低溫脈動熱管在超導電纜制冷系統應用的可行性分析

朱紅亮

（富通集團（天津）超導技術應用有限公司，天津市超導電纜應用企業重點實驗室，天津 300384）

引言

超導電纜制冷系統為電纜提供77 K的工作溫區，避免熱負荷積聚使系統溫度超過超導電纜臨界溫度。因此，制冷系統導熱效率，直接決定超導電纜穩定運行。傳統無氧銅導熱換熱系數小，要求換熱面積大，造成制冷系統體積龐大，空間利用率不高。隨著超導電纜應用的逐步發展，傳統無氧銅導熱已無法滿足要求。

1 熱管技術

1.1 熱管工作原理

熱管的工作原理如圖1所示。低溫工質在蒸發段受熱汽化，經絕熱段溫度不變，再經冷凝段后降溫冷卻釋放潛熱凝結液體，經重力落回到蒸發段再吸熱汽化[1]。熱管導熱不需外界做功，具有傳熱效率高，導熱系數大等優點。

圖1 熱管的工作原理

1.2 熱管的分類

按工作溫度，熱管分為4類：

（1）低溫熱管。工作溫區為200 K≥T＞0，通常采用氦、氬、氮等為液體工質。廣泛應用在航天器冷屏、光學元件表面處理等各種制冷技術中。

（2）常溫熱管。工作溫區為500 K≥T＞200 K，工質通常為水、酒精、丙酮等。

（3）中溫熱管。工作溫區為750 K≥T＞500 K，工質可以采用水銀、硫、銫等。

（4）高溫熱管。工作溫區為T＞750 K，液體工質為鉀、鈉、鋰等高沸點液態金屬。這些液態金屬導熱性能極高，當溫度高于1000 K時，需用真空或惰性氣體保護。

1.3 低溫脈動熱管技術簡介

脈動熱管工作原理如圖2所示。脈動熱管呈U型往復連接，在抽取出真空后，按一定比例盡量充分引入處于低溫狀態的工質，蒸發段工質吸收大量的負荷熱量，快速蒸發后陸續形成大量氣泡,形成均勻的、有一定間隔的工質液柱和氣態塞柱，蒸發段的壓力逐漸增加并達到穩態，此時，蒸發段的壓力大于冷凝段的壓力，為工質流動提供動能。脈動熱管不同區間的蒸發段的蒸發過程不同時進行，管道與管道間會進一步形成壓力差，使低溫工質由一個彎頭流向下一個彎頭，形成了低溫工質循環流動的往復力。因此形成了熱負荷的高效傳輸及冷卻過程。

圖2 脈動熱管工作原理圖

2 無氧銅盤管與低溫脈動熱管傳導效率的計算

假設超導電纜系統產生1000 W漏熱量，分別計算無氧銅盤管與低溫液氮脈動熱管的傳導效率，在超導電纜過冷箱內，實現77 K至70 K的熱量傳遞，比較其導熱效率即可判斷低溫脈動熱管在超導電纜系統應用的可能性。無氧銅盤管與低溫脈動熱管導熱狀況如圖3所示。

圖3 無氧銅盤管與低溫脈動熱管導熱分析圖

2.1 無氧銅盤管傳導效率的計算

由格拉曉夫公式得：

式中，體脹系數av=5.65；ΔT為無氧銅盤管溫差；L為無氧銅有效長度。

由怒謝爾計算公式得：

最終得出換熱系數：

2.2 低溫脈動熱管導熱效率計算

式中，Q為蒸發段的加熱量；ΔT為兩段溫差；Le為長度；S為截面積之和。

式中，Din為內徑；σ為表面張力；ρl和ρv分別為工質在液相和氣相時的密度。

2.3 計算結果

將計算結果列于表1。從表1可知，單位換熱面積下，低溫脈動熱管的換熱效率約為無氧銅盤管的6倍。

表1 參數對比

3 結束語

綜上所述，低溫脈動熱管能夠提高超導電纜制冷系統的傳熱效率，有效導熱系數大約是相同直徑的無氧銅盤管的6倍，為超導電纜制冷方法提供一個新的可行方案。