石墨烯/去離子水納米流體振蕩熱管傳熱性能

施賽燕，崔曉鈺，周宇，韓華，陳成猛

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石墨烯/去離子水納米流體振蕩熱管傳熱性能

施賽燕1，崔曉鈺1，周宇1，韓華1，陳成猛2

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2中國科學院山西煤炭化學研究所，中國科學院炭材料重點實驗室，山西太原 030001）

通過實驗研究石墨烯（GNP）納米流體振蕩熱管的傳熱性能，質量分數分別為0.01%、0.05%、0.08%和0.10%，充液率為45%～90%，加熱功率為10～100 W。結果表明，充液率為45%時，GNP納米流體可以緩解燒干；充液率為55%～70%，質量分數為0.01%具有較為明顯的傳熱優勢，其熱阻最高可降低83.33%。GNP納米流體改善PHP傳熱性能的原因主要是其熱導率較高，表面潤濕性能較好。

傳熱；熱力學性質；納米粒子；石墨烯納米流體；振蕩熱管

引 言

振蕩熱管（pulsating heat pipe，PHP）作為極具潛力的電子冷卻器吸引了很多學者的關注[1-2]，因此對PHP的研究也有很多，包括PHP內充注的工質，PHP的結構和材料等，而PHP內充注工質的種類是最受學者關注的對象之一[3]。納米流體是近年來研究的熱點，研究發現，相比傳統工質，納米流體可以明顯提升PHP的傳熱特性[4]。Karthikeyan等[5]研究發現PHP內充注Ag納米流體可以將其傳熱性能提高33.3%；Qu等[6]通過實驗得出：質量分數為0.9%的Al2O3納米流體最大能將PHP的熱阻降低32.5%；Ma等[7]將體積分數1%的鉆石顆粒和HPLC級水配制成納米流體，PHP的熱阻可以達到0.03℃·W-1。Tanshen等[8]將4種不同質量分數（0.05%，0.1%，0.2%和0.3%）的多壁碳納米管（MWCNT）納米流體作為PHP的工質，充液率為60%。實驗結果發現當工質質量分數為0.2%時，PHP的傳熱性能最好。Li等[9]進行了SiO2納米流體振蕩熱管的可視化實驗，通過實驗可以發現，納米流體在管內的接觸角更小，液柱的分段更多，且納米流體相比純工質更容易發生核態沸騰。納米流體改善PHP的傳熱性能的原因主要有以下兩點：①在基液中添加納米粒子，顯著增大了液體的熱導率[10]；②納米顆粒的添加改變PHP內壁面的表面狀況，尤其是在蒸發段，增加了汽化核心[11]。和其他納米顆粒相比，石墨烯納米片（graphene nanoplatelet，GNP）具有超高的熱導率(3000～5000 W·m-1·K-1)[12]，而且石墨烯是二維納米材料，相較于零維納米顆粒和一維納米管，其熱傳輸特性和傳熱機制有很大的不同[13-14]。因此將其制成納米流體作為PHP的工質，預期會有較好的效果。已經有學者將GNP納米流體運用于普通熱管內，當質量分數為0.1%時，熱管的熱阻最大能降低48.4%，在關于熱管中運用納米流體的公開文獻中，該實驗結果最佳[15]。因此，考慮將GNP配制成合適濃度的納米流體作為PHP的工質，通過實驗探究PHP的傳熱性能。GNP納米流體的穩定性如圖1所示，圖中對應GNP納米流體的質量分數從左往右依次為0.01%、0.05%、0.08%和0.10%。每次實驗之前，所用工質都會經過1 h超聲振蕩。振蕩完成之后的工質較穩定，如圖1(a)所示，之后GNP納米流體隨時間的沉降情況如圖1(b)～(d)所示，可以看出GNP納米流體5 min后開始沉降，25 min后基本完全沉降。因此在超聲振蕩完成之后立即將工質充入振蕩熱管內，并開始實驗。

GNP的TEM掃描結果如圖2所示。

文獻[15]指出GNP納米流體的接觸角隨著濃度的增大而減小，同時接觸角的減小表明了工質能較好地潤濕固體表面。Nayak等[16]也得出了相似的結論：和基液相比，GNP納米流體的接觸角至少可以降低16%，說明GNP納米流體具有較好表面濕潤性。Mehrali等[17]測量了不同濃度GNP納米流體的物性，納米流體的熱導率隨著溫度的升高基本呈直線上升，且和去離子水相比，納米流體的熱導率增大了12%～28%；GNP納米流體的黏度隨著溫度的上升而下降且納米流體的黏度較高；納米流體熱導率和黏度的值都隨濃度的升高而升高。本文通過實驗的方法測量蒸發段及冷凝段的溫度變化，計算PHP的整體熱阻，探究GNP納米流體如何影響PHP傳熱性能并嘗試揭示其機理。

1 實驗裝置

PHP的實驗系統如圖3所示，實驗系統由PHP元件、充液/抽真空裝置、加熱冷卻裝置及數據采集裝置構成。PHP蒸發段采用電加熱絲纏繞底部加熱；蒸發段和絕熱段置于封閉透明的腔體中，以減少試件向環境散熱；冷凝段放入小型風道中央進行強制風冷，風速 1.5 m·s-1；抽真空和充液共用一個管段，通過上部的閥門分別連接真空表和滴定管。PHP元件及測溫熱電偶的布置如圖4所示，PHP的內徑為2 mm，相鄰兩根管之間的中心距為20 mm，彎頭半徑為10 mm。PHP垂直放置，從上往下依次為冷凝段、絕熱段和蒸發段，對應的長度為95、20和80 mm。一共布置了20個熱電偶，1個測量雙層有機玻璃盒外表面溫度，其余測量PHP外壁面的溫度（其中編號1～6測量冷凝段的溫度，編號7～11測量蒸發段的溫度，編號12～19測量中間管段的溫度）。

1.1 數據處理與誤差分析

在本實驗中，GNP納米流體質量分數為0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率為45%、55%、62%、70%、90%，加熱功率10～100 W。需要說明的是：實驗中當加熱功率低于35 W時，工質運動比較慢，初始充液的隨機分布對實驗結果影響較大，實驗重復性比較差，因此取35 W加熱功率以上的實驗結果進行分析。

1.2 數據處理

PHP的熱阻計算式為

式中，e為PHP達到穩定運行狀態時，蒸發段各測點溫度的平均值；c為PHP達到穩定運行狀態時，冷凝段各測點溫度的平均值；為電加熱絲的加熱功率。蒸發段和冷凝段的溫度可根據PHP穩定運行時相應測點溫度T的平均值確定，即

1.3 不確定度分析

1.3.1 加熱功率不確定度 加熱實驗所用的電壓表（0～75 V）和電流表（0～1 A）精度等級為0.5，當加熱功率為10 W時，測量電壓為31.1 V，測量電流為0.32 A，加熱功率的相對不確定度為

1.3.2 熱阻不確定度 標定后的熱電偶精度是0.1℃，安捷倫的精度是0.0256℃，所以溫度測量的絕對不確定度為

而在加熱功率為10 W時，蒸發段和冷凝段最小溫差為：(e?c)min=12.6℃。

所以熱阻的最大不確定度為

給定一個包含因子（=2）[18]，因此實驗結果最大的不確定度為

2 GNP納米流體PHP的傳熱性能

2.1 小充液率（45%）PHP的傳熱性能

小充液率下不同濃度PHP的熱阻曲線如圖5所示。從圖中可以看出，去離子水PHP的耐熱功率（PHP蒸發段平均溫度達到120℃時的加熱功率）為50 W，質量分數為0.01%和0.05%的GNP納米流體的耐熱功率為65 W，而質量分數為0.08%和0.10%的GNP納米流體的PHP的耐熱功率能增加至80 W，說明GNP納米流體能夠延遲燒干（圖5中最右端點即對應燒干點），擴大了PHP的工作范圍。從圖中還可以看出，GNP納米流體PHP的熱阻自35 W后均小于去離子水，說明GNP納米流體能夠明顯改善PHP的傳熱性能，原因是：GNP納米流體具有較好的表面潤濕性，緩解振蕩熱管的燒干狀況。質量分數為0.10%的納米流體PHP，其熱阻自50 W開始均高于其余濃度的GNP納米流體PHP；質量分數為0.05%和0.01%的GNP納米流體PHP熱阻較為接近；質量分數為0.08% GNP納米流體PHP在高功率（65～80 W）下，其熱阻均低于其余濃度PHP，說明在此充液率下，0.08%是最佳質量分數。

結合圖6中不同濃度GNP納米流體PHP冷熱端溫度振蕩曲線作進一步說明。圖6(a)為去離子水PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，從圖中可以看出，當加熱功率為50 W時，冷凝段的平均溫度和35 W相比基本沒有變化，但是蒸發段的平均溫度迅速上升，之后一直維持在較高水平，說明此時管內已經沒有足夠液態的去離子水冷卻蒸發段，PHP無法正常運行；圖6(b)為0.01% GNP納米流體PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，從圖中可以看出，當加熱功率為50 W時，工質在管內振蕩良好，冷熱端溫差較小；圖6(c)為0.10% GNP納米流體PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，自50 W開始0.10% GNP納米流體PHP冷熱端溫差逐漸增大，該濃度納米流體的黏度最高，工質在管內的運行阻力增大，導致傳熱性能變差。

2.2 中等充液率（55%、62%、70%）PHP的傳熱性能

當充液率為55%時，PHP的傳熱熱阻如圖7所示。當加熱功率大于50 W時，去離子水PHP的熱阻呈逐漸上升趨勢，有輕微局部燒干。而GNP納米流體PHP的熱阻隨著加熱功率上升逐漸下降。質量分數為0.1%的PHP的熱阻明顯高于其他濃度的GNP納米流體，雖然濃度越高，石墨烯納米流體的熱導率越高，但同時納米流體的黏度也隨之增加，導致流動阻力增大，因而冷熱端的溫差增大，其熱阻也增大。其他濃度的PHP熱阻較為接近，0.01% GNP納米流體PHP略低于0.05%和0.08%納米流體。當充液率增加至62%時，PHP的熱阻曲線如圖8所示。在此充液率下，質量分數0.01%的PHP優勢較為明顯，其熱阻要明顯低于其他工質PHP，當加熱功率為100 W時，0.01%的納米流體PHP的熱阻相比去離子水降低了83.33%（從0.12℃·W-1到0.02℃·W-1）。除2.1節提到的GNP納米流體具有熱導率高、潤濕性能好的特點外，在此充液率下還有一個原因：當充液率為50%～70%之間，PHP正常運行時，管內的流型以環狀流為主[19]，GNP納米流體在管內壁面形成一層涂層，增強了壁面的熱導率，從而進一步提高了PHP的傳熱性能[15]。當充液率為70%時，各濃度PHP傳熱性能如圖9所示，質量分數0.01% GNP納米流體PHP繼續保持傳熱優勢，原因同充液率為62%的情況。

2.3 大充液率（90%）及0.01%質量分數下不同充液率PHP的傳熱性能

當充液率增加至90%時，PHP熱阻曲線如圖10所示。GNP納米流體PHP的熱阻基本上低于去離子水PHP，主要原因還是納米流體的熱導率較高，表面潤濕能力較好。從圖中還可以看出，質量分數為0.10%的GNP納米流體PHP的熱阻明顯高于其他濃度，濃度越高，納米流體的黏度也隨之增加，導致流動阻力增大，因而冷熱端的溫差增大，其熱阻也增大。圖11為相同質量分數（0.01%）不同充液率下各工質PHP的熱阻曲線，從圖中可以看出當加熱功率高于35 W時，充液率為90%的PHP熱阻明顯高于其他充液率，原因是：90%充液率下PHP氣相空間小，氣泡的生成和成長受到限制[20]，促使工質運動的推動力減弱，而且管內工質絕大部分以液體形式存在，運行的阻力會相對增大。

3 結 論

GNP納米流體的質量分數為0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率為45%、55%、62%、70%、90%，加熱功率10～100 W。本實驗中分析了不同充液率下各濃度GNP納米流體PHP的熱阻曲線，得出如下結論：

（1）添加GNP納米材料后，GNP納米流體相比于去離子水，PHP傳熱性能提高的原因主要是：①GNP納米流體較好表面潤濕性和較高的熱導率；②GNP納米流體在管內壁面形成一層涂層，增強了壁面的熱導率，從而進一步提高PHP的傳熱性能。

（2）小充液率（45%）：和去離子水相比，GNP納米流體PHP的耐熱功率增加，熱阻減小，提高了PHP的傳熱性能；中等充液率（55%、62%、70%）：質量分數為0.01%的GNP納米流體PHP傳熱性能較為突出，當充液率為62%，加熱功率為100 W時，熱阻最高能降低83.33%；高充液率（90%）：GNP納米流體PHP的熱阻基本低于去離子水。

（3）不同濃度的GNP納米流體PHP適合的充液率不同。質量分數為0.08% GNP納米流體在45%充液率下傳熱性能最好，0.01% GNP納米流體適用的充液率范圍較廣，為55%～70%，而此充液率為振蕩熱管的最佳充液率范圍，因此建議0.01% GNP納米流體作為振蕩熱管的工質。0.10% GNP納米流體PHP在各充液率下的熱阻均保持在一個較高的水平，傳熱性能劣于其他濃度。

符 號 說 明

I——電流，A Q——PHP蒸發段電加熱絲的加熱量，W R——PHP 的熱阻，℃·W-1 Tc, Te——分別為PHP達到穩定運行時冷凝段、蒸發段各點的平均溫度，℃ U——電壓，V 下角標 i——熱電偶編號 max——最大值

[1] KEARNEY D, GRIFFIN J. An open loop pulsating heat pipe for integrated electronic cooling applications [J]. Journal of Heat Transfer, 2014, 136(8): 1-7.

[2] MAYDANIK Y F, DMITRIN V I, PASTUKHOV V G. Compact cooler for electronics on the basis of a pulsating heat pipe [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(17/18): 3511-3517.

[3] HAN X H, WANG X H, ZHENG H C,. Review of the development of pulsating heat pipe for heat dissipation [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 59: 692-709.

[4] ALAWI O A, SIDIK N A C, MOHAMMED H A,. Fluid flow and heat transfer characteristics of nanofluids in heat pipes: a review [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 56: 50-62.

[5] KARTHIKEYAN V K, RAMACHANDRAN K, PILLAI B C,. Effect of nanofluids on thermal performance of closed loop pulsating heat pipe [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 54: 171-178.

[6] QU J, WU H Y, CHENG P. Thermal performance of an oscillating heat pipe with Al2O3-water nanofluids [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2010, 37(2): 111-115.

[7] MA H B, WILSON C, YU Q. An experimental investigation of heat transport capability in a nanofluid oscillating heat pipe [J]. Journal of Heat Transfer, 2006, 128(11): 1213-1216.

[8] TANSHEN M R, MUNKHBAYAR B, NINE M J,. Effect of functionalized MWCNTs/water nanofluids on thermal resistance and pressure fluctuation characteristics in oscillating heat pipe [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, 48: 93-98.

[9] LI Q M, ZOU J, DUAN Y Y,. Visualization of two-phase flows in nanofluid oscillating heat pipe [J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(5): 1-5.

[10] 李強, 宣益民. 納米流體強化熱導率機理初步分析[J]. 熱能與動力工程, 2002, 17(6): 568-573. LI Q, XUAN Y M. Preliminary analysis on the mechanism of enhancement on nanofluids’ thermal conductivity [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2002, 17(6): 568-573.

[11] QU J, WU H Y. Thermal performance comparison of oscillating heat pipes with SiO2/water and Al2O3/water nanofluids [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(10): 1954-1962.

[12] MEHRALI M, SADEGHINEZHAD E, LATIBARI S T,. Investigation of thermal conductivity and rheological properties of nanofluids containing graphene nanoplatelets [J]. Nanoscale Research Letters, 2014, 9(1): 1-12.

[13] LEE G J, RHEE C K. Enhanced thermal conductivity of nanofluids containing graphene nanoplatelets prepared by ultrasound irradiation [J]. Journal of Materials Science, 2014, 49(4):1506-1511.

[14] SARSAM W S, AMIRI A, KAZI S N,. Stability and thermophysical properties of non-covalently functionalized graphene nanoplatelets nanofluids [J]. Energy Conversion and Management, 2016, 116: 101-111.

[15] SADEGHINEZHAD E, MEHRALI M, ROSEN M A,. Experimental investigation of the effect of graphene nanofluids on heat pipe thermal performance [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 775-787.

[16] NAYAK V U, PRABHU N K. Wetting behavior and heat transfer of aqueous graphene nanofluids [J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2016, 25(4): 1474-1480.

[17] MEHRALI M, SADEGHINEZHAD E, ROSEN M A,. Heat transfer and entropy generation for laminar forced convection flow of graphene nanoplatelets nanofluids in a horizontal tube [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2015, 66: 23-31.

[18] WRIGHT M M, MAITLAND G C, TRUSLER J P M. Viscosity and density of aqueous solutions of carbon dioxide at temperatures from (274 to 449) K and at pressures up to 100 MPa [J]. Journal of Chemical and Engineering Data, 2015, 60(1): 171-180.

[19] 尹大燕, 賈力. 振蕩熱管管內流型對傳熱性能的影響[J]. 應用基礎與工程科學學報, 2007, 15(3): 363-369. YIN D Y, JIA L. The influence of flow patterns on heat transfer characteristic of oscillating heat pipe [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2007, 15(3): 363-369.

[20] CUI X Y, ZHU Y, LI Z H,. Combination study of operation characteristics and heat transfer mechanism for pulsating heat pipe [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 65(1/2): 394-402.

Heat transfer performance of pulsating heat pipe with graphene aqueous nanofluids

SHI Saiyan1, CUI Xiaoyu1, ZHOU Yu1, HAN Hua1, CHEN Chengmeng2

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China;2CAS Key Laboratory of Carbon Materials, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China)

Experiments of pulsating heat pipe (PHP) were conducted with graphene nanoplate (GNP) nanofliuds at different mass fractions (0.01%, 0.05% %, 0.08% and 0.10%) under various filling ratios (45%—90%) and heat inputs (10—100 W). The results indicated that when the filling ratio was 45%, GNP nanofluids can significantly improve the dry state in PHP. The filling ratio ranged from 55%—70% and PHP with GNP nanofluids at the mass fraction of 0.01% showed better heat transfer performance and the maximum reduction on thermal resistance of PHP with nanofluids was 83.33% compared to that with deionized water. The main reasons for improving the heat transfer performance of PHP were higher thermal conductivity and better surface wettability of GNP nanofluids.

heat transfer; thermodynamic properties; nanoparticles; GNP nanofluids; pulsating heat pipe

date: 2016-06-13.

Prof. CUI Xiaoyu, xiaoyu_cui@usst.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160807

TK 124

A

0438—1157（2016）12—4944—07

國家自然科學基金項目（51076104）；2012年度“科技創新行動計劃”高新技術領域項目基金項目(12dz1143800)。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51076104) and the 2012 Project of High Tech Field “Action Plan of Science and Technology Innovation” (12dz1143800).

2016-06-13收到初稿，2016-09-12收到修改稿。

聯系人：崔曉鈺。第一作者：施賽燕（1990—），女，碩士研究生。