熔盐重力热管工质选择的初步实验研究*

孟 强 熊亚选 吴玉庭 吕博夫 史建峰 马重芳

(1. 北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室；2. 北京建筑大学环境与能源工程学院)

重力热管作为一种高效的传热元件，以其结构简单、制造成本低及传热性能高等优点，被广泛应用于航天、余热回收、电子冷却及太阳能等领域[1，2]。目前，热管的传热工质一般采用Na、K、Li和Na-K合金工质，还有些热管采用萘及丙酮等有机物作为传热工质。1963年，Grover G M等首次研制出高温热管，吸引了众多研究者从事高温热管研究[3]。1970年，Sockol P M和Forman R对用液态锂作为工质的高温热管进行了研究，发现在输入足够高的热量且当陡峭的温度界面沿热管长度方向运动时，热管壁温升高到某一中间值时就保持恒定，使Cotter模型得到了验证[4]。1973年，Busse C A提出当高温热管在比声速极限区更低的温度启动时能遇到粘性传热极限，粘性极限仅对于长热管和在启动时蒸汽压很低的液态金属热管具有实际意义[5]。Levy E K和Chou S F也对管内蒸汽流动的声速传热极限进行了大量研究，并建立了4种模型：理想气体模型、两相共存模型、蒸汽反应模型和考虑分解复合反应动力学模型[6]。Tournier J M和Genk M S对高温热管从冻结状态下的启动连续和不连续蒸汽流动方面提出了一个统一模型，耦合吸液芯内的固体融化和蒸汽流动，理论结果与实验值吻合较好[7]。国内对高温热管的研究起步稍晚，1972年，中国首次成功研制出第一支高温钠热管[8]。1973年，中国科学院力学研究所对高温钠热管内蒸汽流动和传热极限进行的研究发现，高温热管具有良好的等温性，在低温段出口易达到声速极限。20世纪90年代，赵蔚琳对高温钠热管进行了大量理论和实验研究，结果表明，钠热管受到粘性传热极限、声速传热极限和毛细传热极限的限制，而不受携带极限的限制[9]。Zhuang J等对不同的高温热管进行了实验研究，给出了各种高温热管的热阻值和传热系数[10]。但以碱金属作为传热工质的热管爆管时，碱金属与空气接触会迅速发生氧化反应，很容易发生燃烧、甚至爆炸，给工业过程造成不必要的经济损失和人身伤亡事故；以有机物作为传热工质的热管爆管时，有机物工质迅速扩散，造成人员伤亡事故。

对热管的研究不仅集中在热管的传热方面，还集中在新型热管的研发上。其中包括对热管工质的研究和热管结构的研究。何曙等提出了带内循环管的重力热管，内循环的引入提高了液体的有效提升高度，增大了换热面积；而且在蒸发段实现了降膜蒸发，提高了热管的传热传质性能，最终提高了其热传导性能[11]。还有学者提出将重力热管内表面加工成螺纹状以提高热管的传热性能。对热管工质的研究主要包括寻找汽化潜热高、饱和蒸汽压力低、传热高效的传热工质。对于工质的研究主要集中在纳米流体工质上，这是将纳米粒子加入原有工质中，用来提高工质导热能力的一种做法。笔者提出用一种全新的热管传热工质，并对熔盐工质的选择做了一系列研究。

熔盐是一种高效的传热工质，具有蒸汽压力低、无毒无味、环境友好及与空气接触不会发生化学反应等优点，这使得熔盐重力热管工作温度范围宽、制造成本低、传热高效、制造工艺简单，而且工作过程中即使出现部分热管破裂，溢出的液态熔盐也不会与载热介质发生化学反应，不会发生燃烧、爆炸事故，安全性好。此外，熔盐无毒无味的特点，使得熔盐泄漏到环境中也不会造成环境污染。但由于熔盐的种类繁多，笔者提出熔盐重力热管工质的优选准则以促进熔盐重力热管的研究。

1 熔盐工质的相容性和热稳定性

工质与壳体的相容性是选择工质必须考虑的因素之一。壳体一旦与工质发生化学反应，就将产生不凝性气体或使壳体受到腐蚀破坏，这些都将降低热管的性能或损坏热管。对于不同种类的熔盐，应该选用不同材料的壳体。

硝酸盐对常见的不锈钢腐蚀性较小，成功运用在Solar Two太阳能热发电站中。在应用不锈钢材料之前美国可再生能源实验室的Goods S H等对不锈钢和碳钢在混合硝酸钾和硝酸钠中的腐蚀行为进行了详细的实验研究[12]。结果表明硝酸盐对不锈钢材料的腐蚀性非常小，因此硝酸盐和不锈钢可以相容作为重力热管制造的工质和壳体。本实验室对熔盐与材料的腐蚀性也做了大量实验研究。主要集中在氯化盐对不锈钢材料的腐蚀性方面。将氯化钠、氯化钾、氯化镁的混合盐在静态下对304、316L、321和2520这4种不锈钢进行腐蚀性实验[13]。结果表明氯化盐对不锈钢材料腐蚀严重，相容性差。由于硝酸盐与不锈钢材料具有较好的相容性，且不锈钢材料价格便宜，因此笔者提出选用硝酸盐和不锈钢材料用于制造熔盐重力热管。熔盐工质应用在熔盐重力热管中，要求其热稳定性能好，本实验室对混合熔盐进行了热稳定性实验分析。热稳定性实验通过热重分析法，获得熔盐工质的分解温度[14]。在混合硝酸盐的热稳定性实验中，发现混合硝酸盐在常压下的分解温度是604.9℃。因此混合硝酸盐具有较好的稳定性可以作为熔盐重力热管的优选工质。

2 工质的液相传输系数

选择热管工质的另一准则是根据工质的热物性计算其液相传输系数N[15]：

式中h——工质的汽化潜热；

μ——工质的粘度；

ρ——工质的密度；

σ——工质的表面张力。

理论上讲，液相传输系数N的大小反映了工质传输热功率能力的高低。对于结构相同的热管，选用液相传输系数越大的工质，热管的传热性能就越好。因此，要求所选用的工质汽化潜热和表面张力大、粘度低、湿润性能好。为了选出液相传输系数高的工质，笔者详细介绍了熔盐物性参数的测量方法。

2.1熔盐工质表面张力测量

本实验利用熔体物性综合测试仪进行测量，将金属环水平地放在液面上，然后测定将其拉离液面所需的力。金属环被拉起时，由于表面张力的作用，将液体也一同带起，至拉起的液体重量与表面张力平衡时，液体重量达到最大值，进一步拉起金属环，拉力超过表面张力的瞬间液体脱落，金属环脱离液体。被金属环所拉起的液体形状是R3/V和R/r的函数，在R和r一定时，可以认为是常数。表面张力σ的计算公式为：

式中C——常数；

g——重力加速度，9.81m/s2；

Mmax——拉起液体的最大质量，kg；

R——环的平均半径，m；

r——环线的半径，m；

V——拉起液体的体积，m3；

σ——熔盐表面张力，N/m。

首先需要验证此方法的可行性，通过查询现有熔盐物性资料可以查到硝酸锂单质的表面张力计算方法。硝酸锂熔点为253℃，分解温度为600℃，对于硝酸锂表面张力的实验有一个较宽的温度范围，因此选用硝酸锂作为标定样品来计算常数C。首先对300℃下的硝酸锂样品进行标定，通过公式可以计算出硝酸锂300℃下的表面张力，然后利用熔体物性综合测试仪可以测出此温度下的常数C，然后利用测得的常数C反测此温度下的表面张力，将测得的表面张力与计算出的表面张力值进行比较，发现实验值与计算值误差在10%以内。用此方法测得其他温度下的表面张力常数C基本一致，故可以用此方法进行熔盐表面张力的测量。

其次需要计算不同温度下的表面常数C。选用硝酸锂作为标定样品，通过熔体物性综合测试仪测得300、350、400、450℃下硝酸锂的表面张力常数C，然后求出这些常数C的平均数。利用此平均数，测得未知混合硝酸盐样品的表面张力。如图1所示混合硝酸盐的表面张力随着温度的升高逐渐减小，可知混合硝酸盐不适宜应用在温度过高的环境中。

图1 混合硝酸盐表面张力随温度的变化

2.2熔盐工质密度的测量

由图2可知，混合硝酸盐的密度随着温度的升高而逐渐减小，根据液相传输系数的计算公式可知混合硝酸盐的密度值不宜过小，因此不能应用于过高的温度环境中。但是单凭一个密度参数不能判断混合硝酸盐工质是否为优选工质，还需要判断该工质的粘度值μ。

图2 混合硝酸盐密度随温度的变化

2.3熔盐工质粘度的测量

熔盐工质粘度越低其湿润性越好，热管的传热性能就越好。本实验室采用回转振动法来测定熔盐工质的粘度，高温振荡杯粘度仪示意图如图3所示。外石墨坩埚与步进电动机带动的钼杆相连接。步进电动机带动悬丝、反射镜、惯性盘、钼杆和外石墨坩埚，构成悬吊系统。在进行测量时，由步进电动机驱动悬吊系统，左右旋转一下，然后悬吊系统依靠惯性做自由振动，由于液体内部的内摩擦力和液体与坩埚壁的摩擦作用，振幅逐渐减小。通过测量振幅的周期和振幅的变化计算出对数衰减率，然后根据shvidkovskll 公式计算其粘度。

图3 高温振荡杯粘度仪示意图

由图4可知，粘度随温度的升高逐渐降低，就液相传输系数的公式而言，熔盐的这种物性对于工质的传热是非常有利的。但还需综合考虑熔盐的其他物性，才能确定该工质是否为优选工质。

图4 混合硝酸盐粘度随温度的变化

2.4熔盐工质汽化潜热的测量

笔者采用热重分析仪和真空泵相组合的实验设备，对熔盐在某一温度下单位时间内的质量损失进行测量，通过克努森方程可以求得熔盐在这一温度下的饱和蒸汽压力，进而通过计算求得熔盐的汽化潜热。

在进行实验前，首先需要加工一个克努森腔体，它是一个圆柱体，由石墨加工而成。腔体上表面开一个小孔，蒸发的样品通过小孔向外渗出。小孔的直径和腔体上表面的厚度共同决定克劳辛参数a的大小。本实验用克努森腔体上表面厚度L=2.92mm，小孔直径D=1.5mm，克劳辛参数a只是与L/D有关的变量，经过计算克劳辛参数a=0.36。

将样品放入克努森腔内，在接近0.1mPa的真空条件下对样品进行加热，测量样品单位时间内的质量损失，利用单位时间内的质量损失通过赫兹-克努森方程建立的公式计算求出熔盐工质的蒸汽压p：

式中a——克劳辛参数；

Ah——克努森腔小孔的面积；

m——单位时间内的质量减少量；

MA——样品的摩尔分子量。

以锌粉为样品，利用上述方法对其饱和蒸汽压进行测量。图5为温度从0℃加热到450℃时，锌粉在克努森腔体内蒸发时质量减少量随时间的变化情况。由图5可知锌粉在某一段时间内，蒸发速率是恒定的，单位时间内质量减少量也是恒定的。因此可以利用赫兹-克努森方程求出锌粉在此温度下对应的饱和蒸汽压力。图6为锌粉饱和蒸汽压力随温度的变化曲线，基本成线性关系，并且能够较准确地测量出锌粉在某一温度下对应的饱和蒸汽压力，表明此测量方法的可行性。

图5 锌粉质量随时间的变化

图6 锌粉蒸汽压随温度的变化

3 结论

3.1混合硝酸盐工质具有较好的相容性和热稳定性。相容性是指熔盐工质可以与壳体共存，而不发生腐蚀或者其他化学反应；热稳定性是指熔盐工质在壳体内加热汽化的过程中不会分解。

3.2熔盐工质的液相传输系数越大，表明该种熔盐就越适合作为熔盐重力热管的传热介质。熔盐工质的表面张力、密度、粘度、汽化潜热的准确测定是计算工质液相传输系数的必要条件。笔者给出了具体有效的测量方法。

[1] 庄骏，张红.热管技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000：67.

[2] Zhang H，Zhuang J.Research，Development and Industrial Application of Heat Pipe Technology in China[J].Applied Thermal Engineering，2003，23(9)：1067～1083.

[3] Grover G M，Cotter T P，Erikson G F.Structure of Very High Thermal Conductance[J].Journal Apply Phys，1964，35(6)： 1990～1991.

[4] Sockol P M，Forman R.Re-examination of Heat Pipe Startup[C].IEEE Proceeding of 9th Thermionic Conversion Specialist Conference. Miami Beach:IEEE,1970：571～573.

[5] Busse C A. Theroery of the Ulimateheat Transfer Limit of Cylindrical Heat Pipe[J].International Journal Heat Transfer，1973，16(1)： 169～173.

[6] Levy E K，Chou S F.The Sonic Limit in Sodium Heat Pipes[J].Journal Heat Transfer，1973，95(2)：218～223.

[7] Tournier J M，Genk M S.A Vapor Flow Model for Analysis of Liquid Metal Heat Pipe Startup from a Frozen State[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1996，39(18)：3767～3780.

[8] 中国科学院力学研究所.热管文集[M].上海：上海科学技术情报所，1976：8～19．

[9] 赵蔚琳.钠热管内部机理的研究[D].南京：南京化工学院，1992．

[10] Zhuang J，Zhong Y，Wang R.Development of Liquid-metal Heat Pipe Heat Exchanger[C].Proceeding of 9th International Heat Pipe Conference.New Mexico：Albuquerque，1995：240～246.

[11] 何曙，夏再忠，王如竹.一种新型重力热管传热性能研究[J].工程热物理学报，2009，30(5)：834～836.

[12] Goods S H，Braushaw R W，Prairie M R,et al.Corrosion of Stainless and Carbon Steels in Molten Mixtures of Industrial Nitrates[R].Livermore:Sandia National Labs，1994.

[13] 孙李平.太阳能高温熔盐优选及腐蚀特性实验研究[D].北京：北京工业大学，2007.

[14] 任楠.混合碳酸盐和低熔点熔盐的配制与热物性实验研究[D].北京：北京工业大学，2011.

[15] 冯踏青.液态金属高温热管的理论和实验研究[D].杭州：浙江大学，1998.