中溫?zé)峁芄べ|(zhì)選型與試驗(yàn)研究

韓冶 柴寶華 王澤鳴 張德樓 衛(wèi)光仁 馮波 龍俞伊 薛松齡

摘? ?要：為選擇適用于500～700K中溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)，開(kāi)展了中溫?zé)峁芄べ|(zhì)選型研究。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究情況與材料物性分析，得出堿金屬單質(zhì)銫及銣較為適合非重力環(huán)境使用。對(duì)三根不同規(guī)格堿金屬工質(zhì)中溫?zé)峁荛_(kāi)展啟動(dòng)與升溫試驗(yàn)研究，得到所研制中溫?zé)峁艿膯?dòng)溫度約500K，在500～700K溫度范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定升溫并正常工作。

關(guān)鍵詞：中溫?zé)峁? 熱管工質(zhì)? 熱管啟動(dòng)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL133? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0101-04

Abstract： In order to study the working fluids suitable for medium temperature heat pipes of 500～700K， the research on the selection of medium temperature heat pipe working fluids was carried out. By analyzing the research situation at home and abroad and the analysis of material properties， it is concluded that alkali metal cesium and rubidium are more suitable for space environment use. Through the start-up and temperature rise test of three medium-temperature alkali metal heat pipes with different size， the starting temperature of the medium-temperature heat pipe is approximately 500K， and it can stably heat up and work normally in the temperature range of 500～700K.

Key Words： Medium temperature heat pipe; Heat pipe working fluid; Heat pipe start test

隨著空間飛行器對(duì)大功率、長(zhǎng)壽命及高可靠性空間設(shè)備的需求，需要對(duì)空間設(shè)備的各關(guān)鍵元件開(kāi)展系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究。關(guān)鍵元件之一熱管的功能是將空間設(shè)備廢熱高效地排放至空間，工作溫度范圍500～900K，目前國(guó)內(nèi)只對(duì)700～900K的高溫?zé)峁荛_(kāi)展過(guò)系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究。針對(duì)目前很多概念設(shè)計(jì)對(duì)500～700K中溫?zé)峁艿男枨?，本文?duì)中溫?zé)峁苓M(jìn)行了初步理論與試驗(yàn)研究。對(duì)中溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)選型開(kāi)展了理論分析，對(duì)所選工質(zhì)熱管進(jìn)行了啟動(dòng)與升溫試驗(yàn)。

1? 中溫?zé)峁芄べ|(zhì)選型

1.1 熱管工質(zhì)選型的要求

熱管工質(zhì)的選擇應(yīng)該從以下幾方面綜合考慮[1-3]：

（1）工質(zhì)在指定溫度區(qū)間內(nèi)使熱管能夠啟動(dòng)并穩(wěn)定工作;

（2）工質(zhì)與管殼、管芯材料相容，即不相互腐蝕與污染;

（3）工質(zhì)具有熱穩(wěn)定性，即在工作溫度區(qū)間內(nèi)不產(chǎn)生化學(xué)分解、不產(chǎn)生不凝結(jié)氣體;

（4）工質(zhì)具有良好的物理性質(zhì)，即在工作溫度區(qū)間內(nèi)工質(zhì)飽和蒸汽壓低、汽化潛熱大、密度小、表面張力大并與芯體浸潤(rùn)性良好等;

（5）工質(zhì)具有安全性、非毒性及經(jīng)濟(jì)性等。

1.2 中溫?zé)峁軅溥x工質(zhì)與國(guó)內(nèi)外研究分析

工作溫度在500～700K的中溫?zé)峁埽涔べ|(zhì)的選擇一直是熱管研究領(lǐng)域難點(diǎn)[3-5]。表1是幾種備選工質(zhì)相關(guān)物性。

下面對(duì)表1中的備選工質(zhì)進(jìn)行選型分析：

（1）萘、導(dǎo)熱姆A：Groll[6]等人試驗(yàn)了萘-低合金鋼熱管進(jìn)行了試驗(yàn)，工作于543K溫度下700d未發(fā)下性能退化，但當(dāng)操作溫度高于623K，萘將有較快的分解速度;楊峻[7]等人對(duì)萘熱管進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)論是萘熱管的工作溫度是523～673K，但長(zhǎng)期工作會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體;楊峻等人[7]認(rèn)為導(dǎo)熱姆A熱管的工作溫度范圍在423～673K，超過(guò)673K時(shí)導(dǎo)熱姆A迅速分解、結(jié)焦，綜合性能較萘差。王同章[8]認(rèn)為導(dǎo)熱姆A的工作溫度上限不能高于623K。上述研究事實(shí)表明導(dǎo)熱姆A和萘不適合用做空間環(huán)境熱管工質(zhì)，存在以下應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)：①導(dǎo)熱姆A和萘工質(zhì)為有機(jī)化合物，即使在試驗(yàn)室500～700K溫度范圍內(nèi)能夠正常工作，工質(zhì)也會(huì)緩慢分解，并非絕對(duì)不分解[3]，而空間設(shè)備壽期在7年以上，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行上述工質(zhì)必然會(huì)分解產(chǎn)生足以影響熱管性能的不凝性氣量;②工質(zhì)在高溫下飽和蒸汽壓迅速升高，需要增加管殼壁厚來(lái)提高管殼材料的承壓能力，這樣會(huì)造成熱管質(zhì)量增加。

（2）汞：在523～873K范圍內(nèi)，汞是傳輸性能較好的工質(zhì)，但汞熱管不適合應(yīng)用[3，7-8]，原因如下：①汞是劇毒物質(zhì)，熱管制造中人員會(huì)接觸到汞蒸汽，汞通過(guò)呼吸或接觸進(jìn)入人體后會(huì)在體內(nèi)沉積無(wú)法排出，對(duì)臟器與神經(jīng)組織產(chǎn)生毒害;②汞密度極大，以其作為工質(zhì)會(huì)將使熱管重量增加100%以上;③汞與中溫?zé)峁芪盒静牧喜唤?rùn)，毛細(xì)力失效。

（3）銫、銣：堿金屬單質(zhì)銫和銣具有飽和蒸汽壓低、汽化潛熱高、密度低、熔點(diǎn)低及浸潤(rùn)性好的優(yōu)點(diǎn)，并且與不銹鋼和鈦等管殼材料相容性好。Jean-Michel Tournier[9]等人研究得到銫和銣蒸汽進(jìn)入連續(xù)流動(dòng)態(tài)的溫度銫是610K、銣?zhǔn)?40K，但工質(zhì)進(jìn)入連續(xù)流動(dòng)態(tài)的溫度是隨熱管內(nèi)蒸汽腔直徑變大而減小的，如圖1所示在熱管蒸汽腔直徑為2cm情況下，銣降為510K左右。因此通過(guò)增大熱管蒸汽腔直徑可以降低此類(lèi)工質(zhì)熱管熱管的啟動(dòng)溫度，使其工作于500～700K溫度區(qū)間。

綜合以上分析，建議采用堿金屬單質(zhì)銫或銣作為空間非重力環(huán)境中溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)。

2? 中溫?zé)峁軉?dòng)與升溫試驗(yàn)

為研究并驗(yàn)證以銣作為工質(zhì)的中溫?zé)峁茉?00～700K的實(shí)際啟動(dòng)與升溫性能，開(kāi)展了不同尺寸銣工質(zhì)中溫?zé)峁艿膯?dòng)與升溫試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為3根熱管，工質(zhì)為銣，基本參數(shù)如表2所示。

2.2 試驗(yàn)裝置

圖2是熱管試驗(yàn)裝置示意圖。加熱爐最大功率1kW，中心加熱段長(zhǎng)度100mm。K型鎧裝熱電偶測(cè)量溫度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

1#～3#熱管測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖3～5所示。圖中長(zhǎng)度值為溫度測(cè)點(diǎn)到蒸發(fā)段起始點(diǎn)的距離。表3是不同規(guī)格熱管達(dá)到啟動(dòng)溫度時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）1#熱管試驗(yàn)結(jié)果分析。

從圖3與表3數(shù)據(jù)可以分析得到：?jiǎn)?dòng)溫度約510K，該時(shí)刻冷凝段各點(diǎn)溫度趨于一致，此后熱管各點(diǎn)溫度整體平穩(wěn)上升;在500～700K升溫區(qū)間內(nèi)熱管各點(diǎn)溫度平穩(wěn)上升，熱管能夠在此溫度下正常工作;在啟動(dòng)溫度至700K溫度范圍內(nèi)，蒸發(fā)段測(cè)溫點(diǎn)溫度比其他測(cè)溫點(diǎn)溫度高100～150K，這是由于蒸發(fā)段熱電偶受加熱爐熱輻射影響導(dǎo)致所測(cè)溫度比蒸發(fā)段壁面實(shí)際溫度高，這是啟動(dòng)試驗(yàn)不可避免的。絕熱段測(cè)溫點(diǎn)溫度也會(huì)受到影響，因此蒸發(fā)段和絕熱段外壁面所測(cè)溫度可作為觀察結(jié)果，不作為熱管啟動(dòng)溫度測(cè)量值。

（2）2#熱管試驗(yàn)結(jié)果分析。

從圖4與表3數(shù)據(jù)可以分析得到：?jiǎn)?dòng)溫度約505K，該時(shí)刻冷凝段各點(diǎn)溫度趨于一致，此后熱管各點(diǎn)溫度整體平穩(wěn)上升;蒸汽腔直徑24mm熱管啟動(dòng)溫度比17mm熱管低約5K;在500～700K升溫區(qū)間內(nèi)熱管各點(diǎn)溫度平穩(wěn)上升，熱管能夠在此溫度下正常工作。

（3）3#熱管試驗(yàn)結(jié)果分析。

從圖5與表3數(shù)據(jù)可以分析得到：?jiǎn)?dòng)溫度約500K，該時(shí)刻冷凝段各點(diǎn)溫度趨于一致，此后熱管各點(diǎn)溫度整體平穩(wěn)上升;蒸汽腔直徑27mm熱管啟動(dòng)溫度比17mm熱管低約10K;在500～700K升溫區(qū)間內(nèi)熱管各點(diǎn)溫度平穩(wěn)上升，熱管能夠在此溫度下正常工作。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)應(yīng)用于空間環(huán)境中溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)進(jìn)行了選型研究，并對(duì)銣工質(zhì)中溫?zé)峁苓M(jìn)行了啟動(dòng)與升溫試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）適合在空間環(huán)境500～700K應(yīng)用的中溫?zé)峁芄べ|(zhì)是銫和銣;

（2）所研制銣工質(zhì)中溫?zé)峁苣軌蛟?00K附近啟動(dòng)，能夠在500～700K區(qū)間內(nèi)正常工作;

（3）所研制中溫?zé)峁軉?dòng)溫度隨熱管蒸汽腔直徑增大而降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 李桂云，屠進(jìn).高溫?zé)峁芄べ|(zhì)的選擇[J].節(jié)能技術(shù)，2001（1）：42-44.

[2] 衛(wèi)興國(guó).熱管材料的相容性和工作可靠性[J].應(yīng)用能源技術(shù)，1986（1）：17-25.

[3] 莊俊，張紅.熱管技術(shù)極其工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4] 宿忠全.導(dǎo)熱姆A碳鋼熱管換熱器的研制與應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報(bào)，1984（4）：70-76.

[5] John H. Rosenfeld， G. Yale Eastman， et al. Sulfur heat pipes for 600K space heat rejection systems[C].USA：AIP Conference Proceedings，1992：1170-1176.

[6] Groll M， Nguyen-Chi. Reflux heat pipes as components in heat exchangers for efficient heat recovery[J]. Journal of Heat Recovery Systems，1981（1）：55-63.

[7] 楊峻，李菊香，莊俊.萘熱管的極限傳熱性能試驗(yàn)與最佳充液量的研究[J].能源研究與利用，1995（1）：3-5.

[8] 王同章.導(dǎo)熱姆A重力熱管的實(shí)驗(yàn)研究[J].江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1987（1）：59-63.

[9] Jean-Michel Tournier， Mohamed EI-Genk. Radiator Heat Pipes with Carbon-Carbon Fins and Armor for Space Nuclear Reactor Power Systems[C]. USA：AIP Conference Proceedings，2005：935-945.