CN210604474U - 一种液态金属高温脉动热管及测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种液态金属高温脉动热管及测试系统，包括高温脉动热管、与高温脉动热管相连接的高温加热炉、冷却液块、高压泵、恒温液槽、流量计、过滤器、冷却液阀和测控系统，测控系统与上述各设备信号连接；恒温液槽、高压泵、过滤器、冷却液阀、进液口三通、冷却液块、出液口三通和流量计依次顺序连接，流量计与恒温液槽相连接，上述所有设备构成循环连接回路；所述冷却液块的前侧设有槽道，槽道与高温脉动热管的冷凝段相连接，高温脉动热管的绝热段与高温加热炉相连接。本实用新型可满足高温脉动热管在高温环境下的测试需求，所设计的高温脉动热管可在高温环境下长时间稳定工作。

Description

一种液态金属高温脉动热管及测试系统

技术领域

本实用新型涉及脉动热管研究技术领域，具体而言，尤其涉及一种液态金属高温脉动热管及测试系统。

背景技术

脉动热管(OHP)是Akachi在20世纪90年代初提出的一种新型、高效、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。脉动热管由弯曲的毛细管组成，管内抽真空后充入适量工质流体。工作时，工质在加热段吸热膨胀和升压，流向低温冷凝段，气柱冷却收缩并破裂，由于两端间存在压差以及相邻管之间的压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡运动，从而实现热量的传递。

一般地，将工作温度超过500℃的脉动热管称为高温脉动热管。目前生产、研究中的脉动热管大部分的工作温度不超过200℃，这制约了脉动热管在航空航天等高温传热领域的应用。因此制作一种可以在高温下长时间稳定工作的脉动热管具有重要意义。

为了指导工程应用，掌握高温脉动热管传热性能的规律，设计出适用于不同工况的高温脉动热管，需对高温脉动热管传热性能进行研究，在研究过程中，需要保证实验数据的精准可靠。而现有的脉动热管测试方法只能满足中低温环境下的测试需求，无法满足高温环境下的测试需求，因此搭建一种新型高温脉动热管测试系统具有重要意义。

实用新型内容

根据上述提出现有技术中存在的脉动热管难以在高温下长时间稳定工作，且现有的脉动热管测试方法无法满足高温环境下的测试需求的技术问题，而提供一种液态金属高温脉动热管及测试系统。本实用新型主要使用高温加热炉及冷却液系统为高温脉动热管提供高温环境下的测试条件，测量并计算高温脉动热管通过冷却液带走的热量，同时测量并计算漏热，更准确地测量高温脉动热管传递的热量，从而更准确地评估高温脉动热管的传热性能。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种液态金属高温脉动热管，所述高温脉动热管包括三通充液口和将加热段、绝热段、冷凝段集成在一起的不锈钢管阵列，所述三通充液口的两个水平方向上的通口和不锈钢管阵列的两个端口相连接，所述不锈钢管阵列内的工质为液态金属，其在高温下具有较高的汽化潜热；所述液态金属为钠钾合金、金属钠、金属钾、金属铯或金属铷中的一种，或一种以上的组合形式，其中，所述钠钾合金中钾的质量分数为25％～75％，所述液态金属具有常温下为液态的特点，可使加热过程中省去熔化过程，使高温脉动热管启动更加简单，提高了高温脉动热管的启动性能，降低了充液难度。

进一步地，所述高温脉动热管的管材为不锈钢、镍基合金或Inconel镍基合金中的一种，或一种以上的组合形式，上述管材均具有耐高温、耐腐蚀的特点，在高温下管材与工质具有较好的相容性，同时上述管材在高温脉动热管的工作温区性能稳定，可保证高温脉动热管在高温环境下能够长时间稳定运行。

进一步地，所述高温脉动热管的充液率为10％～90％。

进一步地，所述高温脉动热管的壁厚为0.5～3mm，内径满足如下公式：

式中：D_e为高温脉动热管的内径(m)，D为脉动热管的启动临界管径，Φ为充液率(％)，

为加入热量后液体占总管体积的百分比(％)，ρ_L,0为加入热量前操作温度下的液体密度(kg/m³)，ρ_L,av为加入热量后液体工质的平均密度(kg/m³)，u为汽泡相对于液体的上升速度(m/s)，h_c为冷端温度下工质的汽化潜热(J/kg)，q为输入功率(J/s)，p_g为潜热占比(％)。

本实用新型还提供了一种液态金属高温脉动热管测试系统，包括高温脉动热管、与高温脉动热管相连接的高温加热炉、冷却液块、高压泵、恒温液槽、流量计、过滤器、冷却液阀和测控系统，所述测控系统与上述各设备信号连接；

所述恒温液槽与所述高压泵的一侧相连接，所述高压泵的另一侧与所述过滤器的一侧相连接，所述过滤器的另一侧与所述冷却液阀的一侧相连接，所述冷却液阀的另一侧通过设置的进液口三通与所述冷却液块的一侧相连接，所述冷却液块的另一侧通过设置的出液口三通与所述流量计的一侧相连接，所述流量计的另一侧与所述恒温液槽相连接，上述所有设备构成循环连接回路，经所述恒温液槽排出的冷却液，沿逆时针方向流动，最终流回所述恒温液槽中，冷却液通过所述高压泵实现循环往复流动；所述冷却液块的外部前侧设有与所述高温脉动热管外径尺寸相配合的槽道，所述槽道与所述高温脉动热管的冷凝段相连接，所述高温脉动热管的绝热段与所述高温加热炉相连接，所述高温脉动热管的加热段放置于所述高温加热炉内；所述冷却液块的内部设有多层槽道，冷却液在所述槽道内的流动将高温脉动热管冷凝段的热量传递到冷却液中，进而实现对高温脉动热管的冷却；所述过滤器用来对冷却液中的杂质进行过滤，保护流量计；所述流量计用于对冷却液流量进行测量；所述冷却液阀用于调节冷却液流量；所述恒温液槽用来维持排出的冷却液温度恒定；通过设定恒温液槽、高压泵、冷却液阀的参数可以控制冷却液的温度与流量。

进一步地，所述恒温液槽排出的冷却液温度范围为5℃～300℃。

进一步地，所述高温脉动热管和冷却液块的外围整体使用保温层包裹，确保高温脉动热管冷凝段的热量传递到冷却液中，保证高温脉动热管传递的热量可以被准确计量；所述保温层的材料为耐高温保温材料，所述保温层内外均至少设置4个热电偶，通过在保温层内外热电偶的读数测得保温层内外平均温度以获得漏热。

进一步地，所述进液口三通和所述出液口三通均通过螺纹连接有RTD温度传感器，所述RTD温度传感器伸入到冷却液管路的中心位置。

进一步地，所述高温加热炉用于将高温脉动热管加热，为密封箱体结构，其顶部设有炉膛上盖，所述炉膛上盖开设有阶梯孔，所述高温脉动热管通过阶梯孔的中部通孔伸入到高温加热炉内部，并将其绝热段使用耐高温保温材料包裹且在与所述炉膛上盖垂直的方向安装于所述中部通孔内，所述高温加热炉在顶部设置炉膛上盖，可在高温加热炉的前后左右四个面上安装加热棒，使高温脉动热管受热均匀；所述阶梯孔与竖直安装的高温脉动热管形成侧间隙，所述侧间隙内使用耐高温保温材料进行填充密封，通过加工阶梯孔并向其中填充耐高温保温材料，可使保温材料固定的更加稳固，可避免直上直下的孔而导致的保温材料发生掉落的现象；所述高温加热炉的炉体两侧中心位置焊接有法兰盘，所述法兰盘上安装有齿轮传动机构组成的角度调节装置，用于调节高温加热炉的整体倾斜角度，进而调节高温脉动热管的倾斜角度，所述倾斜角度范围为0～180°；通过调节高温加热炉的参数设定可控制调节高温脉动热管的加热温度、加热速度、加热功率及倾斜角度，通过调节高温加热炉的加热程序可以设定多段加热过程参数，调节加热速度与目标炉温并进行保温，且保证高温脉动热管稳定工作后加热功率保持恒定。

进一步地，所述高温脉动热管的加热段、绝热段和冷凝段分别至少设有一个热电偶，所述高温脉动热管的冷凝段上方的横向管上至少设有一个热电偶；所述高温脉动热管上设有的热电偶用于检测高温脉动热管上各管的加热段、绝热段和冷凝段的温度变化情况，得到温度曲线，获得高温脉动热管的热阻，进而研究高温脉动热管的传热性能，通过加热段、冷凝段热电偶读数可测得加热段、冷凝段温度，通过对多根热电偶读数取平均值可计算加热段、冷凝段平均温度。

进一步地，所述高温脉动热管的热阻可由下列公式求得：

式中：R为高温脉动热管的热阻(K/W)，

为高温脉动热管稳定运行时加热段的平均温度(K)，

为高温脉动热管稳定运行时冷凝段的平均温度(K)，Q_e为高温脉动热管的加热功率(W)。

进一步地，所述高温脉动热管的加热功率可由下列公式求得：

Q_e＝C_pq_mΔT+q；

ΔT＝T₁-T₂；

式中：Q_e为高温脉动热管加热功率(W)，q为漏热(W)，q_m为流量计所测冷却液的质量流量(kg/s)，T₁为出液口三通处RTD温度传感器所测温度(K)，T₂为进液口三通处RTD温度传感器所测温度(K)，ΔT为冷却液进出口处温差(K)，C_p为操作温度下水的比热容(J/(kg·K))，(T₁+T₂)/2为操作温度(K)。

进一步地，所述漏热可由下列公式求得：

式中：q为漏热(W)，k为保温层材料的导热系数(W/(m·K))，A为保温层的面积(m²)，ΔT_l为保温层内外温差(K)，L为保温层厚度(m)；

所述漏热占高温脉动热管加热功率的比例小于10％，满足如下公式：

若计算所得结果

则需增大冷却液流量或增加保温材料的厚度，再次进行实验并计算结果，确保漏热占高温脉动热管加热功率的比例小于10％。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的液态金属高温脉动热管及测试系统，可满足高温脉动热管在高温环境下的测试需求，同时设计的高温脉动热管可在超过500℃的高温环境下长时间稳定工作。

2、本实用新型提供的液态金属高温脉动热管及测试系统，冷却液管路中设置了两个RTD温度传感器、过滤器、高精度流量计，其中可通过进、出液口三通上部端口插入RTD温度传感器测量冷却液进出口的温度，获得冷却液进出口温差，过滤器可过滤冷却液中杂质，保护流量计的同时也可保证流量稳定，流量计测量流量，通过上述数据可计算高温脉动热管传递的热量。

3、本实用新型提供的液态金属高温脉动热管及测试系统，通过在高温脉动热管冷凝段包裹的保温层内外均设置多根热电偶，测量保温层内外壁的温度，可计算漏热。

4、本实用新型提供的液态金属高温脉动热管及测试系统，采用冷却液系统测量并计算高温脉动热管通过冷却液带走的热量，同时测量并计算漏热，可以更准确地测量高温脉动热管传递的热量，更准确地评估高温脉动热管的传热性能。

综上，应用本实用新型的技术方案能够解决现有技术中存在的脉动热管难以在高温下长时间稳定工作、现有的脉动热管测试方法无法满足高温环境下的测试需求的问题。

基于上述理由本实用新型可在使用脉动热管进行高温传热的航空航天等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中高温脉动热管的结构示意图。

图2为本实用新型中测试系统的结构示意图。

图3为本实用新型中高温脉动热管和冷却液块组件的结构示意图。

图4为本实用新型中高温加热炉的炉膛上盖的结构示意图。

图5为本实用新型中高温脉动热管上热电偶安装位置的分布图。

图6为本实用新型中高温脉动热管启动及高温加热炉炉温为850℃时的温度曲线图。

图7为本实用新型中高温加热炉炉温分别为900℃、950℃和1000℃阶段时的温度曲线图。

图8为本实用新型中高温加热炉炉温分别为1050℃和1100℃阶段时的温度曲线图。

图9为本实用新型中高温加热炉炉温分别为1150℃和1200℃阶段时的温度曲线图。

图10为本实用新型中高温脉动热管冷热端温差随功率变化的曲线图。

图11为本实用新型中高温脉动热管热阻随功率变化的曲线图。

图中：1、一号热电偶；2、二号热电偶；3、三号热电偶；4、四号热电偶；5、五号热电偶；6、六号热电偶；7、七号热电偶；8、八号热电偶；9、九号热电偶；10、十号热电偶；11、十一号热电偶；12、十二号热电偶；13、十三号热电偶；14、十四号热电偶；15、十五号热电偶；16、十六号热电偶；17、十七号热电偶；18、十八号热电偶；19、十九号热电偶；20、高温加热炉；21、高温脉动热管；22、冷却液块；23、进液口三通；24、出液口三通；25、流量计；26、恒温液槽；27、高压泵；28、过滤器；29、冷却液阀；30、三通充液口；31、不锈钢管阵列；32、冷凝段；33、绝热段；34、加热段；35、阶梯孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供了一种液态金属高温脉动热管，所述高温脉动热管21包括三通充液口30和将加热段34、绝热段33、冷凝段32集成在一起的不锈钢管阵列31，所述三通充液口30的两个水平方向上的通口和不锈钢管阵列31的两个端口焊接连接，所述不锈钢管阵列31内充入液态金属作为工质，其在高温下具有较高的汽化潜热；所述液态金属为钠钾合金，所述钠钾合金中钾的质量分数为25％～75％，钠钾合金具有常温下为液态的特点，可使加热过程中省去熔化过程，使高温脉动热管21启动更加简单，提高了高温脉动热管21的启动性能，降低了充液难度；

本实施例中所述高温脉动热管21的管材为不锈钢310s，具有耐高温、耐腐蚀的特点，其管材与工质在高温下具有良好的相容性，同时不锈钢310s在高温脉动热管21的工作温区性能稳定，可保证高温脉动热管21在高温环境下能够长时间稳定运行。

本实施例中所述高温脉动热管21的充液率为10％～90％。

本实施例中所述高温脉动热管21的壁厚为0.5～3mm，内径满足如下公式：

式中：D_e为高温脉动热管的内径(m)，D为脉动热管的启动临界管径，Φ为充液率(％)，

为加入热量后液体占总管体积的百分比(％)，ρ_L,0为加入热量前操作温度下的液体密度(kg/m³)，ρ_L,av为加入热量后液体工质的平均密度(kg/m³)，u为汽泡相对于液体的上升速度(m/s)，h_c为冷端温度下工质的汽化潜热(J/kg)，q为输入功率(J/s)，p_g为潜热占比(％)。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2-4所示，本实用新型还提供了一种液态金属高温脉动热管测试系统，包括高温脉动热管21、与高温脉动热管21相连接的高温加热炉20、冷却液块22、高压泵27、恒温液槽26、流量计25、过滤器28、冷却液阀29和测控系统，所述测控系统通过数据线与上述各设备进行信号连接；

所述恒温液槽26的右侧通过管路与所述高压泵27的左侧相连接，所述高压泵27的出液口通过管路与所述过滤器28的左侧相连接，所述过滤器28的右侧通过管路与所述冷却液阀29的左侧相连接，所述冷却液阀29的右侧通过管路、设置的进液口三通23与所述冷却液块22的左侧相连接，所述冷却液块22的右侧通过设置的出液口三通24、管路与所述流量计25的左侧相连接，所述流量计25的右侧通过管路与恒温液槽26相连接，上述所有设备构成循环连接回路，经所述恒温液槽26排出的冷却液，沿逆时针方向流动，最终流回所述恒温液槽26中，冷却液通过所述高压泵27实现循环往复流动；所述冷却液块22的外部前侧设有与所述高温脉动热管21外径尺寸相配合的槽道，将所述高温脉动热管21的冷凝段32嵌入所述槽道中，所述高温脉动热管21中部的绝热段33与所述高温加热炉20相连接，且高温脉动热管21的加热段34伸入高温加热炉20内部；通过调节冷却液块22的高度与高温脉动热管21深入高温加热炉20的长度，调节加热段34、绝热段33与冷凝段32的安装长度；所述冷却液块22的内部设有多层槽道，冷却液在所述槽道内的流动将高温脉动热管21冷凝段32的热量传递到冷却液中，进而对高温脉动热管21进行冷却；所述过滤器28用来对冷却液中的杂质进行过滤，保护流量计25；所述流量计25用于对冷却液流量进行测量，流量计为高精度质量流量计，所述冷却液阀29在流量计的量程内调节冷却液流量；所述恒温液槽26用来维持排出的冷却液温度恒定；通过设定恒温液槽26、高压泵27、冷却液阀29的参数可以控制冷却液的温度与流量。

本实施例中所述恒温液槽26排出的冷却液温度范围为5℃～300℃。

本实施例中所述高温脉动热管21和冷却液块22的外围整体使用保温层包裹，确保高温脉动热管21冷凝段32的热量传递到冷却液中，保证高温脉动热管21传递的热量可以被准确计量；所述保温层的材料为耐高温保温材料，所述保温层内外均设置4个热电偶，热电偶为耐高温陶瓷Nextel护套K型热电偶，通过在保温层内外热电偶的读数测得保温层内外平均温度以获得漏热。

本实施例中所述进液口三通23和所述出液口三通24均通过螺纹连接有RTD温度传感器，RTD温度传感器的型号为PT100，所述RTD温度传感器伸入到冷却液管路的中心位置。

本实施例中所述高温加热炉20用于将高温脉动热管21加热，为密封箱体结构，其顶部设有炉膛上盖，所述炉膛上盖开设有阶梯孔35，所述高温脉动热管21通过阶梯孔35的中部通孔伸入到高温加热炉20内部，并将其绝热段33使用耐高温保温材料包裹且在与所述炉膛上盖垂直的方向安装于所述中部通孔内，所述高温加热炉20在顶部设置炉膛上盖，可在高温加热炉的前后左右四个面上安装加热棒，使高温脉动热管21受热均匀；所述阶梯孔35与竖直安装的高温脉动热管21形成侧间隙，所述侧间隙内使用耐高温保温材料进行填充密封，通过阶梯孔35填充耐高温保温材料，更加稳固，可避免直上直下的孔而导致的保温材料发生掉落的现象；所述高温加热炉20的炉体两侧中心位置焊接有法兰盘，所述法兰盘上安装有齿轮传动机构组成的角度调节装置，调节高温加热炉20整体的倾斜角度，进而调节高温脉动热管21的倾斜角度，所述倾斜角度为0～180°；通过调节高温加热炉20的参数设定可控制调节高温脉动热管21的加热温度、加热速度、加热功率及倾斜角度，通过调节高温加热炉20的加热程序可以设定多段加热过程参数，调节加热速度与目标炉温并进行保温，且保证高温脉动热管21稳定工作后加热功率保持恒定。

本实施例中所述高温脉动热管21的加热段34、绝热段33和冷凝段32分别至少设有一个热电偶，所述高温脉动热管21的冷凝段32上方的横向管上至少设有一个热电偶；所述高温脉动热管21上设有的热电偶均为耐高温陶瓷Nextel护套K型热电偶，所述高温脉动热管21上设有的热电偶用于检测高温脉动热管21上加热段34和冷凝段32的温度变化情况，得到温度曲线，获得高温脉动热管21的热阻，进而研究高温脉动热管21的传热性能，通过加热段34、冷凝段32热电偶读数可测得加热段34、冷凝段32温度，通过对多根热电偶读数取平均值可计算加热段34、冷凝段32平均温度。

实施例3

本实施例中选用内径为6mm、壁厚为1mm的管材为不锈钢310s的高温脉动热管21进行实验，高温脉动热管21内工质的体积充液率为45％，工质为钠钾合金，其中，钾的质量分数为75％。本实施例中，高温脉动热管21上热电偶安装位置的分布图如图5所示，在高温脉动热管21上设有19个热电偶，在不锈钢管阵列31的三通充液口30处的横向管路上设有十九号热电偶19；左侧第一弯头的两根相邻管的加热段34、绝热段33及冷凝段32分别设有一号热电偶1和二号热电偶2、七号热电偶7和八号热电偶8以及十三号热电偶13和十四号热电偶14；右侧第一弯头的两根相邻管的加热段34、绝热段33及冷凝段32分别设有五号热电偶5和六号热电偶6、十一号热电偶11和十二号热电偶12以及十七号热电偶17和十八号热电偶18；中间弯头选取了其中两个弯头上的各一根管设置热电偶，两根管的加热段34、绝热段33和冷凝段32分别设有三号热电偶3和四号热电偶4、九号热电偶9和十号热电偶10以及十五号热电偶15和十六号热电偶16，上述热电偶均为耐高温陶瓷Nextel护套K型热电偶。

工作过程：

(1)首先将高温脉动热管21的绝热段33固定在高温加热炉20的炉膛上盖的阶梯孔35内，调节高温脉动热管21加热段34在高温加热炉20内的长度，之后在阶梯孔35与安装后的高温脉动热管21形成的侧间隙内使用耐高温保温材料进行填充密封，高温脉动热管21绝热段33固定后调整高温加热炉20至一定的倾斜角度，本实施例中倾斜角度为90°；之后将高温脉动热管21和冷却液块22使用耐高温保温材料整体进行多层包裹，并连通测试系统中的所有设备。

(2)启动高压泵27使冷却液开始进行循环，通过调节冷却液阀29开度并读取流量计25数据来调节冷却液流量，使冷却液流量达到预定值并稳定10分钟，其中，通过过滤器28对冷却液进行过滤，除去杂质。

(3)启动恒温液槽26，对冷却液温度进行调节，使冷却液温度达到预定温度58℃，为高温脉动热管21提供一个稳定的冷却环境。

(4)将高温加热炉20调至低功率加热状态进行暖机，因为在低温状态下，高温加热炉20过快的加热速度容易损坏碳硅棒；在暖机过程中，对热电偶、RTD温度传感器、测控系统进行调试，确保数据的准确性；当高温加热炉20暖机结束时，进行下一步。

(5)增大高温加热炉20的加热功率，将高温加热炉20的目标温度调节至850℃进行升温；待高温加热炉20炉内温度达到850℃之后，维持二十分钟，在此过程中，高温脉动热管21热负荷保持恒定；记录实验数据，之后进行下一步。

(6)将高温加热炉20的目标温度调节至900℃进行升温；待高温加热炉20内温度达到900℃之后，维持二十分钟，在此过程中，高温脉动热管21热负荷保持恒定。记录实验数据，并进行下一步。重复上述加热过程，并将高温加热炉20内温度分别升温至950℃、1000℃、1050℃、1100℃，测试不同加热功率下高温脉动热管21的传热性能，记录实验数据，并进行下一步。

(7)关闭高温加热炉20，调低恒温液槽26温度进入降温过程，待降温过程结束，实验至此结束。

(8)计算高温脉动热管21的热负荷，其加热功率可由下列公式求得：

Q_e＝C_pq_mΔT+q；

ΔT＝T₁-T₂；

式中：Q_e为高温脉动热管热负荷(W)，q为漏热(W)，q_m为流量计所测冷却液的质量流量(kg/s)，T₁为出液口三通处RTD温度传感器所测温度(K)，T₂为进液口三通处RTD温度传感器所测温度(K)，ΔT为冷却液进出口处温差(K)，C_p为操作温度下水的比热容(J/(kg·K))，(T₁+T₂)/2为操作温度(K)。

(9)计算漏热

通过在保温层内外设置的热电偶的读数测得保温层内外平均温度以获得漏热，漏热可由下列公式求得：

式中：q为漏热(W)，k为保温层材料的导热系数(W/(m·k))，A为保温层的面积(m²)，ΔT_l为保温层内外温差(K)，L为保温层厚度(m)。

所述漏热占高温脉动热管21加热功率的比例小于10％，满足如下公式：

若计算所得结果

则需增大冷却液流量或增加保温材料的厚度，再次进行实验并计算结果，确保漏热占高温脉动热管21加热功率的比例小于10％。

(10)计算高温脉动热管21的热阻，其热阻可由下列公式求得：

式中：R为高温脉动热管的热阻(K/W)，

为高温脉动热管稳定运行时加热段的平均温度(K)，

为高温脉动热管稳定运行时冷凝段的平均温度(K)，Q_e为高温脉动热管的热负荷(W)。

如图6所示为高温脉动热管21启动及高温加热炉20炉温为850℃时的温度曲线图。由图6可知，高温加热炉20在2700秒时结束暖机，开始加热阶段，温度上升速度加快，在加热段34温度达到790℃时，加热段34与绝热段33温度急剧下降，冷凝段32温度急剧上升，高温脉动热管21启动，此时高温加热炉20炉温尚未达到预设的850℃，加热炉功率处于上升阶段，这时高温脉动热管21的热负荷不能维持稳定的脉动运动，在3300秒时出现了高温脉动热管21部分弯头停止工作的现象，测得一号热电偶1、二号热电偶2、三号热电偶3和四号热电偶4的温度上升，十三号热电偶13、十四号热电偶14、十五号热电偶15和十六号热电偶16的温度下降，表示该根管出现了脉动减弱的现象。测得五号热电偶5和六号热电偶6的温度稳定，其对应的冷端温度无急剧变化，表明这两根管工作正常。随着加热炉不断升温，高温脉动热管21二次启动，并在3900秒达到预设温度，高温脉动热管21开始稳定工作。

图7为高温加热炉20炉温分别为900℃、950℃和1000℃阶段时的温度曲线图。由图7可知，在高温加热炉20炉温为900℃和950℃阶段时，高温脉动热管21工作比较稳定，绝热段33分层现象小，此时加热段34温度随炉温提高而上升，同时冷凝段32温度上升，冷热端温差减小，热负荷增大，热阻减小。当左一弯头冷凝段32分层减弱时，右一弯头冷凝段32仍然存在分层，测得十七号热电偶17和十八号热电偶18间的温差较大，这是因为高温脉动热管21在稳定工作时会有弯头单根传热的现象，测得十九号热电偶19的温度稳定。在高温加热炉20炉温为1000℃阶段时，加热段34温度开始波动，绝热段33分层，左一弯头的十三号热电偶13和十四号热电偶14出现剧烈波动且呈现相反的变化趋势，测得十九号热电偶19的温度快速上升，此时脉动剧烈有出现环流的趋势。

图8为高温加热炉20炉温分别为1050℃和1100℃阶段时的温度曲线图。由图8可知，在高温加热炉20炉温为1050℃阶段时，测得七号热电偶7和十一号热电偶11的温度下降，八号热电偶8和十二号热电偶12的温度快速上升，九号热电偶9和十号热电偶10继续保持较高温度，且八号热电偶8和十二号热电偶12的温度大于七号热电偶7和十一号热电偶11的温度，同时，测得十九号热电偶19的温度快速上升，绝热段33形成明显分层，与之对应的冷凝段32温度有同样的变化趋势，形成良好稳定的环流状态，增强传热效果。在高温加热炉20炉温为1100℃阶段时，各热电偶的温度相对于炉温为1050℃阶段下的温度出现了波动并且温度呈上升变化，环流状态也出现了波动。

图9为高温加热炉20炉温分别为1150℃和1200℃阶段时的温度曲线图。由图9可知，在高温加热炉20炉温为1150℃阶段时，测得七号热电偶7和十一号热电偶11的温度快速上升，十八号热电偶18的温度快速下降，十三号热电偶13和十四号热电偶14的温度上升，十九号热电偶19的温度快速下降，加热段34温度波动消失，随后工作状态趋于稳定，此时单向循环消失，重新恢复脉动状态。在高温加热炉20炉温为1200℃阶段时，测得七号热电偶7和十一号热电偶11的温度出现剧烈波动，十八号热电偶18的温度上升，高温脉动热管21工作不稳定，性能出现恶化。

图10为高温脉动热管21冷热端温差随功率变化的曲线图。由图10可知，高温脉动热管21冷热端温差随热负荷的提高先减小后增大，在高温脉动热管21加热功率为3306.4W(炉温为1050℃)时出现最小值。

图11为高温脉动热管21热阻随功率变化的曲线图。由图11可知，高温脉动热管21热阻随加热功率的提高先减小后增大，在高温脉动热管21热负荷为3306.4W(炉温为1050℃)时出现最小值。

由图6-9可知，本实施例中的高温脉动热管21具有在超过500℃的高温环境下工作的能力。由图10-11得出，高温脉动热管21的热阻越小，性能越好。

由图6-11可知，使用整套测试系统可精准测定高温脉动热管21在不同工况下的实验数据，则本实施例中的测试系统满足高温脉动热管21在高温环境下的测试需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液态金属高温脉动热管，其特征在于，所述高温脉动热管(21)包括三通充液口(30)和将加热段(34)、绝热段(33)、冷凝段(32)集成在一起的不锈钢管阵列(31)，所述三通充液口(30)的两个水平方向上的通口和不锈钢管阵列(31)的两个端口相连接，所述不锈钢管阵列(31)内的工质为液态金属，所述液态金属为钠钾合金、金属钠、金属钾、金属铯或金属铷中的一种。

2.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管，其特征在于，所述高温脉动热管(21)的管材为不锈钢、镍基合金或Inconel镍基合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管，其特征在于，所述高温脉动热管(21)的充液率为10％～90％。

4.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管，其特征在于，所述高温脉动热管(21)的壁厚为0.5～3mm。

5.一种用于如权利要求1-4任意一项权利要求所述的液态金属高温脉动热管的测试系统，其特征在于，包括高温脉动热管(21)、与高温脉动热管(21)相连接的高温加热炉(20)、冷却液块(22)、高压泵(27)、恒温液槽(26)、流量计(25)、过滤器(28)、冷却液阀(29)和测控系统，所述测控系统与上述各设备信号连接；

所述恒温液槽(26)与所述高压泵(27)的一侧相连接，所述高压泵(27)的另一侧与所述过滤器(28)的一侧相连接，所述过滤器(28)的另一侧与所述冷却液阀(29)的一侧相连接，所述冷却液阀(29)的另一侧通过设置的进液口三通(23)与所述冷却液块(22)的一侧相连接，所述冷却液块(22)的另一侧通过设置的出液口三通(24)与所述流量计(25)的一侧相连接，所述流量计(25)的另一侧与所述恒温液槽(26)相连接，上述所有设备构成循环连接回路，所述恒温液槽(26)排出的冷却液，沿逆时针方向流动，最终流回所述恒温液槽(26)中，冷却液通过所述高压泵(27)实现循环往复流动；所述冷却液块(22)的外部前侧设有与所述高温脉动热管(21)外径尺寸相配合的槽道，所述槽道与所述高温脉动热管(21)的冷凝段(32)相连接，所述高温脉动热管(21)的绝热段(33)与所述高温加热炉(20) 相连接，所述高温脉动热管(21)的加热段(34)放置于所述高温加热炉(20)内。

6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述恒温液槽(26)排出的冷却液温度范围为5℃～300℃。

7.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述高温脉动热管(21)和冷却液块(22)的外围整体使用保温层包裹，所述保温层的材料为耐高温保温材料，所述保温层内外均至少设置4个热电偶。

8.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述进液口三通(23)和出液口三通(24)均连接有RTD温度传感器，所述RTD温度传感器伸入到冷却液管路的中心位置。

9.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述高温加热炉(20)为密封箱体结构，其顶部设有炉膛上盖，所述炉膛上盖开设有阶梯孔(35)，所述阶梯孔(35)的中部通孔与所述高温脉动热管(21)相连接；所述阶梯孔(35)与垂直于炉膛上盖的高温脉动热管(21)间形成的侧间隙内使用耐高温保温材料进行填充密封；所述高温加热炉(20)的炉体两侧中心位置焊接有法兰盘，所述法兰盘上安装有齿轮传动机构组成的角度调节装置，用于调节高温加热炉(20)的整体倾斜角度，其倾斜角度范围为0～180°。

10.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述高温脉动热管(21)的加热段(34)、绝热段(33)和冷凝段(32)分别至少设有一个热电偶，所述高温脉动热管(21)的冷凝段(32)上方的横向管上至少设有一个热电偶。

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