張 龍，盧 川，周 杰，欒秀春，楊志達(dá)，王俊玲

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，哈爾濱 150001;2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213;3.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

熱管問世以來(lái)，以其諸多的突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于宇航、電子、化工、冶金等各個(gè)領(lǐng)域[1].分離式熱管的結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通起來(lái)，形成自然循環(huán)回路.工作時(shí)，在熱管內(nèi)加入一定量的工質(zhì)，這些工質(zhì)匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后，工質(zhì)蒸發(fā)，其內(nèi)部蒸汽壓力升高，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達(dá)冷凝段釋放出潛熱而凝結(jié)成液體，在重力作用下，經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行.分離式熱管的冷凝段必須高于蒸發(fā)段，液體下降管與蒸汽上升管之間會(huì)形成一個(gè)密度差，這個(gè)密度差所能提供的壓頭與冷凝段和蒸發(fā)段的高度差密切相關(guān)，用以平衡蒸汽流動(dòng)和液體流動(dòng)的壓力損失，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而不需要外加動(dòng)力[2-9].

可見，分離式熱管既有經(jīng)典熱管的共性——兩相流動(dòng)、相變傳熱、自然循環(huán)等，同時(shí)也有鮮明的個(gè)性——管內(nèi)汽液兩相同向流動(dòng).由此注定了分離式熱管暖內(nèi)流動(dòng)傳熱特性與經(jīng)典熱管管內(nèi)流動(dòng)傳熱特性有著本質(zhì)的差別.

1 非能動(dòng)換熱器的組成

本文進(jìn)行的是分離式熱管換熱器特性研究實(shí)驗(yàn)，其特別之處在于此次實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)不再是單純的單管豎直換熱器，而是豎直排管并聯(lián)式熱管換熱器[10-15].實(shí)驗(yàn)裝置是由蒸發(fā)器、冷凝器、上升管、下降管、水箱、閥門、離心式水泵、壓力表、真空泵、彎頭、三通管等部件搭建而成的排管分離式熱管換熱器.蒸發(fā)器與冷凝器的高度差為23.8 cm，足以克服換熱器內(nèi)的阻力損失，保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行.在上升管上部設(shè)有壓力表:真空壓力表和普通壓力表，在上升管上部還設(shè)有抽氣口，蒸發(fā)器左邊設(shè)有水位計(jì)，同時(shí)，水位計(jì)上還設(shè)有入水口，在下降管下部設(shè)有排液口，每次實(shí)驗(yàn)完畢之后由此排出實(shí)驗(yàn)工質(zhì).實(shí)驗(yàn)所用的非能動(dòng)換熱器示意圖如圖1所示.

2 熱管換熱器換熱特性實(shí)驗(yàn)

2.1 漏氣漏水實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行換熱器換熱實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)于此裝置應(yīng)進(jìn)行漏氣漏水實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置各個(gè)閥門，換熱器內(nèi)部為常壓狀態(tài)，各個(gè)壓力表顯示為0MPa，然后打開真空壓力表下的閥門與抽氣接口后的閥門，將抽氣接口與真空泵連接，接通真空泵電源開始抽氣，當(dāng)抽至極限真空后關(guān)閉抽氣接口閥門，將實(shí)驗(yàn)裝置靜置30 min，觀察換熱器真空度保持情況.

圖1 非能動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓力表指示壓力不斷上升，表示實(shí)驗(yàn)裝置有漏氣現(xiàn)象，為檢查出漏氣接口并加以修改，可以采用充水實(shí)驗(yàn).先將實(shí)驗(yàn)裝置水平放置，打開抽氣接口閥門與裝置下部放水閥門，此時(shí)裝置與大氣接通，換熱器內(nèi)部為常壓狀態(tài)，然后關(guān)閉真空壓力閥門(為避免充水造成壓力過大損壞真空壓力表)，將抽氣接口與水管連接，打開水管閥門開始充水，當(dāng)裝置下部放水閥門空氣排完開始出水時(shí)關(guān)閉放水閥門，觀察普通壓力表壓力，當(dāng)表壓力上升至0.3MPa時(shí)關(guān)閉抽氣接口閥門與水管閥門，再將裝置靜置，觀察各個(gè)連接處是否有漏水情況，接口處有水滴或是有液體浸出的即表示漏水，在漏水處用粉筆畫上記號(hào)，待觀察完畢后拆卸掉重新安裝.重新安裝完的實(shí)驗(yàn)裝置重復(fù)進(jìn)行漏氣漏水實(shí)驗(yàn)，直至實(shí)驗(yàn)裝置不再漏水.

2.2 熱管換熱器啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)裝置豎直放置,打開放水閥門將實(shí)驗(yàn)裝置中殘留的液體全部放出，關(guān)閉放水閥門，打開抽氣閥門以及玻璃管兩端兩個(gè)進(jìn)水閥門，從進(jìn)水口將實(shí)驗(yàn)工質(zhì)酒精倒入，觀察玻璃管內(nèi)液體高度，待工質(zhì)充至實(shí)驗(yàn)所需體積后關(guān)閉進(jìn)水閥門，將抽氣口與真空泵連接，接通抽氣泵電源，真空泵開始工作直至傳熱管內(nèi)抽至真空泵所能達(dá)到的極限真空后關(guān)閉抽氣閥門，將熱水箱和冷卻水箱分別充水淹沒傳熱管，將實(shí)驗(yàn)用來(lái)加熱的電加熱器放入熱水箱，再用保溫棉將熱水箱頂部封住，確保實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)工作準(zhǔn)備完畢后開始加熱并觀察各管道及冷卻水箱溫度.

2.3 熱力特性實(shí)驗(yàn)

本次熱管換熱器實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)不同充液率對(duì)換熱器換熱效應(yīng)影響，實(shí)驗(yàn)過程中所用的工具有：熱電偶(實(shí)驗(yàn)中熱端傳熱管焊接有四對(duì)熱電偶絲，冷卻水箱焊接有兩對(duì)熱電偶絲，分別用來(lái)測(cè)量熱端傳熱管溫度和冷卻水箱溫度變化情況，熱電偶由同一溫度計(jì)統(tǒng)一標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)都是計(jì)算了熱電偶誤差之后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其中1、2、3、4號(hào)熱電偶測(cè)量熱端傳熱管溫度，5、6號(hào)傳熱管測(cè)量冷卻段傳熱管溫度)，IMP數(shù)據(jù)采集器(用來(lái)收集由熱電偶產(chǎn)生的電流數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)顯示在電腦上)，微機(jī)(用來(lái)顯示由數(shù)據(jù)采集器收集的溫度數(shù)據(jù)).表1給出前三號(hào)熱電偶采集的數(shù)據(jù)，實(shí)際溫度和采集溫度以及誤差的大小，其余熱電偶數(shù)據(jù)基本相同在表中就不依次給出.

表1 熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)表

熱管換熱器特性實(shí)驗(yàn)在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)完畢之后進(jìn)行，先將冷卻水箱里的冷卻水全部排出，打開進(jìn)水口兩個(gè)閥門以及抽氣口閥門，從進(jìn)水口開始注入酒精，觀察玻璃管內(nèi)酒精溶液高度，當(dāng)達(dá)到充液率30%所示高度時(shí)停止注液，各個(gè)充液率以及所對(duì)應(yīng)的高度如圖2所示.

關(guān)閉進(jìn)水口閥門及抽氣口閥門，重復(fù)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)后啟動(dòng)IMP數(shù)據(jù)采集器開始測(cè)量冷熱端溫度.實(shí)驗(yàn)中熱端傳熱管上焊接有四對(duì)熱電偶絲，分別在四根傳熱管不同高度上，在數(shù)據(jù)處理時(shí)取四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值.冷卻水箱焊接有兩對(duì)熱電偶絲，分別焊接在水箱不同深度.實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)后，記錄熱水箱溫度，壓力表讀數(shù)，以及冷卻水箱初始溫度.

在冷熱水箱分別設(shè)有溫度計(jì)，從裝置啟動(dòng)開始以分鐘為單位記錄溫度計(jì)讀數(shù)，記錄20組數(shù)據(jù).將采集的冷熱端溫度數(shù)據(jù)分別取各端熱電偶數(shù)目的平均值，將平均值重新列表并繪制成關(guān)系曲線.

圖2 充液率與工質(zhì)高度對(duì)應(yīng)

通過圖3可以得到，水箱的熱端溫度控制為100 ℃，冷端的溫度隨著充液率的增加，溫度也逐漸遞增.并且，不同充液率在相同時(shí)間里，冷端溫度差基本相同，冷端溫度多少說(shuō)明了該分離式換熱器的換熱特性.

圖3 充液率與水箱冷端溫度

3 結(jié) 論

通過漏氣漏水實(shí)驗(yàn)、熱管換熱器啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)和熱力特性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果可以得到以下結(jié)論：1)熱管換熱器內(nèi)部真空度及密封性是影響整個(gè)熱管換熱器能否啟動(dòng)的關(guān)鍵因素;2)熱管換熱器冷熱端溫度差是影響熱管換熱器啟動(dòng)速度的主要因素;3)冷熱端溫度差是影響熱管啟動(dòng)時(shí)間的主要因素，冷熱端溫度差越大啟動(dòng)速度越快.