分散劑對納米流體噴霧冷卻傳熱特性影響的試驗研究

（中國科學技術大學 熱科學和能源工程系，合肥 230027）

0 引言

噴霧冷卻是一種新興、高效的散熱方式，相較于傳統熱控方法，具有散熱能力強、控溫響應快、接觸熱阻小、流量需求少和過熱度低等優點，在電子元器件熱控方面具有廣闊的應用前景［1-3］。Cader等［4］表明與風冷系統相比，采用噴霧冷卻系統冷卻芯片可降低結溫和35%的功耗。程文龍等［5］在試驗條件下，用純水作為循環噴霧工質可以實現在85 ℃的平均壁面溫度下，熱通量達到360 W/cm2。試驗工質的物理性質，如表面張力、黏度、熱導率等，能夠通過影響噴霧液滴、液膜和汽膜的動態行為來影響噴霧冷卻的傳熱能力。

納米流體是一種新型傳熱介質，由基底流體（如水、油或乙二醇）和均勻懸浮在其中的金屬（金屬氧化物）納米顆粒混合而成。納米顆粒的加入可以使得流體的導熱系數大幅度提高［6］，這種改變流體熱物性的特點使納米流體在多個領域得到應用［7-8］。

在納米流體噴霧冷卻傳熱特性研究方面，現有的研究成果存在較大爭議。一些研究者認為納米流體能夠強化噴霧冷卻的傳熱效果［9-10］，并認為其強化原理在于納米顆粒較大的比表面積提高了工質的導熱能力，并且顆粒與熱源表面之間的相互碰撞可以破壞熱源表面的液體薄層，兩方面因素的綜合作用強化了對流傳熱和沸騰傳熱［11］。然而，另一些研究發現納米流體不能有效強化噴霧冷卻的散熱能力，有時甚至會降低噴霧冷卻的散熱性能［12］。本試驗室的前期工作發現水和氧化鋁納米流體在兩相階段時開始顯現換熱差異：隨著表面溫度的升高，氧化鋁納米流體的傳熱效果逐漸變差，并對傳熱造成負面影響［13-14］。

在納米流體制備中，為了防止顆粒團聚下沉，一般采用在納米流體懸浮液中加入分散劑以防止納米顆粒重新團聚，從而提高納米流體的分散穩定性。有研究表明，在Cu-Zn-Al LDH納米流體加入6×10-4分散劑SDS 和Tween 20后可使得噴霧冷卻的冷卻速率提高30.7%［15］。然而，對于討論分散劑對傳熱影響方面的研究文獻還非常稀少。

為了分析分散劑對納米流體噴霧冷卻傳熱特性的影響，本文將利用混合不同濃度的3類分散劑的氧化鋁納米流體進行噴霧試驗，討論分散劑濃度對納米流體傳熱結果的影響，并對比納米顆粒單獨作用時的傳熱能力。

1 試驗系統

1.1 試驗裝置及誤差分析

噴霧冷卻試驗系統如圖1所示，主要包括：泵、數據采集儀、壓力表、加熱臺和噴霧裝置等。工質由泵從儲液罐中抽出，送至噴嘴處由于壓差噴出形成噴霧，連續地噴灑在面積為1 cm2的加熱表面以冷卻表面。

試驗中的加熱裝置如圖2所示，用加熱器加熱銅柱，銅柱周圍用陶瓷纖維棉做絕熱處理。在靠近發熱壁面縱向分別相距1，5，9 mm的截面上布置了3層T型熱電偶，用來測量發熱壁面附近的溫度以計算其溫度梯度。每一層截面上，分別在中心及距銅柱中心2，4 mm的位置上布置了3個熱電偶，它們之間的夾角為120°。根據測得的溫度數據，將銅柱的軸向溫度梯度外推可以得到發熱壁面的溫度分布，然后根據傅里葉導熱定律可以計算得出發熱壁面的熱流密度。

圖2 加熱臺示意及熱電偶設置

由于發熱表面的溫度不易直接測量，本文將發熱表面附近各層的溫度外推，通過插值的方法計算出表面溫度：

式中 T0——表面溫度，℃；

T1——靠近表面的第一層的截面溫度，℃；

Ti，Tj——第i層和第j層的截面溫度，℃；

i，j —— 兩層截面的編號（i，j=1，2，3，i＞j）；

δ1—— 發熱表面與第一層截面之間的距離，m；

Δδ ——第i層和第j層截面之間的距離，m。

由于銅柱很細小，且周圍做了絕熱處理，所以靠近發熱表面的部分可以近似認為是一維導熱，因此，可以利用銅柱的軸向溫度梯度，通過傅里葉導熱定律計算出發熱表面的熱流密度：

式中 q ——發熱表面的表面熱流密度，W/m2；

λ——銅柱的導熱系數，W/（m·K）。

噴霧冷卻換熱系數計算公式為：

式中 h ——噴霧冷卻換熱系數，W/（m2·K）；

Tf——冷卻工質的入口溫度，℃。

試驗中的誤差來源主要包括各層熱電偶截面之間距離的測量誤差、熱電偶溫度的測量誤差以及工質體積流量的測量誤差。距離測量的誤差為±0.1 mm。體積流量的測量誤差為±0.1 mL/min，熱電偶測量誤差為±0.5 ℃。因此，根據誤差傳遞公式：

換熱密度、換熱系數的誤差分別為±2.3%、±6.5%。

1.2 試驗流體的制備

為了探究分散劑對納米流體噴霧冷卻試驗中的影響，使用10 nm粒徑的氧化鋁顆粒，選取了3種不同的分散劑：SDS，PVP和Tween20，分別配制出不同的濃度的工質。試驗中使用的納米顆粒均是來自麥克林公司，采用超聲波震蕩的方法制備所需的納米流體。試驗配制的工質見表1，不同分散劑濃度的選取范圍是參考其他文獻中的工作而選定的針對不同分散劑的常用濃度區間。

表1 試驗所用工質種類

2 試驗結果及分析

2.1 納米流體的傳熱性能

從傳熱性能上看，在不使用分散劑的情況下，納米顆粒水溶液的傳熱效果比純水更弱，這是因為納米顆粒之間容易相互吸附形成納米微團，顆粒吸附并沉積到加熱表面上，形成熱阻，降低傳熱效果。3種分散劑的加入對比納米顆粒單獨作用，工質傳熱能力明顯增強，這是由于添加分散劑后，團聚效應得到了抑制，提高了流體的分散穩定性。分散劑還能降低納米流體懸浮液的表面張力，提高潤濕性和接觸角［16］，這些改變對噴霧冷卻的換熱結果具有積極影響。從圖3還可以看出，3種分散劑的強化作用存在差異，與水的傳熱能力相比，SDS有顯著提升。

圖3 納米流體和水的傳熱結果

2.2 分散劑濃度的影響

顯然，納米流體中分散劑的濃度對工質的傳熱能力有影響，而且存在最佳濃度，這是因為納米粒子表面可供吸附的面積一定，當表面達到吸附飽和后，剩余未吸附的分散劑高分子鏈便會通過橋連作用使原本分散的粒子團聚，從而產生絮凝現象，導致分散性變差，從而影響傳熱［17-21］。如圖4～6所示，用Tween20做分散劑的納米流體在試驗所選濃度中，使工質傳熱能力最強的濃度為4.5×10-5，與納米顆粒水溶液相比，平均換熱系數提升了16.5%；分散劑PVP的最佳濃度為3×10-4，平均換熱系數提升了19.1%；分散劑SDS的最佳濃度為8×10-4，平均換熱系數提升了64.1%。在未達到最佳濃度時，分散劑的散熱效果隨著濃度的增高為增加。SDS明顯比其他2種分散劑的效果好，這是由于SDS屬于陰離子表面活性劑，Tween 20和PVP屬于非離子型分散劑，而納米Al2O3顆粒在中性水介質中帶正電，具有強烈吸附陰離子的能力［22］，因此加入分散劑SDS的穩定性更好，有助于換熱。

圖4 不同濃度的Tween 20做分散劑的納米流體的換熱系數

圖5 不同濃度的PVP做分散劑的納米流體的換熱系數

圖6 不同濃度的SDS做分散劑的納米流體的換熱系數

3 結語

納米顆粒本身具有提高流體導熱能力的優點，但又有容易聚沉的缺點，分散劑在納米流體的使用中必不可少。本文研究發現分散劑提高了納米流體的傳熱能力，在選取的試驗濃度范圍內，分散劑存在最佳濃度，Tween 20的最佳濃度為0.45×10-4，PVP 的最佳濃度為 3×10-4，SDS 的最佳濃度為8×10-4。三類分散劑中陰離子分散劑SDS的效果最好，加入濃度為8×10-4的SDS后，納米流體的平均換熱系數提高了64.1%。