鋰熱管開(kāi)發(fā)及水平狀態(tài)下啟動(dòng)特性試驗(yàn)研究

張端，許輝，張紅，賀美娟

(1.南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211816；2.南京林業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)辦公室，南京 210037)

熱管按照其工作溫度可以分為低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁?、中溫?zé)峁堋⒏邷責(zé)峁芗俺邷責(zé)峁躘1]。目前，絕大部分科研及生產(chǎn)中使用的熱管工作溫度都在1 300 K以下，其理論及應(yīng)用研究也已經(jīng)日趨完善，而關(guān)于工作溫度在1 300 K以上的超高溫?zé)峁艿脑囼?yàn)及研究卻還有待深入。

工作溫度在750 K以上的熱管普遍使用堿金屬作為工質(zhì)，比如鈉Na、鉀K、鋰Li、銣Rb以及銫Cs。在熱管工作溫度區(qū)間內(nèi)，隨著工作溫度的升高，工作液體飽和壓力也會(huì)隨之升高。但熱管不同于壓力容器，并不能承受很高的壓力，其內(nèi)部壓力升高到一定值之后會(huì)帶來(lái)一系列安全性以及可靠性的問(wèn)題。上述幾種堿金屬中鋰的密度最小，用于循環(huán)系統(tǒng)耗功少，具有高的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱，飽和蒸汽壓力低，是超高溫?zé)峁芄ぷ鹘橘|(zhì)理想選擇之一[2-3]。超高溫?zé)峁苡捎诠ぷ鳒囟瘸?，其管殼材料一般?huì)選用能耐更高溫度的稀貴金屬。試驗(yàn)研究表明，鈮基管殼材料與鋰相容，可以作為高溫?zé)峁芗俺邷責(zé)峁艿墓軞げ牧蟍4-5]。選擇管殼材料時(shí)還需根據(jù)材料的可加工性、價(jià)格等因素綜合考量。幾種堿金屬工質(zhì)的性能見(jiàn)表1。

表1 幾種堿金屬工質(zhì)的性能

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于使用鋰作為工質(zhì)的超高溫?zé)峁艿南嚓P(guān)研究還并不豐富，鋰熱管相關(guān)機(jī)理的研究亟待開(kāi)展。艾邦成[6]等制作了三種不同型號(hào)的尖前緣狀鋰/C-103合金熱管，分別通過(guò)輻射熱試驗(yàn)和氣動(dòng)熱試驗(yàn)對(duì)該尖前緣狀熱管的啟動(dòng)性能進(jìn)行了研究，得出了鋰熱管啟動(dòng)溫度約為860 ℃的結(jié)論。此外，在進(jìn)行啟動(dòng)性能研究過(guò)程中，由于沒(méi)有隔絕空氣，導(dǎo)致該尖前緣狀熱管表面產(chǎn)生了大面積的氧化層。C-103合金抗氧化性能差，鋰/C-103合金熱管的進(jìn)一步應(yīng)用需要使用抗氧化涂層技術(shù)。鄧代英[7]等基于“溫度鋒面”模型對(duì)尖前緣高溫?zé)峁艿膯?dòng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，提出了一種可用于預(yù)測(cè)尖前緣高溫?zé)峁軉?dòng)過(guò)程的工程計(jì)算方法。MARTINEZ A L[8]等對(duì)鉬鋰熱管的制造與試驗(yàn)情況進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)告。其中，1.8 m鉬鋰熱管采用低碳鉬管作為管殼材料，端蓋也使用了相同的材料。吸液芯為七層38 μm的鉬/41%錸絲網(wǎng)，該絲網(wǎng)絲徑為25 μm，是鉬類(lèi)絲網(wǎng)中最細(xì)的。在真空環(huán)境下采用高頻感應(yīng)加熱的方式對(duì)該熱管進(jìn)行了啟動(dòng)性能及溫度特性的研究，得出了鉬鋰熱管的一般工作特性。

1 鋰熱管的開(kāi)發(fā)

1.1 材料選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鈮基材料與鋰有著很好的相容性，鋰熱管開(kāi)發(fā)的目的通常是為了超高溫條件下的優(yōu)良性能。因此選擇熔點(diǎn)更高、高溫下力學(xué)性能非常好的鈮基合金作為管殼材料，具體牌號(hào)為Nb-1Zr。鉬與鋰也有著不錯(cuò)相容性，且鉬相對(duì)于鈮來(lái)說(shuō)更容易被制成稠密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，選擇鉬作為吸液芯材料，吸液芯由4層75 μm光亮鉬絲網(wǎng)緊密堆疊而成，絲徑為50 μm，采用電阻焊的方式緊貼熱管內(nèi)壁面，為工質(zhì)的回流提供足夠的毛細(xì)力。

由于鈮基合金材料熔點(diǎn)接近2 500 ℃，遠(yuǎn)高于鐵基合金的熔點(diǎn)，并且高溫下鈮基合金抗氧化能力不強(qiáng)，使得其加工難度比較高[9]。為了更加便于加工制造，本文鋰熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為典型的圓柱狀結(jié)構(gòu)，管殼外徑為25 mm，壁厚2.5 mm，長(zhǎng)1 000 mm，上下端蓋厚度均為5 mm。

充液率對(duì)熱管的性能有著很大的影響，充液率過(guò)低，會(huì)使得熱管蒸發(fā)段內(nèi)出現(xiàn)因液體浸潤(rùn)不足而導(dǎo)致局部干涸，出現(xiàn)燒干現(xiàn)象；充液率過(guò)高，會(huì)減弱吸液芯內(nèi)液體工質(zhì)毛細(xì)作用力，阻礙吸液芯內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)，極易在冷凝段形成液塞，導(dǎo)致熱管在正常工作時(shí)出現(xiàn)性能下降的情況。按照經(jīng)驗(yàn)，熱管充液率控制在12%～20%左右比較適宜，考慮到為有芯熱管且水平工作，選取20%的充液率，則最終鋰充液質(zhì)量為27.0 g。

1.2 鋰熱管制造工藝

鋰熱管制造的工藝過(guò)程如圖1所示。鋰熱管主要制造工藝過(guò)程按先后順序?yàn)楣茏忧逑?、組裝焊接、真空檢漏、真空高溫除氣和充液及封焊等[10]。

圖1 鋰熱管制造工藝過(guò)程

總體上來(lái)說(shuō)，鋰熱管的制造工藝和常規(guī)高溫?zé)峁苤圃旃に囅嘟?。但?yīng)注意的是，由于管殼為鈮合金材料，在高溫下極易被氧化[6-9]。因此，在加工過(guò)程中應(yīng)著重考慮防止氧化的問(wèn)題。

圖2為鋰熱管工質(zhì)充裝系統(tǒng)示意圖。將制造好的鋰熱管管殼豎直放置于電加熱爐中，并使用耐高溫夾具對(duì)其進(jìn)行固定。鋰熱管一邊端蓋提前焊接有充液管，為工質(zhì)提供充裝接口及通道，充液管材質(zhì)與管殼材質(zhì)相同。充裝工質(zhì)時(shí)，使用連接管路將鋰熱管管殼與盛有鋰的容器相連接，連接管路上安裝有截止閥及止回閥，以控制管路通斷及防止工質(zhì)回流。鋰熔點(diǎn)為180 ℃，常溫下為固態(tài)。為了保證工質(zhì)可以順利通過(guò)連接管路進(jìn)入管殼，同時(shí)防止雜質(zhì)氣體混入工質(zhì)，需要對(duì)盛有鋰的容器進(jìn)行加熱，使固態(tài)鋰轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鋰。因此，盛有鋰的容器及工質(zhì)充裝管路也配備有電加熱裝置，以保證液態(tài)鋰的流動(dòng)性。工質(zhì)充裝過(guò)程中，管殼及鋰容器溫度是重要的監(jiān)測(cè)量，使用精確測(cè)溫裝置對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并顯示。使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)工質(zhì)充裝溫度，本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管工質(zhì)充裝溫度設(shè)計(jì)為1 400 K。工質(zhì)具體充裝步驟如下：首先，將鋰熱管管殼加熱到一定溫度，打開(kāi)閥1、閥4，抽去管殼內(nèi)空氣；其次，打開(kāi)閥2，關(guān)閉閥4，除去鋰容器內(nèi)保護(hù)氣體(氬氣)；接著，打開(kāi)鋰容器電加熱裝置，升高鋰容器溫度，使鋰處于液態(tài)；最后，關(guān)閉閥1和閥2，打開(kāi)閥3和閥4，用氬氣將液態(tài)鋰壓入熱管空腔內(nèi)，待進(jìn)入熱管空腔內(nèi)液態(tài)鋰總量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，關(guān)閉閥4，將閥4以下充液管壓扁并將其截?cái)?，同時(shí)對(duì)斷口進(jìn)行焊接處理，以保證管殼密封性。至此，工質(zhì)充裝工作全部完成。

圖2 鋰熱管工質(zhì)充裝系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)裝置

本文建立了鋰熱管性能試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)由鋰熱管、加熱系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)及測(cè)溫系統(tǒng)這四部分組成。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

鋰熱管如圖4所示，鋰熱管由管殼、上下端蓋、吸液芯及工作介質(zhì)組成。管殼和上下端蓋材質(zhì)都是Nb-1Zr合金，熱管空腔內(nèi)的工作介質(zhì)是堿金屬元素鋰，空腔設(shè)計(jì)的承壓能力是0.5 MPa，理論上熱管可以安全使用的最高溫度是1 882.01 K。

圖4 鋰熱管

加熱系統(tǒng)采用電加熱方式進(jìn)行加熱，由電源、調(diào)壓器、電參數(shù)測(cè)試儀及加熱爐等組成。電源為220 V、50 Hz單相電，允許通過(guò)的最大電流為32 A。調(diào)壓器為10 kW接觸式單相調(diào)壓器，型號(hào)為T(mén)DGC2-10。電參數(shù)測(cè)量?jī)x型號(hào)為PM9800，最大允許負(fù)載功率為12 kW，峰值功率可達(dá)到16.1 kW，精度為0.5%。加熱爐為臥式電阻爐，最高使用溫度為1 573 K。此外，可通過(guò)角度調(diào)節(jié)零件調(diào)整爐膛角度，角度調(diào)節(jié)范圍為0°～90°。

惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)由氬氣置換裝置、不銹鋼法蘭、石英管等組成。

測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫線簇、數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)組成。測(cè)溫線簇為6根Ⅱ級(jí)K型熱電偶絲測(cè)溫線，最高使用溫度為1 573 K。數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口進(jìn)行連接。測(cè)溫系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自于熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀，Ⅱ級(jí)K型熱電偶誤差為±0.75%，數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量溫度特征值時(shí)誤差為±0.3%，則系統(tǒng)總誤差為±1.05%[11]。

2.2 熱電偶測(cè)點(diǎn)分布

鋰熱管蒸發(fā)段設(shè)計(jì)為400 mm，絕熱段為200 mm，冷凝段為400 mm。鋰熱管軸向熱電偶測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示，在距離鋰熱管下端蓋外表面50 mm、350 mm、450 mm、550 mm、650 mm和950 mm處布置6個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，且6個(gè)測(cè)點(diǎn)均處于同一條素線上。

圖5 鋰熱管軸向溫度測(cè)點(diǎn)分布

2.3 鋰熱管傳熱性能評(píng)定指標(biāo)

鋰熱管總熱阻R是衡量其傳熱性能的重要指標(biāo)[12-13]，其定義式如下：

(1)

式(1)中，Δt為鋰熱管的軸向溫差，℃；Q為鋰熱管的傳熱功率，W。

鋰熱管蒸發(fā)段、絕熱段及冷凝段的內(nèi)壁溫分別為相應(yīng)外壁溫減去或加上按照一維圓筒壁面熱傳導(dǎo)[14-15]計(jì)算的溫降。其中，絕熱段為絕熱邊界條件，其沿壁面法線方向上熱流量為0。由傅里葉定律，易知：絕熱段內(nèi)、外壁面溫壓也為0，即絕熱段內(nèi)壁溫與絕熱段外壁溫相等。綜上，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段的內(nèi)壁溫分別為：

(2)

ta,i=ta,o

(3)

(4)

式(2)、(3)和(4)中，Q、λ、le分別為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段內(nèi)壁溫，K；lc、do、di分別為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段外壁溫，K；Q為傳熱功率，W；λ為管殼導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；le、lc分別為蒸發(fā)段和冷凝段長(zhǎng)度，m；do、di分別為鋰熱管的外徑和內(nèi)徑，m。某一時(shí)刻鋰熱管的軸向溫差Δti為：

Δti=te,i-tc,i

(5)

鋰熱管壁面各測(cè)點(diǎn)溫度取工作狀態(tài)穩(wěn)定后同一分鐘內(nèi)溫度的平均值，即：

(6)

則鋰熱管的軸向溫差Δt為蒸發(fā)段平均溫度te與冷凝段平均溫度tc之差：

Δti=te-tc

(7)

由于本試驗(yàn)加熱爐隔熱保溫層較厚實(shí)，且試驗(yàn)全程監(jiān)測(cè)到的加熱爐殼體最高溫度均低于60 ℃，故略去加熱爐殼體與環(huán)境間的對(duì)流換熱量，以電參數(shù)測(cè)量?jī)x輸出功率Pout作為鋰熱管的實(shí)際傳熱量Q。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鋰熱管啟動(dòng)特性分析

本文判斷鋰熱管成功啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，且必須同時(shí)滿足。第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是在同一時(shí)刻鋰熱管各部分溫度均在鋰的熔點(diǎn)453 K之上。鋰熱管啟動(dòng)過(guò)程第一步為鋰的融化，若鋰熱管存在局部溫度低于453 K的情況，則鋰熱管很可能沒(méi)有完全啟動(dòng)。第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是鋰熱管整個(gè)空腔內(nèi)形成連續(xù)穩(wěn)定的鋰蒸汽流。具體表現(xiàn)為在輸入功率恒定不變的情況下，鋰熱管各部分溫度也保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，即鋰熱管溫度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)無(wú)限趨近于0。本試驗(yàn)規(guī)定，若在同一時(shí)刻鋰熱管各部分溫度均在453 K之上，且鋰熱管各測(cè)點(diǎn)溫度保持相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間不小于10 min，則可認(rèn)為鋰熱管成功啟動(dòng)[16]。

圖6為水平工作鋰熱管變功率溫度響應(yīng)曲線。試驗(yàn)時(shí)首先從室溫下以3.0 kW的功率持續(xù)對(duì)鋰熱管進(jìn)行2 h的加熱，接著分別以3.5 kW和4.0 kW的功率對(duì)鋰熱管進(jìn)行0.5 h和0.7 h的加熱?？梢悦黠@看出，在3.0 kW的加熱功率下，本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管在2 h內(nèi)可以成功啟動(dòng)；且在變功率加熱后，鋰熱管也能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；此外，在整個(gè)持續(xù)加熱過(guò)程中，鋰熱管在達(dá)到溫度平衡后，溫度曲線非常平滑。表明鋰熱管具有非常強(qiáng)的傳熱穩(wěn)定性。

圖6 水平工作鋰熱管變功率溫度響應(yīng)曲線

圖7為3.0 kW加熱功率下水平工作鋰熱管軸向溫度分布情況?？梢钥闯?，在0.8 h后，鋰熱管溫度趨于平穩(wěn)，鋰熱管成功啟動(dòng)?？梢灾?，在從室溫下開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，鋰熱管水平工作啟動(dòng)時(shí)間約為0.8 h。此時(shí)，鋰熱管絕熱段溫度約為1 150 K。可以知道，本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管啟動(dòng)溫度約為1 150 K。

圖7 3.0 kW加熱功率下水平工作鋰熱管軸向溫度分布

3.2 鋰熱管穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)特性

圖8為水平工作穩(wěn)態(tài)時(shí)鋰熱管軸向溫度分布圖?？梢悦黠@看出，水平工作時(shí)，本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管蒸發(fā)段(測(cè)點(diǎn)1、2)溫度稍高，冷凝段(測(cè)點(diǎn)5、6)溫度稍低，軸向溫度分布比較均勻，具有良好的均溫性。其中，在4.0 kW的加熱功率下，鋰熱管整體均溫性最好。但4.0 kW加熱功率下鋰熱管蒸發(fā)段與絕熱段的軸向溫差卻明顯高于3.0 kW和3.5 kW加熱功率下鋰熱管蒸發(fā)段與絕熱段的軸向溫差；4.0 kW加熱功率下鋰熱管雖然具有最好的整體均溫性，但蒸發(fā)段與絕熱段的局部均溫性卻出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象。

圖8 水平工作穩(wěn)態(tài)時(shí)鋰熱管軸向溫度分布

圖9所示為水平工作時(shí)不同功率下鋰熱管穩(wěn)態(tài)軸向溫差及總熱阻變化情況。在3.0 kW、3.5 kW、4.0 kW加熱功率下，鋰熱管軸向溫差分別為89.81 K、87.84 K、82.67 K，表明本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管均溫性良好。此外，由圖9可知，隨著加熱功率的增大，鋰熱管軸向溫差和總熱阻也會(huì)隨之減小；其中，總熱阻會(huì)隨著加熱功率線性增大而線性減小，表明鋰熱管均溫性會(huì)隨著加熱功率的增大而得到顯著的提升。

圖9 水平工作時(shí)不同功率下鋰熱管穩(wěn)態(tài)軸向溫差及總熱阻變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水平狀態(tài)下鋰熱管整體熱響應(yīng)過(guò)程的試驗(yàn)分析，得出了水平狀態(tài)下鋰熱管的傳熱特性規(guī)律，具體如下：

(1)本文開(kāi)發(fā)的鋰熱管水平狀態(tài)下啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)斷崖式的溫度上升或下降現(xiàn)象，具有較好的啟動(dòng)性能，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)均溫性良好，具備了超高溫條件下高效傳熱的條件。

(2)水平狀態(tài)下鋰熱管熱響應(yīng)時(shí)間短，在變功率加熱后，鋰熱管也能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且響應(yīng)過(guò)程溫度變化平穩(wěn)，具有較強(qiáng)的傳熱穩(wěn)定性。

(3)在傳熱功率為3.0 kW時(shí)，水平狀態(tài)下鋰熱管約在0.8 h后開(kāi)始從非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)；此時(shí)，鋰熱管整體溫度均勻且絕熱段維持在1 150 K左右，故水平狀態(tài)下鋰熱管啟動(dòng)溫度約為1 150 K。