朱紅亮

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司，天津市超導(dǎo)電纜應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

引言

超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)為電纜提供77 K的工作溫區(qū)，避免熱負(fù)荷積聚使系統(tǒng)溫度超過超導(dǎo)電纜臨界溫度。因此，制冷系統(tǒng)導(dǎo)熱效率，直接決定超導(dǎo)電纜穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)無氧銅導(dǎo)熱換熱系數(shù)小，要求換熱面積大，造成制冷系統(tǒng)體積龐大，空間利用率不高。隨著超導(dǎo)電纜應(yīng)用的逐步發(fā)展，傳統(tǒng)無氧銅導(dǎo)熱已無法滿足要求。

1 熱管技術(shù)

1.1 熱管工作原理

熱管的工作原理如圖1所示。低溫工質(zhì)在蒸發(fā)段受熱汽化，經(jīng)絕熱段溫度不變，再經(jīng)冷凝段后降溫冷卻釋放潛熱凝結(jié)液體，經(jīng)重力落回到蒸發(fā)段再吸熱汽化[1]。熱管導(dǎo)熱不需外界做功，具有傳熱效率高，導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 熱管的工作原理

1.2 熱管的分類

按工作溫度，熱管分為4類：

（1）低溫?zé)峁?。工作溫區(qū)為200 K≥T＞0，通常采用氦、氬、氮等為液體工質(zhì)。廣泛應(yīng)用在航天器冷屏、光學(xué)元件表面處理等各種制冷技術(shù)中。

（2）常溫?zé)峁堋９ぷ鳒貐^(qū)為500 K≥T＞200 K，工質(zhì)通常為水、酒精、丙酮等。

（3）中溫?zé)峁堋９ぷ鳒貐^(qū)為750 K≥T＞500 K，工質(zhì)可以采用水銀、硫、銫等。

（4）高溫?zé)峁?。工作溫區(qū)為T＞750 K，液體工質(zhì)為鉀、鈉、鋰等高沸點(diǎn)液態(tài)金屬。這些液態(tài)金屬導(dǎo)熱性能極高，當(dāng)溫度高于1000 K時(shí)，需用真空或惰性氣體保護(hù)。

1.3 低溫脈動(dòng)熱管技術(shù)簡(jiǎn)介

脈動(dòng)熱管工作原理如圖2所示。脈動(dòng)熱管呈U型往復(fù)連接，在抽取出真空后，按一定比例盡量充分引入處于低溫狀態(tài)的工質(zhì)，蒸發(fā)段工質(zhì)吸收大量的負(fù)荷熱量，快速蒸發(fā)后陸續(xù)形成大量氣泡,形成均勻的、有一定間隔的工質(zhì)液柱和氣態(tài)塞柱，蒸發(fā)段的壓力逐漸增加并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，蒸發(fā)段的壓力大于冷凝段的壓力，為工質(zhì)流動(dòng)提供動(dòng)能。脈動(dòng)熱管不同區(qū)間的蒸發(fā)段的蒸發(fā)過程不同時(shí)進(jìn)行，管道與管道間會(huì)進(jìn)一步形成壓力差，使低溫工質(zhì)由一個(gè)彎頭流向下一個(gè)彎頭，形成了低溫工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的往復(fù)力。因此形成了熱負(fù)荷的高效傳輸及冷卻過程。

圖2 脈動(dòng)熱管工作原理圖

2 無氧銅盤管與低溫脈動(dòng)熱管傳導(dǎo)效率的計(jì)算

假設(shè)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)產(chǎn)生1000 W漏熱量，分別計(jì)算無氧銅盤管與低溫液氮脈動(dòng)熱管的傳導(dǎo)效率，在超導(dǎo)電纜過冷箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)77 K至70 K的熱量傳遞，比較其導(dǎo)熱效率即可判斷低溫脈動(dòng)熱管在超導(dǎo)電纜系統(tǒng)應(yīng)用的可能性。無氧銅盤管與低溫脈動(dòng)熱管導(dǎo)熱狀況如圖3所示。

圖3 無氧銅盤管與低溫脈動(dòng)熱管導(dǎo)熱分析圖

2.1 無氧銅盤管傳導(dǎo)效率的計(jì)算

由格拉曉夫公式得：

式中，體脹系數(shù)av=5.65；ΔT為無氧銅盤管溫差；L為無氧銅有效長(zhǎng)度。

由怒謝爾計(jì)算公式得：

最終得出換熱系數(shù)：

2.2 低溫脈動(dòng)熱管導(dǎo)熱效率計(jì)算

式中，Q為蒸發(fā)段的加熱量；ΔT為兩段溫差；Le為長(zhǎng)度；S為截面積之和。

式中，Din為內(nèi)徑；σ為表面張力；ρl和ρv分別為工質(zhì)在液相和氣相時(shí)的密度。

2.3 計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算結(jié)果列于表1。從表1可知，單位換熱面積下，低溫脈動(dòng)熱管的換熱效率約為無氧銅盤管的6倍。

表1 參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)束語

綜上所述，低溫脈動(dòng)熱管能夠提高超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)的傳熱效率，有效導(dǎo)熱系數(shù)大約是相同直徑的無氧銅盤管的6倍，為超導(dǎo)電纜制冷方法提供一個(gè)新的可行方案。