趙佳騰，王增鵬，戴宇成，劉昌會，饒中浩

（中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116）

引 言

太陽能等可再生能源的高效利用對于促進節(jié)能減排，構建可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)具有重要意義。在太陽能熱利用領域，集熱器是將太陽輻照轉化為熱能的主要部件[1]。熱管集熱器具有傳熱能力高、抗凍性好和承壓能力強等優(yōu)點。太陽能重力熱管（SGHP）是熱管集熱器的核心元件，其傳熱性能決定了系統(tǒng)熱效率。重力熱管（GHP）傳熱強化方法可歸納為結構強化[2-4]、表面改性[5-6]和工質強化三方面。采用納米流體強化GHP性能受到了廣泛關注。

楊雪飛[7]制備了分散穩(wěn)定的改性SiO2納米流體，并比較了改性SiO2納米流體和常規(guī)SiO2納米流體在GHP 中的換熱特性及其影響規(guī)律。Asirvatham 等[8]對以石墨烯/丙酮納米流體為工質的重力熱管進行了傳熱和可視化研究。Zhao等[9]研究了石墨烯/水納米流體SGHP的傳熱性能，并測試了SGHP真空管集熱 器 的性能。Moraveji 等[10]和Ghanbarpour 等[11]均 探討了Al2O3納米流體工質對熱管性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3納米流體熱管的熱阻低于蒸餾水熱管。Kiseev等[12]發(fā)現(xiàn)Fe2O3/蒸餾水納米流體環(huán)路熱管的傳熱系數(shù)在適當?shù)倪\行條件下提高了20%～25%。Nazari等[13]研究了氧化石墨烯納米流體脈動熱管的熱性能，發(fā)現(xiàn)在合適的濃度下，熱阻降低42%，但高濃度會導致性能衰減。Mehrali 等[14]研究了氮摻雜石墨烯納米流體溝槽熱管的傳熱性能，重點研究了納米片濃度、傾角和加熱功率的影響。Parametthanuwat等[15]研究了不同充液率和管徑時銀/水納米流體GHP 的傳熱速率，并建立了性能預測無量綱關聯(lián)式。周根明等[16]研究了TiO2/水納米流體GHP 的傳熱性能，與以去離子水為工質相比，相同條件下的啟動溫度、啟動時間以及冷熱段溫差均降低。Gürü等[17-19]探討了以不同種類納米流體為工質的GHP 的傳熱性能，包括MgO/水納米流體、膨潤土/水納米流體和斜沸石/水納米流體。

在太陽能應用領域，Eidan 等[20]利用Al2O3和CuO/丙酮納米流體強化GHP 真空管集熱器的熱性能，集熱效率可提高20%～54%。Liu 等[21]設計并測試了一種以CuO/水納米流體為工質的開放式熱虹吸管真空管集熱器，發(fā)現(xiàn)使用納米流體的集熱器性能高于使用水的。Moradgholi等[22]研究了以Al2O3/甲醇納米流體為工質的兩相閉式熱虹吸管對PV/T 系統(tǒng)的控溫效果，面板溫度可控制在14.52℃以下。Dehaj 等[23]研究了以CuO/水納米流體為工質的熱管集熱器的性能，發(fā)現(xiàn)集熱效率隨納米流體的濃度和流量的增加而提高。Ozsoy 等[24]發(fā)現(xiàn)與工質水相比，銀/水納米流體可使太陽能集熱器的效率提高20.7%～40%。此外，Ramezanizadeh 等[25]、Nazari 等[26]及Liu 等[27]詳細綜述了納米流體熱管的研究工作。通過文獻調研發(fā)現(xiàn)，納米流體在一定條件下可被動提高GHP 的傳熱能力，但分散不穩(wěn)定問題嚴重制約了其應用，分散不穩(wěn)定會導致受熱面沉積層的出現(xiàn)，影響熱管的可靠性。

水基石墨烯納米流體作為一種新型傳熱流體，在不同的傳熱應用中具有很大的潛力。Tharayil等[28]建立了石墨烯/水納米流體微型環(huán)路熱管(MLHP)的理論模型。Soleymaniha 等[29]制備了胺改性石墨烯/水納米流體，并對其熱性能、流變性能以及在熱管中的應用性能進行了評價，研究表明它可以作為一種有效、經濟的工質來提高工業(yè)熱管的熱性能。Azizi等[30]研究了以阿拉伯膠為表面活性劑的石墨烯/水納米流體對GHP 熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加納米流體的濃度可以提高整體傳熱系數(shù)和熱效率，但導致真空壓降。盡管石墨烯/水納米流體具有廣闊的應用前景，但不穩(wěn)定性仍是制約其應用的瓶頸。

本文針對石墨烯/水納米流體分散不穩(wěn)定，或因分散劑發(fā)生老化變質導致其穩(wěn)定性變差的問題，采用化學方法對石墨烯進行改性，得到具有兩親性的石墨烯高聚物，進一步不添加分散劑制備出分散穩(wěn)定性良好的改性石墨烯/水兩親性納米流體（Ananofluid），隨后重點對以其為工質的SGHP 的啟動特性、壁溫分布、蒸發(fā)段換熱特性以及整體傳熱性能進行了實驗研究。

1 實 驗

1.1 改性石墨烯/水兩親性納米流體制備

改性石墨烯/水兩親性納米流體的制備主要包括三個步驟：季銨鹽單體的制備、石墨烯高聚物的制備以及納米流體的制備。

(1)季銨鹽單體的制備流程如下：用氧化鋁過濾四氯甲苯乙烯以除去穩(wěn)定劑；取3 g過濾后得到的四氯甲苯乙烯于密封瓶，繼續(xù)滴加31 ml 三甲胺；將密封瓶放入油浴鍋中反應12 h，反應溫度50℃，轉速為600 r/min；取出反應產物于燒瓶中，搭好旋轉蒸發(fā)器，往其中加入丙酮，旋蒸一段時間，以除去甲醇。旋蒸結束后，將燒瓶取出放入磁力攪拌器中，邊攪拌邊滴加丙酮，會有固體析出，加丙酮至浸沒析出的固體，用藥匙將析出的固體與丙酮混合均勻，在磁力攪拌器中攪拌10 h，轉速600 r/min；將產物進行抽濾，快速放入培養(yǎng)皿中以防吸水；將培養(yǎng)皿放入真空干燥箱中40℃真空干燥30 min，結束后迅速裝瓶，得到季銨鹽單體。

(2)石墨烯高聚物的制備流程如圖1 所示，具體步驟如下：在燒瓶中添加0.5 g 季銨鹽單體，0.3 g N-叔丁基丙烯酰胺，0.085 g N,N′-亞甲基雙甲基丙烯胺，0.077 g 偶氮二異丁腈（AIBN），加入5 ml 三氯甲烷使其混合均勻，再向其中加入200 mg 石墨烯；使用充滿氮氣的氣球以及真空泵為其制造氮氣環(huán)境；將燒瓶放入油浴鍋中反應12 h，反應溫度50℃，轉速600 r/min；將產物取出放入培養(yǎng)皿中，40℃真空干燥8 h；取出研磨成粉裝瓶，得到石墨烯高聚物。

圖1 石墨烯高聚物的制備示意圖Fig.1 Preparation of the modified graphene polymer

(3)納米流體的制備步驟為：將高聚物與去離子水在油浴鍋中混合攪拌3 h，溫度50℃，轉速600 r/min；攪拌結束之后放入超聲波振蕩器中超聲振蕩3 h，得到改性石墨烯基兩親性納米流體。

納米流體穩(wěn)定性表征的常用方法包括分光光度法、Zeta 電位法和重力沉降法[31-33]，本文通過重力沉降法研究了石墨烯/水納米流體和改性石墨烯/水兩親性納米流體的穩(wěn)定性。如圖2 所示，經過三個月的靜置觀察，石墨烯/水納米流體的分層現(xiàn)象明顯，但改性石墨烯/水兩親性納米流體沒有明顯的沉淀。

1.2 SGHP測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

SGHP 性能測試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集點布置如圖3 所示。SGHP 的幾何結構根據(jù)國家標準GB/T 24767—2009選取，蒸發(fā)段和絕熱段內徑為8 mm，外徑為10 mm，總長1000 mm，其中纏繞電熱絲的部分有兩段，每段長280 mm，冷凝段長度為150 mm，內徑為12 mm，外徑為14 mm。SGHP 頂部連接一個三通閥，其兩個端口分別是注液口和壓力傳感器接口。SGHP 的蒸發(fā)段采用電熱絲模擬太陽能加熱，系統(tǒng)的熱損失主要來自于熱管高溫部分向環(huán)境的散熱量，為此采用兩級隔熱措施，蒸發(fā)段和絕熱段外先裹一層保溫耐火棉，然后封裝在夾層真空玻璃管中進行進一步保溫，在25℃的實驗環(huán)境溫度下，兩級保溫后熱損失率低于5%。冷凝端外部設有水冷套，由低溫恒溫槽提供入口溫度恒定的冷卻水。實驗采用直徑0.127 mm 的OMEGA K 型熱電偶進行測溫，由安捷倫溫度巡檢儀（34970A）和安捷倫數(shù)據(jù)采集模塊（34901）進行溫度數(shù)據(jù)采集分析。SGHP以 不 同 質 量 分 數(shù)(φ)的A-nanofluid 為 工 質，φ 在0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%中變化，以去離子水（DW）作為對照工質，充液率均為50%。充液率和冷卻水流量分別為30%和1.6 ml/s。安裝角度(α)從30°變化到90°，間隔為15°，加熱功率(qin)從10 W 增加到100 W。每個條件下的測試重復三次，兩次間隔一周。

圖3 實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集點布置示意圖Fig.3 The photograph of experimental platform and the schematic of measuring points

全局平均熱阻(R)的計算方法如下：

蒸發(fā)段傳熱系數(shù)(he)的計算公式如下：

式中，Ae為SGHP 蒸發(fā)段換熱面積，Ta為穩(wěn)定條件下絕熱段的平均溫度。

基于數(shù)據(jù)采集裝置和傳感器的不確定性，考慮了實驗不確定性分析。每個測點的溫度測量誤差范圍為±0.5℃。電壓和電流的測量精度分別是±0.1 V和±0.1 A。對于任意函數(shù)y = f(a,b,…,g),其中a、b和g 都是獨立變量，函數(shù)的誤差σy能夠根據(jù)誤差遷移定律得到:

式中，σa、σb和σg分別是變量a、b 和g 的誤差。熱阻的最大實驗不確定性是±4.96%。

2 實驗結果與討論

2.1 兩親性納米流體SGHP變功率運行對比

圖4(a)、(b)分別給出了α 為30°，以DW 和Ananofluid 為工質的SGHP 變功率運行時不同位置的溫度演化曲線，以及循環(huán)冷卻水出入口溫差曲線。圖中粗實線表示蒸發(fā)段測點溫度，粗虛線表示絕熱段測點溫度，細虛線表示冷凝段測點溫度。如圖4(a)所示，初始qin為10 W，蒸發(fā)段測點溫度逐漸增加，在達到啟動轉折點A 后（約89℃），蒸發(fā)段溫度驟降然后趨于穩(wěn)定，此時絕熱段溫度躍升后趨于穩(wěn)定。在SGHP 啟動后，待系統(tǒng)達到穩(wěn)定時再逐步增加功率。隨著qin的增加，蒸發(fā)段和絕熱段溫度小幅度上升便趨于穩(wěn)定，冷卻水的溫差逐步增加。對比圖4(a)、(b)可知，以A-nanofluid 為工質時，溫度演化圖上沒有明顯的啟動轉折點，qin為10 W，蒸發(fā)段溫度上升到62℃時溫升速率明顯降低，溫度變化區(qū)域平緩，可以判斷SGHP 啟動。相較于DW，以Ananofluid 為工質能降低啟動溫度，因為兩親性高分子的作用降低了DW 基納米流體的表面張力，導致工質氣液界面附加壓力下降。隨著qin的增加，Ananofluid SGHP 溫度演化趨勢和DW 的相似。冷卻水溫差的波動幅度隨qin增加而變大，間接表明SGHP 內部氣液相變換熱強度隨著qin的增加而升高。

圖4 不同加熱功率時SGHP壁溫及冷卻水溫差演化圖Fig.4 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different heating powers

圖5 不同加熱功率時蒸發(fā)段換熱特性及熱阻對比Fig.5 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different heating powers

圖5 給出了系統(tǒng)穩(wěn)定時不同qin下SGHP 的蒸發(fā)段傳熱系數(shù)及全局平均熱阻。如圖5(a)所示，在兩種工質條件下，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)均隨著qin的增加而先上升，然后趨于穩(wěn)定，其極值點對應qin均在60 W附近。在所測試功率范圍內，以A-nanofluid 為工質時的蒸發(fā)段傳熱系數(shù)要高于以DW 為工質時的，這說明納米粒子的添加能有效強化SGHP 內部兩相對流換熱，一方面納米粒子的添加能增大基液的導熱能力，另一方面納米粒子的擾動作用能強化工質與管壁的對流換熱能力，并且能夠在沸騰過程中為基液提供汽化核心，強化氣泡產生過程。圖5(b)給出了不同工質時全局熱阻的變化規(guī)律。隨著qin的增加，全局熱阻逐漸降低并趨于平緩，當qin較小，如低于40 W，A-nanofluid SGHP 的熱阻明顯低于DW 的，在熱輸送能力上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，隨著qin的增加，熱阻差別可以忽略，在qin為100 W時，全局熱阻分別為0.61℃/W 和0.59℃/W。盡管SGHP 蒸發(fā)段的換熱能力有所提高，但兩親性納米粒子的加入不能達到強化傳熱的效果，這主要受限于冷凝段換熱瓶頸。

2.2 安裝角度的影響

以φ=0.1%的A-nanofluid 為工質，α 分別為60°和90°時，SGHP 壁溫及循環(huán)冷卻水溫差演化曲線如圖6(a)、(b)所示。結合圖4(b)和圖6可知，隨著α的增加，SGHP在啟動時溫度轉折現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)，α為60°和90°時對應的啟動溫度分別在67℃和85℃左右，可見啟動溫度隨著α 的增加而上升，說明重力效應對啟動溫度的影響十分明顯。當α 為60°和90°，在較低的qin范圍內，循環(huán)冷卻水溫升均出現(xiàn)幅度大并且穩(wěn)定的振蕩現(xiàn)象，與之對應的SGHP 壁溫也出現(xiàn)明顯的波動，且冷卻水溫升的平均值高于α為30°時的情況，說明在該區(qū)域內SGHP 熱輸送能力得到強化，可能原因是增加α 導致冷凝液態(tài)工質的回流能力增強。但是當qin增加到一定程度，大幅度振蕩現(xiàn)象消失，轉變?yōu)榉容^低且頻率較高的穩(wěn)定振動，此時與α為30°時的表觀現(xiàn)象相似。

圖6 不同安裝角度時SGHP壁溫及冷卻水溫差演化圖Fig.6 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different incline angles

圖7 給出了qin為20、40 和60 W，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時SGHP 的蒸發(fā)段傳熱系數(shù)和全局平均熱阻的變化規(guī)律。如圖7(a)所示，在所測試的α 和功率范圍內，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)隨著α的增加呈現(xiàn)先降低后幾乎穩(wěn)定的趨勢。此外，相同α 下蒸發(fā)段傳熱系數(shù)與qin呈正相關。當α 相對較小時，α 對蒸發(fā)段的傳熱能力有較大的影響。但是當α 增加到一定程度，則對蒸發(fā)段傳熱能力的影響較小。結合圖5(a)可知，當qin增加到一定程度后，蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)會趨于穩(wěn)定，甚至緩慢降低，SGHP 內部沸騰傳熱的增強會導致大氣泡（甚至汽塞）的產生和脫離，大氣泡/汽塞會縮小SGHP 管壁與液態(tài)工質之間的接觸面積，增大換熱熱阻，削弱管壁與工質的換熱，進一步可以推測，α 對蒸發(fā)段氣泡/汽塞的產生、生長以及脫離過程有明顯的影響，導致宏觀層面的傳熱系數(shù)表現(xiàn)出對α 的敏感性，但具體影響機理有待進一步研究。如圖7(b)所示，隨著qin增加，α 對全局熱阻的影響程度逐漸降低。一般情況下，隨著α的上升，整體熱阻呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢。當α 從60°增加到90°時，SGHP 的熱輸運能力基本相同，當qin為60 W 時，α 為60°、70°和90°的全局熱阻分別為0.84、0.84 和0.9℃/W。此外，20、40和60 W 時的最大相對變化率分別小于0.6%、10.2%和5.8%。

圖7 不同安裝角度時蒸發(fā)段換熱特性及熱阻對比Fig.7 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different incline angles

2.3 兩親性納米流體濃度的影響

圖8 給出了α 為90o，以不同φ 的A-nanofluid 為工質時SGHP 的溫度演化曲線。從圖6(b)和圖8 可知，在qin為10 W 時，當φ 從0.1%增加到0.6%，SGHP的啟動溫度先升高然后趨于穩(wěn)定。還可以觀察到，蒸發(fā)段和絕熱段的穩(wěn)定壁溫度都隨φ 而升高，特別是當qin相對較大時，如20 W，φ 為0.1%、0.2%、0.4%和0.6%的蒸發(fā)段平均溫度分別為78.9、100.8、113.4和112.9℃。這間接表明，當A-nanofluid 的φ 足夠大時，與 文 獻 中 的0.01%～0.075%[9]和0.001%～0.002%[29]相比，SGHP 的傳熱能力受到限制，由于濃度上升在很大程度上導致工質黏性上升，削弱了對流換熱能力，并且延緩了氣泡的生長和脫離。

圖9 給出了不同φ 時SGHP 蒸發(fā)段傳熱系數(shù)和全局平均熱阻。如圖9(a)所示，隨著φ 的增加，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)減小。當φ 從0.1%增加到0.6%時，qin為20 W 和40 W 時的蒸發(fā)段傳熱系數(shù)分別下降了54.7%和48.9%。當qin相對較大時，如在60 W 和100 W之間，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的差異較小。從圖9(b)可見，當qin不變時，隨著A-nanofluid 的φ 增加，全局平均熱阻均先增大后逐漸變得穩(wěn)定。隨著qin的增加，全局熱阻增加的幅度逐漸減小，如當φ 從0.1%增加到0.4%時，qin為20、40、60 和80 W 時的全局熱阻分別增加了427%、161%、134%和106%。相對較大的φ 引起的SGHP 的性能減弱在很大程度上歸因于流體黏性的上升，削弱了對流換熱能力，它還可能延遲氣泡的生長和分離過程，導致更大的氣泡尺寸，從而防止熱量從固體表面轉移到液體，產生較高的熱阻[3]。另外，高濃度納米流體中的納米粒子更容易附著在絕熱段和冷凝段的內表面，削弱凝結液回流過程。以上分析表明A-nanofluid 的φ 相對較低時有利于強化SGHP的傳熱能力。

圖8 不同濃度時SGHP壁溫及冷卻水溫差演化圖Fig.8 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different concentrations

圖9 不同濃度下蒸發(fā)段換熱特性及熱阻對比Fig.9 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different concentrations

3 結 論

本文采用化學方法制備了改性石墨烯/水兩親性納米流體（A-nanofluid），并以其為工質，研究了SGHP 在不同qin、α 和φ 下的傳熱性能。詳細討論了SGHP 的啟動特性、壁面溫度分布、蒸發(fā)段傳熱和整體傳熱能力，得到以下結論。

（1）與DW 相比，A-nanofluid 可以降低SGHP 的啟動溫度。在測試功率范圍內，A-nanofluid SGHP蒸發(fā)段傳熱系數(shù)大于DW 的。當qin相對較小時，Ananofluid SGHP 的熱阻明顯低于DW 的。但是隨著qin的增加，以A-nanofluid 和DW 為工質的SGHP 的熱阻幾乎相同。

（2）φ 為0.1%的A-nanofluid SGHP 的啟動溫度隨α 的增大而上升。相同α 下蒸發(fā)段傳熱系數(shù)與qin呈正相關。當α 相對較小時，對蒸發(fā)段的傳熱能力有較大影響。隨著α 增加，全局熱阻呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢。當α從60°增加到90°時，SGHP的熱輸運能力基本相同。

（3）當φ從0.1%增加到0.6%時，qin為20 W 的蒸發(fā)段傳熱系數(shù)下降了54.7%，qin為40 W 的降低了48.9%。當qin相對較大時，如從60 W 到100 W，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的差異較小。A-nanofluid 的濃度相對較低時有助于強化SGHP的傳熱能力。