韓 冶，柴寶華，衛(wèi)光仁，畢可明，馮 波，龍俞伊

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

高溫鉀熱管是一種利用內(nèi)部工質(zhì)相變傳熱的高效散熱元件，能實現(xiàn)對450～700 ℃多種高溫?zé)嵩吹母咝Х悄軇由?。豎直放置時，重力對鉀熱管的工質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生影響，流動及傳熱機(jī)理與水平放置時有很大不同。豎直放置的鉀熱管是否采用吸液芯結(jié)構(gòu)、工質(zhì)的充裝量、傾斜角度、蒸發(fā)段長度等均會對其啟動性能和傳熱性能產(chǎn)生影響。為實現(xiàn)鉀熱管的具體應(yīng)用，有必要進(jìn)行相關(guān)試驗研究和理論分析。

1 研究對象

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于在重力熱管有限空間內(nèi)傳熱機(jī)理復(fù)雜，而且不同類型熱管內(nèi)部傳熱機(jī)理差別大，因此目前無法建立適用于所有類型重力熱管內(nèi)部傳熱過程的相關(guān)計算模型。國內(nèi)外對重力熱管主要研究方法是通過試驗來分析所研制型號熱管的內(nèi)部傳熱機(jī)理，以確定熱管結(jié)構(gòu)、充液量等關(guān)鍵參數(shù)，并以試驗為基礎(chǔ)，擬合出熱管內(nèi)不同區(qū)域換熱系數(shù)、液池高度及界面移動量等參數(shù)的經(jīng)驗公式[1]。業(yè)界對常溫重力熱管試驗研究較多[2-6]，如銅水、碳鋼水熱管。對于高溫重力熱管研究則較少，重力鉀熱管并無可參考試驗研究。

1.2 有芯和無芯重力鉀熱管

圖1為有芯和無芯重力鉀熱管結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。有芯和無芯重力鉀熱管區(qū)別列于表1。

圖1 有芯和無芯重力鉀熱管結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.1 Structure and working principle of gravity potassium heat pipes with and without wick

熱管類型泡核沸騰位置工質(zhì)蒸發(fā)位置冷凝位置工質(zhì)回流動力有芯蒸發(fā)段吸液芯與液池蒸發(fā)段吸液芯壁面與液池液面冷凝段吸液芯壁面吸液芯毛細(xì)力與重力無芯液池液池液面冷凝段內(nèi)壁面重力

2 試驗對象與裝置

2.1 試驗對象

試驗對象為6根鉀熱管，其中有芯和無芯結(jié)構(gòu)鉀熱管各3根，基本參數(shù)列于表2。管徑為17 mm，冷凝段長為372 mm，工質(zhì)為高純鉀。吸液芯為干道式絲網(wǎng)吸液芯結(jié)構(gòu)。

表2 試驗用鉀熱管基本參數(shù)Table 2 Basic parameter of potassium test heat pipe

2.2 試驗裝置

圖2為重力鉀熱管啟動試驗裝置示意圖。加熱爐最大功率為1 kW，中心加熱段長度為100 mm。利用K型鎧裝熱電偶測量溫度。11副熱電偶軸向布置于熱管外壁面。測點位置為測點距蒸發(fā)段端部距離。絕熱段1副熱電偶與溫控系統(tǒng)連接。熱電偶所測溫度通過數(shù)采實時上傳至計算機(jī)，由界面化程序顯示并實時記錄。

3 有芯重力鉀熱管啟動試驗

有芯重力鉀熱管的充液比是指工質(zhì)充滿吸液芯孔隙后余量占熱管蒸發(fā)段有效容積的比例。

3.1 試驗結(jié)果

圖3示出1#～3#熱管從常溫啟動至控制點溫度為500、550和600 ℃過程中，各測溫點溫度隨時間的變化。表3列出1#～3#熱管啟動試驗溫度參數(shù)及散熱能力。

圖2 重力鉀熱管啟動試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of starting test device for gravity potassium heat pipe

圖3 1#～3#熱管啟動過程各點溫度隨時間的變化Fig.3 Temperature change of each point during 1#-3# heat pipe starting

控制點溫度/℃序號充液量/g蒸發(fā)段最高溫度/℃冷凝段平均溫度/℃自然對流散熱功率/W輻射散熱功率/W總散熱功率/W功率提高比例/%5001#22550500.370.6314.43859.782#17.5565497.170309.1379.18.103#10.566548167.3283.4350.705501#22595542.377.8390.3468.15.312#17.5630549.979.2405.3484.59.003#10.563553175.8368.7444.506001#22705590.586.1493.1579.202#17.5695600.187.7515.8603.54.20

3.2 結(jié)果分析

如圖3所示，在控制點溫度500 ℃之前1#熱管各點溫度有較大波動，2#和3#熱管波動較小。這是由于此階段工質(zhì)并未與吸液芯完全浸潤，使1#熱管液池高度較高，容易形成彈狀氣泡并產(chǎn)生間歇沸騰；控制點溫度500～550 ℃區(qū)間，由于工質(zhì)與吸液芯充分浸潤、熱流輸入增大，3根熱管各自實現(xiàn)穩(wěn)定升溫；550～600 ℃區(qū)間， 1#熱管蒸發(fā)段出現(xiàn)溫度波動狀態(tài)，這是泡核沸騰和膜態(tài)沸騰交替在蒸發(fā)段壁面上出現(xiàn)的過渡沸騰傳熱現(xiàn)象[8]。此現(xiàn)象是由于輸入熱流密度增大及液池的存在，使部分內(nèi)壁及吸液芯被不穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋，造成壁面換熱能力下降、壁溫升高。在液池工質(zhì)擾動及凝結(jié)液回流動量作用下，已形成的汽膜會斷裂或以氣泡形式脫離壁面，液體重新覆蓋內(nèi)壁及吸液芯并開始泡核沸騰，進(jìn)而換熱增強(qiáng)、壁溫降低。當(dāng)蒸發(fā)段熱流密度較高但又不足以達(dá)到CHF時，上述膜態(tài)沸騰和泡核沸騰便會交替出現(xiàn)；550～600 ℃區(qū)間， 2#熱管蒸發(fā)段液池高度低，只存在吸液芯內(nèi)部的泡核沸騰，不會出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，因此2#熱管溫度穩(wěn)定，換熱能力較強(qiáng)；550～600 ℃區(qū)間，3#熱管冷凝段溫度陡降、溫升速率慢，這是由于3#熱管工質(zhì)充裝量少(占吸液芯70%，無液池)，高溫區(qū)間蒸汽量增大，吸液芯中工質(zhì)進(jìn)一步減少，冷凝段縮短，凝結(jié)液回流速度變慢造成的。

試驗結(jié)果溫度誤差來源由兩部分組成，首先是所使用的K型一級鎧裝熱電偶自身攜帶允差±1.5 ℃，另一方面是熱電偶與熱管外壁面采用金屬薄片緊箍固定，經(jīng)驗表明該方法會帶來±2 ℃的誤差。因此本試驗溫度測量結(jié)果總誤差約為±3.5 ℃。

4 無芯重力鉀熱管試驗

無芯重力熱管充液比為工質(zhì)的體積量與蒸發(fā)段有效容積之比。

4.1 試驗結(jié)果

圖4示出4#～6#熱管從常溫啟動至控制點溫度為500 ℃過程中，各測溫點溫度隨時間變化曲線與500 ℃穩(wěn)定狀態(tài)時各測溫點溫度變化和局部放大圖。表4列出4#～6#熱管溫度參數(shù)和散熱能力。

4.2 結(jié)果分析

如圖4a、b所示，充液比為210%的4#熱管升溫呈波動上升狀態(tài)，波動頻率隨整體溫度的升高而增大；試驗中可清晰聽到管內(nèi)液柱間歇性撞擊冷凝段金屬端面的響聲，并伴隨管體振動。蒸發(fā)段溫度變化狀態(tài)與冷凝段相反，此消彼長。減少充液比，如圖4c、d所示，充液比85%的5#熱管在啟動和穩(wěn)定后各點溫度脈動狀態(tài)和液柱撞擊金屬端面聲明顯減弱。

產(chǎn)生上述溫度波動現(xiàn)象的原因是熱管內(nèi)部工質(zhì)處于間歇沸騰狀態(tài)[9]。試驗中4#熱管蒸發(fā)段長度為10 cm，工質(zhì)液池高度約為21 cm，輸入熱量在液池中不足以形成穩(wěn)定的核態(tài)沸騰，如圖5所示，液池內(nèi)生成氣泡的直徑會很快增大，所形成的彈狀氣泡上沖至冷凝段，并將其上部的液柱拋至熱管頂部，撞擊冷凝段的端蓋，產(chǎn)生劇烈振動。液柱沖至冷凝段后，在管壁上形成液膜，落回蒸發(fā)段液池，如此循環(huán)并形成間歇沸騰[10]。壁溫也隨彈狀氣泡和液柱上升而升高，隨液體回落而下降。

間歇沸騰有諸多危害：造成的機(jī)械振動不利于熱管及裝置的機(jī)械穩(wěn)定性；造成的溫度波動會引起熱源溫度波動；換熱系數(shù)較泡核沸騰低，影響熱管傳熱效率。

因此應(yīng)避免或減弱間歇沸騰，對于本試驗可行的方法是減少充液量以降低液池高度。當(dāng)充液比降至54%時，如圖4e、f所示，間歇沸騰、溫度脈動大幅減弱，此時已無液柱撞擊聲響，熱管散熱功率也有所提高。

4.3 無芯重力熱管充液量探討

上述試驗證明充液量過高會造成熱管劇烈的間歇沸騰，而充液量卻不是越少越好。充液量不足時蒸發(fā)段底部會出現(xiàn)干涸極限[9]，當(dāng)充液量只滿足蒸汽和下降液膜的流動、底部無液池時，隨著熱流密度的增大，熱管底部將出現(xiàn)干涸，壁面溫度會持續(xù)升高，最終導(dǎo)致熱管失效。因此存在理論最小充液量。Streltsov[5]以Nusselt豎壁膜狀冷凝理論解為基礎(chǔ)，在忽略蒸汽與液膜間剪切力、假設(shè)蒸發(fā)段底部無液池的情況下，得到無芯重力熱管充液量與熱流量之間的關(guān)系式，即：

圖4 4#～6#熱管啟動過程各點溫度隨時間變化曲線(a、c、e)與局部放大圖(b、d、f)Fig.4 Temperature change curve (a, c, e) and partial enlarged view (b, d, f)of each point during 4#-6# heat pipe starting

序號內(nèi)部結(jié)構(gòu)充液量/g(充液比/%)蒸發(fā)段最高溫度/℃冷凝段平均溫度/℃冷凝段溫度波動/℃自然對流散熱功率/W輻射散熱功率/W總散熱功率/W4#無芯35(210)6754607063.7252.3315.95#無芯14(85)675479.33067.1280.7347.86#無芯9(54)620486.82068.3292.4360.7

(1)

式中：lc為冷凝段長度；la為絕熱段長度，la=0.1 m；le為蒸發(fā)段長度；di為熱管內(nèi)徑，di=0.016 m；500 ℃時，μl=1.77×10-4Pa·s，ρl=726 kg/m3，hfg=2.079×106J/kg，熱量凈輸入功率Q=400 W。代入式(1)得最小充液量為G=1.5 g。當(dāng)充液量小于1.5 g時將出現(xiàn)干涸極限。因重力熱管實際模型中蒸汽與液膜間存在較大剪切力，液膜自下而上有增厚趨勢，蒸汽腔內(nèi)常存在氣液混合物，而且管內(nèi)要有一定高度液池，以適應(yīng)過熱工況，并使液池內(nèi)處于核態(tài)沸騰以得到高的換熱系數(shù)，所以實際充液量將大于最小充液量[9]。本試驗考慮到液池存在的必要性及鉀熱管充裝回路對最小充液量的可實現(xiàn)性，確定適合的充液量應(yīng)在5～9 g之間，充液比為30%～54%。

圖5 熱管間歇沸騰流型示意圖Fig.5 Heat pipe intermittent boiling flow diagram

5 有芯重力鉀熱管傾角試驗

工程應(yīng)用中鉀熱管通常有10°以內(nèi)傾斜角度。圖6為2#有芯重力鉀熱管在控制點溫度為550 ℃時各點溫度隨傾角的變化。傾角為熱管偏離豎直軸線的角度。如圖6所示，隨熱管傾角的增大，熱管各點溫度呈上升趨勢。如表5所列，5°傾角時各點溫度增量為1～3 ℃，45°時增量為6～10 ℃。此現(xiàn)象說明蒸發(fā)段輸入的熱流密度隨傾角的增加而增大。這是由于當(dāng)熱管傾斜時，熱源與蒸發(fā)段外壁面擾流與換熱增強(qiáng)，蒸發(fā)段輸入的熱量便增加，導(dǎo)致熱管整體溫度的上升。鉀熱管10°以內(nèi)傾角變化時，溫度增量很小，約為各點溫度的0.5%～1.1%，此增量對熱管啟動及整體傳熱性能影響很小。因此在此范圍內(nèi)可忽略傾角對熱管性能的影響，而主要考慮充液量的影響。

圖6 2#熱管各點溫度隨傾角的變化Fig.6 Temperature vs.inclination angle of each point for 2# heat pipe

測點T0°/℃T5°/℃T10°/℃T15°/℃T25°/℃T45°/℃1622625628630629632261661962262362262535855885915935925954578581584586585588555655756056156056365555575595605595627555556558558557561854554755055155055395515525545555545571054955055355455255511541543545546545548增量01～33～64～83～76～10

6 結(jié)論

針對高溫重力鉀熱管進(jìn)行了啟動性能試驗和分析，得到如下結(jié)論。

1) 有芯重力鉀熱管充液量不足時，熱管升溫緩慢、末端溫度低；充液量過高時，熱管啟動出現(xiàn)間歇沸騰，高溫時出現(xiàn)過渡沸騰；本試驗條件下3種充液量中最優(yōu)結(jié)果是17.5 g。啟動試驗條件下，控制點溫度為550 ℃時，熱管輻射散熱功率約為400 W。

2) 吸液芯的多孔結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生汽化核心并形成泡核沸騰，提高內(nèi)壁面換熱系數(shù)；由于吸液芯毛細(xì)力的存在，液態(tài)工質(zhì)在吸液芯的周向及軸向分布較為均勻，有利于提高熱管啟動的穩(wěn)定性、減小蒸發(fā)段與冷凝段溫差、增大熱管平均溫度和輻射散熱能力。

3) 無芯重力鉀熱管啟動及升溫過程會出現(xiàn)間歇沸騰，間歇沸騰劇烈程度隨充液量的減少而降低。本試驗條件下3種充液量中最優(yōu)結(jié)果是9 g，充液比為54%?？刂泣c溫度500 ℃時，輻射散熱功率為290 W。不建議進(jìn)一步升高溫度，以免蒸發(fā)段燒毀。

4) 間歇沸騰會造成熱管溫度波動、殼體振動，使蒸發(fā)段與冷凝段溫差增大、熱管平均溫度和冷凝段輻射散熱能力降低；無芯重力熱管內(nèi)壁為光滑壁面，不易形成汽化核心；冷凝液在周向及軸向分布不均勻，影響凝結(jié)效率及溫度分布的均勻性。

5) 工程范圍內(nèi)的傾斜角度對有芯重力鉀熱管溫度和性能的影響可忽略不計。

6) 有芯結(jié)構(gòu)的重力鉀熱管性能優(yōu)于無芯結(jié)構(gòu)的，工程應(yīng)用中應(yīng)采用有芯結(jié)構(gòu)。