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.北京工業大學環境與能源工程學院傳熱強化與

過程節能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京 100124；

2.中國計量科學研究院，北京 100013)

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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.北京工業大學環境與能源工程學院傳熱強化與

過程節能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京 100124；

2.中國計量科學研究院，北京 100013)

摘要：傳熱量和傳熱系數是衡量熱管傳熱能力的重要指標，而加熱溫度對鈉鉀合金熱管的傳熱特性有著重要的影響。文章通過實驗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熱管外壁面溫度的分布規律和變化情況，計算得出鈉鉀合金熱管在不同加熱溫度時的傳熱量和傳熱系數，并給出該熱管的傳熱量和傳熱系數隨加熱溫度增加時的變化規律。

關鍵詞：熱管；鈉；鉀；傳熱量；傳熱系數

0引言

熱管是一種高效的傳遞熱量裝置，它能夠依靠工質的相變快速高效的將熱量從熱管的蒸發段傳遞至冷凝段[1-2]。高溫熱管是指工作溫度高于750K的熱管。高溫熱管通常以堿金屬作為工質，堿金屬具有汽化潛熱大、飽和壓力小、傳熱性能高等優點[3]。高溫熱管以其優良的導熱性能，目前己在航空航天、太陽能電站儲熱傳熱、高溫余熱回收和利用、斯特林發動機、工業爐等領域發揮著重要作用[3-4]。高溫熱管的發展將會促進熱管的工業化應用，同時能夠對我國節能環保事業做出巨大貢獻[5]。

李桂云[6]等人通過對鈉、鉀等堿金屬的物理化學性能進行分析，指出在室溫下為液態的鈉鉀合金更適合作為高溫熱管的工質。Tarau和Anderson[7]等人證明了鈉鉀合金可變熱導熱管能滿足Stilling動力系統的往復停止和啟動，可作為系統的散熱裝置。捷曼爾[8]等人通過實驗對鈉鉀合金熱管的啟動特性、等溫性及傳熱性能進行研究，證明了高溫鈉鉀合金(NaK-77.8)熱管的可行性和實用性。馮踏青[9]等從理論和實驗為鈉鉀合金熱管的工業應用提供了有力依據。Wang[10]等人采用有限元法數值模擬了鈉鉀合金熱管在熔鹽反應堆中的動態特性，結果表明鈉鉀合金熱管能夠高效的移走熔鹽反應堆中的余熱。郭青[11]等人實驗研究了傾角對鈉鉀合金(NaK-55)熱管啟動性能的影響。

文中在定溫加熱鈉鉀合金熱管蒸發段、冷卻水強迫對流冷卻熱管冷凝段的情況下，對鈉鉀合金熱管的傳熱特性進行研究。實驗主要研究在400、500、550、600、650、675、700 ℃的加熱溫度下，熱管壁面溫度的分布規律和變化情況，然后計算得出熱管的傳熱量和傳熱系數。

1實驗系統及方法

1.1實驗系統

如圖1所示，實驗系統主要由鈉鉀合金熱管、控溫加熱系統、冷卻水循環系統、數據采集系統、保溫系統組成。

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.安捷倫數據采集器；10.溫度控制器圖1　鈉鉀合金熱管實驗系統圖

圖2　熱管壁面溫度測點分布

實驗采用的是一支鈉鉀合金重力熱管，熱管所選用的工質是NaK-55，熱管長為1 000 mm，內徑20 mm，外徑25 mm。控溫加熱系統主要由電加熱爐和溫度控制器兩部分組成。冷卻水循環系統主要由自主設計加工的冷卻水套、恒溫水槽、送水泵、流量調節閥、管道等元件組成。實驗的數據采集系統主要由測溫元件(熱電偶)、安捷倫數據采集器、電腦組成。實驗中所用的熱電偶均由中國計量科學研究院標定后使用。實驗所用的保溫材料是耐高溫且導熱系數非常低的硅酸鋁保溫棉。實驗過程中，保持熱管與地面垂直，熱管的蒸發段長度為580 mm，絕熱段長度為90 mm，冷凝段長度為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。

1.2傳熱量和傳熱系數計算方法

實驗的實驗方法主要依據GB/T14812-2008《熱管傳熱性能試驗方法》。熱管的傳熱量按公式(1)計算。

(1)

式中：G為冷卻水的質量流量，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(℃)。

熱管的傳熱系數按公式(2)[12]計算。

(2)

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

2結果與討論

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中各測點的溫度是在熱管壁面溫度穩定的情況下，取十分鐘內測量值的平均值。圖4-5分別為熱管加熱溫度為550 ℃和700 ℃時，熱管壁面各測點溫度隨時間的變化情況。

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，冷凝段測點8、測點9以及測點10的溫度與室溫保持一致，沒有升高。當加熱溫度高于550 ℃時，熱管壁面各測點溫度均出現有規律的波動，如圖4和圖5所示。這里的波動現象與郭青[13]等人文中提到的波動現象類似，主要是因為熱管蒸發段的工質在蓄熱之后，達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明了熱管內部蒸發段的鈉鉀合金工質已經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。在蒸發段加熱溫度由550 ℃升高至700 ℃時，可以發現隨著加熱溫度的升高，熱管冷凝段各測點溫度均有一定的升高，熱管冷凝段溫度遠高于室溫，且冷凝段測點10最高平均溫度可達到135 ℃。這是由于，隨著蒸發段加熱溫度的升高，蒸發段內鈉鉀合金工質的蓄熱速度越來越快，促進了蒸發段內鈉鉀合金工質的相變，使熱量能夠更快的傳遞到熱管冷凝段。同時，流動到冷凝段內的飽和蒸汽越多，飽和蒸汽覆蓋冷凝段內的換熱面積也越大，更利于熱管的傳熱。因此，在該加熱溫度范圍內，熱管蒸發段加熱溫度的提高，利于蒸汽的產生以及流動。

圖4　爐溫550 ℃時，熱管壁面溫度變化情況

圖5　爐溫700 ℃時，熱管壁面溫度變化情況

在冷卻水強迫對流冷卻熱管冷凝段的實驗條件下，沿著鈉鉀合金熱管軸向，熱管冷凝段與蒸發段和絕熱段之間存在很大溫差。這主要是因為冷卻水強迫對流的傳熱系數很高，能夠快速高效的帶走熱管冷凝段的熱量。熱管蒸發段內飽和蒸汽在到達冷凝段后，蒸汽在冷卻水冷卻冷凝段的作用下，快速釋放出潛熱，由汽體相變為液相，然后在重力的作用下，重新回流到熱管的蒸發段。因此在冷卻水強迫對流冷卻熱管的條件下，鈉鉀合金工質還未能大量流動到冷凝段頂端時已被冷凝段循環冷卻水冷凝為液態而回流至蒸發段，從而導致熱管冷凝段，尤其是冷凝段頂部的溫度一直處于一個比較低的狀態。

2.2熱管的傳熱量和傳熱系數

熱管傳熱量是按照文中公式(1)計算得出的。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，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，當加熱溫度為400、500 ℃時，熱管的傳熱量很小。從圖3也可以看出，當加熱溫度為400、500 ℃時，熱管冷凝段的溫度與室溫一致，沒有升高，這也是造成熱管傳熱量很小的直接原因。當熱管在加熱溫度為400、500 ℃時，熱管內部的鈉鉀合金工質產生的蒸汽壓力很低，沒有足夠的壓力差使鈉鉀合金工質到達熱管的冷凝段，因此熱管冷凝段內部基本處于真空狀態[9]，從而無法將熱管蒸發段的熱量傳遞到熱管的冷凝段，這是熱管冷凝段溫度無法升高以及熱管傳熱量很低的根本原因。

由圖6可知，當加熱溫度高于550 ℃時，熱管的傳熱量隨著加熱溫度的升高，呈現急劇上升的趨勢。由圖3也可以看出，當加熱溫度高于550 ℃時，熱管的冷凝段的溫度已經有明顯的提高，這也是熱管傳熱量急劇上升的直接原因。當加熱溫度高于550 ℃時，熱管內部的鈉鉀合金工質產生的蒸汽壓力可以使鈉鉀合金蒸汽到達熱管的冷凝段，熱管內部工質已經形成連續流狀態，從而將熱管蒸發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。

傳熱系數是衡量熱管傳熱性能的重要參數之一，文中熱管的傳熱系數是按照公式(2)計算得出的。如圖7所示，是鈉鉀合金熱管傳熱系數隨加熱溫度變化的情況。加熱溫度由400 ℃升至700 ℃時，隨著加熱溫度的提高，熱管的傳熱系數由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，熱管的傳熱系數和傳熱量的上升趨勢基本保持一致。這是因為隨著加熱溫度的提高，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越趨于均勻，但是熱管壁面測點1和測點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的最重要影響因素。

3結束語

(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，熱管冷凝段無明顯溫升。當加熱溫度由500 ℃升高至700 ℃時，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，隨著加熱溫度的升高，熱管的傳熱量和傳熱系數逐步增大。當加熱溫度低于500 ℃時，熱管的傳熱量和傳熱系數緩慢增加；當加熱溫度高于550 ℃時，熱管的傳熱量和傳熱系數都有大幅增加。

(3)加熱溫度由400 ℃升至700 ℃時，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的傳熱能力和較高的傳熱系數。

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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

中圖分類號：TK-17

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0007-05

作者簡介：賈先劍(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向為強化傳熱傳質理論與工程應用。

基金項目：國家質檢總局科技計劃項目(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