張?zhí)锾?楊洪海* 劉利偉 王耀鋒 沈俊杰 張?jiān)?/p>

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

脈動(dòng)熱管是兩相傳熱裝置領(lǐng)域的一種有廣闊應(yīng)用前景的新型裝置。脈動(dòng)熱管具有卓越的熱量傳遞性能，應(yīng)用在冷卻電子設(shè)備，熱回收系統(tǒng)中可以提高其效率。脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，在傳熱能力，適應(yīng)性，成本和應(yīng)對(duì)當(dāng)今電子設(shè)備高集成化小型化方面具有較高的發(fā)展?jié)摿?，近年?lái)已被國(guó)內(nèi)外許多研究人員廣泛研究。

納米流體的種類有：離子液體、微金屬、自濕潤(rùn)流體、碳納米管等[1～4]。為了追求更高的傳熱效果，納米流體成為研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)工質(zhì)相比，納米流體能夠?qū)Q熱進(jìn)行強(qiáng)化，因此，為了追求更高的傳熱效果，有許多的學(xué)者在脈動(dòng)熱管中使用納米流體，研究其傳熱特性。Mehdi 等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)使用鐵磁流體可以改善穩(wěn)態(tài)熱性能，施加磁場(chǎng)可以增加開(kāi)環(huán)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)熱性。

氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)約為6000 W/(m·K)，它良好的導(dǎo)熱性可以極大地提升脈動(dòng)熱管的傳熱特性，延緩燒干等[7-9]。鑒于石墨烯具有疏水性，不易溶于水，并且會(huì)發(fā)生聚沉情況，有研究者采用氧化石墨烯，來(lái)改善其溶解性，進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱效果[7-9]。本文以氧化石墨烯水溶液為工質(zhì)，研究其啟動(dòng)特性，分析濃度及充液率等對(duì)運(yùn)行性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 工質(zhì)選擇及工況

本實(shí)驗(yàn)選取的工質(zhì)為：去離子水，0.01wt%，0.03wt%，0.05wt%，0.08wt%，0.1wt%氧化石墨烯溶液，脈動(dòng)熱管傾斜角度定義為與水平方向的夾角，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，脈動(dòng)熱管在垂直時(shí)啟動(dòng)性能最佳。因此，實(shí)驗(yàn)傾斜角度為90°。并涵蓋了脈動(dòng)熱管燒干功率以及中等充液率和大充液率。具體實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1：

表1 實(shí)驗(yàn)工況

1.2 工質(zhì)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)制備氧化石墨烯采用Hummers 法[11-14]，整個(gè)過(guò)程可以分為低，中和高溫三個(gè)階段：①低溫反應(yīng)：取濃硫酸置入燒杯中，放置冰水浴中30 min 于4 ℃以下，稱石墨粉和硝酸鈉置入燒杯超聲1 h。然后，極其緩慢的將KMnO4加入，繼續(xù)攪拌并控制反應(yīng)溫度在10 ℃以下，保溫2 h。②中溫反應(yīng)：把燒杯移至35 ℃左右的恒溫水浴鍋，超聲1 h。③高溫反應(yīng)：把反應(yīng)液放入95 ℃水浴中繼續(xù)攪拌，緩慢的加入去離子水，攪拌反應(yīng)30 min，放入去離子水終止反應(yīng)，再加入一定量的雙氧水，保持?jǐn)嚢?5 min，最后加入一定量的鹽酸。低速離心洗滌過(guò)濾酸和副產(chǎn)物，將反應(yīng)制得的氧化石墨烯與水進(jìn)行混合，然后將混合液放入超聲波震蕩器中震蕩40 min，本實(shí)驗(yàn)采用超聲波振蕩器型號(hào)為上海汗諾（HN-1000CS），超聲結(jié)束后于2500 r/min 轉(zhuǎn)速下離心30 min，上層液得到的即為氧化石墨烯納米流體，所得到的溶液為黃褐色。

氧化石墨烯溶液的穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)前后變化如圖1 所示，可以發(fā)現(xiàn)靜置一個(gè)月后溶液顏色變淺，基本沒(méi)有沉淀，實(shí)驗(yàn)后溶液中的納米流體聚集在一起，有黑色沉淀產(chǎn)生。

圖1 0.01wt%氧化石墨烯溶液變化圖

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括紫銅脈動(dòng)熱管，電加熱系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。本實(shí)驗(yàn)用的脈動(dòng)熱管是外徑4 mm、內(nèi)徑2 mm 的銅管，脈動(dòng)熱管總長(zhǎng)250 mm，有6 個(gè)回路。實(shí)驗(yàn)的電加熱系統(tǒng)包括電阻絲、直流電源型號(hào)（MP1203D）等。如圖2 所示，蒸發(fā)段采取垂直底部加熱方式，把加熱絲纏在裹有絕緣膠帶的紫銅管上，通過(guò)直流電源控制加熱功率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2 中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 所示對(duì)脈動(dòng)熱管壁面溫度進(jìn)行溫度變化記錄，其中1～6在冷凝段，7～12 在蒸發(fā)段。采用標(biāo)定“K”型熱電偶，數(shù)據(jù)采集用安捷倫（Aglient 34970A），頻率1Hz，分辨率0.01 ℃。冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)冷系統(tǒng)，加熱端有保溫棉保溫。

圖2 紫銅脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 數(shù)據(jù)處理和不確定性分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

脈動(dòng)熱管熱阻R 計(jì)算公式：

式中：Te和Tc分別為脈動(dòng)熱管達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端的各測(cè)點(diǎn)溫度平均值。P 為電熱絲輸入功率，可通過(guò)公式為P=U·I 計(jì)算得到，其中U 是直流電源輸入的電壓。

蒸發(fā)段和冷凝段的溫度可根據(jù)脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度Ti的平均值確定，即：

2.2 不確定性分析

本實(shí)驗(yàn)中加熱量由P=U·I 得到，U 和I 可由直流電源顯示器直接讀取。直接測(cè)量誤差可由測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差δi直接給出。由誤差傳遞理論可知，間接測(cè)量值y 的絕對(duì)誤差δy與各傳遞分量絕對(duì)誤差δxi的關(guān)系為：

本實(shí)驗(yàn)采用的直流電源，電壓范圍（0～120 V）和電流范圍（0～3 A），當(dāng)加熱功率為10 W 時(shí)，電壓為20.0 V，電流為0.501 A，則加熱功率的不確定度為：

熱電偶精度是0.1℃，安捷倫（34970A）的精度是0.0256℃，溫度測(cè)量的絕對(duì)不確定度為：

在加熱功率為10 W 時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端的最小溫差為：

所以熱阻的最大不確定過(guò)度為：

3 納米流體脈動(dòng)熱管啟動(dòng)分析

脈動(dòng)熱管的工作狀態(tài)分為啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段。脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能常用啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)溫度來(lái)描述，脈動(dòng)熱管只有在一定的加熱功率下才會(huì)啟動(dòng)。定義從開(kāi)始加熱到開(kāi)始產(chǎn)生振蕩的時(shí)間為脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)時(shí)間，產(chǎn)生振蕩時(shí)的蒸發(fā)段的平均溫度為啟動(dòng)溫度。

從圖3 可以看出：去離子水的啟動(dòng)時(shí)間明顯高于納米流體（除0.1wt%外）的啟動(dòng)時(shí)間，適當(dāng)?shù)募{米流體明顯的改善了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)情況，隨著濃度的增加，啟動(dòng)時(shí)間先降低再升高，可以看到濃度0.01wt%時(shí)啟動(dòng)時(shí)間最短為299 s，去離子水的啟動(dòng)時(shí)間為1377 s,在啟動(dòng)時(shí)間上納米流體最高可改善78.2%，改善效果顯著。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)納米流體在10 W 的時(shí)候溫度均出現(xiàn)了波動(dòng)，開(kāi)始啟動(dòng)，而去離子水10 W 時(shí)溫度一直很平穩(wěn)，無(wú)任何波動(dòng)情況，20 W 才啟動(dòng)。也可以看出啟動(dòng)溫度隨濃度的變化，隨著濃度的增加啟動(dòng)溫度先降低后增加，去離子水的啟動(dòng)溫度整體高于納米流體（除0.1 wt%氧化石墨烯外）的啟動(dòng)溫度，濃度為0.1 wt%的氧化石墨烯的啟動(dòng)溫度最高，其次是去離子水的啟動(dòng)溫度83.23 ℃，其中濃度為0.01 wt%的氧化石墨烯溶液?jiǎn)?dòng)溫度最低41.24 ℃，啟動(dòng)溫度降50.45%。這是因?yàn)樗谋砻鎻埩Ρ容^大，導(dǎo)致啟動(dòng)溫度過(guò)高。在純工質(zhì)情況下，不容易產(chǎn)生汽泡，添加納米顆粒，蒸發(fā)段的核化點(diǎn)增加，納米顆粒和熱管壁面碰撞劇烈，更容易產(chǎn)生汽泡，隨著汽泡不斷脫離壁面進(jìn)入主水流，壁面附近的擾動(dòng)增強(qiáng)，熱交換過(guò)程強(qiáng)化，核態(tài)沸騰過(guò)程劇烈，從而使得蒸發(fā)段的熱量傳遞到冷凝段過(guò)程更快。而隨著納米流體顆粒的增加，溶液粘度增加，流體越難流動(dòng)，啟動(dòng)越困難。并且納米顆粒存在著聚沉問(wèn)題，小顆粒聚集成大分子，影響了產(chǎn)生汽泡的效果，從而影響了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)情況，當(dāng)濃度為0.1wt%時(shí)，較短時(shí)間產(chǎn)生汽泡的利已經(jīng)小于粘度增加這種弊。高濃度流體發(fā)生沉淀現(xiàn)象明顯，這可能是阻礙熱管啟動(dòng)的原因。

圖3 濃度與啟動(dòng)時(shí)間及啟動(dòng)溫度關(guān)系圖

4 納米流體脈動(dòng)熱管傳熱特性

4.1 小充液率（20%）傳熱特性分析

小充液率下不同濃度的納米流體熱阻波動(dòng)曲線如圖4 所示，可以看到整體隨著加熱功率的增加熱阻先減小后增加，去離子水的耐熱功率（蒸發(fā)端平均溫度到達(dá)130 ℃的加熱功率）為50W，0.01 wt%的氧化石墨烯溶液的耐熱功率為55 W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03 wt%氧化石墨烯溶液耐熱功率為60 W，而0.05 wt%，0.08 wt%，0.1 wt%的氧化石墨烯溶液耐熱功率為65 W，耐熱功率最大增加23%由此可以看出氧化石墨烯濃度增高，能夠緩熱管燒干。這是因?yàn)檠趸┯泻芎玫臐?rùn)濕性。從圖4 可以看與去離子水相比，添加納米流體以后熱阻均有所改善，熱阻降低。并存在一個(gè)最佳濃度為0.08 wt%。

圖4 20%充液率各工質(zhì)熱阻曲線

4.2 中等充液率（50%）傳熱特性分析

充液率為50%時(shí)熱阻波動(dòng)曲線如圖5 所示，發(fā)現(xiàn)隨著加熱功率的增加熱阻降低。這是由于隨著吸熱量的增加，脈動(dòng)熱管內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡數(shù)量增多膨脹功增大,加熱段和冷凝段的壓差增加，從而推動(dòng)液體從蒸發(fā)段流向冷凝段，促進(jìn)了流體的流動(dòng)，強(qiáng)化了管內(nèi)介質(zhì)的對(duì)流換熱,從而使得系統(tǒng)熱阻下降[15]。高濃度氧化石墨烯水溶液（0.08 wt%，0.1 wt%）的熱阻大于去離子水的熱阻，低濃度（0.01 wt%，0.03 wt%）的熱阻低于去離子水的熱阻，中等濃度（0.05 wt%）的熱阻最小，表明引入適當(dāng)?shù)募{米流體可有效加強(qiáng)管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)，增加有效導(dǎo)熱系數(shù)，但是隨著濃度增加，粘度增大，會(huì)減弱傳熱，熱阻增大。其中熱阻最大可改善34.36%。

圖6 為濃度與熱阻的關(guān)系變化圖，從圖6 可以看到：熱阻隨著濃度的增加先降低后升高，當(dāng)濃度為0.05 wt%時(shí)，熱阻有最小值。隨著功率的增加熱阻在一直減小，10 W 時(shí)熱阻最大，105 W 時(shí)熱阻最小。

圖6 濃度與熱阻的關(guān)系圖

4.3 大充液率（80%）傳熱特性分析

80%充液率下的納米流體熱阻曲線如圖7 所示，從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著加熱功率的增加熱阻整體呈下降趨勢(shì)，低濃度氧化石墨烯溶液（0.01 wt%，0.03 wt%，0.05 wt%）的熱阻低于去離子水的熱阻，而高濃度氧化石墨烯溶液（0.08 wt%，0.1wt%）熱阻高于去離子水熱阻。其中0.1 wt%的氧化石墨烯溶液只能做三個(gè)功率，由于30 W 時(shí)0.1 wt%氧化石墨烯水溶液的溫度很高，基本不啟動(dòng)，從10 W 到30 W 溫度直線上升，無(wú)回落趨勢(shì)，故只做了三個(gè)功率，由于氧化石墨烯的濃度較高，粘度太大，故無(wú)法啟動(dòng)。從排出的工質(zhì)來(lái)看，氧化石墨烯呈大塊片狀，聚沉在一起，阻礙熱管的啟動(dòng)。在充液率為80%時(shí)，0.05 wt%氧化石墨烯溶液表現(xiàn)為有較低的熱阻。

圖7 80%充液率各工質(zhì)熱阻曲線

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可得到以下結(jié)論：

1）氧化石墨烯溶液可改善脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能，當(dāng)濃度低于0.1 wt%的情況下，啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間特性均優(yōu)于去離子水。本實(shí)驗(yàn)氧化石墨烯溶液濃度范圍內(nèi)，啟動(dòng)特性的強(qiáng)化作用隨著溶液濃度的提高而惡化，且在0.1 wt%氧化石墨烯溶液濃度下脈動(dòng)熱管啟動(dòng)特性劣于去離子水，這主要是由于0.1 wt%氧化石墨烯溶液濃度過(guò)高，加熱聚沉現(xiàn)象更為嚴(yán)重，反而削弱了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)。

2）充液率為20%時(shí)，各濃度的氧化石墨烯傳熱特性均優(yōu)于去離子水，且隨氧化石墨烯溶液濃度的提高，耐熱功率增加。充液率為50%、80%時(shí)，除0.1 wt%濃度下，各濃度的氧化石墨烯傳熱特性均優(yōu)于去離子水，且氧化石墨烯最佳濃度為0.05 wt%，最高可改善34.36%。

6 展望

本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)探究，計(jì)算了幾種濃度流體的整體熱阻，通過(guò)分析和去離子水比較，得到了幾個(gè)濃度的納米流體傳熱性能均優(yōu)于去離子水，希望接下來(lái)能通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步研究其內(nèi)部傳熱機(jī)理，揭示其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律。