（检测技术与自动化装置专业论文）热管特性的实验研究.pdf

热管特性的实验研究摘要热管是一种将工质密封在高真空腔体中，通过工质的相变进行传热的高效导热元件，拥有很大的导热系数和良好的温度均匀性，在温度计量领域有着广泛的应用。本课题围绕热管的一些特性对小型钠热管、钠热管固定点炉和水热管展开了相关的实验研究，对研究热管传热特性和热管运行机理有着重要的意义，并且对在计量领域中热管的应用有重要的价值。小型钠热管在加热试验中表现出了比较大的温差，说明了钠热管中不凝结气体的存在对热管的传热性能有直接的影响。从中国计量科学研究院研制的钠热管固定点炉进行的等温性实验结果我们可以看出，固定点炉等温性比较理想，在钠热管轴向垂直方向上最大温差不超过o 2 。由于本实验的水热管拥有比较理想的真空度，所以在实验中表现出良好的温度稳定性和温度均匀性，计阱底部在l o 分钟内最大温度变化不超过o 1 6 ，从底部往上1 5 e r a 的高度上最大温差不超过0 11 。关键词：钠热管固定点炉，小型钠热管，水热管，a b s t r a c tr n -l 。l l ee x p e r i m e n tr e s e a r c l l0 nn e a t1 3 1 1 3 ec n a r a c t e n s t i c sa b s t r a c tt h es oc a l l e dh e a tp i p ei sak i n do fe f f i c i e n th e a tc o n d u c t o rs e a l i n gt h ew o r k i n gf l u i di nah i g hv a c c u mt u b e t h eh e a tp i p e st r a n s f e rh e a tb yt h ep h a s et r a n s i t i o no ft h ew o r k i n gf l u i d ，a n dh a v eal a r g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dg o o di s o t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s t h e ya r ew i d e l yu s e di nt h et e m p e r a t u r em e t r o l o g yf i e l d t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e l e v a n te x p e r i m e n t so fas m a l ls o d i u mh e a tp i p e ，s o d i u mh e a tp i p ef u m a c ea n daw a t e rh e a tp i p e ，w h i c ha r ev e r ys i g n i f i c a n tt oi t sh e a tc o n d u c t i o nc a p a b i l i t ya n do p e r a t i o n a lt h e o r yr e s e a r c h , a n da l s oh a v ea ni m p o r t a n tv a l u et oi t sa p p l i c a t i o ni nt h em e t r o l o g yf i e l d t h es m a l ls o d i u mh e a tp i p ep e r f o r m e dal a r g e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h eh e a t i n ge x p e r i m e n t ，w h i c hs h o w st h a tt h en o n c o n d e n s e dg a sh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h es o d i u mh e a tp i p e sh e a tc o n d u c t i n ga b i l i t y t h es o d i u mh e a tp i p ef u r n a c e ，m a d eb yt h en a t i o n a li n s t i t u t eo fm e t r o l o g y , s h o w e dg o o dt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y , a n dt h el a r g e s tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o no ft h es o d i u mh e a tp i p ed i d n te x c e e d0 2 。c d u et ot h eh i g hv a c u u me n v i r o n m e n t ，t h ew a t e rh e a tp i p e tp r e s e n t e dg o o d t e m p e r a t u r es t a b i l i t y - a n du n i f o r m i t y t h et e m p e r a t u r em e a s u r e do nt h eb o t t o mo ft h er e e n t r a n tw e l lv a r i e d0 16 。ci n10m i n u t e s ，a n dm e a s u r e da l o n gad i s t a n c eo f15 c ma b o v ef r o mt h e北京化t 人学硕l ：学位论文b o t t o mo ft h er e e n t r a n tw e l ld i d n tv a r ym o r et h a n0 11 k e yw o r d s ：s m a l ls o d i u mh e a tp i p e ，s o d i u mh e a tp i p ef u r n a c e ，w a t e rh e a tp i p e北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：墨呈坠e t 期：作者签名：里壬! 垒期：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：日期：竺竺! ：至：!日期：垄鱼旦旦：亟：兰二第苛绪论1 i 引言第一章绪论热管是目前人类已知最高教的传热元件之。热管通过将工质密封在高真空腔体中，依靠r 质的柏变进行传热，拥有很大的导热系数和良好的温度均匀性，其热阻很小，可以将大量热量通过很小的截面积远距离传输而不需要外加动力。在热管内部，热量的传递是通过工质的蒸发、冷凝过程进行的，沸腾与冷凝系数都很大，蒸汽流动阻力小，管壁温度相当均匀。由热管的传热量和相应的管壁温差折算而得的表观导热系数，是展优良会属导热体的l o 卜1 0 0 0 0 倍。1 2 热管的结构图1 - 1 热管结构1 热管壳体：2 j 作介质；3 一毛细吸液芯；f i g 1 一l h e a tp i p es t r u c t u r e- h e a t p i p es h e l l ；2 w o r k i n g f l u i d ：3 - c a p i l l a r ys d l l c t u r e ；如图卜l 所示，热管由热管壳体、工作介质、毛细吸液芯三部分组成唑) 热管壳伴热管壳体是由一个能承受一定压力的、完全密封的容器。它的几何形状没有北京化工大学硕上学位论文特殊的要求，一般情况下为圆管形状。热管在工作时壳体往往要承受一定的压力，比如有的高温热管在运行时内压可以达到几个或者十几个大气压，并且热管在制作时需预先建立很高的真空，所以热管壳体要必须经得起真空检漏及一定压力的严格考验。热管壳体一般用金属材料制成。2 ) 工作介质工作介质在热管运行时起到热流载体的作用，热管依靠工质的相变过程来完成热交换的工作循环；壳体内的工质气液两相共存，液态工质储存在多孔的吸液芯层内，气态工质则充满热管的内部空腔；由于热管制成时真空度很高，所以除非是温度比工质凝固点还低的情况下，热管内气液两相共存的工作介质通常是处在饱和状态的。3 ) 毛细吸液芯毛细吸液芯紧贴于管壳内壁，是储存液态工质的地方。它的作用是沿径向分配液念工质，使其在吸液芯中均匀而稳定地保持一层薄薄的液膜，产生毛细抽吸力并提供通道使凝结液回流的动力和可靠通道。1 3 热管的工作段从热管与外界的传热状态来看，沿其壳体轴向可以分为3 个工作段，如下图1 2所示【4 】：图1 2 热管组成1 蒸发段：2 绝热段：3 冷凝段；f i g 1 - 2h e a tp i p es e c t i o n s1 - v a p o r i z e r ；2 - a d i a b a t i c s ：3 - c o n d e n s e r2第一章绪论1 ) 蒸发段热管从热源吸取热量的工作段。在这一区段中工质由于吸热而蒸发，所以从内部工作过程来分析为蒸发段，从与外界热交换情况来分析为加热段。2 ) 绝热段热管与外界没有热交换的工作段。工质蒸汽携带汽化潜热流过这一段，从内部工作过程来分析也叫传输段。3 ) 凝结段热管向冷源放出热量的工作段。在这一区段中工质蒸汽向冷源放除相变潜热而凝结成为液体，所以从热管内部工作过程来分析为凝结段，也称冷凝段，从与外界热交换情况来分析又称为放热段。应当指出，在热管3 个工作段中，蒸发段与凝结段是必不可少的，而绝热段根据设计的要求可有可无，在实际应用的热管结构中，没有绝热段的情况是常常会遇到的。1 4 热管的特性热管由于其特殊的导热方式，因此拥有一些不同于其他传热元件的特性【5 】，主要有以下几点：1 ) 高效的导热能力。因为热管中热量的传递是依靠介质相变而形成的对流而进行的，而不同于铜、铝等金属传热是依靠分子的热运动而进行的，所以热管的导热能力比银、铜等导热最好的金属还要大几百倍。在高温场合，则要大上万倍，所以有人把热管称之为热的“超导体 。2 ) 温度均匀性。热管表面的温度是由蒸汽温度控制的，当局部受热量增大时，管内的蒸汽压力升高，管内空间的温度变得更均匀。这种等温性与热管的形状和尺寸关系不大。例如一米长的热管，蒸发段和冷凝段两端的温差可小于1 。3 ) 优良的热响应性。热管内部压力很小，也就是说热管的启动温差( 蒸发段温度与冷凝段温度之差) 很小。只要蒸发段的温度稍微高于其冷凝段的温度，热管就可以开始工作。4 ) 热可控性。可控热管在热管腔体中除工质外，还装有少量的在热管工作温度下不能凝结的气体。由于不凝结气体的体积的变化可以改变热管蒸发段的长度，所以可以通过控制不凝结气体的体积来控制热管本身的温度，而且热管蒸发北京化工大学硕士学位论文段相连接的热源的温度也可以得以控制。5 ) 可靠性。热管结构简单，没有机械运动部件，运行可靠，使用寿命长。6 ) 应用的广泛性。热管能在失重状态下工作，因此可用在宇宙飞船和人造卫星上；7 ) 可变换热流密度。热管能以小的加热面输入热量，而以大的冷却面输出热量，或者以大的加热面输入热量，以较小的冷却面输出热量。也可以用较短的加热段吸收热源的热量，而用较长的冷却段输出热量。这样可使单位面积上的热流量发生变化。1 5 热管的研究发展热管的构想最早是由美国俄亥俄州的g m 公司的r s g a u g l o r 于1 9 4 4 年提出的【6 】。在他以“h e a tt r a n s f e rd e v i c e ( 热传输装置) 为名的一份专利申请书中，g a u g l o r设想一装置由封闭的管子组成，在管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，在无需外加动力的情况下，冷凝液借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸热蒸发，从而达到循环传输热量的目的。但是，当时美国并未将该专利实用化。其后的1 9 6 3 年，在由美国原子能委员会申请的专利明细书中开始使用h e a tp i p e ( 热管) 这个名称【7 l 。1 9 6 4 年，美国l o ea h r a 科学实验室的g m g r a v e r及其合作者t p c o t t e r 与g f e b o n 伟t 成第一根实际运行的高温钠热管【8 】，引起各国学者的高度关注，引发热管技术研究和应用的热潮。4 0 多年来，美、日、德、意、英、法、原苏联等国相继对热管的理论和应用开展了大量的试验研究，新的研究成果报道不断出现 9 1 。在以热管研究的进展以及广泛用途开发的背景下，国际学术交流活动也越来越频繁。1 9 7 3 年，在西德召开了第届国际热管技术会议，以后约每隔3 年召开一次国际会议。另外，迄今己在多个国家召开过1 3 届国际热管会议，会议召开的时间间隔也从4 年改为2 年，而在这两年期间差不多每年又有其他国际性的区域研讨会。新的热管应用专利也不断出现。我国于1 9 7 2 年研制出3 种不同毛细结构的钠热管，并进行了极限性能实验【1 0 】，此后出于种种缘故虽有起落，但基本上与国际上同步，在热管研究和推广应用等方面都已取得长足进展【9 】。我国北京和上海分别举办过其中第8 届和第1 3 届国际热管会议，还举办过一些双边和多边的国际热管研讨会。除了专门的热管会议之外，在计量、航空航天、能源和动力、工程热物理、以及化工和石油化工等领域4第一章绪论国际国内学术会议上，也都有重要的热管论文发表。4 0 多年来估计已发表的热管论文不下3 0 0 0 篇。与此同时，历年也不断有一些专著出版【l o 】【1 4 】，与各书出版年份相适应，这些专著比较恰当地反映了各阶段热管技术所达到的水平、关注的焦点以及发展的趋势。1 6 热管的应用热管以其优良的性能最初首先在卫星的温度控制上使用，随即在电子、电机的散热冷却和余热利用等诸方面得到普遍应用。目前，在世界范围内，从空间到地面，从军工到民用，在航天、航空、电子、电机、核工业、热工、建筑、医疗、温度调节、余热回收以及太阳能与地热利用等方面已有数以万计的热管正在运行中【b 】。1 9 7 2 年，从我国第一根自制钠热管成功地投入运行开始，之后从航天工业到民用工业，热管技术都取得进展并获得应用。一些高校和科研单位在热管技术的应用和基础研究方面做了大量工作，促使热管在空间技术、电子电器、能源动力、化工、轻工、冶金等多方面获得应用。1 7 高温热管在温度超过7 0 0 的换热条件下，使用普通的换热器会有许多困难，如无温差应力、材料高温蠕变、高温腐蚀等问题【1 6 】。高温热管可带来很大的方便，如温差应力小，结构简单，不易受高温破坏，单根热管破坏不影响设备整体性能等诸多优点。高温热管的工作液体是液态金属( 钠、钾、锂、铯等) ，其特点是饱和蒸汽压力很低，所以在高温条件下，工作的热管只承受高温而不承受管内高压。高温热管在核工程、太阳能电站、斯特林发动机、高温热风炉等方面有着重要的用途。1 7 1 国外高温热管理论研究与发展自1 9 6 3 年美国的l o s a l a m o s 科学实验室的g r o v e 和他的同事们首次报道高温热管成功地工作以来，吸引了很多科技工作者从事高温热管研究，使高温热管得到了快速发展。1 9 6 7 年，c o r e r 首先对高温热管的启动问题进行了研究【1 7 】。c o t t e r5北京化工大学硕上学位论文在热管的轴向方向上建立了一维模型并建立了有效导热系数。1 9 7 0 年，s o c k o l等对用锂作为工作介质的高温热管进行研究，他们观察到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，热管壁温升到某一中间值时就保持恒剧1 8 】。基于上述实验观察，c o t t e r 模型得到了验证和修改。1 9 7 0 年，d e v e r a l l 首次注意到高温热管内蒸汽流动类似于收缩一扩张喷管，因管内蒸汽压力低，蒸汽流速很容易达到声速或超过声速【1 9 】。k e m m e 通过对1 根高温钠热管的性能实验验证了d e v e r a u 的这种流动特性，并提出高温热管在起动过程中能遇到声速极限，并给出了声速极限的计算公式 2 0 1 。1 9 7 3 年，b u s s e 又首先提出当高温热管在比声速极限区域更低的温度起动时能遇到粘性传热极限【2 1 1 。l e v y 等也对管内蒸汽流动的声速传热极限进行大量的研究，并建立了几种新的数学模型瞄】。在以后高温热管的发展过程中，众多学者都从不同的角度，采用不同的方法，对不同用途的高温热管进行了大量的实验与理论研究。譬如，t o l u b i n s k y 等研究了高温钠、钾热管在高频加热与辐射加热2 种方式下的起动特性【2 3 1 。i v a n o v s i k i i 等在分析了高温热管的起动现象【2 4 】。m e r r i g a n 等对1 个长4m 的高温锂热管进行实验研究，结果发现在卸载过程中蒸发段发生液体损耗，再起动将产生过热点【2 卯。p o n n a p p a n 对1个2 米长的可控高温热管进行了研究【2 6 1 。c a o 等研究了瞬时功率变化时高温热管内的蒸汽流动【2 7 】。f a g h r i 等研究了具有多个复杂热源的高温钠热管性能，并对各种热载下的凝结起动性能进行了分析【2 8 】。f a g h r i 比较系统完整地概括了高温热管的起动过程。c h a n g 对高温热管的瞬时响应进行研究，利用a d i 方法模拟通过壁面和吸液芯的导热，并将数值模拟结果与实验结果进行了比较【2 9 1 。j a n g 研究了高温钾热管冻态下的起动特性【3 0 】。m a t s u m o t o 等通过改变增温速度和倾斜角度研究高温钠热管的起动过程【3 。l i n g 最j d 、型高温旋转热管进行研列3 2 1 。近十几年来，高温热管的理论研究热点主要针对整个管内工质处于冻结状态下的起动问题，同时随着计算流体力学与计算传热学的发展，其分析方法也随之改变为采用数值模拟方法。1 9 8 7 年，c 0 1 w e l l 等开发了一个简单的数学模型来预测高温钠热管从冻结状态下的起动问题【3 3 1 。j a n g 等采用纯导热的方法预测高温热管吸液芯内的相变，建立蒸汽连续流动区域的一维瞬时可压缩数学模型【3 4 1 。c a o等建立了二维数值模拟模型，这个方法预测了瞬时和稳定状态的高温热管起动性能，并用f a g h r i 实验数据验证，吻合较好【3 5 1 。c a o 等还建立了简单的闭式数学模型描述高温热管冻结状态下的起动，同时又提出了高温热管冻结起动限( f s l ) 的概念【3 6 1 。t o u r n i r e 等对高温热管从冻结状态下的起动连续和不连续蒸汽流动提出6第一章绪论了一个统一模型，耦合吸液芯内的固体熔化和蒸汽流动，理论结果与实验值相当一致【3 7 1 。1 7 2 国外高温热管应用研究发展国外最早的高温热管被应用于空间技术上，1 9 7 0 年美国r c a 首次用1 0 0 根高温热管排成1 个宽6 5c i l ，高1 0 8c 1 t i 的方阵，制成了一种空间辐射器口，这种热管辐射器可带走5 0 k w 热量，能减轻因流星损伤而引起的载热体的泄漏【3 8 】。高温热管后来的发展是高温热管向其他领域不断渗透。1 9 7 3 年，美国马里兰州的d y n a t h e r m公司利用高温钠热管吸收经过聚焦的太阳能，加热d r a y t o n 循环能量转换系统中的气体，研制了太阳能中心接收站，这种太阳能聚焦式集热器的优点是热冲击小、结构简单、易于更换、传热量大及寿命长【3 9 】。1 9 7 5 年，法国s o d e m 用高温钠热管研制了一个用于标定传感器的热管恒温炉，使加热功率不做主动控制，系统的稳定性在士o 2 5o c 4 0 。荷兰菲利普斯公司用可控高温热管研制了1 台热管导热系数测量仪，用于测量多层箔绝热材料的超导热系数，其工作温度能长时间保持稳定，且不受加热功率可能有的波动影响【4 1 1 。1 9 7 6 年美国l o sa l m a s 实验室提出高温热管煤气化器，即在煤燃烧反应器中安置高温热管，燃烧所放出的热量由高温热管传送到外面容器的流化床中，促使煤和蒸汽发生反应，采用这种高温热管煤气化器可以得到高质量的煤气【4 2 】。1 9 7 8 年，b r o s t 等人介绍了依据高温热管热流密度、热二极管和热开关特点，将高温热管应用于斯特林发动机，成功地解决了斯特林发动机的传热问题【4 3 1 。同时还介绍了前西德i k e 研制的一种用于二次标定系统及标定高温计的高温热管黑体，用钠作高温热管工质，不锈钢外壳材料在真空中可工作n 8 5 0 0 c t 4 4 1 。1 9 7 8 年，高温热管技术在空间核电源中得到应用，即用高温热管作为燃料元件导出堆芯内的核反应热，并通过后续热电转换系统将热能转换为空间飞行器所需的电能。高温热管不仅移走堆芯热量的可靠性高，而且使管路系统简单，并省去了堆芯冷却剂及其和外回路之间的换热器，缓解了冷却剂被活化引起的腐蚀问题f 4 5 1 。1 9 8 0 年，m e r r i g a n 研制高温陶瓷热管并将其应用于废热回收。1 9 8 8 年，c o m a r d a 研究了超音速高温热管，利用1 2 根高温钠热管将超音速航天飞行器机翼的前沿局部高温降低，以减少结构内部的局部高温应力，延长结构材料的使用寿命【4 6 1 。1 9 9 4 年，w i e r s e 报道了高温热管太阳灶e 3 3 3 ，该太阳灶是将太阳能引入室内作为日常炊事用能的一种灶具【4 7 】。它由太阳光聚焦高温热管、蓄能7北京化工大学硕士学位论文物质及热管锅组成。其原理是通过聚光系统将太阳光聚焦在高温热管上，得n 8 0 0以上的高温，热管内部的工作液体通过相变传热将热量传给室内的蓄能物质，蓄能热量通过热管将热量传到锅内。1 7 3 国内高温热管的发展热管相变工作原理决定了其内部蒸汽和液体基本上都处于饱和状态，因而只要有效控制外部换热条件、保持传递比较低的热流密度，那么就可以保持热管具有比较高的等温性，这是热管独具的一个重要特性。中国科学院力学研究所热管组( 1 9 8 0 年后划归中国科学院工程热物理研究所) 跟控制工程研究所合作，于1 9 7 6年初研制出国内第一根长5 0 0 m m 的同轴圆环形汽通道等温钠热管( 以下简称同轴等温钠热管) 4 s 】；随后在扩散炉上进行测试，结果表明，在热管4 5 长度内达到了优于士o 0 1 的温度均匀性。此后北京控制工程研究所有关人员在这一成果的基础上，又推出若干改进型同轴等温钠热管，推广应用于半导体液相外延炉1 4 9 5 0 1 。1 7 4 高温热管在计量的应用热管黑体可以说是同轴等温钠热管推广应用于计量领域的第一个实证。b r e o t等人研制的一种热管黑体主要由一根一端封闭的同轴等温钠热管构成，用于辐射高温计的二次检定【5 1 1 。德国标准局( p t b ) 研制了一种大面积热管黑体( l a b b ) ，用哥：6 0 0 c 1 0 0 0 c n 度范围辐射高温计的准确检定【5 2 】。c h e n y i n g h a n g 等人研制的钠热管黑体，其覆盖的工作温度范围为8 0 0 k - 1 2 0 0 k ，他们研制出c s k n a 合金热管黑体，其覆盖的工作温度范围为5 0 0 k 8 0 0 k 5 3 j 。中国计量科学研究曾在研制5 0 0 1 0 0 0 。c 高精度分度装置时考虑采用热管技术，并于1 9 8 0 年委托北京控制工程研究所研制高温多( 温度计) 阱钠热管。据此一共研制了三根多阱钠热管：第一根5 阱钠热管，管壳材料为不锈钢，于1 9 8 2 年用在中国计量科学研究院第一台上限为8 5 0 。c 的分度装置上；第二根5 阱不锈钢钠热管用在上海工业自动化仪表研究所z w 一2 型温度计精密校验装置上，实测结果表明，该装置个测温阱之间的最大温差为0 0 2 ，在9 0 m m 长度内单个阱的垂直温差为0 0 2 c ，于1 9 8 4 年1 2 月通过机械部仪表总局鉴定；第三根为4 阱g h l 8 1 合8第一章绪论金钠热管，经钠与g h l 8 1 合金相容性的试样块速寿命试验判定，该阱钠热管可用在1 0 7 0 4 0 ，短时间可用到1 1 0 0 * or 4 8 1 4 9 1 【卯】。e d e v i n 等人采用德国i k e 制造的4阱钠热管等温炉，在6 0 0 。0 , - , , 9 6 0 。c 温区内对高温标准铂电阻温度计和高精度热电偶进行了比较检定【5 引。由于高温热管有良好的等温性，为了提高固定点炉的性能，国外逐渐开发了采用液态金属为工质的高温热管作为等温腔的中高温固定点炉：如美国国家标准技术研究院( n i s t ) 研制了用于复现铝、银凝固点的钠热管固定点炉。当放入固定点容器后，在温度计阱底部向上大约1 8 c m 的高度内，其垂直温场最大温度变化小于1 0 i n k 5 3 1 。而中国计量科学研究院( n i m ) 使用的金属固定点炉采用单段加热控温技术，没有使用热管。当放入固定点容器后，铝、银凝固点炉在固定点容器计阱高度内最大温差分别约为0 1 k 、0 1 5 k t s 4 。因此，为了改善固定点炉的等温性能，进一步提高固定点的复现水平，中国计量科学研究院建立了一套高温钠热管的制作装置，掌握了高温钠热管的制造技术。在此基础上，研制了钠热管铝凝固点固定点炉，并成功复现了铝凝固点。1 8 课题的研究意义和主要内容1 8 1 课题研究意义由于钠热管有良好的等温性能，在温度计量领域国内外逐渐开发了用钠热管做等温衬套的固定点炉。本课题通过测量中国计量科学研究院研制的新型钠热管固定点炉的垂直温场，对使用钠热管后固定点炉等温性进行相关实验研究。并找到合适的等温区，为复现固定点时固定点容器的放置位置提出可靠的依据。本课题通过对小钠热管进行加热试验，对有不凝结气体对热管传热性能的影响进行了相关的实验研究，对以后气控热管的研究有一定参考价值。本课题进行的玻璃水热管有关的特性试验，对水热管的温度稳定性和温度均匀性等做了有关的实验研究。玻璃水热管的可视化特性为研究热管特性和内部运行机理提供了良好的实验平台。1 8 2 课题研究内容本课题的研究主要研究内容有以下几个方面：1 ) 通过对中国计量科学研究院研制的新型钠热管固定点炉垂直温场的测量，展开对钠热管固定点炉等温性的相关研究；2 ) 设计一套小型钠热管加热的实验平台，完成钠热管管壁温度测量和采集的硬9北京化工大学硕上学位论文件和软件设计，并对小型钠热管进行相关的实验研究，对实验结果进行分析处理，并对热管性能作出评价；3 ) 通过对水热管的温度稳定性和温度均匀性进行测量，展开对热管特性和内部运行机理等相关的实验研究；l o第二章小型钠热管加热测温实验系统设计及实现第二章小型钠热管加热测温实验系统设计及实现2 1 引言为了进一步研究钠热管运行时管壁的温度分布情况和有不凝结气体的情况下钠热管的运行特性，本课题进行了小型钠热管加热的实验研究。本实验用的小型钠热管是利用中国计量科学研究院热工所建立的钠热管制作平台制成。il旷臼也cc =旷函7 图2 - 1 小型钠热管f i g 2 - 1s m a l ls o d i u mh e a tp i p e图2 1 是本实验设计制作的小型钠热管尺寸图，钠热管腔体高5 0 0 毫米，加上封装口总长5 6 5 毫米，直径7 6 毫米。本实验的小型钠热管壳体材料采用耐高温不锈钢，并且设计制作了相配套的钠热管实验加热炉。北京化丁大学硕l 学位论土2 2 钠热管加热平台221 小型钠热管炉。li r_jl 菪灞l图2 2 钠热管加热炉( 未加冷却水套)l - 钠热管l2 保温材料 3 珈热丝；4 - 刚玉管l5 - 均温铜块j6 - 底座f i g , y , - 2s o & m nh e a t p i p e f u r n a c e ( w i t h o u t c o o l i n gc o i l s )1 - s o d i t m a h e a t p e 0 【哪h 6 叩m a t e r l a l s ；3 - h e a t l n gc o i l s ；4 - a l u n d u m r o b e ；5 - c o p p e r b l o c k ；6 - u n d e l p i a t e图2 - 2 是本实验设计的钠热管加热炉，可以对一根小型钠热管进行加热实验。加热炉中的钠热管被加热段有3 0 0 毫米，绝热段大约1 0 0 毫米，露在空气中的冷凝段为2 0 0 毫米。加热炉的加热丝缠绕在一根刚玉管上面，刚玉管与炉体外壁之间填充了保温材料防止热量散失。在钠热管炉底部，有均温铜块放在底座上，能够起到均温和支撑的作用。钠热管敞热方式采用暴露在空气中的自然对流方式。在实验加热的过程中，不但记录下钠热管壁温度分布情况，还记录下了加热电源的电压值和室温。在实验过程中，尽量保持加热和冷却功率的稳定。第章小型钠热管加热测温实验系统设计及实现蝻且iilf可_js 渭l图2 - 3 钠热管加热炉( 加冷却水套j1 冷却水套：2 钠热管：3 保温材料：斗加热丝：5 垌0 玉骨；6 一均温铜块；7 底座if i g 2 - 3s o d i u mh a t p i p e f u r n a c e ( w i t hc o o l i n gc o i l s )1 4 3 0 0 l i n gc o i l s ；2 - s o d i u m h e a t p i p e ；3 - i n s u l a t i o n m a t e r i a l s ；4 - h e a t i n gc o i l s ；5 - a l u n d u m t u b e ；6 - c o p p e r b l o c k ；7 u n d e r p l a t c ；上图是钠热管加热炉装上冷却水套后的示意图，冷却水套到加热炉外肇之间填充了保温材料，冷却水的流量通过一个玻璃转子流量计测量。2 32 加热电源由于直接采用实验室的2 2 0 v 交流电源的电压不稳定，电压值随时间有波动，波动幅度可以达到1 0 v 左右。为了保证加热功率的稳定，本实验加热电源采用采用北京大华无线电厂生产的d h l 7 2 0 a 6 直流稳压稳流电源进行加热，采用稳压输出模式最大输出电压为3 2 v ，采用稳流模式最大输出电流1 0 a 。采用直流稳234567北京化工大学硕上学位论文压电源还可以消除交流加热对测量电路产生的电磁干扰。2 4 温度测量元件图2 4 温度测量系统f i g 2 - 4t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m上图是温度测量系统的连接示意图，由图所示，钠热管壁面固定了1 8 路k型热电偶，分别接到两块r m a 4 1 0 温度采集智能模块上；两块r m a 4 1 0 之间用双绞线连接，一同接到r m 4 0 0 0 通讯转换模块上。r m 4 0 0 0 通讯转换模块通过串口线和上位机连接。2 4 1 测温热电偶的分布1 4第幸小掣钠搏管热m 实验系坑设汁m 实现图2 _ 5 热电偶分布幽f i g 2 - 5 a r c a n g e r a e n t o f t h e t h e r m o c o u p l e s钠热管外壁表面温度测量采用多路热电偶测温的方法，热电偶采用铠装k型热电偶，热电偶外径约2 m m 。为了得到钠热管壁加热段、绝热段和冷凝段的温度分靠数据，本实验在钠热管不同高度上安装了6 组热电偶，每一组热电偶在图中分别用英文字母a 、b 、c 、d 、e 、f 来标示，每组热电偶的高度和各组之间的距离在图中标注出来，单位为毫米。a 、b 、c 三组测量加热段的温度，d测量绝热段的温度，e 、f 测量冷却段的温度。上图3 - 5 是各组热电偶分布图。242 测温热电偶固定装置k 艘热t t t 偶热【u 偶嗣定圈钠热管均湍钏块图2 石热电偶固定装置f i g z - 6 t t a e r m o c o u p l e f i x a t i o nfedrb北京化工大学硕上学位论文上图是热电偶固定装置示意图。每一个高度段上的每一组热电偶包括三根热电偶，均匀呈环状分布在热管外壁，分别编号为l 、2 、3 ，每两根之间的夹角均为1 2 0 0 。如图3 - 6 所示，热电偶测温端紧贴热管壁，为了增加导热系数，再用一块铜块将热电偶测温端包住，这样铜块能起到一定的均温作用，再用不锈钢圈将铜块固定住。2 5 测温系统硬件设计接2 2 0 v 交接行种类烈热 乜髑图2 - 7 测温系统硬件连接图f i g 2 - 7h a r d w a r ec o n n e c t i o no fn l et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m如图2 7 所示，固定在钠热管壁的测温k 型热电偶连接在r m a 4 1 0 温度采集模块，两块r m a 4 1 0 之间采用双绞线并联，接到一块r m 4 0 0 0 通信协议转换模块上面。r m 4 0 0 0 通过串口线与上位机连接。2 5 1 中泰公司温度采集模块介绍热管壁一共有6 组1 8 路测温热电偶，本实验采用北京中泰公司的r m a 4 1 0数据采集模块对热电偶温度进行采集。该模块支持1 6 路各型热电偶差分输入，信号输入范围为0 5 0 0 m v ，温度测量范围为0 7 8 5 ，通讯温度信号输出稳定度在士o 2 c 之内，通讯电压信号的输出精度优于输出信号的0 0 1 。适用于各种类1 6第二章小型钠热管加热测温实验系统设计及实现型常见热电偶，自带冷端补偿，并可以通过选择模块上的转换开关选择输出电压或者温度信号。如果选择输出温度信号，r m a 4 1 0 可以通过模块上自带的分度表将电压信号转换成相应的温度值。r m a 4 1 0 采用m a x l 3 2 a d 转换芯片进行1 8位双积分模数转换，a d 转换分辨率达到1 8 b i t ，2 u v b i t ，a d 转换时间达到1 6次秒，这样r m a 4 1 0 模块可以在一秒内将全部1 6 路输入采集转换成温度值。该模块还采用了光电隔离技术，使模块的抗干扰能力进一步加强。2 5 2 系统连接实现本实验一共有1 8 路测温热电偶，所以采用了2 块r m a 4 1 0 模块并联，分别编号为r m a 4 1 0 1 和r m a 4 1 0 2 。r m a 4 1 0 1 采集a 1 到c 3 共9 路数据，r m a 4 1 0 2采集d l 到f 3 共9 路数据。两块智能模块之间采用r s 4 8 5 通讯协议，并联之后通过双绞线接入一块r m 4 0 0 0 通信协议转换模块，将两块r m a 4 1 0 之间通信的r s 4 8 5 协议转换成r s 2 3 2 协议，再通过串口数据线和上位机连接。2 6 温度采集软件设计为了方便地实时记录钠热管加热试验的数据，本实验编写了温度数据采集的上位机软件程序。该数据采集软件采用北京三维力控公司的力控6 0 组态软件编写。2 6 1 力控组态软件介绍力控组态软件在数据实时地采集、显示和处理提供了一个方便、灵活的开发环境，有高度集成化、可视化的特点，拥有内容丰富的各种工程、画面模板，提供市场上大部分仪器仪表公司的板卡、智能仪表和模块的驱动和软件接口，大大降低了组态开发的工作量；另外提供丰富的报表操作函数集，支持复杂脚本控制，可以实现数据的采集和显示；拥有实时和历史趋势曲线、历史报表等标准组件的报表数据源，可方便地显示、处理实时和历史数据；另外在数据的记录和存储方面，力控还支持实时数据库和各种关系数据库，并可以把实时数据存储到e x c e l和a c c e s s 数据表中，方便对数据进行后期处理分析。2 6 2 温度采集软件的实现1 7北京化t 学硬十学位论女盈雹圈固圈_r m a 4 1 0 模块测温系统田2 - 8 测温软忭主界面f i g 2 4 m a i n i n t e r f a c e o f t h _ 。t 即a p e r a t u r e m e u r 锄e ms o f t w a r e图2 - 8 为本实验温度采集软件显示界面左侧显示r m a 4 1 0 - 1 采集的从a 1到c 3 等9 路数据，右侧显示r m a 4 1 0 - 2 采集的从d 1 到f 3 等9 路数据。温度值显示精度达到0 0 1 。采集的数据同时将自动存在力控软件的历史数据库d b 中。m砧竹hn门”一呲“船们m距qo第一章小型钠热管加热捌温宴验系统设计厦实现图2 - 9 数据显示界面f | g 2 - 9 d a t a d i s p l a y m l c t f a c e上图2 - 9 是温度采集软件的数据显示界面，左边的按钮可以选择连接上位机硬盘中的e x c e l 或a c 揽s s 数据库，并在数据库中建立相应的表格，将实时数据从力控历史数据库d b 中存储到该表格当中，并且可以在软件中间的数据表控件中实时地幂示表格中存储的数据。圈2 - 1 0 数据采集属性设置窗口咐1 0d a t a a 。q l l i 8 i 6 帆叩t i 蚰b 。蚰g w i i l d o w北京化t 大学碰i 学位论女图2 1 0 是数据采集属性设置窗口，在该窗口中可以设置数据采集的个数，设置的数据采集个数会在数据显示界面下方显示。当数据采集丌始后，该数值会白减，以便我们能够直观的看到剩余的采集点数。刚2 儿曲线显不界向f 幢2 - 1 1 c u r v 嚣d i s p l a y i n m f a c e图2 1 l 是曲线显示窗口，只要将力控的历史数据库和曲线显示控件相关联，曲线控件就可以在窗口中方便地显示采集的数据实时趋势线图，并且可| 三【在图2 - 1 2 和图2 1 3 中分别设置选择显示的曲线和曲线的上下限。第= 章小型钠热管加热捌温实验系统世计及实现圈2 - 1 2 显示曲线设置窗口f i g 2 - 1 2 c u ec h s p l a ys e t t i n g i n t e r f a c e图2 1 2 是曲线选择界面，可以选择显示曲线界面曲线显示控件其中一条或者几条曲线。图2 - 1 3 显示曲线设置窗口f i g 2 , - 1 3 c u r v ec o o r d i n a t es e t t i n g i n t e d a c e图2 1 3 是曲线坐标设置界面，可以设置曲线显示界面中曲线的上下限北京化工大学硕上学位论文2 7 实验数据分析2 7 1 自然对流冷却方式钠热管加热实验图2 1 4 钠热管壁面温度曲线图( 无冷却水套)f i g 2 - 1 4s o d i u mh e a tp i p es u r f a c et e m p e r a t u r ec r 、r e s ( w i t h o u tc o o l i n gc o i l s )图2 1 4 是未加冷却水套的情况下加热实验小型钠热管管壁温度曲线图。加热电源输出电流设定为5 a ，输出电压为8 8 9 v 8 9 5 v 。在试验中发现，由于实验室的2 2 0 v 电源电压随着时间变化会有所波动，导致实验使用的直流电源的输出功率也有所变化，输出电压最高可达1 0 1 5 v ，输出电流最高可达5 6 a 。所以本实验在加热时通过记录直流稳压加热电源的电压和电流数值，并对直流电源的输出功率进行调整，以保证加热功率的稳定。同时温度数据采集软件将采集来的钠热管壁面6 组热电偶的温度数据存在上位机硬盘中指定的e x c e l 表格中，每隔1 秒记录一次。数据经过整理处理后绘成钠热管管壁温度曲线如图2 - 1 4 所示，由图中可以看出，本实验钠热管管壁上下温差比较大，可以达到5 0 0 。第二章小型钠热管加热测温实验系统设计及实现2 7 2 冷却水冷却方式钠热管加热实验图2 1 5 钠热管壁面温度曲线图( 有冷却水套)f i g 2 - 1 5s o d i u mh e a tp i p es u r f a c et e m p e r a t u r eu - 枷 v e s ( w i t hc o o l i n gc o i l s )图2 1 5 是加冷却水套的情况下加热实验小型钠热管管壁温度曲线图，直流加热电源输出电流设定为5 a ，输出电压设定为9 4 2 v - 9 4 5 v ，因为加了冷却水套，冷却功率变大，所以加热时间要比自然对流冷却方式要长，所以本次加热实验温度采集时间改为每隔5 秒记录一次。冷却水水流量大约为3 6 l d 、时，冷却水温度大约为2 2 。数据经过整理处理后绘成钠热管管壁温度曲线如图2 - 1 5 所示，由图中可以看出，在加了冷却水套的情况下，钠热管上下的壁面温度相差很大，也达到了5 0 0 。2 7 3 钠热管加热实验数据分析由于在钠热管内部，热量的传递是通过工质的蒸发、冷凝过程进行的，在钠热管工作温度上，工质蒸汽压较低，蒸汽流动阻力小，所以管壁温度比较均匀。国内钠热管研究人员曾经制作过长度1 米的小型钠热管，并做了相关的性能测北京化工大学硕士学位论文试，结果表明，在加热温度6 0 0 的情况下，钠热管轴向最大温差不超过4 0 。从上文的钠热管各段温度曲线图可以看出，本实验的钠热管温差较大。究其缘由，可以推断是钠热管封装的时候内部真空度下降导致热管性能下降。也就是说，热管内部有部分除工质蒸汽之外的不凝结气体存在。当热管启动后，蒸汽中混着不凝结气