高溫鈉熱管傳熱性能試驗(yàn)研究

衛(wèi)光仁，柴寶華，韓 冶，張亞坤，馮 波，畢可明，楊 斌，王晨龍

(中國(guó)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量從熱源向熱沉的高效非能動(dòng)傳輸，使熱管具有熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)、非能動(dòng)傳熱、運(yùn)行可靠及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[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(shí)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(yàn)掌握所研制高溫鈉熱管的啟動(dòng)傳熱性能、等溫升溫性能及極限傳熱性能。

美國(guó)在高溫鈉熱管領(lǐng)域曾開展多項(xiàng)探索性研究：熱管式火星探索反應(yīng)堆(HOMER)[12]概念設(shè)計(jì)，采用鈉熱管將堆芯熱量傳輸至斯特林發(fā)電機(jī)，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(jì)傳熱功率約0.8 kW；對(duì)鈉熱管開展了在650～700 ℃下115 000 h及700 ℃下41 000 h壽命考驗(yàn)，被考驗(yàn)件未見失效；千瓦級(jí)斯特林技術(shù)反應(yīng)堆(KRUSTY)[15]設(shè)計(jì)采用鈉熱管將5 kW堆芯熱量傳輸至斯特林發(fā)電機(jī)，單支鈉熱管傳熱功率0.6 kW，運(yùn)行溫度800 ℃，并通過初步電加熱模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性；開展熱管式反應(yīng)堆Kilopower[16-18]測(cè)試，設(shè)計(jì)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(jī)，單支熱管傳熱功率380 W，實(shí)際測(cè)試中鈉熱管將堆芯1.3 kW傳輸至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，鈉熱管啟動(dòng)溫度約600 ℃，啟動(dòng)用時(shí)約40 min。在國(guó)內(nèi)，趙蔚琳等[10]對(duì)化工用鈉熱管開展了啟動(dòng)測(cè)試初步研究；于萍等[19]對(duì)用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的鈉熱管開展了停止工作后再啟動(dòng)性能研究。中國(guó)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(shí)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(guó)內(nèi)尚無其他單位對(duì)熱管式核反應(yīng)堆用鈉熱管開展系統(tǒng)性試驗(yàn)研究。

本文介紹中國(guó)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(duì)高溫鈉熱管所做的研究，包括高溫鈉熱管研制、鈉熱管啟動(dòng)傳熱試驗(yàn)、等溫升溫試驗(yàn)及傳熱極限試驗(yàn)等。試驗(yàn)驗(yàn)證該類型鈉熱管工程應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)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(jì)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(jì)算

熱管的熱傳導(dǎo)能力極強(qiáng)，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(jì)算理論[1,11,22-23]，各傳熱極限功率的理論計(jì)算公式如下。

毛細(xì)極限時(shí)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(xì)半徑；Pg為垂直方向上的液體靜壓力；leff為熱管有效長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

鈉熱管傳熱性能試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)真空環(huán)境，也可通入導(dǎo)熱氣體實(shí)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(shí)熱沉可達(dá)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(jìn)口水壓恒定。冷卻水流量通過質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，進(jìn)出口水溫通過水路熱電偶測(cè)量。

圖3 鈉熱管傳熱性能試驗(yàn)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(cè)量采用Ⅰ級(jí)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(cè)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(duì)熱管傳熱無影響。鈉熱管熱電偶測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)位置Table 2 Measuring point position of sodium heat pipe thermocouple

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

2.2 試驗(yàn)方法

1) 啟動(dòng)與等溫升溫傳熱試驗(yàn)

利用試驗(yàn)裝置，對(duì)鈉熱管進(jìn)行真空啟動(dòng)與等溫升溫試驗(yàn)。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(diǎn)溫度趨于一致，熱管便實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)；完全啟動(dòng)后繼續(xù)加熱進(jìn)行等溫升溫；測(cè)得啟動(dòng)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(dòng)溫度點(diǎn)、等溫升溫能力及產(chǎn)品質(zhì)量等。

2) 傳熱極限試驗(yàn)

熱管傳熱極限是指在不同溫度點(diǎn)熱管冷凝段向熱沉的極限散熱功率。通過理論計(jì)算可得到各傳熱極限功率理論值，試驗(yàn)中達(dá)到熱管傳熱極限需要較高的試驗(yàn)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(duì)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(yàn)中測(cè)得某極高的極限傳熱功率時(shí)，可將測(cè)得的熱管最大散熱功率與應(yīng)用需求對(duì)比，以判斷其是否滿足需求。

根據(jù)試驗(yàn)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(dòng)后，在500～650 ℃區(qū)間，不斷增強(qiáng)熱沉冷卻能力并增大蒸發(fā)段熱量輸入，可實(shí)現(xiàn)冷凝段各點(diǎn)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(dá)到了蒸發(fā)段在該溫度點(diǎn)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(jìn)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(dòng)階段，由于啟動(dòng)階段冷凝段溫度低，散熱功率遠(yuǎn)低于黏性極限功率，因此試驗(yàn)中黏性極限通常無法測(cè)得。攜帶極限：熱管完全啟動(dòng)后繼續(xù)升溫，650～900 ℃區(qū)間，由于毛細(xì)極限遠(yuǎn)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(jì)算值，那么達(dá)到攜帶極限的現(xiàn)象是：增強(qiáng)熱沉冷卻能力、增大蒸發(fā)段熱量輸入動(dòng)態(tài)維持熱管某一工作溫度，當(dāng)蒸發(fā)段溫度在某一時(shí)刻突然迅速大幅升高時(shí)，便達(dá)到了該工作溫度點(diǎn)的攜帶極限功率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 啟動(dòng)與等溫升溫傳熱試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用熱管傳熱試驗(yàn)裝置，測(cè)得了啟動(dòng)過程中熱管壁面的軸向溫度分布，如圖5所示。鈉熱管啟動(dòng)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(cè)溫點(diǎn)逐步升溫。如圖5所示，當(dāng)熱管平均溫度達(dá)到580 ℃時(shí)，熱管實(shí)現(xiàn)完全啟動(dòng)。啟動(dòng)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(dòng)用時(shí)約20 min。此時(shí)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(dòng)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(dòng)后，繼續(xù)對(duì)其加熱升溫，如圖5所示，600～850 ℃區(qū)間鈉熱管實(shí)現(xiàn)等溫升溫，蒸發(fā)段至冷凝段熱管壁面各測(cè)溫點(diǎn)等溫性能良好，軸向壁面溫差≤11 ℃。在850 ℃時(shí)鈉熱管輻射散熱功率約1.86 kW，此時(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

1) 低溫區(qū)間傳熱試驗(yàn)

圖6為鈉熱管完全啟動(dòng)后，通過加強(qiáng)冷卻在低溫段(500～650 ℃)達(dá)到傳熱極限過程的溫度分布。按照聲速極限的試驗(yàn)方法，得到工作溫度(絕熱段平均溫度)為520 ℃時(shí)的聲速極限。此時(shí)熱沉冷卻水進(jìn)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(shí)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(jì)算得到熱管工作溫度520 ℃時(shí)聲速極限理論值1.13 kW。試驗(yàn)值與理論值相對(duì)誤差為7%，吻合較好，驗(yàn)證了聲速極限所選用的理論計(jì)算方法的合理性。

2) 高溫區(qū)間傳熱試驗(yàn)

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(duì)熱沉強(qiáng)制加強(qiáng)冷卻，使熱管工作溫度與散熱功率均提升，試驗(yàn)測(cè)得了鈉熱管工作溫度分別在750 ℃與850 ℃時(shí)熱沉在最大散熱能力下的冷卻水進(jìn)出口溫差與質(zhì)量流量。將測(cè)量值代入Q=mcpΔt計(jì)算得到鈉熱管在750 ℃和850 ℃時(shí)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(duì)比，當(dāng)沒有強(qiáng)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(duì)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(yàn)中鈉熱管所達(dá)到的最大傳熱功率證明了所研制鈉熱管具有極強(qiáng)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(yàn)裝置熱沉散熱能力限制，試驗(yàn)條件下得到的熱管最大傳熱功率遠(yuǎn)未達(dá)到在此溫度點(diǎn)熱管攜帶傳熱極限計(jì)算值12 kW，但傳熱試驗(yàn)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(shí)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(duì)高溫鈉熱管開展了傳熱性能試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

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

2) 鈉熱管在500～650 ℃時(shí)可通過強(qiáng)制冷卻達(dá)到聲速極限，520 ℃時(shí)聲速極限功率1.05 kW。

3) 鈉熱管在650～900 ℃時(shí)傳熱功率主要受攜帶極限限制。鈉熱管為750 ℃時(shí)，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(shí)，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(yàn)結(jié)果表明所研制的高溫鈉熱管具有極強(qiáng)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。