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      汞熱管研究和應(yīng)用發(fā)展情況

      2021-07-29 05:58:57衛(wèi)光仁薛松齡
      科技視界 2021年19期
      關(guān)鍵詞:吸液潛熱蒸氣

      衛(wèi)光仁 閆 傲 薛松齡

      (中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

      0 引言

      熱管技術(shù)起源于美國(guó)Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的George Grover 發(fā)明的一種傳熱元件[1],是人們所知的最有效的傳熱元件之一,它充分利用熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速傳遞性質(zhì),將大量熱量通過(guò)很小的截面遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需動(dòng)力,因?yàn)椋瑹峁苁且詽摕岬男问竭M(jìn)行傳熱,所以,其傳導(dǎo)熱量的能力遠(yuǎn)超任何已知金屬。 隨著科技水平的不斷提高,熱管的研究應(yīng)用范圍不斷拓寬,各種類型熱管廣泛應(yīng)用于航天、核工業(yè)、化工、電子信息等領(lǐng)域。

      汞在523~873K 溫度范圍內(nèi)具有很好的熱力性能,是傳輸性能較好的工質(zhì),汞熱管成為熱管領(lǐng)域前沿研究方向之一[2]。 熱管選用工質(zhì)的溫度上限受限于相應(yīng)的飽和蒸汽壓力,壓力對(duì)熱管的強(qiáng)度要求具有決定性的影響,而汞熱管具有很低的飽和蒸氣壓[3]。 按照熱管的運(yùn)行溫度進(jìn)行分類可分成4~200K 范圍的低溫?zé)峁埽?00~700K 范圍的中溫?zé)峁芤约?00K 以上的高溫?zé)峁堋?中高溫?zé)峁艿墓ぷ鹘橘|(zhì)均是液態(tài)金屬,對(duì)于追求高性能的航天、核工業(yè)等尖端領(lǐng)域,汞熱管的研究使用不可或缺, 但汞熱管的加工制造極其困難,且汞蒸氣的泄露會(huì)對(duì)人體造成極大傷害,因此,汞熱管沒有得到廣泛的應(yīng)用。

      1 汞的性質(zhì)及蒸發(fā)相變效應(yīng)

      汞是銀白色閃亮的重質(zhì)液體, 常溫下即可蒸發(fā),汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒。 汞外部有80 個(gè)電子,最外層的軌道上有2 個(gè)電子, 可稱為惰性電子對(duì),他們的存在使得汞原子無(wú)論獲得或失去電子都需要很高的能量,這一點(diǎn)使其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不溶于酸也不溶于堿。

      液體的揮發(fā)性和飽和蒸氣壓成正比,與其他金屬相比,汞具有很大揮發(fā)性。 表層的液體分子都具有向外部逃逸的趨勢(shì),當(dāng)分子逃脫控制范圍,變成氣體分子的一部分,這些氣體又會(huì)反過(guò)來(lái)作用在液體上產(chǎn)生壓強(qiáng),達(dá)到平衡時(shí)這種壓強(qiáng)即為飽和蒸氣壓。 汞原子間作用力較小,會(huì)很容易脫離變成氣體,脫離的越多,飽和蒸氣壓就越大,這是汞易揮發(fā)的原因。

      2 汞熱管的基本特性及工質(zhì)的選擇

      2.1 汞熱管的基本特性

      汞在523~873K 溫度范圍內(nèi)的飽和蒸氣壓比水小幾個(gè)數(shù)量級(jí),但汞熱管的加工制造極其困難,且少量的汞蒸氣泄露就會(huì)對(duì)人體造成極大傷害,因此,汞熱管的使用受到了限制。

      對(duì)于追求高性能的尖端傳熱領(lǐng)域來(lái)說(shuō), 汞熱管具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì):(1)汞熱管與銀、銅等金屬相比具有更高的導(dǎo)熱性, 汞熱管蒸發(fā)器中的熱量傳遞到工質(zhì)并導(dǎo)致毛細(xì)管結(jié)構(gòu)表面的工質(zhì)汽化, 這部分汽化會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器中的局部蒸汽壓力增加, 同時(shí)推動(dòng)汽化蒸汽流向冷凝器,從而傳輸汽化潛熱,單位重量的汞熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量;(2)汞熱管可以在與熱源接觸的區(qū)域靈活配置散熱片;(3)熱量可以遠(yuǎn)距離傳輸,而溫度變化很小;(4)熱量傳輸過(guò)程依靠毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力, 無(wú)需其他動(dòng)力或移動(dòng)部件即可抽出冷凝液;(5)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),在零重力環(huán)境下運(yùn)行不受影響。

      2.2 熱管工質(zhì)的選擇

      汞對(duì)金屬的浸潤(rùn)性很差,應(yīng)在全部保溫條件下運(yùn)行一定時(shí)期,在汞內(nèi)加有0.7%的鈦和5.4%的鎂可提高其浸潤(rùn)性。 特定的工質(zhì)只能在某些溫度范圍內(nèi)起作用, 同樣特定的工質(zhì)需要兼容的容器材料以防止流體與容器之間發(fā)生腐蝕或化學(xué)反應(yīng), 腐蝕會(huì)損壞容器,產(chǎn)生不凝性氣體,因此,選擇適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì),熱管可以在很大的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行傳熱。 有許多影響熱管性能的參數(shù),例如,材料的兼容性、工作溫度范圍、熱傳輸限制、熱阻、工作方向、尺寸和幾何約束等。 在微型熱管中, 最大傳熱能力主要受毛細(xì)管壓力的支配[4]。 所有熱管具有3 個(gè)共同的物理元素,這些包括外部容器, 工質(zhì)體和毛細(xì)管芯結(jié)構(gòu)。 在功能上熱管由3個(gè)部分組成:蒸發(fā)器、冷凝器和絕熱區(qū)域。

      工質(zhì)的選擇還必須基于發(fā)生在熱管內(nèi)的熱力學(xué)與熱流的各種限制,例如,粘性、聲波、毛細(xì)管、夾帶和核沸騰水平。 在熱管設(shè)計(jì)中,高表面張力值是理想的,以便熱管能夠克服重力作用并產(chǎn)生較高的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)。除了高表面張力外,工作流體還必須浸潤(rùn)吸液芯和容器材料,即接觸角應(yīng)為零或很小。 在工作溫度范圍內(nèi)的蒸氣壓必須足夠大以避免蒸氣速度過(guò)高,而蒸氣速度往往會(huì)造成較大的溫度梯度和導(dǎo)致流量不穩(wěn)定。 為了傳遞大量的汽化潛能,需要高的汽化潛熱。 熱量以最小的流體流量通過(guò),從而保持熱管的較低壓降。 應(yīng)優(yōu)選高熱導(dǎo)率的工質(zhì),使徑向溫度梯度最小化并減少壁表面沸騰。 流體流動(dòng)阻力可通過(guò)選擇蒸氣和液體黏度較低的流體,將其最小化。

      工質(zhì)的選擇取決于以下6 個(gè)方面的考慮: 工作溫度,汽化潛熱,液體粘度,毒性,工質(zhì)與容器材料的兼容性,芯吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能。表1 列舉了典型熱管流體的沸點(diǎn)和潛熱與比熱的比較, 可以看出汞具有很高的沸點(diǎn), 同時(shí)具有極高的潛熱與比熱比。 汞的汽化潛熱為295 kJ/kg,密度為13.59 g/cm3,冷凝一升水在常壓下的汽化熱為 2 257.1 kJ,而冷凝 1 L 汞為 3 747 kJ,相比同等體積下的水傳熱性能更好。

      3 汞熱管應(yīng)用研究進(jìn)展

      3.1 汞熱管的理論研究

      Xiuxiang Zhang 等[5]利用瞬態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型研究了加熱功率與熱管結(jié)構(gòu)對(duì)汞熱管的啟動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)傳熱性能的影響,結(jié)果表明:(1)增加冷凝器的長(zhǎng)度有利于減少啟動(dòng)時(shí)間和熱阻; (2)提高加熱功率或壁厚會(huì)降低熱阻,但會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間并增加孔隙率;(3)增加吸液芯的厚度可能會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間。

      T Yamamoto 等[6]研究了蒸發(fā)器部分的表面溫度變化與由于汞腐蝕引起的容器內(nèi)表面狀況變化之間的關(guān)系,即使采用最高工藝制造的汞熱管,當(dāng)?shù)谝淮渭訜峁療峁軙r(shí),蒸發(fā)器的表面溫度也會(huì)變得很高。 但是30~50 h 后,它將降低到正常水平。 為了檢查原因,對(duì)3 個(gè)汞熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),在400℃的蒸氣溫度下,分別將2 個(gè)熱管加熱10 h、52 h, 將第3 個(gè)熱管在蒸氣溫度范圍為 400~600°C 的條件下加熱約 500 小時(shí),得出改善蒸發(fā)器部分內(nèi)表面的潤(rùn)濕性所需的時(shí)間約為30小時(shí)。

      T Yamamoto 等[7]還研究了在垂直底部加熱模式下有無(wú)篩網(wǎng)芯的情況下,汞熱管之間的傳熱率差異。 帶有大量汞的熱管的運(yùn)行可能會(huì)由于間歇沸騰器劇烈沸騰而導(dǎo)致容器故障,在這項(xiàng)研究中,使用了2 種熱管來(lái)研究安裝篩網(wǎng)芯對(duì)傳熱速率的影響。 其中一個(gè)有2 層絲網(wǎng)狀芯,另一個(gè)沒有。 根據(jù)這些測(cè)試的結(jié)果,可以得出結(jié)論: 與蒸氣芯相比, 帶有篩網(wǎng)芯的熱管在600°C 的蒸氣溫度下的傳熱速率降低了約30%, 但是間歇沸騰器的沸騰也降低了,因此,用于啟動(dòng)的操作程序?qū)⒆兊酶影踩?/p>

      吸液芯的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)熱管的傳熱能力影響很大,目前,大部分使用絲網(wǎng)芯、金屬氈、槽道及它們的組合形式作為中高溫?zé)峁艿奈盒綶8-9]。 汞與大部分金屬吸液芯浸潤(rùn)性很差,很容易導(dǎo)致毛細(xì)力失效,因此,汞熱管吸液芯的選擇較為困難,與汞熱管搭配性能較好的吸液芯有待進(jìn)一步的開發(fā)研究。

      3.2 汞熱管的應(yīng)用研究

      熱管應(yīng)空間核電源而生,在空間核電源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 熱管用以導(dǎo)出堆芯內(nèi)的核反應(yīng)熱,一部分熱能轉(zhuǎn)換成電能為航天器供電,剩余產(chǎn)生的廢熱則由廢熱排放系統(tǒng)排散到宇宙空間。 在核反應(yīng)堆行業(yè)中反應(yīng)堆是發(fā)電的來(lái)源,熱管被用作固有停機(jī)系統(tǒng)的次級(jí)回路的冷卻部分,通常是采用液體熱管,即把汞作為內(nèi)部的冷卻劑,將熱管澆鑄到冷卻組件的結(jié)構(gòu)中。 美國(guó)NASA 的Kilopower 核反應(yīng)堆周邊布置大量熱管,一部分熱量通過(guò)熱管使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電,其余廢熱通過(guò)熱管散放到大氣中。Bahman Zohuri 等[10]從事熱工液壓技術(shù)分析和自然循環(huán)液態(tài)金屬快中子增殖反應(yīng)堆(LMFBR)堆芯的核反應(yīng)堆系統(tǒng)(ISHRS),設(shè)計(jì)了汞熱管用于散熱。

      熱管應(yīng)航天技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,汞熱管的研究對(duì)于追求大功率、高穩(wěn)定性的空間飛行器至關(guān)重要。 在航空航天領(lǐng)域,對(duì)于所有類型的飛行器均面臨相同的問(wèn)題,即飛行器的不同側(cè)面受太陽(yáng)照射強(qiáng)度不同導(dǎo)致溫差較大,且無(wú)法通過(guò)空氣對(duì)流調(diào)節(jié)溫度。 汞熱管可用于飛行器內(nèi)部設(shè)備及外部殼體的散熱冷卻及均溫,減輕熱控系統(tǒng)的重量,且不消耗額外能源,這不僅解決飛行器溫度控制問(wèn)題,而且解決了航天器熱控遠(yuǎn)距離傳熱難題。

      4 結(jié)語(yǔ)

      熱管是熱物理學(xué)和熱學(xué)的顯著成就之一,其獨(dú)特的傳熱能力在余熱回收、節(jié)能方面已成為一種有效的既定熱解決方案,特別是在高熱通量、熱負(fù)荷不均勻,發(fā)熱時(shí)氣流受限等情況下。

      汞在523~873K 溫度范圍內(nèi), 具有很低的飽和蒸氣壓,是傳輸性能較好的工質(zhì),應(yīng)用于追求高性能的航天、核工業(yè)等尖端領(lǐng)域。

      汞的密度很大,相同體積的冷凝液汞所放出的氣化潛熱比水更多,同時(shí),以其作為工質(zhì)會(huì)將使熱管重量增加,增加空間飛行器的負(fù)載。

      汞是劇毒物質(zhì),不僅熱管制造中會(huì)產(chǎn)生汞蒸汽危害人體,而且汞與熱管吸液芯材料浸潤(rùn)性不好,會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)力失效, 啟動(dòng)需要長(zhǎng)時(shí)間保溫且較難成功,值得開展進(jìn)一步的研究。

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