高温钠热管传热性能试验研究

卫光仁，柴宝华，韩 冶，张亚坤，冯 波，毕可明，杨 斌，王晨龙

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413)

热管通过腔内工质相变与高速流动，实现热量从热源向热沉的高效非能动传输，使热管具有热传导能力强、非能动传热、运行可靠及寿命长等特点[1-3]。高温钠热管适用于550～900 ℃工作温度区间，在该温度区间能实现高温热源的高效热传导与散热需求[1,3-19]。为满足工程应用需求，一般需通过传热性能试验掌握所研制高温钠热管的启动传热性能、等温升温性能及极限传热性能。

美国在高温钠热管领域曾开展多项探索性研究：热管式火星探索反应堆(HOMER)[12]概念设计，采用钠热管将堆芯热量传输至斯特林发电机，单支热管传热功率约2 kW；HOMER-15[13-14]方案中单支钠热管设计传热功率约0.8 kW；对钠热管开展了在650～700 ℃下115 000 h及700 ℃下41 000 h寿命考验，被考验件未见失效；千瓦级斯特林技术反应堆(KRUSTY)[15]设计采用钠热管将5 kW堆芯热量传输至斯特林发电机，单支钠热管传热功率0.6 kW，运行温度800 ℃，并通过初步电加热模拟试验验证了方案的可行性；开展热管式反应堆Kilopower[16-18]测试，设计利用8支弯曲钠热管在720～800 ℃将堆芯3 kW热量传输至斯特林发电机，单支热管传热功率380 W，实际测试中钠热管将堆芯1.3 kW传输至斯特林发动机，钠热管启动温度约600 ℃，启动用时约40 min。在国内，赵蔚琳等[10]对化工用钠热管开展了启动测试初步研究；于萍等[19]对用于太阳能发电系统的钠热管开展了停止工作后再启动性能研究。中国原子能科学研究院在高温热管领域开展了广泛而深入的研究，研制出高温热管[2,9,20]、超高温热管与中温热管[21]，并实现热管式辐射器与热管式核反应堆工程应用。目前国内尚无其他单位对热管式核反应堆用钠热管开展系统性试验研究。

本文介绍中国原子能科学研究院瞄准热管式核反应堆工程需求，针对高温钠热管所做的研究，包括高温钠热管研制、钠热管启动传热试验、等温升温试验及传热极限试验等。试验验证该类型钠热管工程应用的可行性。

1 试验件描述

热管式核反应堆应用需求如下：热管工作温度750～850 ℃，热管最大散热能力不小于3 kW，热管最大轴向热流密度不小于1 kW/cm2，选用钠作为热管工质。热管工作温度通常指热管绝热段的平均温度。

1.1 设计参数

钠热管由端盖、管壳、吸液芯及充液管等组成，结构材料为316不锈钢，吸液芯结构型式为干道式，最佳使用温度600～900 ℃。钠热管内部工质为高纯度碱金属钠，工质钠与不锈钢材料有较好的相容性[1]。钠热管结构与工作原理示意图如图1所示。钠热管参数列于表1。

图1 钠热管结构与工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of construction and working principle for sodium heat pipe

表1 钠热管参数Table 1 Parameter of sodium heat pipe

钠热管主要制造工艺包括零部件清洗、组装集成、真空检漏、真空除气、工质充装封口等。真空除气避免了热管内不凝结气体的产生。钠热管工质充装量25 g。

1.2 传热极限计算

热管的热传导能力极强，但传热功率有上限，主要受固有的各传热极限所限制。根据应用广泛的热管传热计算理论[1,11,22-23]，各传热极限功率的理论计算公式如下。

毛细极限时最大传热功率为：

(1)

式中：σ为液体表面张力系数；r′c为吸液芯丝网有效毛细半径；Pg为垂直方向上的液体静压力；leff为热管有效长度；Fl为吸液体摩擦系数；Fv为蒸气摩擦系数。

液体摩擦系数为：

Fl=μl/(KAρlhfg)

(2)

式中：μl为液态钠动力黏度；K为吸液芯渗透率；A为吸液芯截面积；ρl为液态钠密度；hfg为钠气化潜热。

蒸气摩擦系数为：

(3)

式中：fvRev取值为16；μv为液态钠动力黏度；Av为蒸气腔截面积；rh,v为吸液芯丝网孔隙水力半径；ρv为液态钠密度。

声速极限时最大传热功率为：

(4)

式中：蒸气比容比γv=1.67；蒸气气体常数Rv=361.48。

携带极限时最大传热功率为：

(5)

(6)

式中：rh,s为吸液芯丝网表面水力半径；N为丝网目数，取300；dw为丝网直径，为0.038 mm。

黏性极限时最大传热功率为：

(7)

式中：dv为热管蒸气腔直径；Pv为钠蒸气饱和蒸气压。

利用上述公式，计算得到所研制钠热管极限传热功率(图2)。由图2可知，钠热管在400～500 ℃传热功率受黏性极限限制，500～650 ℃传热功率受声速极限限制，650～900 ℃传热功率受携带极限限制。钠热管实际传热功率将被包络在如图2所示各极限传热功率范围内。

图2 所研制钠热管极限传热功率Fig.2 Limit heat transfer power of developed sodium heat pipe

2 试验装置与试验方法

2.1 试验装置

钠热管传热性能试验装置[9,24]示意图如图3所示。该装置利用高频感应系统为热管蒸发段提供热量输入。冷凝段热沉是冷却水套，水套设置气隙，气隙内可实现真空环境，也可通入导热气体实现热沉散热能力的调节。热沉气路系统内为氦气和氩气，通过调节两种气体的混合比例，来调节热沉散热能力[1,24-25]，当氩气充满水套汽腔、冷却水流量最大时热沉可达到最大的散热能力。热沉末端与真空系统连接。冷却水来自高位恒水位水箱，以保证冷却水进口水压恒定。冷却水流量通过质量流量计测量，进出口水温通过水路热电偶测量。

图3 钠热管传热性能试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of test device for sodium heat pipe heat transfer performance

热管壁面温度测量采用Ⅰ级精度K型铠装热电偶。为满足热管与水套安装、密封连接及壁面测温需求，热管外壁面需设置纵向槽道，槽道宽度及深度与热电偶外径相同，均为1 mm，图4为槽道径向截面示意图，并将热电偶紧密布置于槽道内，由于槽道并未改变冷凝段散热面积与管壳主体厚度，因此槽道对热管传热无影响。钠热管热电偶测点位置列于表2。

图4 槽道径向截面示意图Fig.4 Schematic diagram of radial cross section of channel

表2 钠热管热电偶测点位置Table 2 Measuring point position of sodium heat pipe thermocouple

试验中所用计量元件由计量单位校准，质量流量计测量偏差小于±0.15%，直径1 mm的K型铠装热电偶测温偏差小于±0.1%。热电偶紧压于测温槽道内并与壳体紧密贴合，且不高于管壳外径，长期试验经验表明这种热电偶布置方式接触热阻极小，所带来的测温误差可忽略不计。

2.2 试验方法

1) 启动与等温升温传热试验

利用试验装置，对钠热管进行真空启动与等温升温试验。钠热管蒸发段被加热后，热管沿轴向逐渐被加热，当绝热段与冷凝段各点温度趋于一致，热管便实现了启动；完全启动后继续加热进行等温升温；测得启动与等温升温过程中温度分布与升温速率，以此判断热管完全启动温度点、等温升温能力及产品质量等。

2) 传热极限试验

热管传热极限是指在不同温度点热管冷凝段向热沉的极限散热功率。通过理论计算可得到各传热极限功率理论值，试验中达到热管传热极限需要较高的试验条件，如热管蒸发段热量输入能力和热沉冷却能力均可按需求不断增大。对于工程应用的热管，最关注的是所研制热管的散热能力能否满足工程应用需求。因此当无法在试验中测得某极高的极限传热功率时，可将测得的热管最大散热功率与应用需求对比，以判断其是否满足需求。

根据试验过程中温度分布可判断热管所处极限状态。声速极限：钠热管完全启动后，在500～650 ℃区间，不断增强热沉冷却能力并增大蒸发段热量输入，可实现冷凝段各点温度大幅降低，及冷凝段散热功率不随蒸发段热量输入增加而增大的现象。此现象原因是热管工质蒸气流速达到了蒸发段在该温度点的声速，蒸发段向冷凝段的轴向热流密度受声速限制无法进一步提高，所增加的热流量无法传输至冷凝段。黏性极限：该极限处于热管启动阶段，由于启动阶段冷凝段温度低，散热功率远低于黏性极限功率，因此试验中黏性极限通常无法测得。携带极限：热管完全启动后继续升温，650～900 ℃区间，由于毛细极限远高于携带极限，因此该温度区间受携带极限限制。假设热沉冷却能力可覆盖携带极限计算值，那么达到携带极限的现象是：增强热沉冷却能力、增大蒸发段热量输入动态维持热管某一工作温度，当蒸发段温度在某一时刻突然迅速大幅升高时，便达到了该工作温度点的携带极限功率。

3 试验结果与分析

3.1 启动与等温升温传热试验结果与分析

利用热管传热试验装置，测得了启动过程中热管壁面的轴向温度分布，如图5所示。钠热管启动过程需要将吸液芯内固态钠沿轴向逐步熔化成液态钠，绝热段与冷凝段各测温点逐步升温。如图5所示，当热管平均温度达到580 ℃时，热管实现完全启动。启动过程中为避免蒸发段工质蒸发过快导致干烧，蒸发段升温速率应不大于80 ℃/min，高频加热器输出功率不高于3 kW，完全启动用时约20 min。此时高频加热器输出功率2.75 kW，冷却水质量流量41.6 g/s。

图5 热管真空启动与升温壁面轴向温度分布Fig.5 Vacuum start-up of sodium heat pipe and axial temperature distribution of heating wall

钠热管完全启动后，继续对其加热升温，如图5所示，600～850 ℃区间钠热管实现等温升温，蒸发段至冷凝段热管壁面各测温点等温性能良好，轴向壁面温差≤11 ℃。在850 ℃时钠热管辐射散热功率约1.86 kW，此时高频加热器输出功率5.64 kW，冷却水质量流量41.6 g/s。

3.2 传热极限试验结果与分析

1) 低温区间传热试验

图6为钠热管完全启动后，通过加强冷却在低温段(500～650 ℃)达到传热极限过程的温度分布。按照声速极限的试验方法，得到工作温度(绝热段平均温度)为520 ℃时的声速极限。此时热沉冷却水进出口温差Δt为6 ℃，质量流量m为 41.7 g/s，利用散热功率公式Q=mcpΔt[26]得到声速极限功率为1.05 kW。

图6 钠热管声速极限实现过程的温度分布Fig.6 Temperature distribution of sodium heat pipe sonic limit in realization process

根据声速极限理论[22]计算得到热管工作温度520 ℃时声速极限理论值1.13 kW。试验值与理论值相对误差为7%，吻合较好，验证了声速极限所选用的理论计算方法的合理性。

2) 高温区间传热试验

如图2所示，钠热管在高温区间(650～900 ℃)的极限传热功率将主要受携带极限限制。图7为钠热管高温区间温度分布与最大散热功率。通过增加蒸发段热量输入并对热沉强制加强冷却，使热管工作温度与散热功率均提升，试验测得了钠热管工作温度分别在750 ℃与850 ℃时热沉在最大散热能力下的冷却水进出口温差与质量流量。将测量值代入Q=mcpΔt计算得到钠热管在750 ℃和850 ℃时最大散热功率分别为4.78 kW和8.02 kW，轴向热流密度分别为1.51 kW/cm2和2.53 kW/cm2。相对比，当没有强制冷却，在空气环境中钠热管在750 ℃与850 ℃通过热辐射与自然对流的散热功率分别是1.47 kW与2.17 kW。

图7 钠热管高温区间温度分布与最大散热功率Fig.7 Temperature distribution and maximum heat transfer power in high temperature range of sodium heat pipe

试验中钠热管所达到的最大传热功率证明了所研制钠热管具有极强传热能力，钠热管最大散热能力能满足热管式核反应堆堆芯热传输工程需求，即在750～850 ℃工作温度区间热管最大散热能力≥3 kW，最大轴向热流密度≥1 kW/cm2。

受试验装置热沉散热能力限制，试验条件下得到的热管最大传热功率远未达到在此温度点热管携带传热极限计算值12 kW，但传热试验判断热管最大传热能力能否满足工程需求的主要目的已实现。

钠热管处于最大传热功率状态下的折算导热系数[10,26]为：

(8)

式中：λ为钠热管被折算的导热系数；Q为750 ℃和850 ℃工作温度下热管传热功率(4.78 kW，8.02 kW)；L为热管有效长度(1 m)；A为热管截面积(0.000 45 m2)；ΔT为热管轴向平均温差(25 K，58 K)。将数值代入式(8)，得到钠热管处于极限传热功率状态下轴向导热系数，即λ=424 268 W/(K·m)，307 011 W/(K·m)。相对比，铜在750 ℃和850 ℃下导热系数分别为348 W/(K·m)和333 W/(K·m)[26]。因此，所研制钠热管在750 ℃和850 ℃时导热系数分别是铜的1 219倍和922倍。

4 结论

本文主要对高温钠热管开展了传热性能试验研究，得到如下结论。

1) 钠热管能正常启动，启动温度点580 ℃，完全启动用时20 min，启动后等温升温性能良好，轴向壁面温差≤11 ℃。

2) 钠热管在500～650 ℃时可通过强制冷却达到声速极限，520 ℃时声速极限功率1.05 kW。

3) 钠热管在650～900 ℃时传热功率主要受携带极限限制。钠热管为750 ℃时，极限传热功率4.78 kW，轴向热流密度1.47 kW/cm2，导热系数是铜的1 219倍；钠热管为850 ℃时，极限传热功率8.02 kW，轴向热流密度2.53 kW/cm2，导热系数是铜的922倍。

4) 试验结果表明所研制的高温钠热管具有极强的热传导能力，能满足热管式核反应堆电源热传输工程应用需求。