1、编号：热 3019多井低温热管炉研制与性能试验陈远国 谢欢德 高明聪 黄正旭重庆大学热力工程系工程热物理研究室中国工程热物理工程第一届热管会议传 热 传 质 学 会一九八三年八月多井低温热管炉研制与性能试验陈远国 谢欢德 高明聪 黄正旭（重庆大学工程热物理研究室）摘 要 报导一种具有多个工作井的热管炉，工作温度为-5570，轴向及径向温度偏差0.1。热管以甲醇为工质，采用重力辅助工作。经试验基本上达到了设计要求。一、前 言空间及地面使用的许多元器件要求在-55+70的均温工作井内进行测试监定。工作井内温度偏差0.1。通常使用的恒温液浴难于同时满足这一温度范围要求。水浴只能用于 0以上；油在低温
2、下粘度增大，难于使温度均匀；而一些可以满足温度范围要求的有机液体都具有较大的挥发性。此外，恒温液浴热容量大，热态过渡过程相当长。热管炉的优越性已为一些文献证明12。已报导过的热管炉多为单一工作空间，实际使用中希望一个热管炉具有多个工作井同时工作，以便进行多个元器件的比较及筛选，并提高工作效率。应某研究所要求，我们研制并试验了具有四个工作井的低温热管炉。工作温度为-55+70，要求各井在 250 毫米长度范围内径向及轴向温差T0.1。当工作温度高于环境温度时，用电加热，而工作温度低于环境温度时，用液氮冷却。配备有两种情况下独立工作的温度调节系统。二、结构设计热管炉结构如图一，外壳为 1552，长
3、 500，两端用 3 毫米厚的端盖封头。号工作井内径 50，、号 30，号20，长度均为 480 毫米。各工作井下端悬空封死，上端开口并焊接在上盖板上。为测量蒸汽温度，还设有 30.5 的测温井。顶盖上有一支 71 的无氧铜管，作为抽气及充液用。其余结构为紫铜。1、工质选择。在此温度范围内可供选择的工质有甲醇、丙酮、乙醇、庚烷等。表 1 列出了这几种工质的物性参数及其传输因数M（= L L/ L, L液体密度，表面张力系数，L汽化潜热， L液体粘度） 。该表所列参数所取自文献 3。工质选择的原则是：合适的压力，高的传输因数，与壳体及吸液芯材料化学相容。由表一看出，甲醇是本文较为满意的工质，它除
4、满足上述原则外，还具有稳定、无毒及易于获得等优点。2、吸液芯结构，热管炉以均温为目的，其加热功率很小，一般不会出现声速限，携带限及沸腾限12。但由于炉体较大，热源及冷源位置交替不定，可能出现局部位置的抗重力运行状况。因此，需要认真布置吸液芯，以防止出现毛细限。表一几种工质的物性参数序号名称熔点 大气压下的沸点 -55时的压力(巴)70时的压力(巴) 传输区数 M10-2kw/cm21 丙酮 -95 57 0.003 1.54 3.20(20)2 庚烷 -90 98 0.001 0.45 1.16(20)3 甲醇 -98 64 0.008 1.31 3.78(30)4 乙醇 -112 78 0.
5、003 0.76 1.66(30)图 1 热管炉结构文献24证明脱脂棉纤维布是常温热管可供选择的浸液芯材料之一，它价廉，加工性好、化学稳定、与多数工质相容。虽然其导热性差，但热管炉径向热流密度非常小（q 1 瓦/ 厘米 2） ，不会带来多大的影响。本文也采用作为吸液芯材料。为便于成形，用一层30 目紫铜丝布作为外层骨架，两层棉纤维布紧贴固体壁面。轴向上等距离分布六个搭桥吸液芯，以便将壳壁及工作井外壁的吸液芯接通。搭桥吸液芯由两块 0.1 毫米厚的带孔紫铜板中间夹四层棉纤维布组成，利用纤维布的毛边完成搭接任务（见图 2） 。搭桥吸液芯上有三个 12 的通孔，作为蒸汽通道。3、利用重力辅助作用热管
6、炉垂直工作。电加热器布置在外壳下端，加热时所有冷凝部位处于上方。液氮冷却器布置在壳体上主，冷却时所有蒸发器均在下方。使得凝结液回流方向始终与重力方向保持一致。经试验确定，甲醇脱脂棉纤维布的下降静态提升高度300毫米，而采用上述吸液芯结构及热源与热汇布置方式后，抗重力工作部分的高度100 毫米。考虑到汽、液相阻力均非常小，作者认为不会出现毛细极限。三、制作及试验1、制作过程 壳有井壁机械除锈，丙酮清洗，烘干后装设吸液芯，最后用熔点为 160170焊料钎焊封上盖。用真空泵抽重510-3 乇后充入化学纯的甲醇。充液量 VL 按下式计算。VL= Vwick式中 工质过剩系数，取为 1.4，吸液芯孔隙率
7、。经试验为 0.75；Vwick吸液芯体积。计算结果 VL=435 毫升。充液后在壳体下部加热，使蒸汽温度略高于大气压力下的沸点（65） ，打开充液管上的阀门对空排气 23 次，以便排除壳内及工质内残存的气体。最后用冷焊钳切断充液管，并在热状态（64）下迅速用锡钎焊加固冷焊口。2、性能试验试验装置如图 3 所示，用 0.5 带绝缘的镍铬电阻丝 4 密绕在外壳 1 下部约 150 毫米长度上，由电了稳压器 10 供给电流加热，并用电流电压表监视加热量。整个外壳用硅酸铝纤维汽空间温度低到-75图 6 各工作#温 度分布测量结果之二左右。由于冷却是不可控的，这时各井温度难于一致。液氮蒸干后，温度开始
8、回升，当温度升至-58时记录各点整理如图 7 所示，、号井之间温差 0.52，但每井温度偏差基本上在0.10以内，仅号井第 8 点温度偏离平均值-0.13，超出设计要求。上述初步试验结果表明，这种多井热管炉的技术方案是可行的。基本上达到了设计要求，即每个工作井内轴向及径向温度偏差0.10。在正常使用条件下，加热及冷却系统有专门的调节装置，比本文的试验条件完善得多，所得结果应更为满意。进一步的试验将由研制委托单位进行。后 记本文复印前收到某研究所函称：多井低温热管炉已投入使用一年。在高于环境温度下工作时，各井之间及每一井内温度偏差0.10。低于环境温度工作时，由于该所液氮调节系统性能不够理想，井间温差超出了设计要求，但一直在使用。参考文献1 中国科学院力学所， “热管文集” ，上海科技出版社，1976年2陈远国，辛明道等， “压力陀螺用均温热管的设计与性能试验” ，中国工程热物理学会传热传质学术会宣读论文，NO.81-3018，1981，黄山3 P.D.Dunn and D.A.Reay, “Heat Pipes”, 2nd Edition,1977,June4辛明道，陈远国，雷亨顺，张洪济， “高性能水热管的试验研究及其工程应用” ，载于“热管设计研究与工程应用”P188-196，科技文献出版社重庆分社，1981 年。
