高溫熔鹽熱管的啟動(dòng)和等溫性能

王剛，熊亞選，吳玉庭，徐鵬，冷光輝，馬重芳

（1 北京建筑大學(xué)供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044； 2 北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124； 3 河南東大高溫節(jié)能材料有限公司，河南鶴壁458030）

引 言

熱管作為高效傳熱性能的元件[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和核電、太陽(yáng)能等新型清潔能源的熱能傳遞，工業(yè)生產(chǎn)的供熱、冷卻及余熱回收等領(lǐng)域[2-6]。許多傳統(tǒng)工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域和可再生能源開發(fā)領(lǐng)域?yàn)樘岣邿崮芾寐?，采用高溫?zé)峁芗夹g(shù)[7-8]實(shí)現(xiàn)在高溫條件下能源高效轉(zhuǎn)換。目前，高溫?zé)峁軆?nèi)的傳熱工質(zhì)采用堿金屬[5,9-13]，如鈉、鉀、鋰以及稀有堿金屬銫、銣等。金屬類傳熱工質(zhì)盡管存在汽化潛熱高、高溫下蒸氣壓力低等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，但大部分工質(zhì)存在毒性、易燃易爆以及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，并不能廣泛推廣。熔鹽是一種高效傳熱工質(zhì)，可作為新型傳熱、儲(chǔ)熱材料應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)[16-19]，具有蒸氣壓力低、無(wú)毒無(wú)味、無(wú)污染、空氣中無(wú)化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[20-21]。國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者提出利用熔鹽作為傳熱工質(zhì)的高溫熔鹽重力熱管的新概念[18,22-23]。

高溫熔鹽重力熱管作為新的傳熱技術(shù)，熔鹽的熱物性[20,24]、熱管結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)、熱管運(yùn)行性能[25-28]以及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)熱管傳熱的影響機(jī)理[29]等方面的研究剛剛起步，甚至某些方面的研究尚處于空白階段。因此，系統(tǒng)地研究熔鹽的性質(zhì)和熱物性的變化規(guī)律，可為熱管選取優(yōu)質(zhì)的傳熱工質(zhì)和掌握沸騰換熱和蒸氣冷凝過(guò)程中的溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)熱管影響的傳熱機(jī)理；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究熔鹽重力熱管的啟動(dòng)、等溫、傳熱的性能，可以揭示熔鹽重力熱管傳熱規(guī)律。

本文在前期對(duì)熔鹽工質(zhì)的開發(fā)、熱物性測(cè)量等[30]工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)搭建高溫熔鹽重力熱管實(shí)驗(yàn)裝置，研究重力熱管在變傾斜角和傳熱工質(zhì)下的啟動(dòng)性能、等溫性能，探索高溫熔鹽重力熱管啟動(dòng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為研究熔鹽重力熱管的啟動(dòng)性能和等溫性能，搭建了高溫熔鹽重力熱管實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1 和圖2所示。

圖1 高溫熔鹽重力熱管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus for high temperature molten salt gravity heat pipe

圖2 高溫熔鹽重力熱管實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Image of the experimental apparatus for high temperature molten salt gravity heat pipe

實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試單元和數(shù)據(jù)采集單元兩部分組成，實(shí)驗(yàn)測(cè)試段單元由管式電加熱爐、耐高溫保溫材料、熱管、可控硅和真空模塊組成；數(shù)據(jù)采集單元由PC、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀和K 型熱電偶組成。其中，熱管主要由管殼（外徑25 mm，內(nèi)徑22 mm）、下端蓋、25-13 變徑、高溫高壓球閥、KF25 真空接口組成；真空模塊由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵和復(fù)合式真空計(jì)聯(lián)合構(gòu)成，參數(shù)見表1 和表2；管式電加熱爐的具體型號(hào)和工作參數(shù)見表3，其傾斜角度可通過(guò)在加熱爐中心位置處設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍-90°～+ 90°，其調(diào)節(jié)角度由安裝在轉(zhuǎn)軸位置處的角度刻度盤精確控制，電加熱爐的爐腔外側(cè)有一層厚度為100 mm 的耐火保溫棉和多層耐高溫的硅酸鋁保溫棉。熱管絕熱段采用耐1000℃以上高溫的硅酸鋁鎂保溫材料進(jìn)行保溫隔熱。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)熱管絕熱段最高工作溫度和GB 50264—97 中提供的允許最大熱損失的方法確定絕熱段保溫層厚度，以減小熱損失給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。

表1 機(jī)械泵的型號(hào)和工作參數(shù)Table 1 The model of mechannical vaccum pump and working parameters

表2 擴(kuò)散泵的型號(hào)和工作參數(shù)Table 2 The model of diffusion pump and working parameters

表3 電加熱爐的型號(hào)和工作參數(shù)Table 3 The model of electric heating furnace and working parameters

圖3 熱管結(jié)構(gòu)及壁面溫度測(cè)點(diǎn)Fig.3 Heat pipe structure and wall temperature measurement point

圖3為實(shí)驗(yàn)所用重力熱管的結(jié)構(gòu)和壁面溫度測(cè)點(diǎn)的布置情況。熱管總長(zhǎng)1000 mm，分為蒸發(fā)段(500 mm)、絕熱段(200 mm)和冷凝段(300 mm)三個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)段被放入管式電熱爐內(nèi)加熱，其放入深度為500 mm，通過(guò)在蒸發(fā)段管外外包銅管確保蒸發(fā)段的加熱溫度均勻，絕熱段外側(cè)包有具有良好保溫性能的硅酸鋁保溫棉，冷凝段暴露于室內(nèi)環(huán)境。熱管壁面布置8 支φ1.0 mm 的K 型鎧裝熱電偶(精度±0.5%)，利用高導(dǎo)熱硅脂材料將熱電偶探針緊密貼合在管壁上，防止環(huán)境對(duì)溫度測(cè)量的影響。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明，熱電偶的相對(duì)誤差范圍為-0.35%～0.4%，低于±0.5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

熱管傳熱工質(zhì)既要具有良好的傳熱特性，又要具有較好的熱化學(xué)穩(wěn)定性、良好的潤(rùn)濕性、高汽化潛熱、黏度低、表面張力大、無(wú)毒無(wú)害等特點(diǎn)。本文選取溴化鋁(AlBr3)和四氯化鈦(TiCl4)作為熔鹽熱管傳熱工質(zhì)，選用萘(C10H8)作為對(duì)比熱管傳熱工質(zhì)，3種傳熱工質(zhì)的基本性能參數(shù)如表4所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

傾斜角和傳熱工質(zhì)種類是重力熱管性能的主要影響因素。通過(guò)調(diào)節(jié)管式電加熱爐的傾斜角度和更換熱管傳熱工質(zhì)以改變實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)前，先開啟管式電加熱爐，對(duì)爐腔進(jìn)行預(yù)熱，并調(diào)節(jié)輸入功率來(lái)維持穩(wěn)定溫度；其次，將傳熱工質(zhì)封裝到熱管的蒸發(fā)段，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)，再通過(guò)真空模塊對(duì)重力熱管進(jìn)行抽真空。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將測(cè)試熱管的蒸發(fā)段放入管式電加熱爐加熱段，通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱爐的功率，控制蒸發(fā)段的加熱溫度；改變重力熱管的傾斜角（90°、60°、45°、30°），如圖4所示，即調(diào)節(jié)管式電加熱爐的傾斜角，通過(guò)熱管上布置的溫度傳感器測(cè)量不同位置的熱管壁面溫度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀34972A對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄。

表4 熱管工質(zhì)的基本特性參數(shù)Table 4 Basic characteristics of working fluid of heat pipe

圖4 重力熱管工作傾斜角Fig.4 Inclination angles of gravity heat pipe

為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，三支熱管分別編號(hào)1#、2#和3#，其中1#熱管充注200 g 的AlBr3，2#熱管充注30 ml的TiCl4，3#熱管充注200 g有機(jī)工質(zhì)C10H8。

1.4 數(shù)據(jù)處理與不確定度

熱管的總熱阻是評(píng)價(jià)熱管性能的重要參數(shù)，由熱管蒸發(fā)段和冷凝段平均溫度的溫差與熱管的總傳熱量的比值來(lái)表示，如式（1）所示。實(shí)驗(yàn)中，由于熱管蒸發(fā)段被電加熱爐包裹，忽略熱損失，近似認(rèn)為電加熱爐給定的功率為熱管的總傳熱量。

式中，R 為熱管的總熱阻，K·W-1；Q 為熱管的總傳熱量，W；ΔT 為蒸發(fā)段和冷凝段平均溫度的溫差，K，由式（2）確定

為說(shuō)明實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)熱管軸向壁面溫度進(jìn)行不確定度分析。熱管軸向壁面溫度相同條件下由熱電偶進(jìn)行3 次測(cè)量，用標(biāo)準(zhǔn)方差表示其不確定度，由式（3）確定

在傾斜角和傳熱工質(zhì)的影響下，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱管軸向壁面溫度最大的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.62%和4.94%，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜角對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響

1#熱管啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)中，管式電加熱爐的爐溫控制為400℃，電爐功率為1400 W。圖5 所示為不同傾斜角時(shí)1#熱管啟動(dòng)階段蒸發(fā)段與冷凝段軸向溫度變化。

在熱管啟動(dòng)的0～1300 s 時(shí)，熱管蒸發(fā)段溫度快速升高，但升溫速率不斷降低，當(dāng)蒸發(fā)段溫度達(dá)到300℃左右時(shí)，蒸發(fā)段溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在冷凝段，在0～1500 s時(shí)冷凝段壁面溫度基本保持穩(wěn)定，加熱到1500 s，90°、60°、45°傾斜角的熱管冷凝段壁面溫度經(jīng)過(guò)短暫的緩慢升高過(guò)程，2000 s 后溫度快速升高至270℃左右。最終，在3000 s 后溫度趨于穩(wěn)定。30°傾斜角的熱管冷凝段壁面溫度在1500～6000 s 的時(shí)間間隔內(nèi)，處于緩慢升高階段，6000 s 后溫度開始快速上升，并在8000 s 后接近275℃左右。由于電爐加熱初期，蒸發(fā)段熔鹽尚處于由室溫被加熱升溫、熔化階段，熔鹽蒸氣處于分子自由運(yùn)動(dòng)階段，冷凝段僅有微量熔鹽蒸氣分子到達(dá)，并迅速凝結(jié)、凝固，導(dǎo)致熱管啟動(dòng)初期冷凝段溫度幾乎保持不變，熱管啟動(dòng)初期蒸發(fā)段與冷凝段溫差很大。隨著蒸發(fā)段溫度升高，熔鹽大量蒸發(fā)、沸騰，在熔鹽蒸氣濃度勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下，大量熔鹽蒸氣進(jìn)入冷凝段，冷凝段溫度逐漸升高，使得蒸發(fā)段與冷凝段溫差迅速下降，如圖6所示。

圖5 1#熱管不同傾斜角下壁面溫度變化Fig.5 Temperature change of heat pipe wall of 1#heat pipe under different inclination angle

圖6 熱管啟動(dòng)階段軸向最大溫差隨時(shí)間變化Fig.6 The maximum axial temperature difference changes with time during the start-up phase of the heat pipe

從圖6蒸發(fā)段與冷凝段平均溫度的溫差變化可以看出，在1300～1500 s 的時(shí)間間隔內(nèi)，90°、60°、45°傾斜角的熱管蒸發(fā)段和冷凝段出現(xiàn)最大溫差275℃左右，此時(shí)熱阻為0.39 K·W-1左右。出現(xiàn)最大溫差時(shí)，熱管蒸發(fā)段溫度為熱管啟動(dòng)溫度，熱管所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為熱管啟動(dòng)時(shí)間。3000 s 以后，90°、60°、45°傾斜角的熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差為50℃左右，此時(shí)熱阻為0.23 K·W-1左右。60°傾斜角時(shí)，熱管蒸發(fā)段與冷凝段溫差達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間最短，其平衡溫差與45°傾斜角時(shí)近似相同。90°傾斜角時(shí)，熱管達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的蒸發(fā)段與冷凝段溫差最小。30°傾斜角時(shí)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，始終沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 傾斜角對(duì)熱管等溫性能的影響

熱管穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，傳熱過(guò)程是傳熱工質(zhì)沸騰蒸發(fā)、流動(dòng)、凝結(jié)、回流及再沸騰蒸發(fā)的循環(huán)過(guò)程。熱管啟動(dòng)成功達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，其等溫性能決定著熱管傳熱的溫差，高溫?zé)崮茉跓峁軅鳠徇^(guò)程中能源品位的變化。1#熱管等溫性能實(shí)驗(yàn)中，在250～450℃范圍內(nèi)測(cè)量8 個(gè)穩(wěn)定的工況，相鄰工況點(diǎn)的溫差為25℃，此時(shí)電爐的功率為950～1700 W。圖7 為不同傾斜角下1#熱管達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的溫度分布，圖中橫坐標(biāo)150～400 mm 為蒸發(fā)段壁面溫度；550～650 mm 為絕熱段壁面溫度；750～950 mm 為冷凝段壁面溫度。

熱管在不同的傾斜角下，蒸發(fā)段和絕熱段沿?zé)峁茌S向方向上，其壁面溫度均勻一致，即熱管的等溫性能較為良好，但冷凝段存在一定的差異性。熱管傾斜角為45°、60°和90°時(shí)，加熱溫度達(dá)300℃以上時(shí)，冷凝段沿?zé)峁茌S向方向上，其壁面溫度均勻一致，但其壁面溫度低于蒸發(fā)段壁面溫度；加熱溫度低于300℃時(shí)，冷凝段沿?zé)峁茌S向方向上，其壁面溫度出現(xiàn)急劇下降。分析冷凝段壁面溫度變化的原因?yàn)椋海?）加熱溫度達(dá)300℃以上時(shí)，已達(dá)到傳熱工質(zhì)AlBr3沸點(diǎn)溫度，在溫差的驅(qū)動(dòng)下，氣態(tài)傳熱工質(zhì)AlBr3已在冷凝段向環(huán)境傳遞熱量，但由于氣態(tài)傳熱工質(zhì)AlBr3在熱管內(nèi)傳遞過(guò)程中存在壓力損失作用以及溫度在熱管的徑向傳遞存在溫度梯度等原因，導(dǎo)致冷凝段溫度略低；（2）當(dāng)加熱溫度在傳熱工質(zhì)AlBr3沸點(diǎn)溫度附近時(shí)，由于溫差驅(qū)動(dòng)力不足，使得冷凝段氣態(tài)傳熱工質(zhì)AlBr3的量不足，導(dǎo)致冷凝段壁面溫度較低。傾斜角為30°，加熱溫度低于325℃時(shí)，冷凝段沿?zé)峁茌S向方向上，其壁面溫度不均勻，并出現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可判斷，當(dāng)重力熱管的傾斜角60°時(shí)，其外壁面溫度的等溫性能最好；傾斜角30°時(shí)，其外壁面溫度的等溫性能最差。

2.3 不同工質(zhì)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)比

熱管傾斜角60°，1#、2#和3#熱管的加熱溫度為300℃，此時(shí)電爐功率為1100 W，測(cè)試了不同工質(zhì)熱管的壁面溫度，分析不同工質(zhì)熱管的啟動(dòng)性能和等溫性能。

圖7 不同傾斜角下熔鹽熱管的壁面溫度分布Fig.7 Wall temperature distribution of molten salt heat pipes at different inclination angles

圖8 不同傳熱工質(zhì)的熱管啟動(dòng)性能Fig.8 Start-up performance of heat pipes with different heat transfer media

圖8 為不同傳熱工質(zhì)對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響，1#、2#和3#熱管的啟動(dòng)時(shí)間分別為1300、500 和1700 s。啟動(dòng)后，3 種熱管的蒸發(fā)段與冷凝段溫差分別為250、96、145℃，熱阻分別為0.46、0.33、0.38 K·W-1。1#和2#熱管冷凝段的壁面溫度比3#熱管冷凝段的壁面溫度先上升，2#熱管的冷凝段壁面溫度最低，1#熱管冷凝段穩(wěn)定溫度最高。其主要原因?yàn)椋?1)1#和3#熱管的傳熱工質(zhì)為固態(tài)，2#熱管的傳熱工質(zhì)為液態(tài)，在啟動(dòng)過(guò)程中，2#熱管可直接由液態(tài)被加熱為氣態(tài)，且其傳熱工質(zhì)的沸點(diǎn)最低；(2)1#和2#熱管的傳熱工質(zhì)為無(wú)機(jī)鹽，其在熔融態(tài)下黏度小，而3#熱管的傳熱工質(zhì)為有機(jī)化合物，其在熔融態(tài)下黏度較大。因此，以無(wú)機(jī)鹽為傳熱工質(zhì)的重力熱管的啟動(dòng)性能比以有機(jī)化合物為傳熱工質(zhì)的更理想。

圖9 為不同傳熱工質(zhì)對(duì)熱管等溫性能的影響。1#和2#熱管沿軸向不同位置的壁面溫度變化趨勢(shì)呈一致性，其蒸發(fā)段和冷凝段的溫差約為50℃，在軸向上具有一定的等溫特性；3#熱管沿軸向不同位置的壁面溫度變化較小，其在軸向上具有良好的等溫特性，其蒸發(fā)段和冷凝段的溫差約為20℃。由于1#和2#熱管的傳熱工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段的溫差比3#熱管的大，因此，在相同的換熱量下，使用無(wú)機(jī)鹽傳熱工質(zhì)的熱管具有更小的換熱面積，即熱管的體積更小。

圖9 不同傳熱工質(zhì)的熱管等溫性能Fig.9 Isothermal performance of heat pipes with different heat transfer media

3 結(jié) 論

本文通過(guò)搭建高溫熔鹽熱管實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)不同工質(zhì)熱管的啟動(dòng)性能和等溫性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，主要得到以下結(jié)論。

（1）1#熱管在傾斜角45°和60°狀態(tài)下的啟動(dòng)時(shí)間最短，傾斜角為30°時(shí)啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)；

（2）熱管傾斜角60°時(shí)，熱管的等溫性能最好；

（3）無(wú)機(jī)鹽AlBr3和TiCl4作為熱管的傳熱工質(zhì)具有良好的啟動(dòng)性能和等溫性能，且在相同的換熱量下，使用無(wú)機(jī)鹽傳熱工質(zhì)的熱管具有更小的換熱面積，即熱管的體積更小。

符 號(hào) 說(shuō) 明

n——測(cè)量次數(shù)

Q——熱管的總傳熱量，W

R——熱管的總熱阻，K·W-1

ΔT——蒸發(fā)段和冷凝段平均溫度的溫差，K

xi——單次測(cè)量值

σs——軸向壁面溫度的標(biāo)準(zhǔn)方差