與氣體流過漸縮噴管的特性相似，Levy根據(jù)這一特性給出了聲速限計(jì)算公式：

式中：Av為蒸氣流通截面積；ρ0 為蒸氣密度；λ為工質(zhì)氣化潛熱；Rv為氣體常數(shù)；γv為比熱之比（對(duì)于單原子蒸氣，其值為5／3）；T0為蒸氣溫度。

通過聲速限計(jì)算公式可見，聲速限僅與熱管結(jié)構(gòu)和工質(zhì)物性有關(guān)，工質(zhì)確定后，吸液芯結(jié)構(gòu)（蒸氣通道面積）決定不同工作溫度下的聲速限。聲速限理論分析是以理想氣體為模型，因此假設(shè)蒸氣無黏性，沿整個(gè)截面的速度分布均勻，聲速點(diǎn)發(fā)生在蒸發(fā)段出口。但實(shí)際蒸氣在流動(dòng)時(shí)，受吸液芯表面摩擦力的影響，速度分布沿截面是不均勻的。所以聲速點(diǎn)不應(yīng)在蒸發(fā)段出口，而是在絕熱段某處位置，試驗(yàn)中也證明了這點(diǎn)。

熱管中，通過任一截面的蒸氣溫度為該處蒸氣壓力下的飽和溫度，可通過調(diào)節(jié)冷凝段的冷卻量調(diào)節(jié)蒸發(fā)段下游的溫度和壓力，使絕熱段的蒸氣速度達(dá)到聲速。試驗(yàn)中，通過固定熱管的輸入功率，在氣隙中逐漸增大氦氣的比例或冷卻水流量，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)冷卻，降低背壓的效果，試驗(yàn)過程可通過圖6所示的壁面溫度變化表示。當(dāng)達(dá)到某溫度下聲速限時(shí)，繼續(xù)加強(qiáng)冷卻，冷凝段的溫度會(huì)繼續(xù)下降，但蒸發(fā)段溫度不會(huì)隨冷凝段溫度的降低而改變，熱管軸向熱流量也不再變化。此時(shí)，在溫度會(huì)合點(diǎn)（試驗(yàn)測(cè)得在絕熱段出口附近）蒸氣達(dá)到當(dāng)?shù)氐穆曀?，即熱管達(dá)到該工作溫度下的聲速極限。圖6中的熱管工作溫度為400 ℃，輸出功率為500 W。

圖6 實(shí)現(xiàn)聲速過程的壁面溫度分布Fig.6 Wall temperature profile of sound velocity achieving process

試驗(yàn)過程中，在熱管達(dá)到聲速限后，未觀察到過熱現(xiàn)象，繼續(xù)加強(qiáng)冷卻，并不影響蒸發(fā)段的溫度分布。通過聲速限的測(cè)量，表明熱管在較低溫度階段運(yùn)行，冷卻過強(qiáng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲速極限，使得在此溫度范圍內(nèi)，熱管的功率不能期望過高，但也不會(huì)有燒干的危險(xiǎn)。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，熱管在氣隙中充入氬氣啟動(dòng)時(shí)，由于冷卻能力相對(duì)真空啟動(dòng)較大，熱管沿聲速限啟動(dòng)，所以加熱不宜過快，加熱功率不能過大。

4.3 熱管極限傳熱功率

本次試驗(yàn)分別進(jìn)行了熱管水平放置、蒸發(fā)段向上傾斜10°放置、蒸發(fā)段向下傾斜10°放置3種不同傾角的傳熱性能測(cè)試。

熱管在高溫范圍內(nèi)運(yùn)行，可能遇到的極限是攜帶限和毛細(xì)限［3］。出現(xiàn)這兩個(gè)極限的表征現(xiàn)象是熱管蒸發(fā)段溫度突然上升，冷凝段溫度急劇下降。此時(shí)熱管內(nèi)流動(dòng)循環(huán)被破壞，出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象，熱量不能沿軸向傳遞。

圖7示出熱管在不同傾角下的極限傳熱功率曲線。

圖7 不同傾角下熱管的極限傳熱功率Fig.7 Limit heat transfer power at different inclinations

從圖7看，3 條曲線基本重合。這說明熱管在低溫區(qū)遇到的是聲速限，而在高溫區(qū)遇到的是攜帶限，未遇到毛細(xì)限。這可從攜帶限和毛細(xì)限的理論計(jì)算［11］來推斷。

攜帶限可由下式表示：

式中：rh為吸液芯表面毛細(xì)孔的水力半徑；Av為蒸氣通道截面積；σ 為鉀的表面張力；ρv為鉀蒸氣密度。從式（4）可見，攜帶限僅與工質(zhì)物性和熱管結(jié)構(gòu)有關(guān)，重力對(duì)攜帶限無影響。

毛細(xì)限可由下式表示：

式中：rc為毛細(xì)孔的毛細(xì)半徑；Leff為熱管的有效長(zhǎng)度；Fl為液體摩擦系數(shù)；Fv為氣體摩擦系數(shù)；ρlgLsinφ 為軸向液態(tài)工質(zhì)的靜壓力。

從式（5）可見，重力對(duì)毛細(xì)限有影響。熱管蒸發(fā)段向上傾斜時(shí)，毛細(xì)限應(yīng)減小；熱管蒸發(fā)段向下傾斜時(shí)，毛細(xì)限應(yīng)增大。從圖7可看出，極限傳熱量不隨熱管的傾角變化，這說明熱管在高溫區(qū)達(dá)到攜帶限，而非毛細(xì)限。從毛細(xì)限的計(jì)算公式可看到，當(dāng)熱管管芯采用干道形式后，由于液體周向流程較短及液體在干道內(nèi)流動(dòng)阻力較小，造成Fl較小，從而提升了熱管的毛細(xì)限。

熱管水平放置，溫度為632℃時(shí)，測(cè)得極限傳熱功率為2.8kW，此時(shí)相應(yīng)的軸向極限熱流密度為1.66kW／cm2。

5 結(jié)論

1）熱管在水平放置時(shí)，隨工作溫度的提高，傳熱極限也提高。當(dāng)工作溫度小于510 ℃時(shí)，傳熱極限為聲速限。

2）聲速限出現(xiàn)時(shí)，熱管不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，不會(huì)造成熱管的燒毀。

3）當(dāng)熱管蒸發(fā)段向下傾斜或蒸發(fā)段向上傾斜時(shí)，傳熱極限數(shù)據(jù)與水平放置時(shí)基本相同。這表明在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，重力對(duì)傳熱極限無影響。當(dāng)熱管工作溫度大于510 ℃時(shí)，傳熱極限為攜帶限。

4）測(cè)得熱管在工作溫度為632 ℃時(shí)，極限傳熱功率為2.8kW，相應(yīng)的軸向極限熱流密度為1.66kW／cm2。

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