童文雨， 張廣明， 于莉莉， 閆小克， 張 凱

(1.南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.北京科技大學，北京 100083)

1 引 言

熱管是一種高效的傳熱元件，依靠工質相變傳遞熱量[1]。因其具有優(yōu)良的導熱性和等溫性而廣泛應用于能源、宇航、軍工、計量等領域。在溫度計量領域，熱管作為等溫爐襯可提高ITS-90國際溫標定義固定點的復現(xiàn)水平[2]和變溫黑體的溫場均勻性[3]。錫凝固點(231.928℃)是非常重要的一個定義固定點，目前通常采用單段或三段加熱爐來復現(xiàn)。為了提高錫凝固定點復現(xiàn)水平，在該凝固點溫度附近選擇一種合適的中溫段熱管介質尤為重要。中溫段熱管是指運行在500～750 K溫度區(qū)域內的熱管，目前，可供該類熱管選擇的工質較少，主要有導熱姆A、水銀、萘等。研究表明：導熱姆A具有較低的蒸汽壓力[4]，但有毒且高溫易分解；水銀工作范圍廣，但成本高、毒性大，應用受到限制；萘熱穩(wěn)定性好[5]，但其常溫下為固態(tài)，制作麻煩且凝結換熱系數低。因此，尋求一種無毒、化學性質穩(wěn)定、制作便利且成本低的中溫段熱管介質對于溫度計量應用具有重大意義。

N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone，NMP)作為一種有機傳熱工質，具有密度小、沸點低、汽化潛熱大、飽和蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點；其化學性質不活潑，除銅外，對其它金屬如碳鋼、鋁等均無腐蝕性。因此，NMP物性參數決定該工質非常適合作為中溫熱管工質。國內一些學者開展了N-甲基吡咯烷酮熱管的研究，但在熱管運行溫度方面存在分歧。童明偉等[6,7]認為N-甲基吡咯烷酮可在250～400 ℃運行，且在200～350 ℃?zhèn)鳠嵝阅軆?yōu)于導熱姆A，綜合傳熱性能優(yōu)于萘；張子健等[8]認為分離式NMP-不銹鋼熱管在200～350 ℃范圍內使用，其傳熱性能優(yōu)于萘工質；而張亮[9]發(fā)現(xiàn)NMP熱管在爐溫300 ℃時工質開始分解變質，且實驗過程中有氣體逸出，其認為該熱管最佳使用溫度為爐溫250～300 ℃。因此，在相同溫度范圍，NMP工質優(yōu)于導熱姆A和萘，但其工作溫度范圍需要更多的實驗來驗證。

本文采用不同工藝研制了2根充液量相同的NMP熱管，通過熱管啟動特性[10～12]、等溫實驗[13,14]研究其運行溫度范圍，為研制復現(xiàn)錫凝固點的中溫熱管固定點爐提供基礎。

2 NMP熱管實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1所示，由NMP熱管、加熱控制系統(tǒng)、溫度測量與數據采集系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)4個部分組成，構成一個完整的實驗裝置平臺。

圖1 NMP熱管實驗裝置圖Fig.1 Diagram of the NMP heat pipe experimental apparatus1-NMP熱管；2-硅酸鋁鎂材質保溫棉；3-加熱爐；4-K型熱電偶；5-安捷倫數據采集儀；6-計算機

中國計量科學研究院自主研制了2根NMP熱管，編號分別為1#熱管、2#熱管。與1#熱管相比，2#熱管在真空除氣、充裝方式上進行了改進：在真空除氣方面，使用水平三段管式爐對熱管外殼進行全方位加熱，最高加熱溫度設定到400 ℃，在該溫度下管內真空度為5.9×10-5Pa；在充裝方式上，設計了新的充液計量容器，并使用磁力攪拌器對容器內工質進行預處理，清除了液體內混有的氣體。2根熱管充液量均為60 g，液池高度186 mm。熱管管殼材料全部選用外徑為25 mm、壁厚2.5 mm的Inconel600高溫合金，長度為1 000 mm。

加熱控制系統(tǒng)為FP23溫控表、管式加熱爐、控溫偶構成，通過FP23溫控表設置加熱溫度、PID參數，實現(xiàn)對爐溫的精準控制。溫度測量與數據采集系統(tǒng)由溫度傳感器、安捷倫數據采集儀及計算機三部分組成，該系統(tǒng)中所選用的溫度傳感器均為直徑2 mm的K型熱電偶，且實驗前經過中國計量科學研究院檢定校準；型號為34972A的安捷倫數據采集儀與K型熱電偶相連接，其使用多通道的方式采集所需要的實驗數據，設定數據采集間隔為2 s，并將數據實時傳輸到計算機上，保證了對NMP熱管實驗情況的實時監(jiān)控與分析。保溫系統(tǒng)選用硅酸鋁鎂棉包裹熱管絕熱段，減少熱量散失。實驗時，采用該實驗裝置平臺分別對1#熱管和2#熱管進行實驗。

2.2 實驗方法

熱管分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，其各段長度分別為470,130,400 mm。將NMP熱管蒸發(fā)段放入加熱爐爐膛有效加熱區(qū)內，并保證其與地面垂直；絕熱段用保溫棉完全包裹，同時在爐口堵上保溫棉，減少熱量散失；冷凝段直接暴露在恒溫的實驗室環(huán)境中，依靠自然對流和輻射向外散熱。

通過測量和比較熱管外壁溫度來評價熱管的啟動特性和等溫特性。為了測量熱管外壁溫度，在熱管外壁按照圖2所示布置11支K型熱電偶，編號依次記為測點1～11；為了減小接觸熱阻，熱電偶均用22號鍍鋅鐵絲徑向緊密固定，并在熱電偶端部覆蓋保溫棉。

圖2 NMP熱管外壁面溫度測點布置Fig.2 The distribution of the outer temperature measuring points on the outside of the NMP heat pipe

實驗中采用定溫加熱方式研究了2根NMP熱管蒸發(fā)段在275，325，375，425，475，500 ℃加熱溫度下的熱管外壁面溫度分布規(guī)律。在此基礎上，研究熱管的啟動特性、等溫特性及運行溫度范圍。其中，測點1位于液位下方蒸發(fā)段外壁，測點3和測點5位于液池上方的蒸發(fā)段外壁，測點6位于絕熱段外壁，測點10和測點11位于冷凝段外壁。

3 實驗結果分析

3.1 NMP熱管啟動特性分析

圖3和圖4分別為加熱爐爐溫從室溫升至 275 ℃ 并保持該爐溫過程中，1#熱管和2#熱管外壁面軸向溫度隨時間變化的曲線圖。

在該加熱溫度下，2根熱管均順利啟動。在熱管的升溫過程中，蒸發(fā)段測點1，3，5均出現(xiàn)不同程度的升溫，且升溫時刻均早于絕熱段和冷凝段測點。該過程中，蒸發(fā)段測點升溫曲線出現(xiàn)兩種不同的趨勢。在加熱12～15 min后，由于NMP工質的汽化，管內飽和蒸氣壓增大，NMP蒸汽攜帶汽化潛熱經過絕熱段，此時絕熱段測點6溫度迅速升高。隨后，熱管底部的工質繼續(xù)吸收熱量，導致沸騰。產生的氣泡攜帶大量熱量傳遞到冷凝段，當蒸發(fā)段測點1溫度出現(xiàn)驟降時，冷凝段測點10，11溫度迅速升高。最后，當加熱爐、熱管與周圍環(huán)境處于熱平衡時，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段各點溫度就趨于穩(wěn)定。因此，處于液池高度的蒸發(fā)段外壁溫度的驟降可以作為熱管啟動的重要標志。

圖3 加熱溫度275 ℃時1#熱管壁面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of No1 heat pipe at the heating temperature of 275 ℃

圖4 加熱溫度275 ℃時2#熱管壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of No2 heat pipe at the heating temperature of 275 ℃

在定溫加熱條件比較了2根熱管冷凝段處于自然對流情況下的啟動特性，發(fā)現(xiàn)2#熱管的啟動時間短于1#熱管且其冷凝段的溫度也顯著高于1#熱管。其中，1#熱管在第40 min時，測點1溫度由212℃迅速下降至176 ℃，而冷凝段測點10、測點11溫度卻偏低，測點10與絕熱段測點6溫差達到 110 ℃。2#熱管在加熱到第33 min時熱管啟動，冷凝段測點10與絕熱段測點6溫差縮小到4 ℃以內，冷凝段分布比較均勻，熱管等溫運行；此外，2#熱管冷凝段最頂部測點11溫度明顯高于1#熱管。這主要是因為在研制2#熱管時，在熱管外殼真空除氣、真空充灌工藝等方面有改進，保證了熱管所需的高真空度及熱管工質的純度。

綜上表明，在相同加熱條件下，2根熱管均能啟動，但運行效果存在較大差異：2#熱管在啟動時間響應上明顯優(yōu)于1#熱管，絕熱段與冷凝段升溫更快，冷凝段溫度分布更加均勻。因此，熱管制作工藝的差異會影響熱管的啟動性能；制作工藝越合理，啟動性能相對越好，冷凝段端部的溫度也相對較高。

3.2 NMP熱管等溫特性分析

采用相同的加熱爐和測量裝置，研究了2根NMP熱管在不同加熱溫度下的等溫特性。圖5和圖6分別為1#熱管與2#熱管在275，325，375，425，475，500 ℃加熱溫度下外壁面軸向溫度分布圖。各測點溫度均采用熱管穩(wěn)定運行10 min所獲得數據的平均值。

圖5 1#熱管外壁面軸向溫度分布Fig.5 Axial surface temperature distribution of the No.1 heat pipe

圖6 2#熱管外壁面軸向溫度分布Fig.6 Axial surface temperature distribution of the No.2 heat pipe

由圖5和圖6可知：隨著加熱溫度的升高，1#熱管和2#熱管冷凝段各測點溫度逐漸升高，冷凝段等溫區(qū)域均出現(xiàn)了不同程度的增加。這是由于當蒸發(fā)段溫度升高時，管內飽和蒸氣壓增大，促進了管內NMP蒸氣攜帶潛熱向冷凝段流動，而蒸氣不斷向冷凝段流動也促使冷凝段軸向溫度分布更加均勻。此外，從圖中發(fā)現(xiàn)，熱管蒸發(fā)段測點的平均溫度總是高于絕熱段和冷凝段，但低于加熱爐的加熱溫度，這是由于熱量從蒸發(fā)段傳遞至絕熱段、冷凝段是一個熱量轉移的過程，而熱管內腔蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段始終會有壓降，故熱管軸向上亦存在溫降；同時，熱管冷凝段直接暴露空氣中且依靠自然對流和輻射向外散熱，造成大量熱量流失，使得熱管蒸發(fā)段溫度始終低于加熱溫度。

對比圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，1#熱管與2#熱管冷凝段溫度分布存在較大差異。以蒸發(fā)段平均溫度作為熱管工作溫度，2#熱管蒸發(fā)段平均溫度從170 ℃增加至320 ℃過程中，冷凝段軸向溫度分布均勻，其冷凝段最上部測點11溫度也相對較高，并且與冷凝段其他測點之間的溫差也越來越?。欢?#熱管蒸發(fā)段平均溫度達到220 ℃時，冷凝段才開始出現(xiàn)等溫現(xiàn)象。分析原因：可能是1#熱管管內存有的少量的非熱管工質的不凝性氣體，其位于熱管冷凝段端部，增加了冷凝熱阻，導致冷凝段端部溫度偏低及冷凝段溫度分布不均勻。

因此，本實驗中改進制作工藝的NMP熱管可在170～320 ℃工作溫度下運行使用，該熱管運行溫度非常適合錫凝固點溫度。

4 結 論

本文在定溫條件下研究了2根NMP熱管的啟動特性和等溫特性。通過實驗對比及分析可得：

(1)NMP熱管可以在170～320 ℃工作溫度下運行，能夠滿足錫凝固點對中溫熱管的需求。

(2)制作工藝可影響NMP熱管的啟動性能和等溫性能。在相同條件下，NMP熱管制作工藝越合理，其冷凝段上部的溫度相對越高。少量的不凝性氣體導致上部的外壁溫度偏低，影響了熱管冷凝段有效工作段長度以及熱管工作溫度范圍下限。

(3)處于液池高度內的熱管蒸發(fā)段外壁溫度的驟降可以作為熱管正常啟動的重要標志。