鋰在熱管反應器吸液芯上毛細作用的理論分析

朱 強，鄭邯勇，李維維，張 強

（中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北邯鄲056000）

0 引言

鋰與六氟化硫在一定條件下可以反應，釋放出很高的熱量，并生成液態(tài)氟化鋰與硫化鋰產(chǎn)物。產(chǎn)物體積與消耗鋰的體積大致相同，可以儲存在反應器中，不用向系統(tǒng)外排出。鋰 ／六氟化硫反應器與汽輪機或斯特林發(fā)動機配合，可以構成性能優(yōu)異的閉式循環(huán)動力系統(tǒng)，適合用作水下航行器的動力裝置[1-3]。

鋰／六氟化硫反應有兩種形式。一種是浸沒噴射反應，氧化劑噴嘴與傳熱管均浸沒在液態(tài)鋰中，氧化劑噴射到液態(tài)鋰中發(fā)生反應，反應熱量經(jīng)過液態(tài)鋰或產(chǎn)物傳遞到傳熱管壁，再傳輸給工質。由于氧化劑噴嘴直接與高溫鋰或產(chǎn)物接觸，停止反應后容易引起噴嘴的堵塞。因此這種反應方式適用于輸出功率大、持續(xù)時間短的應用場合；另一種是吸液芯反應，吸液芯布置在鋰液面上，液態(tài)鋰通過毛細作用傳輸?shù)轿盒旧?，與氧化劑反應，通過鋰的蒸發(fā)與冷凝實現(xiàn)反應熱量傳遞。由于六氟化硫噴嘴位于鋰液面上，停止反應后噴嘴不會堵塞，可以做到重復啟動，但是這種反應形式的放熱量受到吸液芯燃料傳輸能力限制，適用于小功率、長時間工作的應用場合。我們稱這種反應形式的反應器為熱管反應器[4]。

熱管反應器結構示意圖見圖1，主要由筒體、傳熱管、吸液芯、法蘭蓋等組成，反應器上部是反應及傳熱區(qū)，下部是鋰和產(chǎn)物儲存區(qū)，吸液芯距傳熱管內壁一定距離處布置，其下端延伸到鋰液面下，六氟化硫噴嘴安裝在反應器的頂部。

工作時，液態(tài)鋰在表面張力作用下沿吸液芯上升，與六氟化硫在吸液芯內表面反應放熱。反應熱量傳遞給吸液芯，吸液芯中的鋰受熱蒸發(fā)，一部分參與反應，一部分擴散到傳熱管壁冷凝，將熱量傳給工質，凝結的鋰液沿螺旋管壁流至鋰池。反應產(chǎn)物在吸液芯上冷凝為液體，沿吸液芯向下流至儲存區(qū)底部。毛細提升力把鋰源源不斷提供給吸液芯，反應可以一直進行到鋰消耗完，反應產(chǎn)物儲存在反應器中[5-6]。

在熱管反應器中鋰既是燃料，又是傳熱介質。吸液芯不僅起輸送燃料與導流產(chǎn)物作用，而且反應與傳熱都圍繞吸液芯進行。吸液芯作為傳熱系統(tǒng)的一部分，與傳統(tǒng)熱管的蒸發(fā)段有些類似。熱管中工作介質的循環(huán)靠吸液芯產(chǎn)生的毛細壓頭維持，由于吸液芯所能提供的壓頭是有限的，將使熱管的最大傳熱量受到限制。對熱管反應器來說，鋰 ／六氟化硫反應放出熱量，同時吸液芯中鋰的蒸發(fā)帶走熱量，將使吸液芯溫度保持在一定水平。如果吸液芯不能輸送足夠的鋰到反應器上部，滿足反應與傳熱要求，吸液芯會發(fā)生局部干涸，可能引起吸液芯或傳熱管燒蝕，這種極限即是吸液芯毛細極限。

為了研究熱管反應器的設計、工作特性以及吸液芯毛細極限，本文建立理論模型，對鋰在吸液芯上的毛細作用進行理論分析。

圖1 熱管反應器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat pipe reactor structure

1 吸液芯理論分析[7-8]

圖2是吸液芯理論模型示意圖。液態(tài)鋰在毛細作用下爬升到吸液芯中，氧化劑噴入由法蘭蓋、吸液芯與鋰液面組成的封閉空間內，吸液芯上的鋰與氧化劑反應，反應熱使吸液芯上更多的鋰蒸發(fā)，從吸液芯內部蒸發(fā)的鋰與氧化劑反應，從吸液芯外部蒸發(fā)的鋰在傳熱管壁冷凝，將熱量傳輸給工質。我們假定吸液芯表面鋰的燃燒速度均勻，鋰從吸液芯外表面的蒸發(fā)速度也均勻。假設系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，液面上全部反應熱量通過吸液芯傳輸。吸液芯液面上高度為H，吸液芯單位面積反應的燃料質量流量為mC″，吸液芯單位面積蒸發(fā)的燃料質量流量是mE″，吸液芯熱流密度是q″。

吸液芯有多種結構形式，本文研究的吸液芯是由金屬絲網(wǎng)制成的。多層金屬絲網(wǎng)緊密排列在一起，構成多孔材料，對液體有一定的毛細作用。由于高溫情況下鋰具有很高的還原性，六氟化硫具有極高的氧化性，綜合考慮耐腐蝕情況，金屬絲網(wǎng)采用不銹鋼材質。

圖2 吸液芯理論模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of wick theoretical model

單位面積吸液芯用于反應與蒸發(fā)的燃料質量流量：

吸液芯單位寬度的鋰流量：

式（2）可以寫成：

吸液芯上鋰流量隨著高度而變化：

吸液芯中由重力和粘性引起的壓力降與吸液芯提供的毛細壓力平衡。

為計算粘性壓降，用到達西定律：

總粘性壓降為

將式（6） 代入式（7），積分得：

圖2中A點彎月面半徑為無窮大，吸液芯毛細壓力為

鋰在吸液芯中最大提升高度條件下，毛細壓力等于靜壓與粘性壓力之和。

解方程（10），得到：

式中：m″為燃料單位面積質量流量；q″為熱流密度；Qr為鋰／六氟化硫反應熱；hfg為鋰的汽化熱；m＇為吸液芯單位寬度燃料流量；H為吸液芯液面上高度；ΔpS為吸液芯毛細壓頭；ΔpV為粘性壓力；ρ為液態(tài)鋰的密度；μ為液態(tài)鋰的粘度；DW為吸液芯直徑；AW為吸液芯截面積；t為吸液芯厚度；R為吸液芯彎月面半徑；σ為液態(tài)鋰表面張力；d為吸液芯鋼絲直徑；N為吸液芯絲網(wǎng)目數(shù)；K為吸液芯滲透率；ε為吸液芯空隙率。

2 鋰在吸液芯上升高度的計算及分析

熱管反應器工作時吸液芯保持豎直狀態(tài)，液態(tài)鋰依靠毛細作用力上升到吸液芯參加反應與傳熱，因為傳熱管布置在吸液芯外圍，合理的吸液芯上升高度不僅提供足夠的反應面積，而且提供足夠的傳熱面積，因此液態(tài)鋰在吸液芯上的上升高度是一個重要參數(shù)。

根據(jù)公式（11）計算液態(tài)鋰在絲網(wǎng)吸液芯的上升高度，分析絲網(wǎng)目數(shù)、層數(shù)、液態(tài)鋰溫度以及熱流密度等參數(shù)對鋰在吸液芯上升高度的影響。由于鋰／六氟化硫反應產(chǎn)物氟化鋰與硫化鋰的共熔點大約為810℃，又考慮到不銹鋼絲網(wǎng)的熔點與耐腐蝕狀況，所以計算時假定鋰溫度取值范圍在827～1 027℃。熱管反應器存在毛細極限，熱流密度太大會引起吸液芯燒毀，因此熱流密度假定在1 000 kW／m2以下。

在溫度827℃、熱流密度500 kW／m2條件下，分別對目數(shù)為20目、40目、80目，層數(shù)為2層、3層、4層的絲網(wǎng)吸液芯的鋰上升高度進行計算。表1為鋰在吸液芯上升高度隨層數(shù)與目數(shù)變化的計算結果。圖3為鋰在絲網(wǎng)吸液芯的上升高度隨目數(shù)與層數(shù)變化趨勢圖。

表1 鋰在吸液芯上升高度隨層數(shù)與目數(shù)變化計算結果Table.1 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with layer number and mesh number

從圖3可以看出，鋰在吸液芯的上升高度隨著絲網(wǎng)層數(shù)的增加而增大，但是在熱管反應器設計時絲網(wǎng)層數(shù)不宜選取過多，一般選取4層。因為層數(shù)多，絲網(wǎng)厚度就增加，會增大吸液芯的熱阻，引起吸液芯內外溫差增大，增大吸液芯受到腐蝕的可能性。鋰上升高度與絲網(wǎng)目數(shù)不成正比關系，在一定條件下有一個最佳目數(shù)，使得鋰的上升高度最大。這是因為增加絲網(wǎng)目數(shù)會增加吸液芯的毛細提升能力，但同時也增大粘性壓力，圖3中鋰上升高度取得最大值的目數(shù)是50目左右。

圖3 鋰在絲網(wǎng)吸液芯的上升高度隨目數(shù)與層數(shù)變化趨勢圖Fig.3 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with mesh number and layer number

在熱流密度500 kW／m2條件下，對80目、4層網(wǎng)狀吸液芯的鋰上升高度隨溫度變化進行了計算。表2為鋰在吸液芯上升高度隨溫度變化的計算結果。圖4為鋰在吸液芯的上升高度隨溫度變化趨勢圖。

表2 鋰在吸液芯上升高度隨溫度變化計算結果Table 2 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with temperature

圖4 鋰在絲網(wǎng)吸液芯的上升高度隨溫度變化趨勢圖Fig.4 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with temperature

從圖4可以看出，在溫度827～1 027℃范圍內，鋰的上升高度隨溫度變化不明顯。原因是盡管溫度升高，使得液態(tài)鋰的密度與粘度值都減小，有利于鋰在吸液芯的上升，但是鋰的表面張力也減小了，兩方面作用相互抵消了。

在827℃ 溫度條件下，對80目、4層網(wǎng)狀吸液芯，鋰在吸液芯的上升高度隨熱流密度變化情況進行了計算。表3為鋰在吸液芯上升高度隨熱流密度變化計算結果。圖5為鋰在吸液芯的上升高度隨熱流密度變化趨勢圖。

表3 鋰上升高度隨熱流密度變化計算結果Table 3 Calculation result of rising height of lithium changing with heat flux

圖5 鋰在絲網(wǎng)吸液芯的上升高度隨熱流密度變化趨勢圖Fig.5 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with heat flux

從圖5可以看出，隨著熱流密度增加，鋰在吸液芯的上升高度反而減小。因為熱流密度的增加，要求更多的鋰參加反應，上升高度低有利于鋰在吸液芯的流動。

3 結束語

通過對熱管反應器吸液芯理論模型的研究，得到了鋰在吸液芯上升高度的計算公式，對給定條件下鋰在吸液芯的上升高度進行了計算，根據(jù)計算結果分析了鋰在吸液芯上升高度隨絲網(wǎng)層數(shù)、絲網(wǎng)目數(shù)、溫度、熱流密度等參數(shù)的變化規(guī)律，為熱管反應器設計及吸液芯參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。