衛(wèi)光仁，柴寶華，韓 冶，張亞坤，馮 波，畢可明，楊 斌，王晨龍

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

熱管通過腔內(nèi)工質(zhì)相變與高速流動，實現(xiàn)熱量從熱源向熱沉的高效非能動傳輸，使熱管具有熱傳導(dǎo)能力強、非能動傳熱、運行可靠及壽命長等特點[1-3]。高溫鈉熱管適用于550～900 ℃工作溫度區(qū)間，在該溫度區(qū)間能實現(xiàn)高溫?zé)嵩吹母咝醾鲗?dǎo)與散熱需求[1,3-19]。為滿足工程應(yīng)用需求，一般需通過傳熱性能試驗掌握所研制高溫鈉熱管的啟動傳熱性能、等溫升溫性能及極限傳熱性能。

美國在高溫鈉熱管領(lǐng)域曾開展多項探索性研究：熱管式火星探索反應(yīng)堆(HOMER)[12]概念設(shè)計，采用鈉熱管將堆芯熱量傳輸至斯特林發(fā)電機，單支熱管傳熱功率約2 kW；HOMER-15[13-14]方案中單支鈉熱管設(shè)計傳熱功率約0.8 kW；對鈉熱管開展了在650～700 ℃下115 000 h及700 ℃下41 000 h壽命考驗，被考驗件未見失效；千瓦級斯特林技術(shù)反應(yīng)堆(KRUSTY)[15]設(shè)計采用鈉熱管將5 kW堆芯熱量傳輸至斯特林發(fā)電機，單支鈉熱管傳熱功率0.6 kW，運行溫度800 ℃，并通過初步電加熱模擬試驗驗證了方案的可行性；開展熱管式反應(yīng)堆Kilopower[16-18]測試，設(shè)計利用8支彎曲鈉熱管在720～800 ℃將堆芯3 kW熱量傳輸至斯特林發(fā)電機，單支熱管傳熱功率380 W，實際測試中鈉熱管將堆芯1.3 kW傳輸至斯特林發(fā)動機，鈉熱管啟動溫度約600 ℃，啟動用時約40 min。在國內(nèi)，趙蔚琳等[10]對化工用鈉熱管開展了啟動測試初步研究；于萍等[19]對用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的鈉熱管開展了停止工作后再啟動性能研究。中國原子能科學(xué)研究院在高溫?zé)峁茴I(lǐng)域開展了廣泛而深入的研究，研制出高溫?zé)峁躘2,9,20]、超高溫?zé)峁芘c中溫?zé)峁躘21]，并實現(xiàn)熱管式輻射器與熱管式核反應(yīng)堆工程應(yīng)用。目前國內(nèi)尚無其他單位對熱管式核反應(yīng)堆用鈉熱管開展系統(tǒng)性試驗研究。

本文介紹中國原子能科學(xué)研究院瞄準(zhǔn)熱管式核反應(yīng)堆工程需求，針對高溫鈉熱管所做的研究，包括高溫鈉熱管研制、鈉熱管啟動傳熱試驗、等溫升溫試驗及傳熱極限試驗等。試驗驗證該類型鈉熱管工程應(yīng)用的可行性。

1 試驗件描述

熱管式核反應(yīng)堆應(yīng)用需求如下：熱管工作溫度750～850 ℃，熱管最大散熱能力不小于3 kW，熱管最大軸向熱流密度不小于1 kW/cm2，選用鈉作為熱管工質(zhì)。熱管工作溫度通常指熱管絕熱段的平均溫度。

1.1 設(shè)計參數(shù)

鈉熱管由端蓋、管殼、吸液芯及充液管等組成，結(jié)構(gòu)材料為316不銹鋼，吸液芯結(jié)構(gòu)型式為干道式，最佳使用溫度600～900 ℃。鈉熱管內(nèi)部工質(zhì)為高純度堿金屬鈉，工質(zhì)鈉與不銹鋼材料有較好的相容性[1]。鈉熱管結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖如圖1所示。鈉熱管參數(shù)列于表1。

圖1 鈉熱管結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction and working principle for sodium heat pipe

表1 鈉熱管參數(shù)Table 1 Parameter of sodium heat pipe

鈉熱管主要制造工藝包括零部件清洗、組裝集成、真空檢漏、真空除氣、工質(zhì)充裝封口等。真空除氣避免了熱管內(nèi)不凝結(jié)氣體的產(chǎn)生。鈉熱管工質(zhì)充裝量25 g。

1.2 傳熱極限計算

熱管的熱傳導(dǎo)能力極強，但傳熱功率有上限，主要受固有的各傳熱極限所限制。根據(jù)應(yīng)用廣泛的熱管傳熱計算理論[1,11,22-23]，各傳熱極限功率的理論計算公式如下。

毛細極限時最大傳熱功率為：

(1)

式中：σ為液體表面張力系數(shù)；r′c為吸液芯絲網(wǎng)有效毛細半徑；Pg為垂直方向上的液體靜壓力；leff為熱管有效長度；Fl為吸液體摩擦系數(shù)；Fv為蒸氣摩擦系數(shù)。

液體摩擦系數(shù)為：

Fl=μl/(KAρlhfg)

(2)

式中：μl為液態(tài)鈉動力黏度；K為吸液芯滲透率；A為吸液芯截面積；ρl為液態(tài)鈉密度；hfg為鈉氣化潛熱。

蒸氣摩擦系數(shù)為：

(3)

式中：fvRev取值為16；μv為液態(tài)鈉動力黏度；Av為蒸氣腔截面積；rh,v為吸液芯絲網(wǎng)孔隙水力半徑；ρv為液態(tài)鈉密度。

聲速極限時最大傳熱功率為：

(4)

式中：蒸氣比容比γv=1.67；蒸氣氣體常數(shù)Rv=361.48。

攜帶極限時最大傳熱功率為：

(5)

(6)

式中：rh,s為吸液芯絲網(wǎng)表面水力半徑；N為絲網(wǎng)目數(shù)，取300；dw為絲網(wǎng)直徑，為0.038 mm。

黏性極限時最大傳熱功率為：

(7)

式中：dv為熱管蒸氣腔直徑；Pv為鈉蒸氣飽和蒸氣壓。

利用上述公式，計算得到所研制鈉熱管極限傳熱功率(圖2)。由圖2可知，鈉熱管在400～500 ℃?zhèn)鳠峁β适莛ば詷O限限制，500～650 ℃?zhèn)鳠峁β适苈曀贅O限限制，650～900 ℃?zhèn)鳠峁β适軘y帶極限限制。鈉熱管實際傳熱功率將被包絡(luò)在如圖2所示各極限傳熱功率范圍內(nèi)。

圖2 所研制鈉熱管極限傳熱功率Fig.2 Limit heat transfer power of developed sodium heat pipe

2 試驗裝置與試驗方法

2.1 試驗裝置

鈉熱管傳熱性能試驗裝置[9,24]示意圖如圖3所示。該裝置利用高頻感應(yīng)系統(tǒng)為熱管蒸發(fā)段提供熱量輸入。冷凝段熱沉是冷卻水套，水套設(shè)置氣隙，氣隙內(nèi)可實現(xiàn)真空環(huán)境，也可通入導(dǎo)熱氣體實現(xiàn)熱沉散熱能力的調(diào)節(jié)。熱沉氣路系統(tǒng)內(nèi)為氦氣和氬氣，通過調(diào)節(jié)兩種氣體的混合比例，來調(diào)節(jié)熱沉散熱能力[1,24-25]，當(dāng)氬氣充滿水套汽腔、冷卻水流量最大時熱沉可達到最大的散熱能力。熱沉末端與真空系統(tǒng)連接。冷卻水來自高位恒水位水箱，以保證冷卻水進口水壓恒定。冷卻水流量通過質(zhì)量流量計測量，進出口水溫通過水路熱電偶測量。

圖3 鈉熱管傳熱性能試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test device for sodium heat pipe heat transfer performance

熱管壁面溫度測量采用Ⅰ級精度K型鎧裝熱電偶。為滿足熱管與水套安裝、密封連接及壁面測溫需求，熱管外壁面需設(shè)置縱向槽道，槽道寬度及深度與熱電偶外徑相同，均為1 mm，圖4為槽道徑向截面示意圖，并將熱電偶緊密布置于槽道內(nèi)，由于槽道并未改變冷凝段散熱面積與管殼主體厚度，因此槽道對熱管傳熱無影響。鈉熱管熱電偶測點位置列于表2。

圖4 槽道徑向截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of radial cross section of channel

表2 鈉熱管熱電偶測點位置Table 2 Measuring point position of sodium heat pipe thermocouple

試驗中所用計量元件由計量單位校準(zhǔn)，質(zhì)量流量計測量偏差小于±0.15%，直徑1 mm的K型鎧裝熱電偶測溫偏差小于±0.1%。熱電偶緊壓于測溫槽道內(nèi)并與殼體緊密貼合，且不高于管殼外徑，長期試驗經(jīng)驗表明這種熱電偶布置方式接觸熱阻極小，所帶來的測溫誤差可忽略不計。

2.2 試驗方法

1) 啟動與等溫升溫傳熱試驗

利用試驗裝置，對鈉熱管進行真空啟動與等溫升溫試驗。鈉熱管蒸發(fā)段被加熱后，熱管沿軸向逐漸被加熱，當(dāng)絕熱段與冷凝段各點溫度趨于一致，熱管便實現(xiàn)了啟動；完全啟動后繼續(xù)加熱進行等溫升溫；測得啟動與等溫升溫過程中溫度分布與升溫速率，以此判斷熱管完全啟動溫度點、等溫升溫能力及產(chǎn)品質(zhì)量等。

2) 傳熱極限試驗

熱管傳熱極限是指在不同溫度點熱管冷凝段向熱沉的極限散熱功率。通過理論計算可得到各傳熱極限功率理論值，試驗中達到熱管傳熱極限需要較高的試驗條件，如熱管蒸發(fā)段熱量輸入能力和熱沉冷卻能力均可按需求不斷增大。對于工程應(yīng)用的熱管，最關(guān)注的是所研制熱管的散熱能力能否滿足工程應(yīng)用需求。因此當(dāng)無法在試驗中測得某極高的極限傳熱功率時，可將測得的熱管最大散熱功率與應(yīng)用需求對比，以判斷其是否滿足需求。

根據(jù)試驗過程中溫度分布可判斷熱管所處極限狀態(tài)。聲速極限：鈉熱管完全啟動后，在500～650 ℃區(qū)間，不斷增強熱沉冷卻能力并增大蒸發(fā)段熱量輸入，可實現(xiàn)冷凝段各點溫度大幅降低，及冷凝段散熱功率不隨蒸發(fā)段熱量輸入增加而增大的現(xiàn)象。此現(xiàn)象原因是熱管工質(zhì)蒸氣流速達到了蒸發(fā)段在該溫度點的聲速，蒸發(fā)段向冷凝段的軸向熱流密度受聲速限制無法進一步提高，所增加的熱流量無法傳輸至冷凝段。黏性極限：該極限處于熱管啟動階段，由于啟動階段冷凝段溫度低，散熱功率遠低于黏性極限功率，因此試驗中黏性極限通常無法測得。攜帶極限：熱管完全啟動后繼續(xù)升溫，650～900 ℃區(qū)間，由于毛細極限遠高于攜帶極限，因此該溫度區(qū)間受攜帶極限限制。假設(shè)熱沉冷卻能力可覆蓋攜帶極限計算值，那么達到攜帶極限的現(xiàn)象是：增強熱沉冷卻能力、增大蒸發(fā)段熱量輸入動態(tài)維持熱管某一工作溫度，當(dāng)蒸發(fā)段溫度在某一時刻突然迅速大幅升高時，便達到了該工作溫度點的攜帶極限功率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 啟動與等溫升溫傳熱試驗結(jié)果與分析

利用熱管傳熱試驗裝置，測得了啟動過程中熱管壁面的軸向溫度分布，如圖5所示。鈉熱管啟動過程需要將吸液芯內(nèi)固態(tài)鈉沿軸向逐步熔化成液態(tài)鈉，絕熱段與冷凝段各測溫點逐步升溫。如圖5所示，當(dāng)熱管平均溫度達到580 ℃時，熱管實現(xiàn)完全啟動。啟動過程中為避免蒸發(fā)段工質(zhì)蒸發(fā)過快導(dǎo)致干燒，蒸發(fā)段升溫速率應(yīng)不大于80 ℃/min，高頻加熱器輸出功率不高于3 kW，完全啟動用時約20 min。此時高頻加熱器輸出功率2.75 kW，冷卻水質(zhì)量流量41.6 g/s。

圖5 熱管真空啟動與升溫壁面軸向溫度分布Fig.5 Vacuum start-up of sodium heat pipe and axial temperature distribution of heating wall

鈉熱管完全啟動后，繼續(xù)對其加熱升溫，如圖5所示，600～850 ℃區(qū)間鈉熱管實現(xiàn)等溫升溫，蒸發(fā)段至冷凝段熱管壁面各測溫點等溫性能良好，軸向壁面溫差≤11 ℃。在850 ℃時鈉熱管輻射散熱功率約1.86 kW，此時高頻加熱器輸出功率5.64 kW，冷卻水質(zhì)量流量41.6 g/s。

3.2 傳熱極限試驗結(jié)果與分析

1) 低溫區(qū)間傳熱試驗

圖6為鈉熱管完全啟動后，通過加強冷卻在低溫段(500～650 ℃)達到傳熱極限過程的溫度分布。按照聲速極限的試驗方法，得到工作溫度(絕熱段平均溫度)為520 ℃時的聲速極限。此時熱沉冷卻水進出口溫差Δt為6 ℃，質(zhì)量流量m為 41.7 g/s，利用散熱功率公式Q=mcpΔt[26]得到聲速極限功率為1.05 kW。

圖6 鈉熱管聲速極限實現(xiàn)過程的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of sodium heat pipe sonic limit in realization process

根據(jù)聲速極限理論[22]計算得到熱管工作溫度520 ℃時聲速極限理論值1.13 kW。試驗值與理論值相對誤差為7%，吻合較好，驗證了聲速極限所選用的理論計算方法的合理性。

2) 高溫區(qū)間傳熱試驗

如圖2所示，鈉熱管在高溫區(qū)間(650～900 ℃)的極限傳熱功率將主要受攜帶極限限制。圖7為鈉熱管高溫區(qū)間溫度分布與最大散熱功率。通過增加蒸發(fā)段熱量輸入并對熱沉強制加強冷卻，使熱管工作溫度與散熱功率均提升，試驗測得了鈉熱管工作溫度分別在750 ℃與850 ℃時熱沉在最大散熱能力下的冷卻水進出口溫差與質(zhì)量流量。將測量值代入Q=mcpΔt計算得到鈉熱管在750 ℃和850 ℃時最大散熱功率分別為4.78 kW和8.02 kW，軸向熱流密度分別為1.51 kW/cm2和2.53 kW/cm2。相對比，當(dāng)沒有強制冷卻，在空氣環(huán)境中鈉熱管在750 ℃與850 ℃通過熱輻射與自然對流的散熱功率分別是1.47 kW與2.17 kW。

圖7 鈉熱管高溫區(qū)間溫度分布與最大散熱功率Fig.7 Temperature distribution and maximum heat transfer power in high temperature range of sodium heat pipe

試驗中鈉熱管所達到的最大傳熱功率證明了所研制鈉熱管具有極強傳熱能力，鈉熱管最大散熱能力能滿足熱管式核反應(yīng)堆堆芯熱傳輸工程需求，即在750～850 ℃工作溫度區(qū)間熱管最大散熱能力≥3 kW，最大軸向熱流密度≥1 kW/cm2。

受試驗裝置熱沉散熱能力限制，試驗條件下得到的熱管最大傳熱功率遠未達到在此溫度點熱管攜帶傳熱極限計算值12 kW，但傳熱試驗判斷熱管最大傳熱能力能否滿足工程需求的主要目的已實現(xiàn)。

鈉熱管處于最大傳熱功率狀態(tài)下的折算導(dǎo)熱系數(shù)[10,26]為：

(8)

式中：λ為鈉熱管被折算的導(dǎo)熱系數(shù)；Q為750 ℃和850 ℃工作溫度下熱管傳熱功率(4.78 kW，8.02 kW)；L為熱管有效長度(1 m)；A為熱管截面積(0.000 45 m2)；ΔT為熱管軸向平均溫差(25 K，58 K)。將數(shù)值代入式(8)，得到鈉熱管處于極限傳熱功率狀態(tài)下軸向?qū)嵯禂?shù)，即λ=424 268 W/(K·m)，307 011 W/(K·m)。相對比，銅在750 ℃和850 ℃下導(dǎo)熱系數(shù)分別為348 W/(K·m)和333 W/(K·m)[26]。因此，所研制鈉熱管在750 ℃和850 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)分別是銅的1 219倍和922倍。

4 結(jié)論

本文主要對高溫鈉熱管開展了傳熱性能試驗研究，得到如下結(jié)論。

1) 鈉熱管能正常啟動，啟動溫度點580 ℃，完全啟動用時20 min，啟動后等溫升溫性能良好，軸向壁面溫差≤11 ℃。

2) 鈉熱管在500～650 ℃時可通過強制冷卻達到聲速極限，520 ℃時聲速極限功率1.05 kW。

3) 鈉熱管在650～900 ℃時傳熱功率主要受攜帶極限限制。鈉熱管為750 ℃時，極限傳熱功率4.78 kW，軸向熱流密度1.47 kW/cm2，導(dǎo)熱系數(shù)是銅的1 219倍；鈉熱管為850 ℃時，極限傳熱功率8.02 kW，軸向熱流密度2.53 kW/cm2，導(dǎo)熱系數(shù)是銅的922倍。

4) 試驗結(jié)果表明所研制的高溫鈉熱管具有極強的熱傳導(dǎo)能力，能滿足熱管式核反應(yīng)堆電源熱傳輸工程應(yīng)用需求。