周根明, 周少華, 趙忠超, 趙忠梁

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

近十幾年來(lái),隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米材料被不斷應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面.20世紀(jì)90年代以來(lái),研究人員開(kāi)始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域,研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)[1].將 1～ 100 nm之間的固體顆粒分散到傳統(tǒng)工質(zhì)中,形成了一類(lèi)新的傳熱冷卻介質(zhì),并能夠強(qiáng)化其導(dǎo)熱系數(shù),文獻(xiàn)[2]首次將其稱(chēng)之為“納米流體”.將納米流體作為新型傳熱工質(zhì)填充于熱管內(nèi)部就可以制成納米流體熱管.

目前,對(duì)納米流體熱管的研究尚處于初級(jí)階段,但也取得了一些成果.重力熱管的啟動(dòng)過(guò)程熱管處于一種不穩(wěn)定狀態(tài),如何縮短啟動(dòng)時(shí)間,使熱管快速地達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),對(duì)于一些特殊設(shè)備的運(yùn)行有重要影響.從熱管的整個(gè)工作過(guò)程來(lái)看,啟動(dòng)過(guò)程的性能對(duì)于熱管是否能夠快速進(jìn)入正常工作模式起著至關(guān)重要的作用.文獻(xiàn)[3-4]研究了以Al2O3/水納米顆粒為工作介質(zhì)的新型銅熱管的啟動(dòng)性能、傳熱系數(shù)及軸向熱流率;文獻(xiàn)[5]研究了納米流體強(qiáng)化熱管的換熱性能;文獻(xiàn)[6]將水基碳納米管懸浮液作為重力熱管工質(zhì)研究了其啟動(dòng)性能、管壁溫度和傳熱性能.這些研究均表明納米流體能強(qiáng)化熱管的傳熱性能.

Ti02/H2O納米流體是一種新型的強(qiáng)化換熱工質(zhì),具有比純水較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的過(guò)冷度,并能提高成核率,是納米科技與工程熱物理相結(jié)合的產(chǎn)物[7-8].文獻(xiàn)[9]比較了由ZnO，SiO2，Al2O3和TiO2納米流體制成的4根熱虹吸管的啟動(dòng)性能、管壁溫度以及輸出熱量.文獻(xiàn)[10]將TiO2/H20納米流體應(yīng)用于閉式脈動(dòng)熱管中,開(kāi)展納米流體脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明傳熱效果得到進(jìn)一步強(qiáng)化.目前國(guó)內(nèi)外將Ti02/H2O納米流體作為工質(zhì)對(duì)重力熱管進(jìn)行研究還非常少,文中對(duì)不同濃度和不同充液率的多根TiO2/H2O納米流體重力熱管的的啟動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為納米流體熱管的實(shí)際應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用熱管的管材為紫銅管,管子外徑9.50,壁厚0.7,管長(zhǎng)750,蒸發(fā)段長(zhǎng)為300,冷凝段長(zhǎng)為450(單位均為：mm).重力熱管的參數(shù)見(jiàn)表1,充液率指充入熱管的工質(zhì)容積與蒸發(fā)段總?cè)莘e之比.

表1 重力熱管的參數(shù)Table 1 Parameters of gravity heat pipe

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1,主要由加熱裝置、熱管、熱電阻和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.納米流體熱管的加熱裝置為恒溫水浴.冷凝段完全暴露在空氣中,通過(guò)自然對(duì)流和輻射換熱進(jìn)行冷卻.熱管的管壁溫度采用三線制的PT100熱電阻測(cè)量,這種熱電阻可以較好的消除連接導(dǎo)線電阻的影響,熱電阻布置在每根熱管的蒸發(fā)段底部(熱電偶1)與冷凝段頂端(熱電偶2),蒸發(fā)段測(cè)點(diǎn)外部包裹有隔熱隔水材料,冷凝段測(cè)點(diǎn)外部包裹有隔熱材料,試驗(yàn)時(shí)冷凝段置于25℃的空氣中自然冷卻.熱電阻連接至Agilent數(shù)據(jù)采集儀,數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)RS232/RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)的COM端口,在計(jì)算機(jī)上采用MCGS工控組態(tài)軟件實(shí)時(shí)采集和記錄.

1-恒溫水浴;2-蒸發(fā)段熱電阻;3-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 4-冷凝端熱電阻;5-熱管

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

重力熱管開(kāi)始加熱時(shí),熱管內(nèi)工質(zhì)的溫度較低,管內(nèi)工質(zhì)還沒(méi)有達(dá)到沸騰狀態(tài),整個(gè)熱管換熱緩慢,熱管的運(yùn)行還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).將熱管開(kāi)始加熱后蒸發(fā)段溫度由快速變化到趨于平緩的過(guò)程叫做熱管的啟動(dòng)過(guò)程,并將熱管啟動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間作為啟動(dòng)時(shí)間,將溫度從迅速上升到趨于平緩的那一瞬間的溫度作為啟動(dòng)溫度.

2.1 納米流體濃度對(duì)啟動(dòng)的影響

將熱管豎直放置,蒸發(fā)段加熱溫度為90℃,冷凝段置于25℃的空氣中自然冷卻,對(duì)納米流體質(zhì)量百分比分別為0.2%,0.5%,1%,2%的納米流體熱管和去離子水熱管的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試,圖2,3給出了不同濃度的納米流體熱管的蒸發(fā)段和冷凝段在啟動(dòng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化曲線,可以看出,各根熱管蒸發(fā)段受熱后,溫度迅速上升,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,溫度變化趨于平緩,最后達(dá)到恒定值,從而完成啟動(dòng)過(guò)程.冷凝段的溫度變化曲線與蒸發(fā)段的相似,只是初始階段冷凝段的溫度變化率較蒸發(fā)段小一些.各根熱管均可以順利啟動(dòng),無(wú)任何啟動(dòng)困難.由納米流體熱管和去離子水熱管啟動(dòng)過(guò)程的溫度分布曲線的比較可以看出,二者具有相同的啟動(dòng)趨勢(shì),這表明納米流體熱管也屬于均勻啟動(dòng)[11],納米流體的加入并沒(méi)有改變其基液的啟動(dòng)方式.

圖2中,TiO2濃度為0.2%，0.5%，1%納米流體熱管啟動(dòng)溫度分別為86,86.5,86 ℃,啟動(dòng)時(shí)間分別為90,80,90 s.而濃度為2%的納米流體熱管和去離子水熱管的啟動(dòng)性能較近,二者啟動(dòng)溫度均為87 ℃,啟動(dòng)時(shí)間均為150 s左右.由此可見(jiàn)質(zhì)量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間較去離子水熱管明顯縮短,啟動(dòng)溫度稍小一些,而質(zhì)量百分比為2%的納米流體熱管啟動(dòng)時(shí)間與去離子水熱管基本相同,所以納米流體濃度大于一定程度時(shí),熱管的啟動(dòng)時(shí)間反而會(huì)增加.從而說(shuō)明,適當(dāng)濃度的TiO2納米流體作為熱管的工質(zhì)可以?xún)?yōu)化熱管的啟動(dòng)性能.本實(shí)驗(yàn)采用的熱管中,質(zhì)量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動(dòng)過(guò)程曲線十分接近,其中質(zhì)量百分比0.5%的納米流體熱管啟動(dòng)性能稍好一些.另外,比較每根熱管溫度穩(wěn)定后冷熱端的溫差,可知去離子水熱管的冷熱端溫差最大時(shí)約為17 ℃.而其他幾根納米流體熱管的冷熱端最大溫差比較接近,比去離子水熱管的冷熱端溫差小2～4℃.由此可以看出,在相同條件下納米流體熱管的等溫性比水熱管好.

圖2 不同濃度的納米流體熱管蒸發(fā)段溫度變化Fig.2 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in evaporation section

圖3 不同濃度的納米流體熱管冷凝段溫度變化Fig.3 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in condensation section

2.2 納米流體充液率對(duì)啟動(dòng)的影響

圖4為不同充液率的3根熱管豎直放置,在90℃水溫下的蒸發(fā)段溫度變化情況,由圖可知,充液率為50%,60%,70%的納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間分別為70,110,150 s,相差較大;啟動(dòng)溫度分別為85,86,87℃,3個(gè)溫度值比較接近.質(zhì)量百分比為50%的納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間最短,啟動(dòng)溫度最低.這是因?yàn)樵谙嗤募訜釡囟认?充液率較小的熱管工質(zhì)較少,達(dá)到沸騰所需的熱量也就少一些,所以先達(dá)到沸騰狀態(tài),所需要的啟動(dòng)時(shí)間也就較短.另外,充液率為70%的納米流體熱管的蒸發(fā)段和冷凝段溫差最大,其等溫性較差.

由于納米流體熱管的啟動(dòng)性能還與熱管內(nèi)部液態(tài)和氣態(tài)的比例以及熱負(fù)荷有關(guān),對(duì)于其它充液率的納米流體熱管的啟動(dòng)性能還有待在不同熱負(fù)荷條件下做進(jìn)一步研究.

圖4 不同充液率的納米流體熱管溫度變化Fig.4 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different filling ratio

2.3 加熱溫度對(duì)啟動(dòng)的影響

圖5，6為充液率為50%，質(zhì)量百分比為0.5%納米流體熱管分別置于溫度為60,75,90℃的恒溫水浴中,且均為豎直放置時(shí)的蒸發(fā)段和冷凝段的溫度變化曲線.由圖看出,在60,75,90℃恒溫水浴條件下,熱管達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間分別為140,90,70 s,冷凝段達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間分別為80,110,60 s.即加熱溫度越高,蒸發(fā)段達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間越短.而冷凝段達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間還與環(huán)境溫度有關(guān),冷凝段在75℃時(shí)達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間比60℃時(shí)稍微長(zhǎng)一些,是由于60℃時(shí)冷凝段的穩(wěn)定溫度與環(huán)境溫度之間的溫差較小,從而使冷凝段可以比較快地到達(dá)穩(wěn)定溫度.

圖6 不同加熱溫度的熱管冷凝段的溫度變化Fig.6 Temperature variation of heat pipes with different heating temperature in condensation section

加熱溫度較高時(shí),蒸發(fā)段溫度在初始階段會(huì)出現(xiàn)巨大的躍遷,溫度變化非常迅速.而加熱溫度較低時(shí),冷凝段溫度在初始階段變化比較緩慢,稍后則逐漸變快,在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定溫度.這是因?yàn)闇囟容^低時(shí),初始加熱時(shí)蒸發(fā)段內(nèi)部的工質(zhì)加熱緩慢,只有較少的工質(zhì)變成氣體到達(dá)冷凝段,使得初始階段冷凝段溫度變化緩慢.

2.4 傾斜角度對(duì)啟動(dòng)的影響

重力熱管的傾角為熱管軸線方向與水平方向之間的夾角.選用充液率為50%，質(zhì)量百分比為0.5%納米流體熱管,將熱管分別傾斜不同角度至于90℃的恒溫水浴中做測(cè)試,圖7為不同傾角時(shí)熱管的溫度變化曲線.由圖可以看出,豎直放置與70°傾角時(shí)熱管的溫度變化情況非常接近,而40°傾角時(shí)熱管的啟動(dòng)時(shí)間明顯增加.即傾角較大時(shí),啟動(dòng)性能變化不大,但當(dāng)傾角減小到一定程度時(shí),啟動(dòng)時(shí)間開(kāi)始增加.其主要原因是,重力熱管是依靠工質(zhì)自身重力由冷凝段回流到蒸發(fā)段.傾角較小時(shí),工質(zhì)回流的動(dòng)力不足,導(dǎo)致工質(zhì)不能及時(shí)回流至蒸發(fā)段,從而影響傳熱效率.而熱管垂直放置時(shí),工質(zhì)蒸汽和回流液體流動(dòng)方向相反,二者之間相互阻礙,從而在一定程度上影響熱量的傳遞.而70°傾角時(shí),重力熱管內(nèi)部的蒸汽和回流液體的流動(dòng)處于兩層,二者互不干擾,但此時(shí)回流動(dòng)力較垂直時(shí)稍小一些,所以總體啟動(dòng)時(shí)間與垂直時(shí)非常接近.

圖7 不同傾斜角度的納米流體熱管的溫度變化Fig.7 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids under different tilt angle condition

3 納米流體重力熱管性能分析

適當(dāng)濃度的納米流體重力熱管與去離子水重力熱管相比,啟動(dòng)性能明顯改善.初步分析原因如下:熱管在較低熱通量的情況下工作時(shí),加熱段與管內(nèi)工質(zhì)的熱交換方式主要是熱傳導(dǎo),此時(shí)加熱面基本無(wú)氣泡產(chǎn)生,由于納米流體的導(dǎo)熱能力與去離子水相比較好,從而使換熱得以強(qiáng)化.當(dāng)熱通量繼續(xù)增大,蒸發(fā)段內(nèi)部工質(zhì)將會(huì)處于核態(tài)沸騰狀態(tài),此時(shí)熱管內(nèi)壁表面氣泡的產(chǎn)生和脫離過(guò)程決定著熱管的換熱效果,而納米流體中的納米顆?？梢源偈箽馀莓a(chǎn)生,并且納米顆粒在慣性力和布朗運(yùn)動(dòng)的共同作用下頻繁撞擊熱管內(nèi)壁,加快氣泡脫離熱管內(nèi)壁,從而強(qiáng)化沸騰換熱.對(duì)于冷凝段,納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)可以增加液膜的擾動(dòng),強(qiáng)化冷凝段的傳熱.

若納米流體濃度過(guò)低,改善換熱管熱性能的效果不大.若納米流體濃度過(guò)高,一方面,較多的納米顆粒會(huì)影響納米懸浮液的穩(wěn)定性,容易發(fā)生顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,另一方面會(huì)使熱邊界層加厚,增大熱阻,這兩方面都會(huì)使納米流體重力熱管的換熱性能變差.所以適當(dāng)濃度納米流體重力熱管才能有較好的啟動(dòng)和換熱性能,濃度過(guò)高反而會(huì)造成負(fù)面影響.

4 結(jié)論

1)納米流體熱管啟動(dòng)方式為均勻啟動(dòng),在充液率相同的情況下,質(zhì)量百分比為0.2%～1% TiO2納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間與去離子水熱管相比明顯縮短,質(zhì)量百分比2%TiO2納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間與質(zhì)量百分比為0.2%～1%TiO2納米流體熱管相比有所增加.其中,質(zhì)量百分比為0.5%左右的TiO2納米流體重力熱管啟動(dòng)性能最好.

2)熱管穩(wěn)定工作后,去離子水熱管的冷熱端最大溫差與納米流體熱管相比較大.

3)在90℃的加熱條件下,50%～70%充液率的TiO2納米流體重力熱管,50%充液率的較另外兩根充液率稍高的啟動(dòng)時(shí)間短快一些.

4)在不同的加熱溫度下,加熱溫度越高,啟動(dòng)時(shí)間越短.加熱溫度較低時(shí),冷凝段初始階段的溫度變化比較緩慢.

5)當(dāng)熱管傾斜角度為70°～90°時(shí),啟動(dòng)時(shí)間變化不大;當(dāng)傾斜角度減小到40°時(shí),啟動(dòng)時(shí)間明顯增加.即傾斜角度增大到一定程度后,啟動(dòng)時(shí)間隨著傾斜角度的增大而增大.

文中熱管啟動(dòng)性能試驗(yàn)是在100℃以下的恒溫水浴條件下進(jìn)行的,對(duì)于更高熱負(fù)荷下的更多的納米流體濃度和充液率測(cè)試還有待進(jìn)一步研究.

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