熱管測試設(shè)備高功率試驗(yàn)問題和解決措施

梅華平, 段成君,胡崇舉,2,劉 健,2,余大利,何梅生, 李桃生,2

(1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)研究院核能安全技術(shù)研究所,安徽 合肥 230031;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230027)

液態(tài)金屬熱管具有非能動的特性,無需其他動力機(jī)械進(jìn)行熱能輸送,系統(tǒng)簡單輕量、傳熱能力強(qiáng),此外熱管之間相互獨(dú)立,可避免單點(diǎn)失效,提供冗余安全保障,因此液態(tài)金屬高溫?zé)峁苁强臻g核反應(yīng)堆電源堆芯熱傳輸系統(tǒng)和輻射散熱器的重要研究對象[1-5]。

2018年,美國NASA與國家能源局共同完成了可用于星際探索和火星探測任務(wù)的Kilopower空間堆電源[6]。Kilopower反應(yīng)堆熱功率為4.3 kW·t,電功率為1 kWe,堆芯采用高富集度塊狀鈾鉬合金作為燃料,堆芯產(chǎn)生的熱量由布置在燃料外圍的8根非能動液態(tài)金屬Na熱管載出,反應(yīng)堆設(shè)計滿功率工作壽命不低于15年[7-10]。Kilopower的成功運(yùn)行有效促進(jìn)了液態(tài)金屬熱管在微型熱管堆中的應(yīng)用與發(fā)展。

為了獲得液態(tài)金屬高溫?zé)峁軉有阅芎蜔醾鬏斝阅?并掌握熱管堆堆芯熱工特性,課題組設(shè)計開發(fā)了高溫?zé)峁軠y試設(shè)備,在該設(shè)備調(diào)試過程中,面臨了系統(tǒng)熱傳輸功率不高的問題,為此,課題組探討了可能影響設(shè)備熱傳輸功率的各種因素并通過采取改進(jìn)措施,最終實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)熱傳輸功率。

1 熱管測試設(shè)備介紹

熱管測試設(shè)備由高溫?zé)峁?、加熱系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與溫度控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和支撐臺架組成。設(shè)備實(shí)物如圖1所示,主要設(shè)計參數(shù)見表1。設(shè)備的基本工作過程為:利用感應(yīng)加熱線圈對液態(tài)金屬熱管蒸發(fā)段進(jìn)行加熱,感應(yīng)加熱線圈由感應(yīng)加熱電源進(jìn)行供電,加熱線圈銅管內(nèi)部有循環(huán)的去離子水進(jìn)行冷卻;熱管絕熱段外壁包裹了絕熱材料減少漏熱;熱管冷凝段利用水冷凝器進(jìn)行冷卻,通過監(jiān)測水冷凝器進(jìn)出口的水溫和冷卻水流量,計算獲得設(shè)備的熱傳輸功率;為了保證測試實(shí)驗(yàn)過程的安全,根據(jù)需要在熱管外壁不同位置焊接有測溫?zé)犭娕紝ο到y(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

圖1 熱管測試設(shè)備

2 設(shè)備高功率試驗(yàn)面臨的問題

熱管測試設(shè)備調(diào)試過程中,出現(xiàn)了系統(tǒng)總熱傳輸功率不高的問題。課題組通過調(diào)研分析和實(shí)驗(yàn)觀察可能影響系統(tǒng)傳熱的各種因素[11-15],總結(jié)了影響設(shè)備傳熱功率的可能原因,見表2。

表2 影響傳熱功率的可能因素

針對表2所述問題和解決措施,課題開展了設(shè)備的高功率傳熱試驗(yàn),試驗(yàn)過程使用的感應(yīng)加熱電源型號為BT-100 kW,使用的熱管為鈉熱管,熱管外徑25 mm,長度1 050 mm,高效工作溫度范圍為 750～850 ℃, 單根鈉熱管極限傳熱能力不低于3 kW。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的目標(biāo)總傳熱功率10 kW,試驗(yàn)過程采用了4根的鈉熱管棒束開展實(shí)驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 感應(yīng)電源輸出功率

調(diào)節(jié)增加感應(yīng)加熱電源的輸出功率,可最直接提升熱管的蒸發(fā)段溫度和設(shè)備傳熱功率。在電源直流電壓恒定575 V、使用內(nèi)徑100 mm的加熱線圈情況下,對比了不同振蕩電流參數(shù)對熱管蒸發(fā)段溫度的影響,結(jié)果如圖2所示。圖2中個別線條未完全連接是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了熱電偶斷點(diǎn),可以看出,隨振蕩電流增加,熱管蒸發(fā)段溫度總體升高。試驗(yàn)中,由于感應(yīng)加熱電源能力不足,電源可實(shí)現(xiàn)的最大輸出振蕩電流為260 A,此時熱管溫度距離可使用工作溫度850 ℃還有很大差距,系統(tǒng)傳熱功率還有很大提升空間。

圖2 輸出功率對熱管蒸發(fā)段溫度的影響

3.2 添加鐵磁性輔助負(fù)載

在感應(yīng)加熱電源直流電壓575 V,振蕩電流200 A,加熱線圈內(nèi)徑100 mm的情況下,對比了不同鐵磁性輔助負(fù)載添加量對熱管蒸發(fā)段溫度的影響,結(jié)果如圖3所示。可以看出,隨鐵磁性輔助負(fù)載增加,熱管蒸發(fā)段溫度升高,有利于提升熱管測試設(shè)備傳熱功率。

圖3 輔助負(fù)載對熱管蒸發(fā)段溫度的影響

3.3 感應(yīng)加熱線圈軟連接長度

在感應(yīng)加熱電源直流電壓575 V、加熱線圈內(nèi)徑100 mm的情況下,對比了感應(yīng)加熱電源與加熱線圈之間的軟連接長度對傳熱功率的影響,結(jié)果見表3?？煽闯鲈谙嗤碾娫磪?shù)下,軟連接變短,傳輸功率有一定增加,但軟連接長度對傳輸功率的影響值總體很小。

表3 軟連接長度對傳輸功率的影響

3.4 冷凝器冷卻劑流量

在感應(yīng)加熱電源直流電壓575 V、加熱線圈內(nèi)徑100 mm的情況下,對比了兩種不同電流參數(shù)下水冷凝器進(jìn)出口冷卻劑流量對傳熱功率的影響,結(jié)果見表4。發(fā)現(xiàn)在相同的電源參數(shù)下,水冷凝器進(jìn)出口的冷卻劑流量增加,傳輸功率略有增加。

表4 冷卻劑流量對傳輸功率的影響

3.5 熱管冷凝段與水冷凝器接觸媒介

在感應(yīng)加熱電源直流電壓575 V、振蕩電流260 A、加熱線圈內(nèi)徑100 mm的情況下,探討了鈉熱管冷凝段與水冷凝器間隙內(nèi)填充空氣和導(dǎo)熱硅脂兩種不同接觸媒介對傳熱功率的影響,試驗(yàn)中使用的導(dǎo)熱硅脂為AOQ-G300導(dǎo)熱硅脂,試驗(yàn)結(jié)果見表5。發(fā)現(xiàn)與空氣相比,熱管冷凝段與水冷凝器間隙內(nèi)填充硅脂時,設(shè)備的傳輸功率反而下降,分析原因認(rèn)為是由于硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣,帶來熱管冷凝段溫度過低,熱管冷凝段不能很好啟動造成的。

表5 接觸媒介對傳輸功率的影響

3.6 熱管蒸發(fā)段絕熱條件

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),感應(yīng)加熱線圈冷卻水出口溫度較高,初步判斷實(shí)驗(yàn)中負(fù)載感應(yīng)加熱后產(chǎn)生的熱能,很大一部分被感應(yīng)加熱線圈內(nèi)部的冷卻水帶走,因此在感應(yīng)加熱線圈冷卻水管道加裝了水溫和流量測量,并開展了熱管蒸發(fā)段與感應(yīng)加熱線圈間隙填充陶瓷纖維絕熱材料的試驗(yàn),為了實(shí)現(xiàn)更大的絕熱層厚度進(jìn)而保證更好的絕熱效果,添加陶瓷纖維絕熱材料的試驗(yàn)使用了內(nèi)徑110 mm的加熱線圈,實(shí)驗(yàn)過程電源直流電壓為575 V,試驗(yàn)結(jié)果見表6?？梢钥闯?在沒有絕熱材料的情況下,加熱線圈冷卻功率占比約70%,有絕熱材料的情況下,加熱線圈冷卻功率占比約50%,因此通過在熱管蒸發(fā)段與感應(yīng)加熱線圈的間隙填充絕熱材料,可以顯著降低感應(yīng)加熱線圈冷卻水帶走的熱量,從而實(shí)現(xiàn)熱管測試平臺更大的傳熱功率。此外從表6還可以發(fā)現(xiàn)加熱線圈內(nèi)徑增加,會造成負(fù)載系統(tǒng)的總發(fā)熱功率下降。

表6 絕熱條件對傳輸功率的影響

3.7 感應(yīng)加熱線圈尺寸

在熱管蒸發(fā)段絕熱條件實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了加熱線圈內(nèi)徑增加會造成負(fù)載系統(tǒng)總發(fā)熱功率下降的現(xiàn)象,而為了實(shí)現(xiàn)熱管測試平臺具有高的傳熱功率,需要設(shè)計負(fù)載系統(tǒng)高發(fā)熱能力同時降低加熱線圈冷卻水帶走熱量的情況。為此,課題組調(diào)研了具有更強(qiáng)絕熱能力的航空工業(yè)所采用的納米氣凝膠氈材料,在使用新氣凝膠氈材料填滿熱管蒸發(fā)段與感應(yīng)加熱線圈間隙的情況下,開展了兩種不同感應(yīng)加熱線圈尺寸下的試驗(yàn),結(jié)果見表7。可以看出,感應(yīng)加熱線圈尺寸減小,可以顯著提高設(shè)備的傳熱功率,在感應(yīng)加熱線圈內(nèi)徑尺寸為90 mm時,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備傳熱功率大于等于10 kW的設(shè)計目標(biāo)。考慮到感應(yīng)加熱線圈變小后,可填充在熱管蒸發(fā)段與感應(yīng)加熱線圈間隙的絕熱材料厚度很大程度上被減薄,絕熱能力實(shí)際下降,因此設(shè)備傳熱功率的提高應(yīng)歸因于加熱線圈減小后負(fù)載在感應(yīng)線圈的作用下產(chǎn)生的熱量極大增加。此外對比表6、表7數(shù)據(jù),還可以看出,氣凝膠氈絕熱材料的絕熱性能一定程度上優(yōu)于了陶瓷纖維材料。

表7 線圈尺寸對傳輸功率的影響

4 結(jié) 論

針對實(shí)驗(yàn)室研制的高溫?zé)峁軠y試設(shè)備總熱傳輸功率不高的問題,課題組從感應(yīng)電源輸出功率、鐵磁性輔助負(fù)載添加量、感應(yīng)加熱線圈軟連接長度、冷凝器冷卻劑流量、熱管冷凝段與水冷凝器接觸媒介、熱管蒸發(fā)段絕熱條件、感應(yīng)加熱線圈尺寸等多個方面進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:

(1)增加感應(yīng)電源輸出功率和鐵磁性輔助負(fù)載添加量,可以顯著提高熱管蒸發(fā)段溫度,進(jìn)而提高熱管傳熱能力。

(2)感應(yīng)加熱線圈軟連接長度減小和冷凝器冷卻劑流量增加,可微弱增加設(shè)備的傳熱功率。

(3)熱管冷凝段與水冷凝器間隙內(nèi)填充硅脂媒介時,設(shè)備的傳輸功率下降,造成這一現(xiàn)象的可能原因是熱管冷凝段溫度過低使得熱管冷凝段不能完全啟動。

(4)熱管蒸發(fā)段的絕熱條件和感應(yīng)加熱線圈尺寸對設(shè)備的總傳熱功能功率有顯著影響,通過在熱管蒸發(fā)段與感應(yīng)加熱線圈的間隙填充絕熱材料,可以顯著降低加熱線圈內(nèi)部冷卻水帶走的熱量,通過使用內(nèi)徑尺寸更小的感應(yīng)加熱線圈,可以使負(fù)載在感應(yīng)線圈的作用下產(chǎn)生的熱量顯著增加。