低温脉动热管在超导电缆制冷系统应用的可行性分析

朱红亮

（富通集团（天津）超导技术应用有限公司，天津市超导电缆应用企业重点实验室，天津 300384）

引言

超导电缆制冷系统为电缆提供77 K的工作温区，避免热负荷积聚使系统温度超过超导电缆临界温度。因此，制冷系统导热效率，直接决定超导电缆稳定运行。传统无氧铜导热换热系数小，要求换热面积大，造成制冷系统体积庞大，空间利用率不高。随着超导电缆应用的逐步发展，传统无氧铜导热已无法满足要求。

1 热管技术

1.1 热管工作原理

热管的工作原理如图1所示。低温工质在蒸发段受热汽化，经绝热段温度不变，再经冷凝段后降温冷却释放潜热凝结液体，经重力落回到蒸发段再吸热汽化[1]。热管导热不需外界做功，具有传热效率高，导热系数大等优点。

图1 热管的工作原理

1.2 热管的分类

按工作温度，热管分为4类：

（1）低温热管。工作温区为200 K≥T＞0，通常采用氦、氩、氮等为液体工质。广泛应用在航天器冷屏、光学元件表面处理等各种制冷技术中。

（2）常温热管。工作温区为500 K≥T＞200 K，工质通常为水、酒精、丙酮等。

（3）中温热管。工作温区为750 K≥T＞500 K，工质可以采用水银、硫、铯等。

（4）高温热管。工作温区为T＞750 K，液体工质为钾、钠、锂等高沸点液态金属。这些液态金属导热性能极高，当温度高于1000 K时，需用真空或惰性气体保护。

1.3 低温脉动热管技术简介

脉动热管工作原理如图2所示。脉动热管呈U型往复连接，在抽取出真空后，按一定比例尽量充分引入处于低温状态的工质，蒸发段工质吸收大量的负荷热量，快速蒸发后陆续形成大量气泡,形成均匀的、有一定间隔的工质液柱和气态塞柱，蒸发段的压力逐渐增加并达到稳态，此时，蒸发段的压力大于冷凝段的压力，为工质流动提供动能。脉动热管不同区间的蒸发段的蒸发过程不同时进行，管道与管道间会进一步形成压力差，使低温工质由一个弯头流向下一个弯头，形成了低温工质循环流动的往复力。因此形成了热负荷的高效传输及冷却过程。

图2 脉动热管工作原理图

2 无氧铜盘管与低温脉动热管传导效率的计算

假设超导电缆系统产生1000 W漏热量，分别计算无氧铜盘管与低温液氮脉动热管的传导效率，在超导电缆过冷箱内，实现77 K至70 K的热量传递，比较其导热效率即可判断低温脉动热管在超导电缆系统应用的可能性。无氧铜盘管与低温脉动热管导热状况如图3所示。

图3 无氧铜盘管与低温脉动热管导热分析图

2.1 无氧铜盘管传导效率的计算

由格拉晓夫公式得：

式中，体胀系数av=5.65；ΔT为无氧铜盘管温差；L为无氧铜有效长度。

由怒谢尔计算公式得：

最终得出换热系数：

2.2 低温脉动热管导热效率计算

式中，Q为蒸发段的加热量；ΔT为两段温差；Le为长度；S为截面积之和。

式中，Din为内径；σ为表面张力；ρl和ρv分别为工质在液相和气相时的密度。

2.3 计算结果

将计算结果列于表1。从表1可知，单位换热面积下，低温脉动热管的换热效率约为无氧铜盘管的6倍。

表1 参数对比

3 结束语

综上所述，低温脉动热管能够提高超导电缆制冷系统的传热效率，有效导热系数大约是相同直径的无氧铜盘管的6倍，为超导电缆制冷方法提供一个新的可行方案。