鋰熱管開發及水平狀態下啟動特性試驗研究

張端，許輝，張紅，賀美娟

(1.南京工業大學能源科學與工程學院，南京 211816；2.南京林業大學校長辦公室，南京 210037)

熱管按照其工作溫度可以分為低溫熱管、常溫熱管、中溫熱管、高溫熱管及超高溫熱管[1]。目前，絕大部分科研及生產中使用的熱管工作溫度都在1 300 K以下，其理論及應用研究也已經日趨完善，而關于工作溫度在1 300 K以上的超高溫熱管的試驗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，比如鈉Na、鉀K、鋰Li、銣Rb以及銫Cs。在熱管工作溫度區間內，隨著工作溫度的升高，工作液體飽和壓力也會隨之升高。但熱管不同于壓力容器，并不能承受很高的壓力，其內部壓力升高到一定值之后會帶來一系列安全性以及可靠性的問題。上述幾種堿金屬中鋰的密度最小，用于循環系統耗功少，具有高的導熱系數及比熱，飽和蒸汽壓力低，是超高溫熱管工作介質理想選擇之一[2-3]。超高溫熱管由于工作溫度超高，其管殼材料一般會選用能耐更高溫度的稀貴金屬。試驗研究表明，鈮基管殼材料與鋰相容，可以作為高溫熱管及超高溫熱管的管殼材料[4-5]。選擇管殼材料時還需根據材料的可加工性、價格等因素綜合考量。幾種堿金屬工質的性能見表1。

表1 幾種堿金屬工質的性能

目前，國內外關于使用鋰作為工質的超高溫熱管的相關研究還并不豐富，鋰熱管相關機理的研究亟待開展。艾邦成[6]等制作了三種不同型號的尖前緣狀鋰/C-103合金熱管，分別通過輻射熱試驗和氣動熱試驗對該尖前緣狀熱管的啟動性能進行了研究，得出了鋰熱管啟動溫度約為860 ℃的結論。此外，在進行啟動性能研究過程中，由于沒有隔絕空氣，導致該尖前緣狀熱管表面產生了大面積的氧化層。C-103合金抗氧化性能差，鋰/C-103合金熱管的進一步應用需要使用抗氧化涂層技術。鄧代英[7]等基于“溫度鋒面”模型對尖前緣高溫熱管的啟動過程進行了詳細的理論分析，提出了一種可用于預測尖前緣高溫熱管啟動過程的工程計算方法。MARTINEZ A L[8]等對鉬鋰熱管的制造與試驗情況進行了詳細報告。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，該絲網絲徑為25 μm，是鉬類絲網中最細的。在真空環境下采用高頻感應加熱的方式對該熱管進行了啟動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 鋰熱管的開發

1.1 材料選型及結構設計

鈮基材料與鋰有著很好的相容性，鋰熱管開發的目的通常是為了超高溫條件下的優良性能。因此選擇熔點更高、高溫下力學性能非常好的鈮基合金作為管殼材料，具體牌號為Nb-1Zr。鉬與鋰也有著不錯相容性，且鉬相對于鈮來說更容易被制成稠密的網狀結構。因此，選擇鉬作為吸液芯材料，吸液芯由4層75 μm光亮鉬絲網緊密堆疊而成，絲徑為50 μm，采用電阻焊的方式緊貼熱管內壁面，為工質的回流提供足夠的毛細力。

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

充液率對熱管的性能有著很大的影響，充液率過低，會使得熱管蒸發段內出現因液體浸潤不足而導致局部干涸，出現燒干現象；充液率過高，會減弱吸液芯內液體工質毛細作用力，阻礙吸液芯內工質的流動，極易在冷凝段形成液塞，導致熱管在正常工作時出現性能下降的情況。按照經驗，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，則最終鋰充液質量為27.0 g。

1.2 鋰熱管制造工藝

鋰熱管制造的工藝過程如圖1所示。鋰熱管主要制造工藝過程按先后順序為管子清洗、組裝焊接、真空檢漏、真空高溫除氣和充液及封焊等[10]。

圖1 鋰熱管制造工藝過程

總體上來說，鋰熱管的制造工藝和常規高溫熱管制造工藝相近。但應注意的是，由于管殼為鈮合金材料，在高溫下極易被氧化[6-9]。因此，在加工過程中應著重考慮防止氧化的問題。

圖2為鋰熱管工質充裝系統示意圖。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其進行固定。鋰熱管一邊端蓋提前焊接有充液管，為工質提供充裝接口及通道，充液管材質與管殼材質相同。充裝工質時，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回流。鋰熔點為180 ℃，常溫下為固態。為了保證工質可以順利通過連接管路進入管殼，同時防止雜質氣體混入工質，需要對盛有鋰的容器進行加熱，使固態鋰轉變為液態鋰。因此，盛有鋰的容器及工質充裝管路也配備有電加熱裝置，以保證液態鋰的流動性。工質充裝過程中，管殼及鋰容器溫度是重要的監測量，使用精確測溫裝置對其進行測量，測量信號傳送至計算機系統進行轉換并顯示。使用調壓器調節工質充裝溫度，本文開發的鋰熱管工質充裝溫度設計為1 400 K。工質具體充裝步驟如下：首先，將鋰熱管管殼加熱到一定溫度，打開閥1、閥4，抽去管殼內空氣；其次，打開閥2，關閉閥4，除去鋰容器內保護氣體(氬氣)；接著，打開鋰容器電加熱裝置，升高鋰容器溫度，使鋰處于液態；最后，關閉閥1和閥2，打開閥3和閥4，用氬氣將液態鋰壓入熱管空腔內，待進入熱管空腔內液態鋰總量達到設計要求后，關閉閥4，將閥4以下充液管壓扁并將其截斷，同時對斷口進行焊接處理，以保證管殼密封性。至此，工質充裝工作全部完成。

圖2 鋰熱管工質充裝系統示意圖

2 試驗裝置及系統

2.1 試驗裝置

本文建立了鋰熱管性能試驗系統，試驗系統圖如圖3所示。整個系統由鋰熱管、加熱系統、惰性氣體保護系統及測溫系統這四部分組成。

圖3 試驗系統

鋰熱管如圖4所示，鋰熱管由管殼、上下端蓋、吸液芯及工作介質組成。管殼和上下端蓋材質都是Nb-1Zr合金，熱管空腔內的工作介質是堿金屬元素鋰，空腔設計的承壓能力是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

加熱系統采用電加熱方式進行加熱，由電源、調壓器、電參數測試儀及加熱爐等組成。電源為220 V、50 Hz單相電，允許通過的最大電流為32 A。調壓器為10 kW接觸式單相調壓器，型號為TDGC2-10。電參數測量儀型號為PM9800，最大允許負載功率為12 kW，峰值功率可達到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，可通過角度調節零件調整爐膛角度，角度調節范圍為0°～90°。

惰性氣體保護系統由氬氣置換裝置、不銹鋼法蘭、石英管等組成。

測溫系統由測溫線簇、數據采集儀及計算機組成。測溫線簇為6根Ⅱ級K型熱電偶絲測溫線，最高使用溫度為1 573 K。數據采集儀與計算機通過USB接口進行連接。測溫系統的誤差主要來自于熱電偶和數據采集儀，Ⅱ級K型熱電偶誤差為±0.75%，數據采集儀測量溫度特征值時誤差為±0.3%，則系統總誤差為±1.05%[11]。

2.2 熱電偶測點分布

鋰熱管蒸發段設計為400 mm，絕熱段為200 mm，冷凝段為400 mm。鋰熱管軸向熱電偶測點分布如圖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個熱電偶測點，且6個測點均處于同一條素線上。

圖5 鋰熱管軸向溫度測點分布

2.3 鋰熱管傳熱性能評定指標

鋰熱管總熱阻R是衡量其傳熱性能的重要指標[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。

鋰熱管蒸發段、絕熱段及冷凝段的內壁溫分別為相應外壁溫減去或加上按照一維圓筒壁面熱傳導[14-15]計算的溫降。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、外壁面溫壓也為0，即絕熱段內壁溫與絕熱段外壁溫相等。綜上，蒸發段、絕熱段和冷凝段的內壁溫分別為：

(2)

ta,i=ta,o

(3)

(4)

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

Δti=te,i-tc,i

(5)

鋰熱管壁面各測點溫度取工作狀態穩定后同一分鐘內溫度的平均值，即：

(6)

則鋰熱管的軸向溫差Δt為蒸發段平均溫度te與冷凝段平均溫度tc之差：

Δti=te-tc

(7)

由于本試驗加熱爐隔熱保溫層較厚實，且試驗全程監測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境間的對流換熱量，以電參數測量儀輸出功率Pout作為鋰熱管的實際傳熱量Q。

3 試驗結果及分析

3.1 鋰熱管啟動特性分析

本文判斷鋰熱管成功啟動的標準有兩個，且必須同時滿足。第一個標準是在同一時刻鋰熱管各部分溫度均在鋰的熔點453 K之上。鋰熱管啟動過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，則鋰熱管很可能沒有完全啟動。第二個標準是鋰熱管整個空腔內形成連續穩定的鋰蒸汽流。具體表現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相對穩定的態勢，即鋰熱管溫度對時間的一階導數無限趨近于0。本試驗規定，若在同一時刻鋰熱管各部分溫度均在453 K之上，且鋰熱管各測點溫度保持相對穩定的時間不小于10 min，則可認為鋰熱管成功啟動[16]。

圖6為水平工作鋰熱管變功率溫度響應曲線。試驗時首先從室溫下以3.0 kW的功率持續對鋰熱管進行2 h的加熱，接著分別以3.5 kW和4.0 kW的功率對鋰熱管進行0.5 h和0.7 h的加熱。可以明顯看出，在3.0 kW的加熱功率下，本文開發的鋰熱管在2 h內可以成功啟動；且在變功率加熱后，鋰熱管也能夠在非常短的時間內達到穩態；此外，在整個持續加熱過程中，鋰熱管在達到溫度平衡后，溫度曲線非常平滑。表明鋰熱管具有非常強的傳熱穩定性。

圖6 水平工作鋰熱管變功率溫度響應曲線

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。可以看出，在0.8 h后，鋰熱管溫度趨于平穩，鋰熱管成功啟動。可以知道，在從室溫下開始啟動時，鋰熱管水平工作啟動時間約為0.8 h。此時，鋰熱管絕熱段溫度約為1 150 K。可以知道，本文開發的鋰熱管啟動溫度約為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 鋰熱管穩態傳導特性

圖8為水平工作穩態時鋰熱管軸向溫度分布圖。可以明顯看出，水平工作時，本文開發的鋰熱管蒸發段(測點1、2)溫度稍高，冷凝段(測點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，但蒸發段與絕熱段的局部均溫性卻出現了下降的現象。

圖8 水平工作穩態時鋰熱管軸向溫度分布

圖9所示為水平工作時不同功率下鋰熱管穩態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，表明本文開發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隨之減小；其中，總熱阻會隨著加熱功率線性增大而線性減小，表明鋰熱管均溫性會隨著加熱功率的增大而得到顯著的提升。

圖9 水平工作時不同功率下鋰熱管穩態軸向溫差及總熱阻變化情況

4 結語

本文通過對水平狀態下鋰熱管整體熱響應過程的試驗分析，得出了水平狀態下鋰熱管的傳熱特性規律，具體如下：

(1)本文開發的鋰熱管水平狀態下啟動過程平穩，不會出現斷崖式的溫度上升或下降現象，具有較好的啟動性能，且達到穩態時均溫性良好，具備了超高溫條件下高效傳熱的條件。

(2)水平狀態下鋰熱管熱響應時間短，在變功率加熱后，鋰熱管也能夠在非常短的時間內達到穩態，且響應過程溫度變化平穩，具有較強的傳熱穩定性。

(3)在傳熱功率為3.0 kW時，水平狀態下鋰熱管約在0.8 h后開始從非穩態轉變為穩態；此時，鋰熱管整體溫度均勻且絕熱段維持在1 150 K左右，故水平狀態下鋰熱管啟動溫度約為1 150 K。