N-甲基吡咯烷酮熱管啟動性能和等溫性能實驗研究

童文雨， 張廣明， 于莉莉， 閆小克， 張 凱

(1.南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816；2.中國計量科學研究院，北京 100029；3.北京科技大學，北京 100083)

1 引 言

熱管是一種高效的傳熱元件，依靠工質(zhì)相變傳遞熱量[1]。因其具有優(yōu)良的導熱性和等溫性而廣泛應用于能源、宇航、軍工、計量等領域。在溫度計量領域，熱管作為等溫爐襯可提高ITS-90國際溫標定義固定點的復現(xiàn)水平[2]和變溫黑體的溫場均勻性[3]。錫凝固點(231.928℃)是非常重要的一個定義固定點，目前通常采用單段或三段加熱爐來復現(xiàn)。為了提高錫凝固定點復現(xiàn)水平，在該凝固點溫度附近選擇一種合適的中溫段熱管介質(zhì)尤為重要。中溫段熱管是指運行在500～750 K溫度區(qū)域內(nèi)的熱管，目前，可供該類熱管選擇的工質(zhì)較少，主要有導熱姆A、水銀、萘等。研究表明：導熱姆A具有較低的蒸汽壓力[4]，但有毒且高溫易分解；水銀工作范圍廣，但成本高、毒性大，應用受到限制；萘熱穩(wěn)定性好[5]，但其常溫下為固態(tài)，制作麻煩且凝結換熱系數(shù)低。因此，尋求一種無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、制作便利且成本低的中溫段熱管介質(zhì)對于溫度計量應用具有重大意義。

N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone，NMP)作為一種有機傳熱工質(zhì)，具有密度小、沸點低、汽化潛熱大、飽和蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點；其化學性質(zhì)不活潑，除銅外，對其它金屬如碳鋼、鋁等均無腐蝕性。因此，NMP物性參數(shù)決定該工質(zhì)非常適合作為中溫熱管工質(zhì)。國內(nèi)一些學者開展了N-甲基吡咯烷酮熱管的研究，但在熱管運行溫度方面存在分歧。童明偉等[6,7]認為N-甲基吡咯烷酮可在250～400 ℃運行，且在200～350 ℃?zhèn)鳠嵝阅軆?yōu)于導熱姆A，綜合傳熱性能優(yōu)于萘；張子健等[8]認為分離式NMP-不銹鋼熱管在200～350 ℃范圍內(nèi)使用，其傳熱性能優(yōu)于萘工質(zhì)；而張亮[9]發(fā)現(xiàn)NMP熱管在爐溫300 ℃時工質(zhì)開始分解變質(zhì)，且實驗過程中有氣體逸出，其認為該熱管最佳使用溫度為爐溫250～300 ℃。因此，在相同溫度范圍，NMP工質(zhì)優(yōu)于導熱姆A和萘，但其工作溫度范圍需要更多的實驗來驗證。

本文采用不同工藝研制了2根充液量相同的NMP熱管，通過熱管啟動特性[10～12]、等溫實驗[13,14]研究其運行溫度范圍，為研制復現(xiàn)錫凝固點的中溫熱管固定點爐提供基礎。

2 NMP熱管實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1所示，由NMP熱管、加熱控制系統(tǒng)、溫度測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)4個部分組成，構成一個完整的實驗裝置平臺。

圖1 NMP熱管實驗裝置圖Fig.1 Diagram of the NMP heat pipe experimental apparatus1-NMP熱管；2-硅酸鋁鎂材質(zhì)保溫棉；3-加熱爐；4-K型熱電偶；5-安捷倫數(shù)據(jù)采集儀；6-計算機

中國計量科學研究院自主研制了2根NMP熱管，編號分別為1#熱管、2#熱管。與1#熱管相比，2#熱管在真空除氣、充裝方式上進行了改進：在真空除氣方面，使用水平三段管式爐對熱管外殼進行全方位加熱，最高加熱溫度設定到400 ℃，在該溫度下管內(nèi)真空度為5.9×10-5Pa；在充裝方式上，設計了新的充液計量容器，并使用磁力攪拌器對容器內(nèi)工質(zhì)進行預處理，清除了液體內(nèi)混有的氣體。2根熱管充液量均為60 g，液池高度186 mm。熱管管殼材料全部選用外徑為25 mm、壁厚2.5 mm的Inconel600高溫合金，長度為1 000 mm。

加熱控制系統(tǒng)為FP23溫控表、管式加熱爐、控溫偶構成，通過FP23溫控表設置加熱溫度、PID參數(shù)，實現(xiàn)對爐溫的精準控制。溫度測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀及計算機三部分組成，該系統(tǒng)中所選用的溫度傳感器均為直徑2 mm的K型熱電偶，且實驗前經(jīng)過中國計量科學研究院檢定校準；型號為34972A的安捷倫數(shù)據(jù)采集儀與K型熱電偶相連接，其使用多通道的方式采集所需要的實驗數(shù)據(jù)，設定數(shù)據(jù)采集間隔為2 s，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C上，保證了對NMP熱管實驗情況的實時監(jiān)控與分析。保溫系統(tǒng)選用硅酸鋁鎂棉包裹熱管絕熱段，減少熱量散失。實驗時，采用該實驗裝置平臺分別對1#熱管和2#熱管進行實驗。

2.2 實驗方法

熱管分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，其各段長度分別為470,130,400 mm。將NMP熱管蒸發(fā)段放入加熱爐爐膛有效加熱區(qū)內(nèi)，并保證其與地面垂直；絕熱段用保溫棉完全包裹，同時在爐口堵上保溫棉，減少熱量散失；冷凝段直接暴露在恒溫的實驗室環(huán)境中，依靠自然對流和輻射向外散熱。

通過測量和比較熱管外壁溫度來評價熱管的啟動特性和等溫特性。為了測量熱管外壁溫度，在熱管外壁按照圖2所示布置11支K型熱電偶，編號依次記為測點1～11；為了減小接觸熱阻，熱電偶均用22號鍍鋅鐵絲徑向緊密固定，并在熱電偶端部覆蓋保溫棉。

圖2 NMP熱管外壁面溫度測點布置Fig.2 The distribution of the outer temperature measuring points on the outside of the NMP heat pipe

實驗中采用定溫加熱方式研究了2根NMP熱管蒸發(fā)段在275，325，375，425，475，500 ℃加熱溫度下的熱管外壁面溫度分布規(guī)律。在此基礎上，研究熱管的啟動特性、等溫特性及運行溫度范圍。其中，測點1位于液位下方蒸發(fā)段外壁，測點3和測點5位于液池上方的蒸發(fā)段外壁，測點6位于絕熱段外壁，測點10和測點11位于冷凝段外壁。

3 實驗結果分析

3.1 NMP熱管啟動特性分析

圖3和圖4分別為加熱爐爐溫從室溫升至 275 ℃ 并保持該爐溫過程中，1#熱管和2#熱管外壁面軸向溫度隨時間變化的曲線圖。

在該加熱溫度下，2根熱管均順利啟動。在熱管的升溫過程中，蒸發(fā)段測點1，3，5均出現(xiàn)不同程度的升溫，且升溫時刻均早于絕熱段和冷凝段測點。該過程中，蒸發(fā)段測點升溫曲線出現(xiàn)兩種不同的趨勢。在加熱12～15 min后，由于NMP工質(zhì)的汽化，管內(nèi)飽和蒸氣壓增大，NMP蒸汽攜帶汽化潛熱經(jīng)過絕熱段，此時絕熱段測點6溫度迅速升高。隨后，熱管底部的工質(zhì)繼續(xù)吸收熱量，導致沸騰。產(chǎn)生的氣泡攜帶大量熱量傳遞到冷凝段，當蒸發(fā)段測點1溫度出現(xiàn)驟降時，冷凝段測點10，11溫度迅速升高。最后，當加熱爐、熱管與周圍環(huán)境處于熱平衡時，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段各點溫度就趨于穩(wěn)定。因此，處于液池高度的蒸發(fā)段外壁溫度的驟降可以作為熱管啟動的重要標志。

圖3 加熱溫度275 ℃時1#熱管壁面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of No1 heat pipe at the heating temperature of 275 ℃

圖4 加熱溫度275 ℃時2#熱管壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of No2 heat pipe at the heating temperature of 275 ℃

在定溫加熱條件比較了2根熱管冷凝段處于自然對流情況下的啟動特性，發(fā)現(xiàn)2#熱管的啟動時間短于1#熱管且其冷凝段的溫度也顯著高于1#熱管。其中，1#熱管在第40 min時，測點1溫度由212℃迅速下降至176 ℃，而冷凝段測點10、測點11溫度卻偏低，測點10與絕熱段測點6溫差達到 110 ℃。2#熱管在加熱到第33 min時熱管啟動，冷凝段測點10與絕熱段測點6溫差縮小到4 ℃以內(nèi)，冷凝段分布比較均勻，熱管等溫運行；此外，2#熱管冷凝段最頂部測點11溫度明顯高于1#熱管。這主要是因為在研制2#熱管時，在熱管外殼真空除氣、真空充灌工藝等方面有改進，保證了熱管所需的高真空度及熱管工質(zhì)的純度。

綜上表明，在相同加熱條件下，2根熱管均能啟動，但運行效果存在較大差異：2#熱管在啟動時間響應上明顯優(yōu)于1#熱管，絕熱段與冷凝段升溫更快，冷凝段溫度分布更加均勻。因此，熱管制作工藝的差異會影響熱管的啟動性能；制作工藝越合理，啟動性能相對越好，冷凝段端部的溫度也相對較高。

3.2 NMP熱管等溫特性分析

采用相同的加熱爐和測量裝置，研究了2根NMP熱管在不同加熱溫度下的等溫特性。圖5和圖6分別為1#熱管與2#熱管在275，325，375，425，475，500 ℃加熱溫度下外壁面軸向溫度分布圖。各測點溫度均采用熱管穩(wěn)定運行10 min所獲得數(shù)據(jù)的平均值。

圖5 1#熱管外壁面軸向溫度分布Fig.5 Axial surface temperature distribution of the No.1 heat pipe

圖6 2#熱管外壁面軸向溫度分布Fig.6 Axial surface temperature distribution of the No.2 heat pipe

由圖5和圖6可知：隨著加熱溫度的升高，1#熱管和2#熱管冷凝段各測點溫度逐漸升高，冷凝段等溫區(qū)域均出現(xiàn)了不同程度的增加。這是由于當蒸發(fā)段溫度升高時，管內(nèi)飽和蒸氣壓增大，促進了管內(nèi)NMP蒸氣攜帶潛熱向冷凝段流動，而蒸氣不斷向冷凝段流動也促使冷凝段軸向溫度分布更加均勻。此外，從圖中發(fā)現(xiàn)，熱管蒸發(fā)段測點的平均溫度總是高于絕熱段和冷凝段，但低于加熱爐的加熱溫度，這是由于熱量從蒸發(fā)段傳遞至絕熱段、冷凝段是一個熱量轉(zhuǎn)移的過程，而熱管內(nèi)腔蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段始終會有壓降，故熱管軸向上亦存在溫降；同時，熱管冷凝段直接暴露空氣中且依靠自然對流和輻射向外散熱，造成大量熱量流失，使得熱管蒸發(fā)段溫度始終低于加熱溫度。

對比圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，1#熱管與2#熱管冷凝段溫度分布存在較大差異。以蒸發(fā)段平均溫度作為熱管工作溫度，2#熱管蒸發(fā)段平均溫度從170 ℃增加至320 ℃過程中，冷凝段軸向溫度分布均勻，其冷凝段最上部測點11溫度也相對較高，并且與冷凝段其他測點之間的溫差也越來越??；而1#熱管蒸發(fā)段平均溫度達到220 ℃時，冷凝段才開始出現(xiàn)等溫現(xiàn)象。分析原因：可能是1#熱管管內(nèi)存有的少量的非熱管工質(zhì)的不凝性氣體，其位于熱管冷凝段端部，增加了冷凝熱阻，導致冷凝段端部溫度偏低及冷凝段溫度分布不均勻。

因此，本實驗中改進制作工藝的NMP熱管可在170～320 ℃工作溫度下運行使用，該熱管運行溫度非常適合錫凝固點溫度。

4 結 論

本文在定溫條件下研究了2根NMP熱管的啟動特性和等溫特性。通過實驗對比及分析可得：

(1)NMP熱管可以在170～320 ℃工作溫度下運行，能夠滿足錫凝固點對中溫熱管的需求。

(2)制作工藝可影響NMP熱管的啟動性能和等溫性能。在相同條件下，NMP熱管制作工藝越合理，其冷凝段上部的溫度相對越高。少量的不凝性氣體導致上部的外壁溫度偏低，影響了熱管冷凝段有效工作段長度以及熱管工作溫度范圍下限。

(3)處于液池高度內(nèi)的熱管蒸發(fā)段外壁溫度的驟降可以作為熱管正常啟動的重要標志。