中温热管工质选型与试验研究

韩冶 柴宝华 王泽鸣 张德楼 卫光仁 冯波 龙俞伊 薛松龄

摘   要：为选择适用于500～700K中温热管的工质，开展了中温热管工质选型研究。通过分析国内外研究情况与材料物性分析，得出碱金属单质铯及铷较为适合非重力环境使用。对三根不同规格碱金属工质中温热管开展启动与升温试验研究，得到所研制中温热管的启动温度约500K，在500～700K温度范围内能够稳定升温并正常工作。

关键词：中温热管  热管工质  热管启动试验

中图分类号：TL133                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0101-04

Abstract： In order to study the working fluids suitable for medium temperature heat pipes of 500～700K， the research on the selection of medium temperature heat pipe working fluids was carried out. By analyzing the research situation at home and abroad and the analysis of material properties， it is concluded that alkali metal cesium and rubidium are more suitable for space environment use. Through the start-up and temperature rise test of three medium-temperature alkali metal heat pipes with different size， the starting temperature of the medium-temperature heat pipe is approximately 500K， and it can stably heat up and work normally in the temperature range of 500～700K.

Key Words： Medium temperature heat pipe; Heat pipe working fluid; Heat pipe start test

隨着空间飞行器对大功率、长寿命及高可靠性空间设备的需求，需要对空间设备的各关键元件开展系统的理论与试验研究。关键元件之一热管的功能是将空间设备废热高效地排放至空间，工作温度范围500～900K，目前国内只对700～900K的高温热管开展过系统的理论与试验研究。针对目前很多概念设计对500～700K中温热管的需求，本文对中温热管进行了初步理论与试验研究。对中温热管的工质选型开展了理论分析，对所选工质热管进行了启动与升温试验。

1  中温热管工质选型

1.1 热管工质选型的要求

热管工质的选择应该从以下几方面综合考虑[1-3]：

（1）工质在指定温度区间内使热管能够启动并稳定工作;

（2）工质与管壳、管芯材料相容，即不相互腐蚀与污染;

（3）工质具有热稳定性，即在工作温度区间内不产生化学分解、不产生不凝结气体;

（4）工质具有良好的物理性质，即在工作温度区间内工质饱和蒸汽压低、汽化潜热大、密度小、表面张力大并与芯体浸润性良好等;

（5）工质具有安全性、非毒性及经济性等。

1.2 中温热管备选工质与国内外研究分析

工作温度在500～700K的中温热管，其工质的选择一直是热管研究领域难点[3-5]。表1是几种备选工质相关物性。

下面对表1中的备选工质进行选型分析：

（1）萘、导热姆A：Groll[6]等人试验了萘-低合金钢热管进行了试验，工作于543K温度下700d未发下性能退化，但当操作温度高于623K，萘将有较快的分解速度;杨峻[7]等人对萘热管进行了多项试验，结论是萘热管的工作温度是523～673K，但长期工作会产生不凝性气体;杨峻等人[7]认为导热姆A热管的工作温度范围在423～673K，超过673K时导热姆A迅速分解、结焦，综合性能较萘差。王同章[8]认为导热姆A的工作温度上限不能高于623K。上述研究事实表明导热姆A和萘不适合用做空间环境热管工质，存在以下应用风险：①导热姆A和萘工质为有机化合物，即使在试验室500～700K温度范围内能够正常工作，工质也会缓慢分解，并非绝对不分解[3]，而空间设备寿期在7年以上，长时间运行上述工质必然会分解产生足以影响热管性能的不凝性气量;②工质在高温下饱和蒸汽压迅速升高，需要增加管壳壁厚来提高管壳材料的承压能力，这样会造成热管质量增加。

（2）汞：在523～873K范围内，汞是传输性能较好的工质，但汞热管不适合应用[3，7-8]，原因如下：①汞是剧毒物质，热管制造中人员会接触到汞蒸汽，汞通过呼吸或接触进入人体后会在体内沉积无法排出，对脏器与神经组织产生毒害;②汞密度极大，以其作为工质会将使热管重量增加100%以上;③汞与中温热管吸液芯材料不浸润，毛细力失效。

（3）铯、铷：碱金属单质铯和铷具有饱和蒸汽压低、汽化潜热高、密度低、熔点低及浸润性好的优点，并且与不锈钢和钛等管壳材料相容性好。Jean-Michel Tournier[9]等人研究得到铯和铷蒸汽进入连续流动态的温度铯是610K、铷是640K，但工质进入连续流动态的温度是随热管内蒸汽腔直径变大而减小的，如图1所示在热管蒸汽腔直径为2cm情况下，铷降为510K左右。因此通过增大热管蒸汽腔直径可以降低此类工质热管热管的启动温度，使其工作于500～700K温度区间。

綜合以上分析，建议采用碱金属单质铯或铷作为空间非重力环境中温热管的工质。

2  中温热管启动与升温试验

为研究并验证以铷作为工质的中温热管在500～700K的实际启动与升温性能，开展了不同尺寸铷工质中温热管的启动与升温试验。

2.1 试验对象

试验对象为3根热管，工质为铷，基本参数如表2所示。

2.2 试验装置

图2是热管试验装置示意图。加热炉最大功率1kW，中心加热段长度100mm。K型铠装热电偶测量温度。

2.3 试验结果

1#～3#热管测试试验结果如图3～5所示。图中长度值为温度测点到蒸发段起始点的距离。表3是不同规格热管达到启动温度时的温度数据。

2.4 试验结果分析

（1）1#热管试验结果分析。

从图3与表3数据可以分析得到：启动温度约510K，该时刻冷凝段各点温度趋于一致，此后热管各点温度整体平稳上升;在500～700K升温区间内热管各点温度平稳上升，热管能够在此温度下正常工作;在启动温度至700K温度范围内，蒸发段测温点温度比其他测温点温度高100～150K，这是由于蒸发段热电偶受加热炉热辐射影响导致所测温度比蒸发段壁面实际温度高，这是启动试验不可避免的。绝热段测温点温度也会受到影响，因此蒸发段和绝热段外壁面所测温度可作为观察结果，不作为热管启动温度测量值。

（2）2#热管试验结果分析。

从图4与表3数据可以分析得到：启动温度约505K，该时刻冷凝段各点温度趋于一致，此后热管各点温度整体平稳上升;蒸汽腔直径24mm热管启动温度比17mm热管低约5K;在500～700K升温区间内热管各点温度平稳上升，热管能够在此温度下正常工作。

（3）3#热管试验结果分析。

从图5与表3数据可以分析得到：启动温度约500K，该时刻冷凝段各点温度趋于一致，此后热管各点温度整体平稳上升;蒸汽腔直径27mm热管启动温度比17mm热管低约10K;在500～700K升温区间内热管各点温度平稳上升，热管能够在此温度下正常工作。

3  结语

本文对应用于空间环境中温热管的工质进行了选型研究，并对铷工质中温热管进行了启动与升温试验研究，得到如下结论：

（1）适合在空间环境500～700K应用的中温热管工质是铯和铷;

（2）所研制铷工质中温热管能够在500K附近启动，能够在500～700K区间内正常工作;

（3）所研制中温热管启动温度随热管蒸汽腔直径增大而降低。

参考文献

[1] 李桂云，屠进.高温热管工质的选择[J].节能技术，2001（1）：42-44.

[2] 卫兴国.热管材料的相容性和工作可靠性[J].应用能源技术，1986（1）：17-25.

[3] 庄俊，张红.热管技术极其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.

[4] 宿忠全.导热姆A碳钢热管换热器的研制与应用[J].铁道学报，1984（4）：70-76.

[5] John H. Rosenfeld， G. Yale Eastman， et al. Sulfur heat pipes for 600K space heat rejection systems[C].USA：AIP Conference Proceedings，1992：1170-1176.

[6] Groll M， Nguyen-Chi. Reflux heat pipes as components in heat exchangers for efficient heat recovery[J]. Journal of Heat Recovery Systems，1981（1）：55-63.

[7] 杨峻，李菊香，庄俊.萘热管的极限传热性能试验与最佳充液量的研究[J].能源研究与利用，1995（1）：3-5.

[8] 王同章.导热姆A重力热管的实验研究[J].江苏工学院学报，1987（1）：59-63.

[9] Jean-Michel Tournier， Mohamed EI-Genk. Radiator Heat Pipes with Carbon-Carbon Fins and Armor for Space Nuclear Reactor Power Systems[C]. USA：AIP Conference Proceedings，2005：935-945.