熱管測試設備高功率試驗問題和解決措施

梅華平, 段成君,胡崇舉,2,劉 健,2,余大利,何梅生, 李桃生,2

(1.中國科學院 合肥物質研究院核能安全技術研究所,安徽 合肥 230031;2.中國科學技術大學,安徽 合肥 230027)

液態金屬熱管具有非能動的特性,無需其他動力機械進行熱能輸送,系統簡單輕量、傳熱能力強,此外熱管之間相互獨立,可避免單點失效,提供冗余安全保障,因此液態金屬高溫熱管是空間核反應堆電源堆芯熱傳輸系統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的Kilopower空間堆電源[6]。Kilopower反應堆熱功率為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,堆芯產生的熱量由布置在燃料外圍的8根非能動液態金屬Na熱管載出,反應堆設計滿功率工作壽命不低于15年[7-10]。Kilopower的成功運行有效促進了液態金屬熱管在微型熱管堆中的應用與發展。

為了獲得液態金屬高溫熱管啟動性能和熱傳輸性能,并掌握熱管堆堆芯熱工特性,課題組設計開發了高溫熱管測試設備,在該設備調試過程中,面臨了系統熱傳輸功率不高的問題,為此,課題組探討了可能影響設備熱傳輸功率的各種因素并通過采取改進措施,最終實現了目標熱傳輸功率。

1 熱管測試設備介紹

熱管測試設備由高溫熱管、加熱系統、保護系統、冷卻系統、數據采集與溫度控制系統、電氣系統和支撐臺架組成。設備實物如圖1所示,主要設計參數見表1。設備的基本工作過程為:利用感應加熱線圈對液態金屬熱管蒸發段進行加熱,感應加熱線圈由感應加熱電源進行供電,加熱線圈銅管內部有循環的去離子水進行冷卻;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行冷卻,通過監測水冷凝器進出口的水溫和冷卻水流量,計算獲得設備的熱傳輸功率;為了保證測試實驗過程的安全,根據需要在熱管外壁不同位置焊接有測溫熱電偶對系統狀態進行監控。

表1 主要設計參數

圖1 熱管測試設備

2 設備高功率試驗面臨的問題

熱管測試設備調試過程中,出現了系統總熱傳輸功率不高的問題。課題組通過調研分析和實驗觀察可能影響系統傳熱的各種因素[11-15],總結了影響設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,課題開展了設備的高功率傳熱試驗,試驗過程使用的感應加熱電源型號為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。為了實現設備的目標總傳熱功率10 kW,試驗過程采用了4根的鈉熱管棒束開展實驗。

3 試驗結果與討論

3.1 感應電源輸出功率

調節增加感應加熱電源的輸出功率,可最直接提升熱管的蒸發段溫度和設備傳熱功率。在電源直流電壓恒定575 V、使用內徑100 mm的加熱線圈情況下,對比了不同振蕩電流參數對熱管蒸發段溫度的影響,結果如圖2所示。圖2中個別線條未完全連接是因為實驗中出現了熱電偶斷點,可以看出,隨振蕩電流增加,熱管蒸發段溫度總體升高。試驗中,由于感應加熱電源能力不足,電源可實現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,系統傳熱功率還有很大提升空間。

圖2 輸出功率對熱管蒸發段溫度的影響

3.2 添加鐵磁性輔助負載

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

圖3 輔助負載對熱管蒸發段溫度的影響

3.3 感應加熱線圈軟連接長度

在感應加熱電源直流電壓575 V、加熱線圈內徑100 mm的情況下,對比了感應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,結果見表3。可看出在相同的電源參數下,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

在感應加熱電源直流電壓575 V、加熱線圈內徑100 mm的情況下,對比了兩種不同電流參數下水冷凝器進出口冷卻劑流量對傳熱功率的影響,結果見表4。發現在相同的電源參數下,水冷凝器進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

在感應加熱電源直流電壓575 V、振蕩電流260 A、加熱線圈內徑100 mm的情況下,探討了鈉熱管冷凝段與水冷凝器間隙內填充空氣和導熱硅脂兩種不同接觸媒介對傳熱功率的影響,試驗中使用的導熱硅脂為AOQ-G300導熱硅脂,試驗結果見表5。發現與空氣相比,熱管冷凝段與水冷凝器間隙內填充硅脂時,設備的傳輸功率反而下降,分析原因認為是由于硅脂的導熱系數遠高于空氣,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 熱管蒸發段絕熱條件

試驗中發現,感應加熱線圈冷卻水出口溫度較高,初步判斷實驗中負載感應加熱后產生的熱能,很大一部分被感應加熱線圈內部的冷卻水帶走,因此在感應加熱線圈冷卻水管道加裝了水溫和流量測量,并開展了熱管蒸發段與感應加熱線圈間隙填充陶瓷纖維絕熱材料的試驗,為了實現更大的絕熱層厚度進而保證更好的絕熱效果,添加陶瓷纖維絕熱材料的試驗使用了內徑110 mm的加熱線圈,實驗過程電源直流電壓為575 V,試驗結果見表6。可以看出,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段與感應加熱線圈的間隙填充絕熱材料,可以顯著降低感應加熱線圈冷卻水帶走的熱量,從而實現熱管測試平臺更大的傳熱功率。此外從表6還可以發現加熱線圈內徑增加,會造成負載系統的總發熱功率下降。

表6 絕熱條件對傳輸功率的影響

3.7 感應加熱線圈尺寸

在熱管蒸發段絕熱條件實驗中,發現了加熱線圈內徑增加會造成負載系統總發熱功率下降的現象,而為了實現熱管測試平臺具有高的傳熱功率,需要設計負載系統高發熱能力同時降低加熱線圈冷卻水帶走熱量的情況。為此,課題組調研了具有更強絕熱能力的航空工業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段與感應加熱線圈間隙的情況下,開展了兩種不同感應加熱線圈尺寸下的試驗,結果見表7。可以看出,感應加熱線圈尺寸減小,可以顯著提高設備的傳熱功率,在感應加熱線圈內徑尺寸為90 mm時,實現了設備傳熱功率大于等于10 kW的設計目標。考慮到感應加熱線圈變小后,可填充在熱管蒸發段與感應加熱線圈間隙的絕熱材料厚度很大程度上被減薄,絕熱能力實際下降,因此設備傳熱功率的提高應歸因于加熱線圈減小后負載在感應線圈的作用下產生的熱量極大增加。此外對比表6、表7數據,還可以看出,氣凝膠氈絕熱材料的絕熱性能一定程度上優于了陶瓷纖維材料。

表7 線圈尺寸對傳輸功率的影響

4 結 論

針對實驗室研制的高溫熱管測試設備總熱傳輸功率不高的問題,課題組從感應電源輸出功率、鐵磁性輔助負載添加量、感應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、熱管蒸發段絕熱條件、感應加熱線圈尺寸等多個方面進行了研究,主要結論如下:

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

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

(3)熱管冷凝段與水冷凝器間隙內填充硅脂媒介時,設備的傳輸功率下降,造成這一現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)熱管蒸發段的絕熱條件和感應加熱線圈尺寸對設備的總傳熱功能功率有顯著影響,通過在熱管蒸發段與感應加熱線圈的間隙填充絕熱材料,可以顯著降低加熱線圈內部冷卻水帶走的熱量,通過使用內徑尺寸更小的感應加熱線圈,可以使負載在感應線圈的作用下產生的熱量顯著增加。