高温异型热管启动性能实验研究
热管原理实验
热管原理实验
一、热管简介：
热管是传热元件中最有效的传热元件之一，它可将
大量热量通过其很小的截面积远距离传输而无需外加动
力。我国的能源综合利用水平一直较低，而热管具有结 构简单、价格低廉、制造方便且易于在工业中推广应用 等特点。因而热管的研究与应用在我国不断拓宽，遍及 电子元件，电脑、化工、动力和冶金等领域。目前，热
凝端温度T1，经过△t(6min)后，再次记录冷凝端温度T2，
填写表1。
表1
测量量 测量对象
T设
T1
△t
T2
△T
△T/△t
金属管
热管
2、金属管的传热功率
<1>打开进水阀门，调节好水的流速(管中呈细管状流
态)。
<2>观测T’1进水温度，T’2出水温度，当其基本稳定后，
记录下T’1 ， T’2。
<3>记录进水杯原水量m1，(可推算出原质量)，同时
不利影响。
八、思考题：
美国阿拉思加输油管线中热管如图，该地区大部分 为永久性冻土。夏天其表层土壤会融化下沉，冬天则结 冰而隆起。为防止输油管对土壤有热作用而将其置于地
面上。为减少冻土在季节变化下影响输油管的几何稳定
性，在支柱中安装了热管，试据图分析。 (1)热管冷凝段与蒸发段各置于何处？
(2)热管为什么能使冻土层稳定，夏季与冬 季有何不同？ 答：
真空表读数
0
0.25
0.42
0.56
七、选择性项目
1、蒸发端处于不同温度时，热管热功率的测量。
可分设蒸发端温度为50℃、90℃，酒精分处于不沸
腾和沸腾状态，分测其传热功率，研究其开关特性。
2、研究充液量对热管传热功率的影响
高温熔盐热管的启动和等温性能
inorganic salts AlBr3 and TiCl4 are used as the heat transfer working medium, and the gravity heat pipe has good
第一作者：王刚（1985—），男，讲师，wanggang@
基金项目：国家自然科学基金项目（51206004）；北京市自然科学基金重点项目（3151001）；鹤壁市重大创新专项
引用本文：王刚, 熊亚选, 吴玉庭, 徐鹏, 冷光辉, 马重芳 . 高温熔盐热管的启动和等温性能[J]. 化工学报, 2020, 71(11): 5099-5106
盐作为热管的传热工质，搭建了高温热管传热实验台，研究了传热工质和倾斜角对热管启动和等温性能的影响。
结果表明，在 450～700 K 工作温度范围内，AlBr3 和 TiCl4 熔盐热管在倾斜角为 45°和 60°的条件下，均达到最优的
启动性能；在热管倾斜角为 60°时，两种熔盐热管等温性能均达到最佳。无机盐 AlBr3 和 TiCl4 作为传热工质，重
gravity heat pipes with molten salt as heat transfer medium was developed. A high-temperature heat pipe test bench
was set up and effect of working fluids and inclination angles on the startup characteristics and isothermal
碱金属高温热管启动运行特性分析
Vol. 55 ,No. 6Jun.2021第55卷第6期2021年6月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnology碱金属高温热管启动运行特性分析张泽秦，王成龙"，孙浩，张大林,秋穗正，苏光辉,田文喜(西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安710049)摘要：本文研究了碱金属高温热管的启动及运行瞬态，在传统热管冷态启动模型基础上，建立了以蒸气 流态转变为划分依据的冷态启动三阶段模型，并依据该模型开发了热管启动瞬态分析程序HPSTAC ,程序模拟结果与实验值相对偏差不超过15.7% %使用该程序模拟单根钠钾热管的启动瞬态并进行了 敏感性分析，结果表明：启动开始后450、660、1 550 s,热管分别进入启动第2、3阶段与准稳态，蒸气区域趋于一致性温度837 K ；启动环境温度主要影响冷凝段升温速度，输入热流密度对热管启动各阶段的影响存在阈值效应％关键词：碱金属；高温热管；冷态启动；数值模拟中图分类号:TL334 文献标志码:A 文章编号：10006931(2021)06101509doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0464Analysis of Startup Characteristicsfor Alkaii Metal High Temperature Heat PipeZHANG Zeqin , WANG Chenglong * , SUN Hao , ZHANG Dalin ,收稿日期：2020-07-06;修回日期：2020-10-10基金项目：科技部重点研发计划资助项目(019YFB1901100)*通信作者：王成龙QIU Suizheng , SU Guanghui , TIAN Wenxi(.School of Nuclear Science and Technology , Xi /n Jiaotong University , X.an 710049 , China )Abstract : The startup and operation transients of alkaii metal high temperature heatpipesweres,udiedin,hispaper.Basedon,he,radiionalhea,pipefrozens,ar,up mod el , a,hree-s,agemodeldependingonvaporflow,ransiion wases,ablished , andahea,pipes,ar,up,ransien,analysiscode , HPSTAC , wasdeveloped.Therelaivedeviaion between the code simulation result and experimental value is less than 15. 7%. The HPSTAC code was used to perform the startup transient of single sodium-potassiumhea,pipeandsensiiviyanalysis.Theresul,sshow,ha,450, 660and1550saf,er,hes,aring , ,hehea,pipeen,ers,hesecond , ,hird , andquasi-s,eadys,a,esrespecively , and,he vapor region,ends,o a consis,en,,empera,ure of 837 K.The s,ar,up surround-ing,empera,uremainlya f ec,s,heheaingra,eof,hecondensa,ionsec,ion ,and,hereisa,hresholdon,hehea,fluxinfluenceofs,ageprocessduringhea,pipes,ar,up.1016原子能科学技术第55卷Key words:alkaii metal#high temperature heat pipe；frozen startup#numerical simulation随着现代科技发展，传统能源供应方式已不能再满足需求％新式设备的功耗高、便携性强，且往往投放在偏远地区进行长时间连续作业，因此需要一种能够高效持久稳定供能的能源装置，使用以碱金属高温热管为核心的新型热管核反应堆电源系统具有广阔的应用前景%碱金属高温热管的特殊之处在于工质的饱和蒸气压低、动力黏度高、常温下一般为固态，因此其在启动时要经历特殊的工质熔化阶段，且有可能发生启动失败，具有一定的复杂性％国际上对于热管核反应堆的研究主要集中在空间堆领域％2000年，美国提出了HOMER】1*计划，开始研制一系列使用碱金属高温热管传热、使用斯特林发动机进行热电转换的火星探测设备，设计电功率为3kW(HOMER-15)到25kW(HOMER-25)o2006年，美国提出了kW 级热管核反应堆电源(Kilopower)计划⑵，采用钠热管传热，斯特林循环发电，设计功率为1〜10kWe%此后，洛斯・阿拉莫斯国家实验室(LANL)设计了MegaPower[3],使用超临界二氧化碳斯特林循环或布雷顿循环，最大功率可达2MWe,—次换料可连续运行12a%除此之外，热管固态反应堆还有一些其他类型：月壤集群反应堆LEGO-LRCs】4*，钠热管传热，控制棒控制，斯特林循环发电，功率为30kWe；可扩展碱金属热电转换集成反应堆空间电力系统SAIRS】5*,钠热管传热，热电转换发电，功率为100kWe左右；火星表面反应堆MSR】6*,锂热管传热，硼转鼓控制，静默式热电转换发电，功率为1.2MWt/100kWe%国内的热管反应堆研究方兴未艾，张文文等丁8*提出了一些新型热管反应堆的概念设计，并进行了热工安全分析研究；Sun等⑼对热管反应堆的温度反应性系数进行了研究％近年来，我国高度重视小型核动力技术发展，将其视为保障我国领土安全、海空权益的重要技术基础之一，热管反应堆技术作为其重要的一环，未来具有长足的发展空间%本文针对碱金属高温热管冷态启动过程的特点，开发热管启动瞬态分析程序，对碱金属高温热管的启动过程进行分析，并研究启动环境温度及热流密度输入对启动过程温度分布的影响，为热管应用于热管反应堆及其构成的核能电源系统提供理论基础支撑％1数学物理模型热管工作原理如图1所示％稳态时，工质在蒸发段吸热蒸发成蒸气，蒸气沿蒸气空间流向冷凝段，在冷凝段放热冷凝成液体后又在毛细作用下回流至蒸发段完成循环％整个过程不需外力介入，具有非能动特性％基于碱金属高温热管冷态启动特性，做如下假设：1)忽略液相工质在吸液芯中的流动性，认为固体部分仅有纯导热口°*;2)工质的熔化仅由相变温度决定；3)工质的物性仅由工质温度决定；4)蒸气空间内为一维可压缩层流流动％蒸发段冷凝段图1热管工作原理Fig.1Working principle of heat pipe1.1管壁及吸液芯区域模型由于一般的热管都制作成轴对称结构，因而可将管壁及吸液芯的三维结构按二维简化处理,在半个轴截面上建立二维非稳态控制方程，控制区域如图2所示，对其采用一个总体的控制方程口1*:.=1,2(1)式中：G为对应区域的体积热容1代表管壁,-=2代表吸液芯；T为对应区域的导热系数T为对应区域的温度；为时间心2分别为轴向和径向方向％第6期 张泽秦等:碱金属高温热管启动运行特性分析0 7热管外壁面热流输入，吸液芯蒸气空间对称界面图2管壁及吸液芯模型Fig.2 Modelofpipewa l andwick@2冷态启动三阶段模型根据传质学气体流态研究）2* ,可根据；n =0. 01将蒸气划分为自由分子态和连续流态%由此可迭代求出蒸气的流态转变温度：( M / $ \2 X 1 0—4 R T "p D 丿式中:B 为工质的相对原子质量$为蒸气的动 力黏度％为蒸气的密度；D 为蒸气空间宽度；R u 为通用气体常数%依据该蒸气流态转变判据,以蒸气连续态部分建立和完全建立为两个临界点,将冷态启动划分为3个阶段，如图3所示%阶段1 （图3a 丿该 阶段从热管完全冷态开始,直至蒸发段端部蒸气 首次达到转变温度，连续流态部分建立，启动第 阶段结束,进入第2阶段；阶段2（图3b 丿该阶段从蒸气连续流态在蒸气空间部分建立开始，直 至连续流态锋面推进到冷凝段末端，启动第2阶段结束，进入第3阶段；阶段3（图3c 丿该阶段从 蒸气连续流态在蒸气空间完全建立开始,直至热 管进入稳态,冷态启动正式结束％热管壁\卩上1匸“吸液芯勺］匸卫部分熔化©T T T T幵〒^过渡态近似w#完奎麗固态卜|'|山分「态蒸蒼区域 达到稳态a 启动第1阶段；b 启动第2阶段；c 启动第3阶段图3冷态启动三阶段模型Fig.3 Three-stage model of frozen startup@3蒸气流动区域模型第1阶段内蒸气空间全部为自由分子态,传热效率极低，气-液界面采用绝热边界条件：式中,R g 为蒸气空间半径％第2 阶段内蒸气连续锋面将从蒸发段首端 向冷凝段末端移动，由气体动力学求出气-液界面质量交换速率（0 :（0I M ( Pf W (R u (槡7(4)式中:A c 为蒸气区域横截面积+为比热容比;T o 为蒸发段起始点的蒸气温度为T o 下的饱和蒸气密度；h fg 为汽化潜热；为蒸发段长 度；W 为蒸气空间周长；（e 为蒸发段单元 总数％第3阶段内，蒸气连续态完全建立，随着准稳态蒸气平均温度升高，蒸气流动的当地声速 提升，热管将突破声速极限，据研究，可将其视为一维可压缩层流流动「1 - 5*,并采用一种相似变换求解法「1 6*:式中:a cc 为单元调节系数P 为气-液界面压力;T 为气-液界面温度;P g 为蒸气压力;T g 为蒸气温度%当遇到声速极限时，需将上式与声速极限 进行耦合求解「1 3* :%。
热管换热器实验报告
热管换热器实验报告热管换热器实验报告摘要：本实验通过对热管换热器的性能进行测试和分析，探究其在热传导中的应用潜力。
实验结果表明，热管换热器具有高效、节能、可靠的特点，适用于多种工业领域。
引言：热管换热器是一种利用热管传导热量的换热设备，其原理基于热管内工作流体在高温端吸热、低温端释热的特性。
热管换热器由热管、外壳、冷却介质等组成，广泛应用于空调、电子设备、航天器等领域。
实验方法：本实验使用了一台自行设计的热管换热器实验装置，主要包括一个加热器、一个冷却器和一个观测仪器。
首先，将热管换热器装置连接好，并确保无漏气现象。
然后，通过控制加热器的电压和电流，提供一定的热源。
同时，通过调节冷却器的温度，模拟不同的冷却条件。
最后，利用观测仪器记录热管换热器的温度变化情况。
实验结果与分析：在实验过程中，我们改变了不同的加热功率和冷却温度，记录了热管换热器的温度分布。
实验结果显示，随着加热功率的增加，热管的温度逐渐升高，而冷却端的温度则相应下降。
这表明热管换热器能够有效地将热量从高温端传导到低温端。
此外，我们还发现热管换热器的性能受冷却温度的影响。
当冷却温度较低时，热管换热器的传热效果更好，温度差也更大。
而当冷却温度较高时，热管换热器的传热效果会受到一定的限制，温度差较小。
这说明在实际应用中，选择合适的冷却温度对于热管换热器的性能至关重要。
讨论与展望：热管换热器作为一种高效、节能的换热设备，具有广泛的应用前景。
在空调领域，热管换热器能够提高空调系统的能效，减少能源消耗。
在电子设备领域，热管换热器能够有效地降低电子元件的工作温度，提高设备的稳定性和寿命。
在航天器领域，热管换热器能够应对极端的温度环境，确保航天器的正常运行。
然而，热管换热器仍然存在一些挑战和待解决的问题。
例如，热管换热器的制造成本较高，需要进一步降低生产成本。
同时，热管换热器的可靠性和耐久性也需要进一步提高，以满足长期使用的要求。
结论：通过本次实验，我们对热管换热器的性能进行了测试和分析，发现其具有高效、节能、可靠的特点。
高温异型热管启动性能实验研究
高温异型热管启动性能实验研究马婷婷;曾金令;王啸远;朱跃钊【摘要】A solar thermochemical coupling phase change reactor (STPCR) integrated with heat pipe technology was presented.The core part of the reactor was a high temperatures special-shaped heat pipe (HTSSHP) which was composed of a flat heat pipe in disk-shape and multiple cylindrical heat pipes.The start-up characteristics of HTSSHP prototype was primarily tested at different initial temperatures and various inclinationangles.Results showed that the influence of initial temperature on the start-up characteristics could be almost neglected.The HTSSHP could be started up successfully at the inclination angles of 0°,15°,30° and 45°.In addition,the inclination angle had different effects on flat heat pipe section and cylindrical heat pipe section of HTSSHP.The best inclination angle for the flat heat pipe section was 0°,and 15° for cylindrical heat pipe section.The feasibility of operating HTSSHP under solar conditions was proven and the advantages of its special structure was confirmed.%将热管技术集成到反应器中,开发了一种太阳能高温热化学耦合相变反应器(STPCR).该反应器的核心部件为由热板和多根热管耦合而成的高温异型热管(HTSSHP).针对反应器实际运行时的特点,初步考察了高温异型热管在不同起始温度和倾角下的启动性能.实验结果表明,起始温度的变化对启动性能的影响可以忽略;0°、15°、30°和45°倾角下高温异型热均能成功启动,但热板段和热管段呈现不同的规律,热板段垂直放置时启动性能最好,而热管段15°倾角下最佳.证明了高温异型管结构合理,可应用于太阳能系统中.【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】5页(P6-10)【关键词】太阳能反应器;钠热管;启动性能;起始温度;倾角【作者】马婷婷;曾金令;王啸远;朱跃钊【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室,江苏南京211800【正文语种】中文【中图分类】TK513.3;TK172.4将高温光热转换和热化学过程集成，可使太阳能和化石资源(包括水或生物质)提级为氢或合成气资源［1－2］。
高温热管应用研究进展与展望
2.1
高温热管在高超声速飞行器热防护中的应用
传统金属结构件的传热性能。结果表明，相对于金
高超声速飞行器在大气层内飞行时，会遇到极
属结构件，高温相变传热共形系统的温度达到稳态
高的气动加热，导致飞行器表面温度升高，甚至发
的时间大幅度缩短，等温性能大幅度提高，并且该
生烧蚀或熔化，高温热管在飞行器中的位置如图 2
性问题，提出了一些具有创新性和前瞻性的思路和
复使用性，以方便更换和修复；制定合理的运行参
பைடு நூலகம்
建议，如开发新型的工质和壁材、优化高温热管的
数和维护规范，以延长高温热管的寿命和保持良好
结构设计和布局方式、引入新型的传热增强技术、
的工作状态；开发新型的节能技术，如回收利用多
建立完善的故障诊断和预防机制、简化高温热管的
温度分布、压力损失、传热功率等参数，验证高温热
之间的有效隔离。高温热管在这一领域的应用需
68
甘
肃
科
技
第 40 卷
求是具有良好的传热性能、低质量和体积小、长寿
特点是能够适应太阳辐射的变化，如日夜变化、季
命和安全可靠等。高温热管在这一领域的技术特
节变化、天气变化等；技术难点是如何保证高温热
点是能够适应空间环境的特殊要求，如低重力、高
摘
要：高温热管是一种能够在小温差下传递大量热量的装置，文章介绍了高温热管的基本原理、结构特点、工作机
理和性能评价方法，并重点分析了在不同应用场合中的设计方法、实验验证和技术难点。高温热管技术面临传热效
率、可靠性、成本、维护等问题，未来研究方向包括开发新型工质和壁材、优化结构设计和布局方式、引入新型传热增
美国国家航空航天局（NASA）为了解决空间
热管热性能的实验研究
第27卷第2期2007年6月西安科技大学学报J O URN AL OF X I.A N UNI V ERSI T Y OF SCI E NCE A ND TEC HNOL O G YVo.l27No12June12007文章编号:1672-9315(2007)02-0187-03热管热性能的实验研究*张亚平1,2,余小玲1,冯全科1(11西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;21西安科技大学能源学院,陕西西安710054)摘要:进行了热管与铜棒热性能的对比实验。
实验结果表明,只有当速度场、温度场和重力场协同时,热管才具有最佳传热能力。
热管总热阻随倾角变化,逆重力工作时的总热阻分别是重力辅助和水平工作的100倍和10倍;热源在上垂直热管的蒸发端和冷凝端的当量换热系数分别是水平放置热管的4倍和3倍;铜棒热阻是相同尺寸热管垂直热源在下时的100倍以上,体现了热管热阻小、传热系数大及等温性好的优势。
关键词:热管;热阻;热性能中图分类号:T K124文献标识码:AExper i m en t of heat p i pe ther m a l perform anceZ HANG Ya2ping1,2,YU X iao2li n g1,FENG Quan2ke1(11School of Energy a nd P o wer Engineering,Xi.a n J i a ot ong Univ ersity,X i.an710049,China;21S c hool of Energy,X i.an Univ ersity of Science and Technolo gy,Xi.an710054,Ch i na)Abstract:Experi m entation was presented i n order to co mpare ther mal perf or m ance heat pi p e and copper stick.When fi e l d of te mperature gravity and ve l o c ity cooperate with,heat pipe w illhave best heat trans2f er perf or mance.Exper i m ent results i n dicate that ther m al resistance of heat p i p e go w it h inc li n e anglechange.The total ther m a l resistance at thwart gravity are the100ti m es of gravity assistant and10ti m es at horizontal orientati o n.The equ i v a lent heat transf er coef ficients of evaporator and condenser secti o n w ith booto m2heati n g verti c almode are respecti v e l y the4and3ti m s than t h at of horizonta lmode.Ther2 ma l resistance of copper stick co mpared to heat p i p e w ith botto m2hea ti n g vertica lmode and the sa me size are more100ti m es,it shows that heat p i p e have more better advantage w ith ther mal resistance s mal,l coeffic ient f heat transf er h i g h and un if or m ity te mperature.K ey w ord s:heat pipe;ther mal resistance;ther m al perf or m ance热管具有高导热性,使各分离器件间的温度梯度减小,保持良好的等温环境,因而能替代工业中形状复杂且笨重的散热器件。
一种新型结构的脉动热管启动特性实验研究
2021年13期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application一种新型结构的脉动热管启动特性实验研究*李德辉，鲁祥友*，景艳阳，张虎，刘晨晨（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601）脉动热管是由日本学者Akachi [1]提出的一种高效传热设备，具有结构简单、体积小、成本低、传热能力高等特点，近年来得到了众多国内外科研工作者和机构的广泛关注和研究。
通过实验研究对脉动热管特性主要包括启动性能、传热性能、传热极限等。
结构几何参数、填充工质的特性和工况、运行工况[2]等参数会影响以上性能。
随着新能源电动汽车的崛起，各类型新型电池作为其动力的主要来源直接影响行驶里程，对电动汽车电池热管理提出了更严苛的要求[3]。
电池在工作时内部存在多种反应热及外界环境温度变化，会造成电池在非正常温度环境下工作。
往往导致电池组性能下降，寿命缩短，温度变化较大甚至会引发可燃性危险。
随着微电子封装技术和集成技术的发展，电子元器件和电子设备的尺寸逐渐趋于小微型化，所产生的热量会迅速累积，导致集成电子与元器件周围的热流密度增加，该温度将会影响到电子元器件和设备的性能，其对散热的需求更加提高[4]。
脉动热管这种新型高效的传热元件就成为解决这一问题的高效方案之一。
工质的特性直接影响着脉动热管的启动性能，启动所需时间的长短、启动所需的输入功率和达到准稳态振荡的温度为基本指标[5]。
启动所需时间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的温度越低，启动性能越好。
当脉动热管的温度曲线由不断上升转变为持续振荡状态时，标志着启动完成[6]。
史维秀等[7]研究了以体积分数50%的无水乙醇水溶液在不同加热功率及热管倾角下最低加热段启动温度趋于60℃以上。
王迅等[8]以甲醇、丙酮，以及二者体积比1∶1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质，对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究，各工况下的启动温度均在30℃以上。
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第39卷第3期2017年5月南京工业大学学报（自然科学版）JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY(Natural Science Edition)Vol.39 N〇.3M ay2017d o i:10.3969/j.iw n.1671-7627.2017.03.002高温异型热管启动性能实验研究马婷婷，曾金令，王啸远，朱跃钊(南京工业大学机械与动力工程学院江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室，江苏南京211800)摘要：将热管技术集成到反应器中，开发了一种太阳能高温热化学耦合相变反应器（STPCR)。
该反应器的核心部件为由热板和多根热管耦合而成的高温异型热管（HTSSHP)。
针对反应器实际运行时的特点，初步考察了高温异型热管在不同起始温度和倾角下的启动性能。
实验结果表明，起始温度的变化对启动性能的影响可以忽略;0。
、15。
、30。
和45。
倾角下高温异型热均能成功启动，但热板段和热管段呈现不同的规律，热板段垂直放置时启动性能最好，而热管段15。
倾角下最佳。
证明了高温异型管结构合理，可应用于太阳能系统中。
关键词：太阳能反应器；钠热管；启动性能；起始温度;倾角中图分类号：T K513. 3;T K172.4文章编号：1671-7627(2017)03-0006-05Experimental study on start-up characteristics ofa high temperature special-shaped heat pipeMA Tingting，ZENG Jinling，WANG Xiaoyuan，ZHU Yuezhao(Jiangsu Key Laboratory of Process Enhancement and New Energy Equipment Technology，College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech U niversity，Nanjing 211800，China)Abstract：A solar thermochemical coupling phase change reactor (STPCR)integrated with heat pipe technology was presented.The core part of the reactor was a high temperatures special-shaped heat pipe (HTSSHP)which was composed of a flat heat pipe in disk-shape and multiple cylindrical heat pipes.The start-up characteristics of HTSSHP prototype was primarily tested at different initial temperatures and various inclination angles.Results showed that the influence of initial temperature on the start-up characteristics could be almost neglected.The HTSSHP could be started up successfully at the inclination angles of 0。
，15。
，30。
and 45'I n addition，the inclination angle had different effects on flat heat pipe section and cylindrical heat pipe section of HTSSHP.The best inclination angle for the flat heat pipe section was 0。
，and 15。
for cylindrical heat pipe section.The feasibility of operating HTSSHP under solar conditions was proven and the advantages of its special structure was confirmed.Key w ords：solar reactor；sodium heat pipe；start-up characteristic;initial temperature;inclination angle将高温光热转换和热化学过程集成，可使太阳能 和化石资源(包括水或生物质）提级为氢或合成气资 源[|-2]。
实现该技术的关键之一为太阳能高温热化学反应器。
现有反应器[3-5]大多由太阳能高温腔式 集热器改造而来，非均匀、非稳态和高热流密度辐照 条件下存在稳定性差、反应区域温度梯度大和反应物收稿日期：2016-01-25基金项目：国家自然科学基金（51276086);国家科技支撑计划（2014B A J01B06);江苏省普通高校研究生科研创新计划（KYLX_0749)作者简介:马婷婷（ 1987—），女，湖北襄阳人，博士，主要研究方向为太阳能高温热化学转化技术和装备；朱跃钊（联系人），教授,E-m ail：zyz@ .引用本文：马婷婷，曾金令,王啸远，等.高温异型热管启动性能实验研究[J].南京工业大学学报（自然科学版），2017,39(3)：6-10.第3期马婷婷等:高温异型热管启动性能实验研究7易烧结等问题，难以有效满足高温反应器的要求。
热管技术在对反应床内温度均匀性和控温灵敏度要求较高的中低温反应器[6-7]中已经取得了规模化应用;热板(也称为平板热管）以空间尺寸小、传热效率高、无需消耗动力等优点已经成为电子领域中重要的散热元件；太阳能热管式集热器[1°—12]由于能改善集热器温度和热流量分布不均等问题备受研究者青睐。
因此，结合热板和热管传热的高效性以及等温性，本课题组开发出“太阳能高温热化学耦合相变反应器，，[13-15]，通过相变集热和相变传热进行耦合，缩短集热和反应之间的热量 传递路径，降低集热侧的径向温度梯度，避免集热 器表面局部过热导致烧结或损坏，提高高温反应器 集热和反应效率以及稳定性。
该反应器的核心部 件为由热板和热管耦合而成的高温异型热管，其启 动性能的优劣直接决定了反应器启动性能的好坏。
基于此，设计加工并实验测试高温异型热管，考察 在不同操作条件下的启动性能十分必要。
1太阳能高温热化学耦合相变反应器太阳能高温热化学耦合相变反应器见图1所示，主要由复合拋物面聚光器（CPC)、石英窗以及上下2 个腔体组成。
上腔体为反应腔，下腔体为吸热腔，2 个腔体由起中间换热作用的高温异型热管隔开。
反 应器工作时，聚光后的太阳能经二次聚光器C PC再 次聚光后穿过气冷的石英窗，最后进人吸热腔。
位于 吸热腔内的高温异型热管蒸发段将吸收到的太阳能 转化为热能，并传递给位于反应腔内的冷凝段，最后 遇冷释放热量。
同时，由载气带人反应腔内的反应物 颗粒吸收高温异型热管冷凝段放出的热量而发生化 学反应。
通过以上过程，最终实现由太阳能转化为热 能再转化为化学能的复合过程。
太阳能高温热化学耦合相变反应器的核心部 件为高温异型热管，结构如图2所示。
高温异型热 管由圆盘形的热板和在热板上盖板延伸的多根热 管耦合而成。
工作时，热板的下盖板由太阳能加热，冷凝面经循环的反应物冷却。
高温异型热管蒸 发侧的工质受热蒸发气化，蒸气在内部微小的压差 下流向冷凝侧，然后在冷凝侧壁面冷凝而释放潜热。
冷凝的液体在吸液芯的毛细力作用下再次分 布并流回下盖板。
如此循环，实现热量由一端向另 一端的传递。
另外，冷凝面包括2个部分，分别为热 板的上表面和热管的外表面。
图1太阳能高温热化学耦合相变反应器Fig.1 Concept structure o f the STPCR热管图2高温异型热管结构示意F ig.2 Schematic structure o f HTSSHP与传统的反应器相比，太阳能高温热化学耦合相 变反应器有如下几个优点:一是由于热板具有良好的 均温性能，可以避免反应器吸热面上由于太阳能聚光 器聚光精度问题而导致的局部“热点”问题，从而确 保了反应器运行的安全性和可靠性;二是由于热管具 有高效的传热性能，热板冷凝侧伸向反应腔的多根热 管提高了反应器传热效率，改善了反应腔内温度不均 匀性，从而提高反应效率;三是反应器吸热腔和反应 腔的隔开有利于对各个部件分别进行优化，从而保证 反应器较高的太阳能化学能转化效率。
2实验装置与测试系统2.1 实验对象实验测试对象为由热板和4根热管组成的高温 异型热管。
热管在热板的上端盖上呈三角形分布，1根在中心，另外3根均布在直径80 mm的圆上。
热 板外径159 mm，腔高20 mm;热管外径21 mm，有效8南京工业大学学报（自然科学版)第39卷高度为180 mm。
所研制的高温异型热管材质选用 耐高温不镑钢，工质采用金属Na。
由于组合式吸液 芯能兼顾高效传热对毛细抽力和渗透率的要求，获 得较高的传热能力，并可保证热管在大倾角下能正 常工作，高温异型热管采用由三角沟槽、金属纤维 毡和金属丝网构成的组合式吸液芯[16]。
2.2实验目的高温热管启动过程中其内部的蒸气流在先后 经过自由分子流和过渡流后，最后进人连续流，此 时热管完全启动。
在启动过程中腔内工质蒸气流 动状态改变时的温度称为转变温度。
参考高温热 管启动过程中转变温度的理论计算方法[17]，得出高 温异型热管自由分子流向过渡流的转变温度和过 渡流向连续流的转变温度，分别为287和438 ^。
一方面，考虑到太阳能的不稳定性，高温异型热 管在启动后可能会遇到温度降低而再次启动的情况，对其进行不同起始温度下启动性能的研究十分必要。
根据起始温度的不同，可将高温热管的启动分为冷启 动和热启动。
定义冷启动为将高温热管从室温下（由于N a的熔点为98 ^，此时N a工质为固态）开始加 热至完全启动的过程。
热启动为在高温热管冷启动 成功后，将其自然冷却至N a工质熔点以上再次加热 的启动。
因此，为了考察高温异型热管在不同蒸气流 状态下（以所测得的壁面温度来作为参考）的启动性 能，取冷启动试验条件为将高温异型热管从室温下开 始加热。
取热启动实验条件为:高温异型热管的绝热 段温度降至250 T(N a工质已融化，但蒸气流未达到 过渡流状态)或400 蒸气流介于过渡流与连续流 之间）左右时再次加热。