熔鹽重力熱管工質(zhì)選擇的初步實(shí)驗(yàn)研究*

孟 強(qiáng) 熊亞選 吳玉庭 呂博夫 史建峰 馬重芳

(1. 北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院)

重力熱管作為一種高效的傳熱元件，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低及傳熱性能高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、余熱回收、電子冷卻及太陽(yáng)能等領(lǐng)域[1，2]。目前，熱管的傳熱工質(zhì)一般采用Na、K、Li和Na-K合金工質(zhì)，還有些熱管采用萘及丙酮等有機(jī)物作為傳熱工質(zhì)。1963年，Grover G M等首次研制出高溫?zé)峁?，吸引了眾多研究者從事高溫?zé)峁苎芯縖3]。1970年，Sockol P M和Forman R對(duì)用液態(tài)鋰作為工質(zhì)的高溫?zé)峁苓M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在輸入足夠高的熱量且當(dāng)陡峭的溫度界面沿?zé)峁荛L(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱管壁溫升高到某一中間值時(shí)就保持恒定，使Cotter模型得到了驗(yàn)證[4]。1973年，Busse C A提出當(dāng)高溫?zé)峁茉诒嚷曀贅O限區(qū)更低的溫度啟動(dòng)時(shí)能遇到粘性傳熱極限，粘性極限僅對(duì)于長(zhǎng)熱管和在啟動(dòng)時(shí)蒸汽壓很低的液態(tài)金屬熱管具有實(shí)際意義[5]。Levy E K和Chou S F也對(duì)管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的聲速傳熱極限進(jìn)行了大量研究，并建立了4種模型：理想氣體模型、兩相共存模型、蒸汽反應(yīng)模型和考慮分解復(fù)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[6]。Tournier J M和Genk M S對(duì)高溫?zé)峁軓膬鼋Y(jié)狀態(tài)下的啟動(dòng)連續(xù)和不連續(xù)蒸汽流動(dòng)方面提出了一個(gè)統(tǒng)一模型，耦合吸液芯內(nèi)的固體融化和蒸汽流動(dòng)，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)高溫?zé)峁艿难芯科鸩缴酝恚?972年，中國(guó)首次成功研制出第一支高溫鈉熱管[8]。1973年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所對(duì)高溫鈉熱管內(nèi)蒸汽流動(dòng)和傳熱極限進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)峁芫哂辛己玫牡葴匦?，在低溫段出口易達(dá)到聲速極限。20世紀(jì)90年代，趙蔚琳對(duì)高溫鈉熱管進(jìn)行了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，鈉熱管受到粘性傳熱極限、聲速傳熱極限和毛細(xì)傳熱極限的限制，而不受攜帶極限的限制[9]。Zhuang J等對(duì)不同的高溫?zé)峁苓M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了各種高溫?zé)峁艿臒嶙柚岛蛡鳠嵯禂?shù)[10]。但以堿金屬作為傳熱工質(zhì)的熱管爆管時(shí)，堿金屬與空氣接觸會(huì)迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，很容易發(fā)生燃燒、甚至爆炸，給工業(yè)過(guò)程造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故；以有機(jī)物作為傳熱工質(zhì)的熱管爆管時(shí)，有機(jī)物工質(zhì)迅速擴(kuò)散，造成人員傷亡事故。

對(duì)熱管的研究不僅集中在熱管的傳熱方面，還集中在新型熱管的研發(fā)上。其中包括對(duì)熱管工質(zhì)的研究和熱管結(jié)構(gòu)的研究。何曙等提出了帶內(nèi)循環(huán)管的重力熱管，內(nèi)循環(huán)的引入提高了液體的有效提升高度，增大了換熱面積；而且在蒸發(fā)段實(shí)現(xiàn)了降膜蒸發(fā)，提高了熱管的傳熱傳質(zhì)性能，最終提高了其熱傳導(dǎo)性能[11]。還有學(xué)者提出將重力熱管內(nèi)表面加工成螺紋狀以提高熱管的傳熱性能。對(duì)熱管工質(zhì)的研究主要包括尋找汽化潛熱高、飽和蒸汽壓力低、傳熱高效的傳熱工質(zhì)。對(duì)于工質(zhì)的研究主要集中在納米流體工質(zhì)上，這是將納米粒子加入原有工質(zhì)中，用來(lái)提高工質(zhì)導(dǎo)熱能力的一種做法。筆者提出用一種全新的熱管傳熱工質(zhì)，并對(duì)熔鹽工質(zhì)的選擇做了一系列研究。

熔鹽是一種高效的傳熱工質(zhì)，具有蒸汽壓力低、無(wú)毒無(wú)味、環(huán)境友好及與空氣接觸不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，這使得熔鹽重力熱管工作溫度范圍寬、制造成本低、傳熱高效、制造工藝簡(jiǎn)單，而且工作過(guò)程中即使出現(xiàn)部分熱管破裂，溢出的液態(tài)熔鹽也不會(huì)與載熱介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸事故，安全性好。此外，熔鹽無(wú)毒無(wú)味的特點(diǎn)，使得熔鹽泄漏到環(huán)境中也不會(huì)造成環(huán)境污染。但由于熔鹽的種類繁多，筆者提出熔鹽重力熱管工質(zhì)的優(yōu)選準(zhǔn)則以促進(jìn)熔鹽重力熱管的研究。

1 熔鹽工質(zhì)的相容性和熱穩(wěn)定性

工質(zhì)與殼體的相容性是選擇工質(zhì)必須考慮的因素之一。殼體一旦與工質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就將產(chǎn)生不凝性氣體或使殼體受到腐蝕破壞，這些都將降低熱管的性能或損壞熱管。對(duì)于不同種類的熔鹽，應(yīng)該選用不同材料的殼體。

硝酸鹽對(duì)常見(jiàn)的不銹鋼腐蝕性較小，成功運(yùn)用在Solar Two太陽(yáng)能熱發(fā)電站中。在應(yīng)用不銹鋼材料之前美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的Goods S H等對(duì)不銹鋼和碳鋼在混合硝酸鉀和硝酸鈉中的腐蝕行為進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究[12]。結(jié)果表明硝酸鹽對(duì)不銹鋼材料的腐蝕性非常小，因此硝酸鹽和不銹鋼可以相容作為重力熱管制造的工質(zhì)和殼體。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)熔鹽與材料的腐蝕性也做了大量實(shí)驗(yàn)研究。主要集中在氯化鹽對(duì)不銹鋼材料的腐蝕性方面。將氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂的混合鹽在靜態(tài)下對(duì)304、316L、321和2520這4種不銹鋼進(jìn)行腐蝕性實(shí)驗(yàn)[13]。結(jié)果表明氯化鹽對(duì)不銹鋼材料腐蝕嚴(yán)重，相容性差。由于硝酸鹽與不銹鋼材料具有較好的相容性，且不銹鋼材料價(jià)格便宜，因此筆者提出選用硝酸鹽和不銹鋼材料用于制造熔鹽重力熱管。熔鹽工質(zhì)應(yīng)用在熔鹽重力熱管中，要求其熱穩(wěn)定性能好，本實(shí)驗(yàn)室對(duì)混合熔鹽進(jìn)行了熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析。熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)通過(guò)熱重分析法，獲得熔鹽工質(zhì)的分解溫度[14]。在混合硝酸鹽的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)混合硝酸鹽在常壓下的分解溫度是604.9℃。因此混合硝酸鹽具有較好的穩(wěn)定性可以作為熔鹽重力熱管的優(yōu)選工質(zhì)。

2 工質(zhì)的液相傳輸系數(shù)

選擇熱管工質(zhì)的另一準(zhǔn)則是根據(jù)工質(zhì)的熱物性計(jì)算其液相傳輸系數(shù)N[15]：

式中h——工質(zhì)的汽化潛熱；

μ——工質(zhì)的粘度；

ρ——工質(zhì)的密度；

σ——工質(zhì)的表面張力。

理論上講，液相傳輸系數(shù)N的大小反映了工質(zhì)傳輸熱功率能力的高低。對(duì)于結(jié)構(gòu)相同的熱管，選用液相傳輸系數(shù)越大的工質(zhì)，熱管的傳熱性能就越好。因此，要求所選用的工質(zhì)汽化潛熱和表面張力大、粘度低、濕潤(rùn)性能好。為了選出液相傳輸系數(shù)高的工質(zhì)，筆者詳細(xì)介紹了熔鹽物性參數(shù)的測(cè)量方法。

2.1熔鹽工質(zhì)表面張力測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)利用熔體物性綜合測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，將金屬環(huán)水平地放在液面上，然后測(cè)定將其拉離液面所需的力。金屬環(huán)被拉起時(shí)，由于表面張力的作用，將液體也一同帶起，至拉起的液體重量與表面張力平衡時(shí)，液體重量達(dá)到最大值，進(jìn)一步拉起金屬環(huán)，拉力超過(guò)表面張力的瞬間液體脫落，金屬環(huán)脫離液體。被金屬環(huán)所拉起的液體形狀是R3/V和R/r的函數(shù)，在R和r一定時(shí)，可以認(rèn)為是常數(shù)。表面張力σ的計(jì)算公式為：

式中C——常數(shù)；

g——重力加速度，9.81m/s2；

Mmax——拉起液體的最大質(zhì)量，kg；

R——環(huán)的平均半徑，m；

r——環(huán)線的半徑，m；

V——拉起液體的體積，m3；

σ——熔鹽表面張力，N/m。

首先需要驗(yàn)證此方法的可行性，通過(guò)查詢現(xiàn)有熔鹽物性資料可以查到硝酸鋰單質(zhì)的表面張力計(jì)算方法。硝酸鋰熔點(diǎn)為253℃，分解溫度為600℃，對(duì)于硝酸鋰表面張力的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)較寬的溫度范圍，因此選用硝酸鋰作為標(biāo)定樣品來(lái)計(jì)算常數(shù)C。首先對(duì)300℃下的硝酸鋰樣品進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)公式可以計(jì)算出硝酸鋰300℃下的表面張力，然后利用熔體物性綜合測(cè)試儀可以測(cè)出此溫度下的常數(shù)C，然后利用測(cè)得的常數(shù)C反測(cè)此溫度下的表面張力，將測(cè)得的表面張力與計(jì)算出的表面張力值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值誤差在10%以內(nèi)。用此方法測(cè)得其他溫度下的表面張力常數(shù)C基本一致，故可以用此方法進(jìn)行熔鹽表面張力的測(cè)量。

其次需要計(jì)算不同溫度下的表面常數(shù)C。選用硝酸鋰作為標(biāo)定樣品，通過(guò)熔體物性綜合測(cè)試儀測(cè)得300、350、400、450℃下硝酸鋰的表面張力常數(shù)C，然后求出這些常數(shù)C的平均數(shù)。利用此平均數(shù)，測(cè)得未知混合硝酸鹽樣品的表面張力。如圖1所示混合硝酸鹽的表面張力隨著溫度的升高逐漸減小，可知混合硝酸鹽不適宜應(yīng)用在溫度過(guò)高的環(huán)境中。

圖1 混合硝酸鹽表面張力隨溫度的變化

2.2熔鹽工質(zhì)密度的測(cè)量

由圖2可知，混合硝酸鹽的密度隨著溫度的升高而逐漸減小，根據(jù)液相傳輸系數(shù)的計(jì)算公式可知混合硝酸鹽的密度值不宜過(guò)小，因此不能應(yīng)用于過(guò)高的溫度環(huán)境中。但是單憑一個(gè)密度參數(shù)不能判斷混合硝酸鹽工質(zhì)是否為優(yōu)選工質(zhì)，還需要判斷該工質(zhì)的粘度值μ。

圖2 混合硝酸鹽密度隨溫度的變化

2.3熔鹽工質(zhì)粘度的測(cè)量

熔鹽工質(zhì)粘度越低其濕潤(rùn)性越好，熱管的傳熱性能就越好。本實(shí)驗(yàn)室采用回轉(zhuǎn)振動(dòng)法來(lái)測(cè)定熔鹽工質(zhì)的粘度，高溫振蕩杯粘度儀示意圖如圖3所示。外石墨坩堝與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的鉬桿相連接。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)懸絲、反射鏡、慣性盤(pán)、鉬桿和外石墨坩堝，構(gòu)成懸吊系統(tǒng)。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)懸吊系統(tǒng)，左右旋轉(zhuǎn)一下，然后懸吊系統(tǒng)依靠慣性做自由振動(dòng)，由于液體內(nèi)部的內(nèi)摩擦力和液體與坩堝壁的摩擦作用，振幅逐漸減小。通過(guò)測(cè)量振幅的周期和振幅的變化計(jì)算出對(duì)數(shù)衰減率，然后根據(jù)shvidkovskll 公式計(jì)算其粘度。

圖3 高溫振蕩杯粘度儀示意圖

由圖4可知，粘度隨溫度的升高逐漸降低，就液相傳輸系數(shù)的公式而言，熔鹽的這種物性對(duì)于工質(zhì)的傳熱是非常有利的。但還需綜合考慮熔鹽的其他物性，才能確定該工質(zhì)是否為優(yōu)選工質(zhì)。

圖4 混合硝酸鹽粘度隨溫度的變化

2.4熔鹽工質(zhì)汽化潛熱的測(cè)量

筆者采用熱重分析儀和真空泵相組合的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)熔鹽在某一溫度下單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)克努森方程可以求得熔鹽在這一溫度下的飽和蒸汽壓力，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算求得熔鹽的汽化潛熱。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先需要加工一個(gè)克努森腔體，它是一個(gè)圓柱體，由石墨加工而成。腔體上表面開(kāi)一個(gè)小孔，蒸發(fā)的樣品通過(guò)小孔向外滲出。小孔的直徑和腔體上表面的厚度共同決定克勞辛參數(shù)a的大小。本實(shí)驗(yàn)用克努森腔體上表面厚度L=2.92mm，小孔直徑D=1.5mm，克勞辛參數(shù)a只是與L/D有關(guān)的變量，經(jīng)過(guò)計(jì)算克勞辛參數(shù)a=0.36。

將樣品放入克努森腔內(nèi)，在接近0.1mPa的真空條件下對(duì)樣品進(jìn)行加熱，測(cè)量樣品單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失，利用單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失通過(guò)赫茲-克努森方程建立的公式計(jì)算求出熔鹽工質(zhì)的蒸汽壓p：

式中a——克勞辛參數(shù)；

Ah——克努森腔小孔的面積；

m——單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量減少量；

MA——樣品的摩爾分子量。

以鋅粉為樣品，利用上述方法對(duì)其飽和蒸汽壓進(jìn)行測(cè)量。圖5為溫度從0℃加熱到450℃時(shí)，鋅粉在克努森腔體內(nèi)蒸發(fā)時(shí)質(zhì)量減少量隨時(shí)間的變化情況。由圖5可知鋅粉在某一段時(shí)間內(nèi)，蒸發(fā)速率是恒定的，單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量減少量也是恒定的。因此可以利用赫茲-克努森方程求出鋅粉在此溫度下對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力。圖6為鋅粉飽和蒸汽壓力隨溫度的變化曲線，基本成線性關(guān)系，并且能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出鋅粉在某一溫度下對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，表明此測(cè)量方法的可行性。

圖5 鋅粉質(zhì)量隨時(shí)間的變化

圖6 鋅粉蒸汽壓隨溫度的變化

3 結(jié)論

3.1混合硝酸鹽工質(zhì)具有較好的相容性和熱穩(wěn)定性。相容性是指熔鹽工質(zhì)可以與殼體共存，而不發(fā)生腐蝕或者其他化學(xué)反應(yīng)；熱穩(wěn)定性是指熔鹽工質(zhì)在殼體內(nèi)加熱汽化的過(guò)程中不會(huì)分解。

3.2熔鹽工質(zhì)的液相傳輸系數(shù)越大，表明該種熔鹽就越適合作為熔鹽重力熱管的傳熱介質(zhì)。熔鹽工質(zhì)的表面張力、密度、粘度、汽化潛熱的準(zhǔn)確測(cè)定是計(jì)算工質(zhì)液相傳輸系數(shù)的必要條件。筆者給出了具體有效的測(cè)量方法。

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