不同加熱溫度下鈉鉀合金熱管傳熱性能

賈先劍，郭　航，郭　青，閆小克，葉　芳，馬重芳

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與

過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；

2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

?

不同加熱溫度下鈉鉀合金熱管傳熱性能

賈先劍1，郭航1，郭青1，閆小克2，葉芳1，馬重芳1

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與

過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；

2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

摘要：傳熱量和傳熱系數(shù)是衡量熱管傳熱能力的重要指標(biāo)，而加熱溫度對(duì)鈉鉀合金熱管的傳熱特性有著重要的影響。文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步研究了鈉鉀合金熱管在不同加熱溫度下的傳熱特性，得到了鈉鉀合金熱管在不同加熱溫度時(shí)熱管外壁面溫度的分布規(guī)律和變化情況，計(jì)算得出鈉鉀合金熱管在不同加熱溫度時(shí)的傳熱量和傳熱系數(shù)，并給出該熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)隨加熱溫度增加時(shí)的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：熱管；鈉；鉀；傳熱量；傳熱系數(shù)

0引言

熱管是一種高效的傳遞熱量裝置，它能夠依靠工質(zhì)的相變快速高效的將熱量從熱管的蒸發(fā)段傳遞至冷凝段[1-2]。高溫?zé)峁苁侵腹ぷ鳒囟雀哂?50K的熱管。高溫?zé)峁芡ǔＲ詨A金屬作為工質(zhì)，堿金屬具有汽化潛熱大、飽和壓力小、傳熱性能高等優(yōu)點(diǎn)[3]。高溫?zé)峁芤云鋬?yōu)良的導(dǎo)熱性能，目前己在航空航天、太陽(yáng)能電站儲(chǔ)熱傳熱、高溫余熱回收和利用、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)爐等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3-4]。高溫?zé)峁艿陌l(fā)展將會(huì)促進(jìn)熱管的工業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)能夠?qū)ξ覈?guó)節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)[5]。

李桂云[6]等人通過(guò)對(duì)鈉、鉀等堿金屬的物理化學(xué)性能進(jìn)行分析，指出在室溫下為液態(tài)的鈉鉀合金更適合作為高溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)。Tarau和Anderson[7]等人證明了鈉鉀合金可變熱導(dǎo)熱管能滿(mǎn)足Stilling動(dòng)力系統(tǒng)的往復(fù)停止和啟動(dòng)，可作為系統(tǒng)的散熱裝置。捷曼爾[8]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)鈉鉀合金熱管的啟動(dòng)特性、等溫性及傳熱性能進(jìn)行研究，證明了高溫鈉鉀合金(NaK-77.8)熱管的可行性和實(shí)用性。馮踏青[9]等從理論和實(shí)驗(yàn)為鈉鉀合金熱管的工業(yè)應(yīng)用提供了有力依據(jù)。Wang[10]等人采用有限元法數(shù)值模擬了鈉鉀合金熱管在熔鹽反應(yīng)堆中的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明鈉鉀合金熱管能夠高效的移走熔鹽反應(yīng)堆中的余熱。郭青[11]等人實(shí)驗(yàn)研究了傾角對(duì)鈉鉀合金(NaK-55)熱管啟動(dòng)性能的影響。

文中在定溫加熱鈉鉀合金熱管蒸發(fā)段、冷卻水強(qiáng)迫對(duì)流冷卻熱管冷凝段的情況下，對(duì)鈉鉀合金熱管的傳熱特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)主要研究在400、500、550、600、650、675、700 ℃的加熱溫度下，熱管壁面溫度的分布規(guī)律和變化情況，然后計(jì)算得出熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由鈉鉀合金熱管、控溫加熱系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)組成。

1.恒溫水槽；2.鈉鉀合金熱管；3.T型熱電偶；4.硅酸鋁保溫棉；5.加熱爐；6.冷卻水套；7.K型熱電偶；8.電腦；9.安捷倫數(shù)據(jù)采集器；10.溫度控制器圖1　鈉鉀合金熱管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2　熱管壁面溫度測(cè)點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)采用的是一支鈉鉀合金重力熱管，熱管所選用的工質(zhì)是NaK-55，熱管長(zhǎng)為1 000 mm，內(nèi)徑20 mm，外徑25 mm。控溫加熱系統(tǒng)主要由電加熱爐和溫度控制器兩部分組成。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要由自主設(shè)計(jì)加工的冷卻水套、恒溫水槽、送水泵、流量調(diào)節(jié)閥、管道等元件組成。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測(cè)溫元件(熱電偶)、安捷倫數(shù)據(jù)采集器、電腦組成。實(shí)驗(yàn)中所用的熱電偶均由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院標(biāo)定后使用。實(shí)驗(yàn)所用的保溫材料是耐高溫且導(dǎo)熱系數(shù)非常低的硅酸鋁保溫棉。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持熱管與地面垂直，熱管的蒸發(fā)段長(zhǎng)度為580 mm，絕熱段長(zhǎng)度為90 mm，冷凝段長(zhǎng)度為330 mm。如圖2所示，在熱管的外壁面共布置10根K型熱電偶，并依次編號(hào)。

1.2傳熱量和傳熱系數(shù)計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法主要依據(jù)GB/T14812-2008《熱管傳熱性能試驗(yàn)方法》。熱管的傳熱量按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：G為冷卻水的質(zhì)量流量，單位為千克每秒(kg/s)；cp為冷卻水在常壓下的比熱，單位為焦耳每千克攝氏度[J/(kg·℃)]；T1為冷卻水進(jìn)冷卻水套溫度，單位為攝氏度(℃)；T2為冷卻水出冷卻水套溫度，單位為攝氏度(℃)。

熱管的傳熱系數(shù)按公式(2)[12]計(jì)算。

(2)

式中：A為熱管的橫截面積，單位為平方米(m2)；ΔT為熱管壁面測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)10的溫差，單位為攝氏度(℃)。

2結(jié)果與討論

2.1熱管軸向溫度分布和變化情況

圖3為熱管在不同加熱溫度下，熱管壁面軸向溫度分布情況。圖3中各測(cè)點(diǎn)的溫度是在熱管壁面溫度穩(wěn)定的情況下，取十分鐘內(nèi)測(cè)量值的平均值。圖4-5分別為熱管加熱溫度為550 ℃和700 ℃時(shí)，熱管壁面各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖3　不同爐溫下，熱管壁面溫度分布情況

由圖3可知，熱管在加熱溫度為400 ℃和500 ℃時(shí)，冷凝段測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9以及測(cè)點(diǎn)10的溫度與室溫保持一致，沒(méi)有升高。當(dāng)加熱溫度高于550 ℃時(shí)，熱管壁面各測(cè)點(diǎn)溫度均出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)，如圖4和圖5所示。這里的波動(dòng)現(xiàn)象與郭青[13]等人文中提到的波動(dòng)現(xiàn)象類(lèi)似，主要是因?yàn)闊峁苷舭l(fā)段的工質(zhì)在蓄熱之后，達(dá)到一定的溫度和壓力瞬間傳遞到熱管的冷凝段所致。熱管冷凝段溫度的升高也說(shuō)明了熱管內(nèi)部蒸發(fā)段的鈉鉀合金工質(zhì)已經(jīng)可以傳遞到熱管的冷凝段，并攜帶熱量使熱管的冷凝段溫度升高。在蒸發(fā)段加熱溫度由550 ℃升高至700 ℃時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度的升高，熱管冷凝段各測(cè)點(diǎn)溫度均有一定的升高，熱管冷凝段溫度遠(yuǎn)高于室溫，且冷凝段測(cè)點(diǎn)10最高平均溫度可達(dá)到135 ℃。這是由于，隨著蒸發(fā)段加熱溫度的升高，蒸發(fā)段內(nèi)鈉鉀合金工質(zhì)的蓄熱速度越來(lái)越快，促進(jìn)了蒸發(fā)段內(nèi)鈉鉀合金工質(zhì)的相變，使熱量能夠更快的傳遞到熱管冷凝段。同時(shí)，流動(dòng)到冷凝段內(nèi)的飽和蒸汽越多，飽和蒸汽覆蓋冷凝段內(nèi)的換熱面積也越大，更利于熱管的傳熱。因此，在該加熱溫度范圍內(nèi)，熱管蒸發(fā)段加熱溫度的提高，利于蒸汽的產(chǎn)生以及流動(dòng)。

圖4　爐溫550 ℃時(shí)，熱管壁面溫度變化情況

圖5　爐溫700 ℃時(shí)，熱管壁面溫度變化情況

在冷卻水強(qiáng)迫對(duì)流冷卻熱管冷凝段的實(shí)驗(yàn)條件下，沿著鈉鉀合金熱管軸向，熱管冷凝段與蒸發(fā)段和絕熱段之間存在很大溫差。這主要是因?yàn)槔鋮s水強(qiáng)迫對(duì)流的傳熱系數(shù)很高，能夠快速高效的帶走熱管冷凝段的熱量。熱管蒸發(fā)段內(nèi)飽和蒸汽在到達(dá)冷凝段后，蒸汽在冷卻水冷卻冷凝段的作用下，快速釋放出潛熱，由汽體相變?yōu)橐合?，然后在重力的作用下，重新回流到熱管的蒸發(fā)段。因此在冷卻水強(qiáng)迫對(duì)流冷卻熱管的條件下，鈉鉀合金工質(zhì)還未能大量流動(dòng)到冷凝段頂端時(shí)已被冷凝段循環(huán)冷卻水冷凝為液態(tài)而回流至蒸發(fā)段，從而導(dǎo)致熱管冷凝段，尤其是冷凝段頂部的溫度一直處于一個(gè)比較低的狀態(tài)。

2.2熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)

熱管傳熱量是按照文中公式(1)計(jì)算得出的。如圖6所示，是鈉鉀合金熱管的傳熱量隨加熱溫度變化的情況。加熱溫度由400 ℃升至700 ℃時(shí)，隨著加熱溫度升高，鈉鉀合金熱管的傳熱量由8.5 W上升到1205.6 W。

由圖6可知，當(dāng)加熱溫度為400、500 ℃時(shí)，熱管的傳熱量很小。從圖3也可以看出，當(dāng)加熱溫度為400、500 ℃時(shí)，熱管冷凝段的溫度與室溫一致，沒(méi)有升高，這也是造成熱管傳熱量很小的直接原因。當(dāng)熱管在加熱溫度為400、500 ℃時(shí)，熱管內(nèi)部的鈉鉀合金工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽壓力很低，沒(méi)有足夠的壓力差使鈉鉀合金工質(zhì)到達(dá)熱管的冷凝段，因此熱管冷凝段內(nèi)部基本處于真空狀態(tài)[9]，從而無(wú)法將熱管蒸發(fā)段的熱量傳遞到熱管的冷凝段，這是熱管冷凝段溫度無(wú)法升高以及熱管傳熱量很低的根本原因。

由圖6可知，當(dāng)加熱溫度高于550 ℃時(shí)，熱管的傳熱量隨著加熱溫度的升高，呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)。由圖3也可以看出，當(dāng)加熱溫度高于550 ℃時(shí)，熱管的冷凝段的溫度已經(jīng)有明顯的提高，這也是熱管傳熱量急劇上升的直接原因。當(dāng)加熱溫度高于550 ℃時(shí)，熱管內(nèi)部的鈉鉀合金工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽壓力可以使鈉鉀合金蒸汽到達(dá)熱管的冷凝段，熱管內(nèi)部工質(zhì)已經(jīng)形成連續(xù)流狀態(tài)，從而將熱管蒸發(fā)段的熱量傳遞到熱管冷凝段，這是熱管冷凝段溫度升高和熱管傳熱量提高的根本原因。

傳熱系數(shù)是衡量熱管傳熱性能的重要參數(shù)之一，文中熱管的傳熱系數(shù)是按照公式(2)計(jì)算得出的。如圖7所示，是鈉鉀合金熱管傳熱系數(shù)隨加熱溫度變化的情況。加熱溫度由400 ℃升至700 ℃時(shí)，隨著加熱溫度的提高，熱管的傳熱系數(shù)由74.3 W/(m2·℃)上升到8077.6 W/(m2·℃)。

圖6　熱管傳熱量隨加熱溫度的變化情況

圖7　熱管傳熱系數(shù)隨溫度的變化情況

從圖6和圖7可以看出，熱管的傳熱系數(shù)和傳熱量的上升趨勢(shì)基本保持一致。這是因?yàn)殡S著加熱溫度的提高，熱管的傳熱量有了明顯的提高，熱管壁面軸向溫度分布越來(lái)越趨于均勻，但是熱管壁面測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)10的溫差變化不是很大，因此熱管的傳熱量成為熱管傳熱系數(shù)的最重要影響因素。

3結(jié)束語(yǔ)

(1)在冷卻水冷卻鈉鉀合金熱管冷凝段的情況下，熱管冷凝段溫度始終較低。加熱溫度低于500 ℃時(shí)，熱管冷凝段無(wú)明顯溫升。當(dāng)加熱溫度由500 ℃升高至700 ℃時(shí)，熱管冷凝段頂端溫度明顯從室溫上升至135 ℃。

(2)在400～700 ℃范圍內(nèi)，隨著加熱溫度的升高，熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)逐步增大。當(dāng)加熱溫度低于500 ℃時(shí)，熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)緩慢增加；當(dāng)加熱溫度高于550 ℃時(shí)，熱管的傳熱量和傳熱系數(shù)都有大幅增加。

(3)加熱溫度由400 ℃升至700 ℃時(shí)，隨著加熱溫度的升高，鈉鉀合金熱管的傳熱量由8.5 W上升到1205.6 W，傳熱系數(shù)由74.3 W/(m2·℃)上升到8 077.6 W/(m2·℃)。文中證明了鈉鉀合金熱管在高溫下具備較強(qiáng)的傳熱能力和較高的傳熱系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Amir Faghri. Heat Pipe Science and Technology[M]. England: Taylor & Francis Group, 1994.

[2]李永贊, 胡明輔, 李勇. 熱管技術(shù)的研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2008, 6: 45-48.

[3]曲偉. 高溫?zé)峁芗俺邷責(zé)峁艿难芯窟M(jìn)展[C]. 第十二屆全國(guó)熱管論文文集, 深圳, 2010.

[4]馮踏青, 屠傳經(jīng). 液態(tài)金屬高溫?zé)峁芙Y(jié)構(gòu)材料與工質(zhì)相容性研究[J]. 能源工程, 1997, 2: 16-19.

[5]趙蔚琳, 劉宗明, 李樹(shù)人. 高溫?zé)峁艿难芯颗c發(fā)展[J]. 石油化工設(shè)備, 2005, 34(4): 40-44.

[6]李桂云, 屠進(jìn). 高溫?zé)峁芄べ|(zhì)的選擇[J]. 節(jié)能技術(shù), 2001, 19(1): 42-44.

[7]Tarau Calin, William G Aderson, Walker Kara. NaK variable conductance heat pipe for radioisotope Stirling systems[C]. 6th International Energy Conversion Engineering Conference, IECEC, 2008, 679-688.

[8]捷曼爾M G, 胡亞才, 馮踏青,等. 鈉鉀合金高溫?zé)峁苄阅茉囼?yàn)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào). 1999, 33(4): 414-417.

[9]馮踏青. 液態(tài)金屬高溫?zé)峁艿睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究[D]. 浙江: 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院, 1988.

[10]Wang Cheng-Long. Transient behavior of the sodium-potassium alloy heat pipe in passive residual heat removal system of molten salt reactor[J]. Progress in Nuclear Energy, 2013, 68: 142-152.

[11]郭青, 郭航, 閆小克. 鈉鉀合金熱管啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 2508-2512.

[12]趙蔚琳, 莊俊, 張紅. 蒸發(fā)段長(zhǎng)度與充液量對(duì)鈉熱管啟動(dòng)過(guò)程的影響[J]. 化工機(jī)械, 2003,30(5): 259-262.

[13]郭青. 鈉鉀合金高溫?zé)峁軉?dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2013.

Heat Transfer Performance of the Sodium-potassium Alloy Heat Pipe under Different Heating Temperatures

JIA Xian - jian1, GUO Hang1, GUO Qing1, YAN Xiao - ke2, YE Fang1, MA Chong - fang1

(1. MOE Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, and Beijing Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

Abstract:Heat transfer capacity and heat transfer coefficient are important indexes for evaluating the heat transfer performance of heat pipes. Heating temperature has a great influence on the characteristics of the sodium-potassium alloy heat pipe. This paper shows a preliminary experimental investigation on the heat transfer characteristics of the sodium-potassium alloy heat pipe under different heating temperatures. The outside wall temperature distributions and variation rules of the sodium-potassium alloy heat pipe were obtained. The calculated results illustrate variation rules of the heat transfer capacity and heat transfer coefficient with the increase of the heating temperature.

Key words:Heat pipe; Sodium; Potassium; Heat transfer capacity; Heat transfer coefficient

中圖分類(lèi)號(hào)：TK-17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-3230(2016)03-0007-05

作者簡(jiǎn)介：賈先劍(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閺?qiáng)化傳熱傳質(zhì)理論與工程應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK357)

收稿日期：2016-02-10

修訂日期：2016-02-27

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.002