氧化石墨烯對脈動熱管啟動和傳熱特性影響

張田田 楊洪海* 劉利偉 王耀鋒 沈俊杰 張裕寬

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

脈動熱管是兩相傳熱裝置領域的一種有廣闊應用前景的新型裝置。脈動熱管具有卓越的熱量傳遞性能，應用在冷卻電子設備，熱回收系統中可以提高其效率。脈動熱管結構簡單，無運動部件，在傳熱能力，適應性，成本和應對當今電子設備高集成化小型化方面具有較高的發展潛力，近年來已被國內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，與傳統工質相比，納米流體能夠對換熱進行強化，因此，為了追求更高的傳熱效果，有許多的學者在脈動熱管中使用納米流體，研究其傳熱特性。Mehdi 等[5-6]研究發現使用鐵磁流體可以改善穩態熱性能，施加磁場可以增加開環脈動熱管的啟動和穩態熱性。

氧化石墨烯是一種性能優異的新型碳材料，它的導熱系數約為6000 W/(m·K)，它良好的導熱性可以極大地提升脈動熱管的傳熱特性，延緩燒干等[7-9]。鑒于石墨烯具有疏水性，不易溶于水，并且會發生聚沉情況，有研究者采用氧化石墨烯，來改善其溶解性，進一步強化傳熱效果[7-9]。本文以氧化石墨烯水溶液為工質，研究其啟動特性，分析濃度及充液率等對運行性能的影響。

1 實驗裝置及試驗方法

1.1 工質選擇及工況

本實驗選取的工質為：去離子水，0.01wt%，0.03wt%，0.05wt%，0.08wt%，0.1wt%氧化石墨烯溶液，脈動熱管傾斜角度定義為與水平方向的夾角，根據文獻[10]，脈動熱管在垂直時啟動性能最佳。因此，實驗傾斜角度為90°。并涵蓋了脈動熱管燒干功率以及中等充液率和大充液率。具體實驗工況見表1：

表1 實驗工況

1.2 工質準備

本實驗制備氧化石墨烯采用Hummers 法[11-14]，整個過程可以分為低，中和高溫三個階段：①低溫反應：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，繼續攪拌并控制反應溫度在10 ℃以下，保溫2 h。②中溫反應：把燒杯移至35 ℃左右的恒溫水浴鍋，超聲1 h。③高溫反應：把反應液放入95 ℃水浴中繼續攪拌，緩慢的加入去離子水，攪拌反應30 min，放入去離子水終止反應，再加入一定量的雙氧水，保持攪拌15 min，最后加入一定量的鹽酸。低速離心洗滌過濾酸和副產物，將反應制得的氧化石墨烯與水進行混合，然后將混合液放入超聲波震蕩器中震蕩40 min，本實驗采用超聲波振蕩器型號為上海汗諾（HN-1000CS），超聲結束后于2500 r/min 轉速下離心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定性以及實驗前后變化如圖1 所示，可以發現靜置一個月后溶液顏色變淺，基本沒有沉淀，實驗后溶液中的納米流體聚集在一起，有黑色沉淀產生。

圖1 0.01wt%氧化石墨烯溶液變化圖

1.3 實驗裝置

本實驗臺主要包括紫銅脈動熱管，電加熱系統，數據采集系統和冷卻系統。實驗裝置見圖2。本實驗用的脈動熱管是外徑4 mm、內徑2 mm 的銅管，脈動熱管總長250 mm，有6 個回路。實驗的電加熱系統包括電阻絲、直流電源型號（MP1203D）等。如圖2 所示，蒸發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，通過直流電源控制加熱功率。數據采集系統如圖2 中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 所示對脈動熱管壁面溫度進行溫度變化記錄，其中1～6在冷凝段，7～12 在蒸發段。采用標定“K”型熱電偶，數據采集用安捷倫（Aglient 34970A），頻率1Hz，分辨率0.01 ℃。冷卻系統采用強迫對流風冷系統，加熱端有保溫棉保溫。

圖2 紫銅脈動熱管實驗裝置示意圖

2 數據處理和不確定性分析

2.1 數據處理

脈動熱管熱阻R 計算公式：

式中：Te和Tc分別為脈動熱管達到穩定運行時，蒸發端和冷凝端的各測點溫度平均值。P 為電熱絲輸入功率，可通過公式為P=U·I 計算得到，其中U 是直流電源輸入的電壓。

蒸發段和冷凝段的溫度可根據脈動熱管穩定運行時相應測點溫度Ti的平均值確定，即：

2.2 不確定性分析

本實驗中加熱量由P=U·I 得到，U 和I 可由直流電源顯示器直接讀取。直接測量誤差可由測量儀器的測量誤差δi直接給出。由誤差傳遞理論可知，間接測量值y 的絕對誤差δy與各傳遞分量絕對誤差δxi的關系為：

本實驗采用的直流電源，電壓范圍（0～120 V）和電流范圍（0～3 A），當加熱功率為10 W 時，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℃，溫度測量的絕對不確定度為：

在加熱功率為10 W 時，蒸發端和冷凝端的最小溫差為：

所以熱阻的最大不確定過度為：

3 納米流體脈動熱管啟動分析

脈動熱管的工作狀態分為啟動階段和穩定運行階段。脈動熱管的啟動性能常用啟動時間和啟動溫度來描述，脈動熱管只有在一定的加熱功率下才會啟動。定義從開始加熱到開始產生振蕩的時間為脈動熱管的啟動時間，產生振蕩時的蒸發段的平均溫度為啟動溫度。

從圖3 可以看出：去離子水的啟動時間明顯高于納米流體（除0.1wt%外）的啟動時間，適當的納米流體明顯的改善了脈動熱管的啟動情況，隨著濃度的增加，啟動時間先降低再升高，可以看到濃度0.01wt%時啟動時間最短為299 s，去離子水的啟動時間為1377 s,在啟動時間上納米流體最高可改善78.2%，改善效果顯著。在實驗過程中發現納米流體在10 W 的時候溫度均出現了波動，開始啟動，而去離子水10 W 時溫度一直很平穩，無任何波動情況，20 W 才啟動。也可以看出啟動溫度隨濃度的變化，隨著濃度的增加啟動溫度先降低后增加，去離子水的啟動溫度整體高于納米流體（除0.1 wt%氧化石墨烯外）的啟動溫度，濃度為0.1 wt%的氧化石墨烯的啟動溫度最高，其次是去離子水的啟動溫度83.23 ℃，其中濃度為0.01 wt%的氧化石墨烯溶液啟動溫度最低41.24 ℃，啟動溫度降50.45%。這是因為水的表面張力比較大，導致啟動溫度過高。在純工質情況下，不容易產生汽泡，添加納米顆粒，蒸發段的核化點增加，納米顆粒和熱管壁面碰撞劇烈，更容易產生汽泡，隨著汽泡不斷脫離壁面進入主水流，壁面附近的擾動增強，熱交換過程強化，核態沸騰過程劇烈，從而使得蒸發段的熱量傳遞到冷凝段過程更快。而隨著納米流體顆粒的增加，溶液粘度增加，流體越難流動，啟動越困難。并且納米顆粒存在著聚沉問題，小顆粒聚集成大分子，影響了產生汽泡的效果，從而影響了脈動熱管的啟動情況，當濃度為0.1wt%時，較短時間產生汽泡的利已經小于粘度增加這種弊。高濃度流體發生沉淀現象明顯，這可能是阻礙熱管啟動的原因。

圖3 濃度與啟動時間及啟動溫度關系圖

4 納米流體脈動熱管傳熱特性

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（蒸發端平均溫度到達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，質量分數為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。這是因為氧化石墨烯有很好的潤濕性。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。并存在一個最佳濃度為0.08 wt%。

圖4 20%充液率各工質熱阻曲線

4.2 中等充液率（50%）傳熱特性分析

充液率為50%時熱阻波動曲線如圖5 所示，發現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，脈動熱管內部產生的氣泡數量增多膨脹功增大,加熱段和冷凝段的壓差增加，從而推動液體從蒸發段流向冷凝段，促進了流體的流動，強化了管內介質的對流換熱,從而使得系統熱阻下降[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，表明引入適當的納米流體可有效加強管內工質流動，增加有效導熱系數，但是隨著濃度增加，粘度增大，會減弱傳熱，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，當濃度為0.05 wt%時，熱阻有最小值。隨著功率的增加熱阻在一直減小，10 W 時熱阻最大，105 W 時熱阻最小。

圖6 濃度與熱阻的關系圖

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 可以發現，隨著加熱功率的增加熱阻整體呈下降趨勢，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功率，由于30 W 時0.1 wt%氧化石墨烯水溶液的溫度很高，基本不啟動，從10 W 到30 W 溫度直線上升，無回落趨勢，故只做了三個功率，由于氧化石墨烯的濃度較高，粘度太大，故無法啟動。從排出的工質來看，氧化石墨烯呈大塊片狀，聚沉在一起，阻礙熱管的啟動。在充液率為80%時，0.05 wt%氧化石墨烯溶液表現為有較低的熱阻。

圖7 80%充液率各工質熱阻曲線

5 結論

通過以上分析，可得到以下結論：

1）氧化石墨烯溶液可改善脈動熱管的啟動性能，當濃度低于0.1 wt%的情況下，啟動溫度與啟動時間特性均優于去離子水。本實驗氧化石墨烯溶液濃度范圍內，啟動特性的強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熱管啟動特性劣于去離子水，這主要是由于0.1 wt%氧化石墨烯溶液濃度過高，加熱聚沉現象更為嚴重，反而削弱了脈動熱管的啟動。

2）充液率為20%時，各濃度的氧化石墨烯傳熱特性均優于去離子水，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，除0.1 wt%濃度下，各濃度的氧化石墨烯傳熱特性均優于去離子水，且氧化石墨烯最佳濃度為0.05 wt%，最高可改善34.36%。

6 展望

本文通過一系列的實驗探究，計算了幾種濃度流體的整體熱阻，通過分析和去離子水比較，得到了幾個濃度的納米流體傳熱性能均優于去離子水，希望接下來能通過可視化實驗研究，進一步研究其內部傳熱機理，揭示其內部流動規律。