锂在热管反应器吸液芯上毛细作用的理论分析

朱 强，郑邯勇，李维维，张 强

（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056000）

0 引言

锂与六氟化硫在一定条件下可以反应，释放出很高的热量，并生成液态氟化锂与硫化锂产物。产物体积与消耗锂的体积大致相同，可以储存在反应器中，不用向系统外排出。锂 ／六氟化硫反应器与汽轮机或斯特林发动机配合，可以构成性能优异的闭式循环动力系统，适合用作水下航行器的动力装置[1-3]。

锂／六氟化硫反应有两种形式。一种是浸没喷射反应，氧化剂喷嘴与传热管均浸没在液态锂中，氧化剂喷射到液态锂中发生反应，反应热量经过液态锂或产物传递到传热管壁，再传输给工质。由于氧化剂喷嘴直接与高温锂或产物接触，停止反应后容易引起喷嘴的堵塞。因此这种反应方式适用于输出功率大、持续时间短的应用场合；另一种是吸液芯反应，吸液芯布置在锂液面上，液态锂通过毛细作用传输到吸液芯上，与氧化剂反应，通过锂的蒸发与冷凝实现反应热量传递。由于六氟化硫喷嘴位于锂液面上，停止反应后喷嘴不会堵塞，可以做到重复启动，但是这种反应形式的放热量受到吸液芯燃料传输能力限制，适用于小功率、长时间工作的应用场合。我们称这种反应形式的反应器为热管反应器[4]。

热管反应器结构示意图见图1，主要由筒体、传热管、吸液芯、法兰盖等组成，反应器上部是反应及传热区，下部是锂和产物储存区，吸液芯距传热管内壁一定距离处布置，其下端延伸到锂液面下，六氟化硫喷嘴安装在反应器的顶部。

工作时，液态锂在表面张力作用下沿吸液芯上升，与六氟化硫在吸液芯内表面反应放热。反应热量传递给吸液芯，吸液芯中的锂受热蒸发，一部分参与反应，一部分扩散到传热管壁冷凝，将热量传给工质，凝结的锂液沿螺旋管壁流至锂池。反应产物在吸液芯上冷凝为液体，沿吸液芯向下流至储存区底部。毛细提升力把锂源源不断提供给吸液芯，反应可以一直进行到锂消耗完，反应产物储存在反应器中[5-6]。

在热管反应器中锂既是燃料，又是传热介质。吸液芯不仅起输送燃料与导流产物作用，而且反应与传热都围绕吸液芯进行。吸液芯作为传热系统的一部分，与传统热管的蒸发段有些类似。热管中工作介质的循环靠吸液芯产生的毛细压头维持，由于吸液芯所能提供的压头是有限的，将使热管的最大传热量受到限制。对热管反应器来说，锂 ／六氟化硫反应放出热量，同时吸液芯中锂的蒸发带走热量，将使吸液芯温度保持在一定水平。如果吸液芯不能输送足够的锂到反应器上部，满足反应与传热要求，吸液芯会发生局部干涸，可能引起吸液芯或传热管烧蚀，这种极限即是吸液芯毛细极限。

为了研究热管反应器的设计、工作特性以及吸液芯毛细极限，本文建立理论模型，对锂在吸液芯上的毛细作用进行理论分析。

图1 热管反应器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of heat pipe reactor structure

1 吸液芯理论分析[7-8]

图2是吸液芯理论模型示意图。液态锂在毛细作用下爬升到吸液芯中，氧化剂喷入由法兰盖、吸液芯与锂液面组成的封闭空间内，吸液芯上的锂与氧化剂反应，反应热使吸液芯上更多的锂蒸发，从吸液芯内部蒸发的锂与氧化剂反应，从吸液芯外部蒸发的锂在传热管壁冷凝，将热量传输给工质。我们假定吸液芯表面锂的燃烧速度均匀，锂从吸液芯外表面的蒸发速度也均匀。假设系统处于稳定状态，液面上全部反应热量通过吸液芯传输。吸液芯液面上高度为H，吸液芯单位面积反应的燃料质量流量为mC″，吸液芯单位面积蒸发的燃料质量流量是mE″，吸液芯热流密度是q″。

吸液芯有多种结构形式，本文研究的吸液芯是由金属丝网制成的。多层金属丝网紧密排列在一起，构成多孔材料，对液体有一定的毛细作用。由于高温情况下锂具有很高的还原性，六氟化硫具有极高的氧化性，综合考虑耐腐蚀情况，金属丝网采用不锈钢材质。

图2 吸液芯理论模型示意图Fig.2 Schematic diagram of wick theoretical model

单位面积吸液芯用于反应与蒸发的燃料质量流量：

吸液芯单位宽度的锂流量：

式（2）可以写成：

吸液芯上锂流量随着高度而变化：

吸液芯中由重力和粘性引起的压力降与吸液芯提供的毛细压力平衡。

为计算粘性压降，用到达西定律：

总粘性压降为

将式（6） 代入式（7），积分得：

图2中A点弯月面半径为无穷大，吸液芯毛细压力为

锂在吸液芯中最大提升高度条件下，毛细压力等于静压与粘性压力之和。

解方程（10），得到：

式中：m″为燃料单位面积质量流量；q″为热流密度；Qr为锂／六氟化硫反应热；hfg为锂的汽化热；m＇为吸液芯单位宽度燃料流量；H为吸液芯液面上高度；ΔpS为吸液芯毛细压头；ΔpV为粘性压力；ρ为液态锂的密度；μ为液态锂的粘度；DW为吸液芯直径；AW为吸液芯截面积；t为吸液芯厚度；R为吸液芯弯月面半径；σ为液态锂表面张力；d为吸液芯钢丝直径；N为吸液芯丝网目数；K为吸液芯渗透率；ε为吸液芯空隙率。

2 锂在吸液芯上升高度的计算及分析

热管反应器工作时吸液芯保持竖直状态，液态锂依靠毛细作用力上升到吸液芯参加反应与传热，因为传热管布置在吸液芯外围，合理的吸液芯上升高度不仅提供足够的反应面积，而且提供足够的传热面积，因此液态锂在吸液芯上的上升高度是一个重要参数。

根据公式（11）计算液态锂在丝网吸液芯的上升高度，分析丝网目数、层数、液态锂温度以及热流密度等参数对锂在吸液芯上升高度的影响。由于锂／六氟化硫反应产物氟化锂与硫化锂的共熔点大约为810℃，又考虑到不锈钢丝网的熔点与耐腐蚀状况，所以计算时假定锂温度取值范围在827～1 027℃。热管反应器存在毛细极限，热流密度太大会引起吸液芯烧毁，因此热流密度假定在1 000 kW／m2以下。

在温度827℃、热流密度500 kW／m2条件下，分别对目数为20目、40目、80目，层数为2层、3层、4层的丝网吸液芯的锂上升高度进行计算。表1为锂在吸液芯上升高度随层数与目数变化的计算结果。图3为锂在丝网吸液芯的上升高度随目数与层数变化趋势图。

表1 锂在吸液芯上升高度随层数与目数变化计算结果Table.1 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with layer number and mesh number

从图3可以看出，锂在吸液芯的上升高度随着丝网层数的增加而增大，但是在热管反应器设计时丝网层数不宜选取过多，一般选取4层。因为层数多，丝网厚度就增加，会增大吸液芯的热阻，引起吸液芯内外温差增大，增大吸液芯受到腐蚀的可能性。锂上升高度与丝网目数不成正比关系，在一定条件下有一个最佳目数，使得锂的上升高度最大。这是因为增加丝网目数会增加吸液芯的毛细提升能力，但同时也增大粘性压力，图3中锂上升高度取得最大值的目数是50目左右。

图3 锂在丝网吸液芯的上升高度随目数与层数变化趋势图Fig.3 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with mesh number and layer number

在热流密度500 kW／m2条件下，对80目、4层网状吸液芯的锂上升高度随温度变化进行了计算。表2为锂在吸液芯上升高度随温度变化的计算结果。图4为锂在吸液芯的上升高度随温度变化趋势图。

表2 锂在吸液芯上升高度随温度变化计算结果Table 2 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with temperature

图4 锂在丝网吸液芯的上升高度随温度变化趋势图Fig.4 Change trend diagram of rising height of lithium in wick with temperature

从图4可以看出，在温度827～1 027℃范围内，锂的上升高度随温度变化不明显。原因是尽管温度升高，使得液态锂的密度与粘度值都减小，有利于锂在吸液芯的上升，但是锂的表面张力也减小了，两方面作用相互抵消了。

在827℃ 温度条件下，对80目、4层网状吸液芯，锂在吸液芯的上升高度随热流密度变化情况进行了计算。表3为锂在吸液芯上升高度随热流密度变化计算结果。图5为锂在吸液芯的上升高度随热流密度变化趋势图。

表3 锂上升高度随热流密度变化计算结果Table 3 Calculation result of rising height of lithium changing with heat flux

图5 锂在丝网吸液芯的上升高度随热流密度变化趋势图Fig.5 Calculation result of rising height of lithium in wick changing with heat flux

从图5可以看出，随着热流密度增加，锂在吸液芯的上升高度反而减小。因为热流密度的增加，要求更多的锂参加反应，上升高度低有利于锂在吸液芯的流动。

3 结束语

通过对热管反应器吸液芯理论模型的研究，得到了锂在吸液芯上升高度的计算公式，对给定条件下锂在吸液芯的上升高度进行了计算，根据计算结果分析了锂在吸液芯上升高度随丝网层数、丝网目数、温度、热流密度等参数的变化规律，为热管反应器设计及吸液芯参数选择提供了理论依据。