張 凱，樂 愷，閆小克，童文雨

(1. 北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2. 中國計量科學(xué)研究院，北京 100029； 3. 南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

1 引 言

熱管是通過管內(nèi)工質(zhì)相變實現(xiàn)熱量傳遞的高效傳熱元件。根據(jù)工作的溫度范圍，熱管分為低溫、中溫和高溫?zé)峁?其中高溫?zé)峁芤话阋愿鞣N堿金屬為工質(zhì)。上世紀(jì)80年代前，熱管僅僅限制應(yīng)用在航天、核電等高端技術(shù)領(lǐng)域；隨著熱管技術(shù)逐漸成熟，且因其傳熱系數(shù)高、工作溫度范圍廣、等溫性能好和環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用在石油化工、凍土保護(hù)、余熱回收和溫度控制等領(lǐng)域。

國內(nèi)外學(xué)者對熱管做了許多有價值的研究：曲偉等[1]研究了鋰、鈉熱管的啟動和傳熱極限，指出高溫及超高溫?zé)峁苣軌蝽樌麊?，但啟動時應(yīng)注意可能到來的聲速極限；Tournier等[2]建立熱管二維模型并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，對鈉熱管冷凍啟動過程進(jìn)行了詳細(xì)地描述；于萍等[3]研究了高溫鈉熱管再啟動特性，指出鈉熱管冷卻時放置傾角不同對再啟動時間的影響可忽略不計；Jang等[4]研究了鉀熱管的啟動特性，結(jié)果表明熱管在達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度之前是無效的；捷曼爾[5]等研究了鈉鉀合金熱管啟動、等溫和傳熱性能，證明了鈉鉀合金可以作為工質(zhì)生產(chǎn)高溫?zé)峁?；郭青等[6]研究了蒸發(fā)段長度對鈉鉀合金熱管啟動性能影響，指出增加蒸發(fā)段長度有利于熱管外壁面溫度分布趨于均勻；郭航等[7]研究了不同加熱功率條件下鈉鉀合金熱管啟動和傳熱性能，指出隨著加熱功率的提高，熱管啟動時間有效縮短，當(dāng)量傳熱系數(shù)等線性增加；賈先劍等[8]研究了加熱溫度對鈉鉀合金熱管啟動和傳熱性能影響，結(jié)果表明，在600 ℃和650 ℃的加熱溫度下熱管完全啟動并且達(dá)到傳熱平衡；Wu等[9]研制了工作溫度范圍為400～800 ℃銫熱管恒溫器，并成功應(yīng)用于工業(yè)鉑電阻溫度計和熱電偶的校準(zhǔn)；黃燊彥等[10]對銫、鈉熱管標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源在整個溫度區(qū)域內(nèi)不確定度為0.09～0.13 ℃；丁林超等[11]測試了傾角、運行溫度及充液量對銅-R134a熱管均溫性的影響，實驗發(fā)現(xiàn)傾角小于45°情況下，該熱管傾斜的角度對溫度均勻性影響不大，溫度均溫性隨著熱管運行溫度的升高而逐漸變差，當(dāng)熱管運行溫度在40～50 ℃時，熱管溫度均溫性隨充液量變化不大；趙億坤等[12]利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)與熱管技術(shù)，研制了低溫達(dá)-30 ℃的新型低溫黑體輻射源，通過實驗得到其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.02 ℃/20 min，均溫區(qū)腔壁的軸向溫度均勻性優(yōu)于0.3 ℃，熱管空腔有效發(fā)射率計算值大于0.999 2；孟蘇等[13]提出對加熱爐的三段控溫進(jìn)行調(diào)試，延長了均熱管內(nèi)等溫段的長度。

銫熱管可以作為等溫爐襯提高ITS-90國際溫標(biāo)固定點復(fù)現(xiàn)水平、比較校準(zhǔn)測量能力，故在溫度計量中應(yīng)用廣泛。然而，銫的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，銫熱管制作難度較大。目前對堿金屬熱管的研究多限于鋰、鈉、鉀和鈉鉀合金熱管，對銫熱管研究較少。金屬銫具有熔點低、汽化潛熱很大、傳熱性能高、等溫性好及變熱流密度、在370～660 ℃溫度范圍內(nèi)飽和蒸汽壓力較鈉、鉀蒸汽壓力高等特征，且和不銹鋼有相容性[14～16,9]。

本文選擇堿金屬銫作為熱管工質(zhì)，成功研制了重力銫熱管，開展了銫熱管啟動性能及定溫條件下傳熱性能的實驗研究;在此基礎(chǔ)上，通過改變冷凝段長度，研究銫熱管等溫特性及內(nèi)部的相變傳熱過程。研究結(jié)果可為研制復(fù)現(xiàn)ITS-90固定點的同軸等溫銫熱管奠定基礎(chǔ)。

2 實驗系統(tǒng)及方法

2.1 實驗系統(tǒng)

銫熱管的等溫特性和啟動特性是評價銫熱管傳熱性能及質(zhì)量的重要依據(jù)。本文建立了圖1所示的實驗系統(tǒng)，探究重力銫熱管的等溫特性和啟動特性。

圖1 實驗系統(tǒng)和銫熱管測點分布示意圖Fig.1 Diagram of experimental apparatus and the distribution of the temperature measuring points on the cesium heat pipe

實驗系統(tǒng)主要分為加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和銫熱管3個部分。加熱系統(tǒng)由管式加熱爐、FP23溫控表、硅酸鋁鎂保溫棉等構(gòu)成。采用FP23溫控表對爐溫進(jìn)行精確控制，硅酸鋁鎂保溫棉可減小熱管絕熱段與周圍環(huán)境熱交換。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Agilent 數(shù)據(jù)采集儀、K型熱電偶和計算機(jī)等構(gòu)成：直徑為2 mm且經(jīng)過中國計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)的K型熱電偶測量銫熱管外壁面溫度，實驗中熱管溫度測量精度為0.1 ℃；Agilent 34972A數(shù)據(jù)采集儀，采樣間隔為1 s。銫熱管由中國計量科學(xué)研究院研制，基本參數(shù)見表1所示；重力銫熱管蒸發(fā)段處于爐子爐膛中，蒸發(fā)段為470 mm，如圖1(b)所示，熱管絕熱段使用保溫棉包裹，冷凝段處于室內(nèi)空氣中；通過改變保溫棉覆蓋熱管的長度調(diào)節(jié)熱管絕熱段和冷凝段長度，改變實驗工況，絕熱段和冷凝段設(shè)置及4種工況見表2。

表1 銫熱管設(shè)計參數(shù)Tab.1 The design parameters of cesium heat pipe

表2 銫熱管實驗工況Tab.2 The experimental conditions of the cesium heat pipe

2.2 實驗方法及工況

銫熱管壁面溫度分布是評價銫熱管等溫特性的重要依據(jù)。為了研究銫熱管在不同工況下的等溫特性，在蒸發(fā)段長度le不變的情況下，改變絕熱段長度li和冷凝段長度lc；在定溫條件下，通過測量4種工況下銫熱管壁面溫度分布，研究垂直放置的銫熱管啟動性能和等溫特性。

使用鐵絲在熱管外壁面共固定11根K型熱電偶，從蒸發(fā)段至冷凝段依次標(biāo)記為測點1～11，其中測點1～5位于蒸發(fā)段，如圖1(b)所示。工況a時，測點6～9位于絕熱段，測點10和11位于冷凝段；工況b、c時，測點6～8位于絕熱段，測點9～11位于冷凝段；工況d時，測點6和7位于絕熱段，測點8～11位于冷凝段。

2.3 實驗重復(fù)性

在相同工況下，銫熱管實驗重復(fù)性也是評價其性能的重要技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)加熱爐的爐溫控制在330，530，630 ℃穩(wěn)定運行時，銫熱管沿軸線方向的壁面溫度分布見圖2，由圖可以看出：在相同的工況下進(jìn)行重復(fù)實驗，銫熱管各測點溫度值基本重合；表明研制的銫熱管性能穩(wěn)定，實驗的重復(fù)性非常好。

圖2 熱管壁面溫度誤差分析復(fù)現(xiàn)Fig.2 Reappears of heat pipe temperature

3 結(jié)果分析與討論

3.1 冷凝段長度對銫熱管等溫性能的影響

加熱爐溫度控制在530 ℃，本文研究了不同冷凝段長度對銫熱管等溫性能的影響。蒸發(fā)段長度470 mm不變，冷凝段長度分別為100，150，200，300 mm，在4種工況下，銫熱管起始時刻的溫度均為50 ℃，壁面溫度分布如圖3所示。

圖3 不同冷凝段長度銫熱管外壁面溫度分布Fig.3 Temperature distribution on the outside wall of cesium heat pipe in different condensing lengths

由圖3可知，在工況a、b、c、d條件下，啟動的前30 min內(nèi)各測點溫度變化趨勢基本一致:熱管蒸發(fā)段各測點溫度隨著時間快速上升，而絕熱段與冷凝段溫度沒有明顯變化。這主要是銫蒸汽的飽和蒸汽壓力太低，無法克服重力影響，銫蒸汽無法達(dá)到絕熱段、冷凝段。當(dāng)蒸發(fā)段測點溫度升高至300 ℃左右時，銫蒸汽克服重力影響，在壓差作用下，依次流向了絕熱段和冷凝段，釋放出熱量，導(dǎo)致絕熱段和冷凝段溫度顯著升高。這也表明，重力銫熱管最低的運行溫度應(yīng)為300 ℃；若溫度低于300 ℃，銫熱管將無法啟動。因此，通過記錄絕熱段和冷凝段各點溫度分布，可以確定熱管的最低使用溫度。

工況d下，當(dāng)冷凝段長度為300 mm時，銫熱管穩(wěn)定運行50～90 min，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段各測點溫度出現(xiàn)周期性鋸齒狀波動，而其它3種工況，銫熱管并未觀察到該種規(guī)律性波動；伴隨著每次波動，銫蒸汽攜帶液體工質(zhì)從蒸發(fā)段直接撞擊到冷凝段壁面，聽到清脆的撞擊聲；當(dāng)冷凝的金屬銫流回到液池內(nèi)，也聽到類似的撞擊聲。因此，當(dāng)傳熱熱管的長徑比確定時，選擇合適長度的冷凝段，保證熱管平穩(wěn)傳遞熱量非常重要，即可避免這種鋸齒狀波動。

3.2 銫熱管鋸齒狀周期波動理論分析

過熱度是液體發(fā)生沸騰相變的原動力。為了解釋銫熱管鋸齒狀波動的機(jī)理，本文分析了銫熱管在不同冷凝段長度時液體的過熱度。測點1位于熱管液池對應(yīng)的位置，可以近似將其溫度作為液體銫的溫度TL；熱管絕熱段外壁面溫度近似作為銫飽和蒸汽溫度TS。圖3中4種工況穩(wěn)定工作在50～70 min時銫熱管外壁面溫度的統(tǒng)計結(jié)果見表3。其中，表中“溫度曲線波動前一刻溫度值平均值”，代表50～70 min內(nèi)測溫點1溫度曲線在波峰的4個時刻，各部分溫度值的平均值。冷凝段長100～200 mm時，50～70 min范圍內(nèi)溫度曲線無波動，各部分溫度取平均值。

表3 不同工況熱管外壁面溫度Tab.3 Temperature of heat pipe under different working conditions ℃

隨著熱管冷凝段長度的增加，熱管外壁面測點溫度均有所降低，但測點1與絕熱段溫差持續(xù)增加，即過熱度明顯增大，這促進(jìn)了沸騰的頻繁發(fā)生。沸騰是包含汽化核心生成、氣泡長大及脫離等復(fù)雜的相變傳熱過程；液相介質(zhì)只有達(dá)到一定的過熱度，才能產(chǎn)生氣泡。根據(jù)工程熱力學(xué)[17]，產(chǎn)生半徑R的氣泡與過熱度T存在如下關(guān)系：

(1)

式中：T為形成氣泡所需要過熱度；TL為熱管外壁面測點1的溫度，可近似認(rèn)為液池內(nèi)工質(zhì)溫度；TS為工質(zhì)飽和溫度，也可近似認(rèn)為絕熱段外壁面溫度；σ為氣液界面的表面張力；r為工質(zhì)汽化潛熱；ρv為飽和液體工質(zhì)的密度；R為氣泡半徑。

圖4為工況d(冷凝段長300 mm)條件下，取550 ℃加熱爐溫時，280～300 min時間范圍內(nèi)熱管測點溫度分布曲線匯總。

圖4 工況d熱管壁面溫度曲線Fig.4 Temperature curve of heat pipe at working condition d

在爐子的持續(xù)加熱下，熱管外壁面溫度逐漸增加。當(dāng)壁面溫度TW滿足方程(1)時，熱管內(nèi)壁面產(chǎn)生微小氣泡;隨著氣泡的長大，增大了液池內(nèi)加熱壁面與液態(tài)工質(zhì)的熱阻，促進(jìn)加熱壁面的溫度升高;當(dāng)氣泡長大到即將從液池內(nèi)脫離時，液池內(nèi)加熱壁面溫度達(dá)到最高溫度，如圖4中的A點所示;隨后，產(chǎn)生的氣泡從液池內(nèi)迅速脫離，并攜帶過熱的液態(tài)工質(zhì)以彈狀流的方式流向絕熱段和冷凝段,此時，會聽到工質(zhì)撞擊熱管壁面發(fā)出的尖銳的咔嗒聲;同時，由于冷凝段和絕熱段溫度相對較低的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下流到蒸發(fā)段，造成蒸發(fā)段液池內(nèi)的溫度迅速下降，如圖4中的AB所示;最后，蒸發(fā)段液池內(nèi)會周期性地產(chǎn)生氣泡，產(chǎn)生鋸齒狀的溫度波動。在蒸發(fā)段液池內(nèi)發(fā)生鋸齒狀周期性波動的同時，絕熱段和冷凝段的溫度也發(fā)生了相應(yīng)周期性的變化。因此，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段周期性的溫度變化與氣泡產(chǎn)生、脫離的周期完全一致。而對于沒有發(fā)生周期性變化的銫熱管工況，主要是過熱度不足以使熱管內(nèi)銫工質(zhì)發(fā)生沸騰相變，而僅僅發(fā)生連續(xù)蒸發(fā)、冷凝周期性的變化，因此，銫熱管壁面溫度變化就相對很小。

綜上表明，銫熱管在4種工況條件下均能順利啟動和運行，冷凝段長度過長將導(dǎo)致過熱度增大，引起周期性的間歇沸騰，此時，熱管內(nèi)部無法形成穩(wěn)定的連續(xù)流動狀態(tài)，易造成壁面溫度出現(xiàn)周期性波動。

3.3 銫熱管啟動性能

熱管的啟動性能也是反映熱管性能的重要參數(shù)。當(dāng)冷凝段長度為150 mm時，研究了加熱爐溫度在330～630 ℃范圍內(nèi)，相同初始溫度(50 ℃)重力銫熱管的啟動特性。使用FP23控溫表作為加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，采用相同PID參數(shù)控制溫度。爐溫設(shè)定為330，430，530，630 ℃時，銫熱管啟動后120 min內(nèi)外壁測點溫度曲線如圖5所示。

圖5 不同爐溫啟動熱管溫度曲線圖Fig.5 Temperature curve of heat pipe at different furnace temperature starting

對比4種加熱爐溫時銫熱管各測點溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)定爐溫的增加，熱管絕熱段測點7和冷凝段測點10的溫度開始上升的時刻明顯縮短。結(jié)果表明：以較高爐溫加熱蒸發(fā)段時，銫熱管能夠更快速啟動。這是由于以相對較高的加熱爐溫啟動熱管時，位于熱管蒸發(fā)段的工質(zhì)能夠在短時間內(nèi)吸收較多熱量，產(chǎn)生更多的蒸汽，在快速升高的蒸汽壓力作用下，蒸汽從蒸發(fā)段快速運動到冷凝段釋放更多潛熱所致。綜上所述，加熱溫度在330～630 ℃范圍內(nèi)，銫重力熱管均能順利啟動和穩(wěn)定運行，增加啟動爐溫有利于熱管的快速啟動。

4 結(jié) 論

在定溫條件下，研究了重力銫熱管的等溫特性和啟動性能，并通過改變銫熱管冷凝段和絕熱段長度，研究了冷凝段長度對銫熱管性能的影響；此外，利用過熱度原理，解釋了銫熱管內(nèi)鋸齒狀周期波動的原因。得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)加熱爐溫在330～630 ℃時，重力銫熱管等溫特性和啟動性能優(yōu)異；因此，可以研制同軸等溫銫熱管，用于ITS-90國際溫標(biāo)鋅凝固點(419.527 ℃)的復(fù)現(xiàn)，提高固定點的復(fù)現(xiàn)水平。

(2) 當(dāng)冷凝段長度為300 mm時，熱管外壁面溫度出現(xiàn)周期性波動；過熱度是銫熱管內(nèi)產(chǎn)生沸騰相變的原動力，也是產(chǎn)生鋸齒狀周期性波動的主要原因；因此，選擇合適長度的冷凝段可以避免鋸齒狀波動的產(chǎn)生。

(3) 當(dāng)加熱爐溫在330～630 ℃時，適當(dāng)增加啟動爐溫有利于熱管的快速啟動。