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氧化石墨烯/自濕潤流體脈動熱管的傳熱特性

張明，蘇新軍，韓魏，郭憲民

（天津商業(yè)大學，天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134）

摘要：以氧化石墨烯分散液（濃度為0.5mg/mL）和正丁醇水溶液（質(zhì)量分數(shù)為0.5%）的混合溶液（體積比2∶5）為工質(zhì)，充液率為50%，對不同加熱功率條件下環(huán)路脈動熱管穩(wěn)定運行的傳熱特性進行實驗研究，并與正丁醇水溶液和去離子水的傳熱性能進行對比，分析了混合溶液在脈動熱管穩(wěn)定運行時冷熱端溫差和傳熱熱阻的變化特點，探究了氧化石墨烯對自濕潤流體傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明：在自濕潤流體中加入氧化石墨烯能夠強化脈動熱管的傳熱特性，但是和脈動熱管的加熱功率密切相關(guān)；在低加熱功率下，氧化石墨烯對自濕潤流體脈動熱管的傳熱特性沒有強化作用；隨著加熱功率的增加，強化作用明顯增強，而當加熱功率過大時，強化作用又會逐漸減弱。

關(guān)鍵詞：脈動熱管；自濕潤流體；氧化石墨烯；傳熱性能

第一作者：張明（1990—），男，碩士研究生。E-mail zhangminghn1 990321@163.com。聯(lián)系人：蘇新軍，副教授，從事多相流動傳熱傳質(zhì)強化研究。E-mail suxinjun@tjcu.edu.cn。

作為解決高熱流密度問題的傳熱元件，脈動熱管具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單但傳熱性能好的優(yōu)點，在制冷空調(diào)、電子冷卻、余熱回收和太陽能集熱等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應用前景[1]。近年來，眾多學者從熱管結(jié)構(gòu)與尺寸、加熱方式、工質(zhì)類型、充液率和重力影響方面等不同角度對脈動熱管的熱運輸性能做了詳細研究[2]。目前，在強化脈動熱管傳熱特性方面，尋找新型工質(zhì)是最直接有效的方法之一。

Abe等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)，高碳醇水溶液的表面張力隨著溫度的增加而增大，由于Marangoni效應，有利于液體自發(fā)的從冷端向熱端流動，發(fā)生所謂的自濕潤現(xiàn)象，從而強化傳熱。Fumoto等[5-6]發(fā)現(xiàn)以自濕潤流體為工質(zhì)的脈動熱管的傳熱性能明顯優(yōu)于水；Hu等[7]研究了以庚醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管，發(fā)現(xiàn)與純水相比，自濕潤流體具有更好的熱運輸性能，且在水平工況下脈動熱管的傳熱特性有更明顯的提升。納米流體是將金屬或者非金屬納米顆粒按照一定的方式和比例加入液體介質(zhì)中形成的一種新型換熱工質(zhì)[8]，具有較高的導熱系數(shù)。Lin等[9-10]發(fā)現(xiàn)納米流體能有效強化脈動熱管的傳熱性能；Sato等[11]研究發(fā)現(xiàn)，自濕潤流體與納米流體混合后依然具有非常規(guī)的表面張力特性，而且混合溶液的傳熱特性比自濕潤流體更加優(yōu)越。目前，國內(nèi)外的研究中很少將納米流體和自濕潤流體的混合溶液作為工質(zhì)應用在脈動熱管中，對其強化傳熱機理亦無深入探討。

石墨烯是從石墨中分離出來的一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，其導熱系數(shù)高達5300 W/(m·K)，而且石墨烯粉末不易溶于水，而氧化石墨烯表面的極性含氧官能團使其能很好的分散在水中，形成納米流體。本文以氧化石墨烯分散液與正丁醇水溶液的混合溶液作為工質(zhì)，分析脈動熱管的穩(wěn)定運行性能，研究了混合溶液不同于自濕潤流體的傳熱特性。

1　實驗

1.1實驗系統(tǒng)及過程

實驗中脈動熱管由外徑為4mm、內(nèi)徑為2mm的紫銅管焊接而成，彎頭數(shù)為3，分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段三部分。其中，蒸發(fā)段長50mm，絕熱段長90mm，冷凝段長50mm。實驗系統(tǒng)如圖1所示，蒸發(fā)段采用垂直底部加熱的方式，把鎳鉻電阻絲直接纏繞在包有絕緣導熱膠布的銅管上進行加熱，通過直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（WTK-305B2）控制加熱功率，電流及電壓的測量精度為±0.01A及±0.1V；冷凝段采用節(jié)能型智能恒溫槽（DC-4006）水冷的方式進行冷卻，冷卻水的溫度設定在(25±0.1)℃；絕熱段用保溫隔熱膜包裹，以減少熱量的對流、輻射損失；選用測量精度為±0.1℃的標準T形熱電偶，通過數(shù)據(jù)采集儀（MX-100）對脈動熱管18個位置（蒸發(fā)段6個，絕熱段6個，冷凝段6個）的壁面溫度進行溫度變動記錄，具體布置如圖1所示。

實驗工質(zhì)由濃度為0.5mg/mL的氧化石墨烯分散液和質(zhì)量分數(shù)為0.5%的正丁醇水溶液按體積比2∶5配制而成。其中，氧化石墨烯分散液由南京先豐納米材料科技有限公司生產(chǎn)，氧化石墨烯顆粒直徑50～200nm，厚度0.8～1.2nm，單層比約99%，圖2為氧化石墨烯透射和掃描電鏡圖片。實驗工質(zhì)的表面張力采用德國KRUSS全自動表面張力儀Pocket-Dyne（測量精度為±0.1mN/m），在20～80℃溫度范圍內(nèi)進行測量，采用節(jié)能型智能恒溫槽（DC-4006）保證溶液溫度的穩(wěn)定，每個溫度下測量3次，取平均值作為該溫度下的表面張力值。實驗前，先采用真空泵（AP-9925）對系統(tǒng)進行抽真空處理，然后利用注射器在壓力差的作用下將工質(zhì)注入脈動熱管內(nèi)，充液率為50%。實驗開始后，初始加熱功率設定為10W，待溫度曲線平穩(wěn)后，即1min內(nèi)蒸發(fā)段溫度變化小于0.5℃，再每次增加10W加熱功率直至100W，以上功率和溫度數(shù)據(jù)通過計算機記錄下來。

圖1　實驗系統(tǒng)圖

圖2　氧化石墨烯透射和掃描電鏡圖片

1.2實驗數(shù)據(jù)處理

實驗中，蒸發(fā)段溫度Te、冷凝段溫度Tc分別取蒸發(fā)段和冷凝段6個測點的平均溫度，即。定義脈動熱管的熱阻R= ΔT/Q，其中ΔT= Te?Tc是蒸發(fā)段與冷凝段的溫差，Q為加熱功率。Q由電加熱絲兩端的電壓和電流值相乘得到，根據(jù)系統(tǒng)熱平衡分析，蒸發(fā)段和絕熱段的散熱量不超過4.2%，在考慮儀表精度的情況下，計算得到加熱功率的相對不確定度為4.6%。熱阻是與溫度和功率有關(guān)的間接測量量，且在最小加熱功率10W時，蒸發(fā)冷凝段最小溫差為24.5℃，則熱阻的最大相對不確定度為5.1%。

為了進一步分析氧化石墨烯對以正丁醇水溶液為工質(zhì)脈動熱管傳熱特性的影響，定義EP為強化作用率。EP是指在相同工況下以正丁醇水溶液為工質(zhì)所測得的熱阻R與充入正丁醇水溶液和氧化石墨烯的混合溶液時所測熱阻Rm的差值與僅以正丁醇水溶液為工質(zhì)所測熱阻Rw的比值百分數(shù)，見式（1）。

2　結(jié)果與分析

2.1工質(zhì)表面張力特性

圖3是去離子水、正丁醇水溶液以及加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液3種工質(zhì)表面張力隨溫度變化的曲線圖。從圖3中可以看出，正丁醇水溶液及其與氧化石墨烯分散液的混合溶液的表面張力先是隨著溫度的升高呈減小趨勢，然后又隨著溫度的升高而增大，與去離子水不同；加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液在相對較低的溫度下達到了表面張力的最小值，而且在表面張力隨著溫度的升高而增大的過程中，相同溫度下的導數(shù)較大，能產(chǎn)生更大的表面張力梯度，更有利于液體向高溫區(qū)域回流。

2.2溫差與熱阻分析

圖4是以去離子水、正丁醇水溶液和加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管兩端溫差隨功率的變化情況。從圖4中可看出，正丁醇水溶液及其與氧化石墨烯分散液的混合溶液的溫差小于去離子水，體現(xiàn)了優(yōu)良的熱運輸性能。在加熱功率小于20W時，正丁醇水溶液和混合溶液的溫差幾乎相等。這是由于在低輸入功率下，脈動熱管還未完全啟動，蒸發(fā)段產(chǎn)生的氣泡較少，相變驅(qū)動力較小，工質(zhì)流動性差，氧化石墨烯高導熱系數(shù)的優(yōu)勢沒有體現(xiàn)出來，而且在較低溫度下，混合溶液較好的自濕潤特性也沒有表現(xiàn)出來。加熱功率在20～70W之間時，混合溶液的溫差比正丁醇水溶液小，且隨著功率增大，差距逐漸增大。分析可知，隨著加熱功率的增大，熱管內(nèi)氣泡開始增多，冷熱端壓差變大，工質(zhì)流動性增強，由于氧化石墨烯具有較高的導熱系數(shù)，混合溶液的傳熱量更大；而且隨著工質(zhì)溫度的升高，自濕潤特性開始發(fā)揮作用，混合溶液能更好地促使液體回流，促進蒸發(fā)段氣泡的生成，進一步增強了流動性，熱運輸效率高；同時，脈動熱管完全啟動之后，工質(zhì)的振蕩作用使氧化石墨烯顆粒一直處于懸浮狀態(tài)，顆粒與顆粒、液體和管壁間的碰撞及相互作用，增強了流動湍流強度，增加了汽化核心，強化了能量傳遞過程，減小了脈動熱管冷熱端溫差。加熱功率大于70W時，混合溶液的溫差依然比正丁醇溶液小，但隨著功率增大，差距逐漸減小。因為在較高溫度下，氧化石墨烯顆粒的懸浮穩(wěn)定性減弱，納米流體對脈動熱管傳熱特性的強化作用無法完全體現(xiàn)出來，混合溶液的熱輸送能力降低，不再使兩端溫差明顯低于正丁醇水溶液。

圖3　工質(zhì)的表面張力與溫度的關(guān)系

圖4　脈動熱管兩端溫差與輸入功率的關(guān)系

圖5是以去離子水、正丁醇水溶液和加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管兩端熱阻隨功率的變化情況。從圖5中可知，以正丁醇水溶液及其與氧化石墨烯分散液的混合溶液為工質(zhì)時，脈動熱管的熱阻小于去離子水。在加熱功率小于20W時，正丁醇水溶液和混合溶液的熱阻相當。加熱功率在20～70W之間時，混合溶液的熱阻比正丁醇水溶液小，且隨功率的增大，差距不斷增大，混合溶液表現(xiàn)出了明顯優(yōu)于正丁醇水溶液的熱運輸能力。當加熱功率大于70W時，混合溶液的熱阻依然較小，但隨著功率的增大，逐漸靠近正丁醇水溶液，混合溶液的熱運輸能力不再明顯強于正丁醇水溶液。

2.3氧化石墨烯對自濕潤流體脈動熱管的強化作用

圖6是氧化石墨烯對正丁醇水溶液脈動熱管的強化作用率隨加熱功率的變化情況。由圖6可知，在加熱功率低于20W時，氧化石墨烯對以正丁醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管沒有強化作用；當加熱功率在20～70W之間時，氧化石墨烯對以正丁醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管的強化作用較強，在8.15%～12.2%之間。隨著功率繼續(xù)增大，氧化石墨烯對以正丁醇水溶液為工質(zhì)的脈動熱管的強化作用大幅減弱，沒有明顯增強脈動熱管的傳熱特性。

圖5　脈動熱管兩端熱阻與輸入功率的關(guān)系

圖6　氧化石墨烯對自濕潤流體脈動熱管的強化作用率

3　結(jié)論

實驗研究了氧化石墨烯/自濕潤流體脈動熱管的傳熱特性，研究結(jié)果表明：

（1）氧化石墨烯對自濕潤流體脈動熱管的傳熱特性具有強化作用。

（2）氧化石墨烯對自濕潤流體脈動熱管傳熱特性的強化作用與加熱功率密切相關(guān)。在加熱功率小于20W的情況下，氧化石墨烯沒有強化作用；加熱功率在20～70W之間時，氧化石墨烯的強化作用較強，在8.15%～12.2%之間；加熱功率大于80W時，氧化石墨烯的強化作用變得十分微弱。

參考文獻

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研究開發(fā)

Heat transfer characteristics of pulsating heat pipe with graphene oxide/self-rewetting fluid

ZHANG Ming，SU Xinjun，HAN Wei，GUO Xianmin

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Abstract：This research investigated heat transfer characteristics of the steady operation processes of pulsating heat pipe（PHP）at various heating power.The working fluid was mixture of graphene oxide dispersion at concentration of 0.5mg/mL and n-butanol aqueous solution with mass fraction of 0.5%.The volume ratio of the mixture was 2∶5 and filling ratio was 50%.Heat transfer performances were compared between mixed solution，n-butanol aqueous solution and deionized water.The effects of graphene oxide on the heat transfer performance of self-rewetting fluid were explored by analyzing the temperature difference and thermal resistance of PHP with the mixture.The results showed that graphene oxide could enhance the heat transfer characteristics of PHP when added in self-rewetting fluid，and heating power had important effects on the heat transfer enhancement.Graphene oxide had no effects on the heat transfer characteristics of PHP with self-rewetting fluid at low heating power.The strengthening effects increased significantly with increase of heating power，but the increase became less significant when heating power increased to a certain value.

Key words：pulsating heat pipe；self-rewetting fluid；graphene oxide；heat transfer performance

基金項目：食品冷鏈裝置節(jié)能及儲運新技術(shù)（TD12-5048）及國家自然科學基金項目（51176142）。

收稿日期：2014-12-24；修改稿日期：2015-01-14。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.007

文章編號：1000–6613（2015）08–2951–04

文獻標志碼：A

中圖分類號：TB 3