氧化石墨烯脈動熱管啟動特性的研究

2021-07-04 13:36:34劉利偉楊洪海張田田張苗周博王耀鋒

建筑熱能通風空調 2021年5期

劉利偉楊洪海張田田張苗周博王耀鋒

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

脈動熱管（Pulsating Heat Pipe，PHP）的工作狀態可分為兩個階段，開始加熱后，蒸發段溫度逐漸上升為啟動階段。當其溫度圍繞一恒定值上下波動為穩定運行階段。PHP 的結構[1-3]、尺寸[4]、傾斜角度[5]、加熱與冷卻方式[6]、充液率[7]、工質[8-10]等影響其啟動性能。

石墨烯獨特的二維片層結構使其傳熱性能及機制均不同于一般納米顆粒，其導熱系數高達5300 W/(m·K)，遠高于碳納米管和金剛石。鑒于石墨烯粉末不易溶于水，將其氧化后能很好地分散在水中，顯著增強石墨烯的親水性[11]。

目前針對氧化石墨烯PHP 的研究主要集中在熱阻與溫度波動兩方面，未探究其啟動特性，故本文實驗研究了濃度為0.01%wt～0.1%wt 的氧化石墨烯溶液與去離子水在不同充液率（FR=30%、50%、80%）、不同加熱功率（10～105 W）下的啟動特性。

1 實驗概況

1.1 實驗系統

本實驗裝置如圖1 所示。脈動熱管采用外徑4 mm、內徑2 mm 的紫銅管彎制而成，由蒸發段、絕熱段、冷凝段三部分組成，彎頭數為3，熱管連接部位采用耐高溫不銹鋼三通閥連接。脈動熱管總長250 mm，其中，蒸發段長50 mm，絕熱段長50 mm，冷凝段長150 mm，相鄰兩根管之間的中心距為。實驗輔助系統包括直流電加熱系統（MP1203D），數據采集系統（Aglient 34970A）與冷卻系統。本實驗采用垂直底部加熱方式，鎳鉻加熱絲纏在裹有耐高溫絕緣膠帶的紫銅管上，通過直流電源（MP1203D）控制加熱功率，電流及電壓測量精度±0.01 A 和±0.1 V。絕熱段與蒸發段采用內部保溫石棉、中間鋁箔反射膜、外部聚苯乙烯加夾緊裝置組成。PHP 裝置示意圖及測溫熱電偶的布置如圖所示，共采用12 個K 型熱電偶，測量精度±0.01 ℃，其中1～6 號測量蒸發段溫度，7～12 號測量冷凝段溫度，采用安捷倫（Aglient 34970 A）進行數據記錄，掃描頻率為1 Hz。冷凝系統由DN150mm 亞克力風管與三相變頻風機組成。

圖1 實驗裝置圖

1.2 工質配備

本實驗氧化石墨烯樣品由南京先豐納米科技提供，純度≥99%，片徑0.5～5 μm，厚度0.8～1.2 nm。氧化石墨烯/去離子水的配制：1）使用電子天平秤量取一定量的氧化石墨烯粉末與去離子水置于量杯中；2）將氧化石墨烯與去離子水初步攪拌均勻；3）將混合液放入超聲波震蕩器（HN-1000CS）中震蕩40 min，使得氧化石墨烯分散均勻。

1.3 實驗工況

實驗工質為：0.01%wt，0.05% wt，0.08% wt 和0.1%wt 的氧化石墨烯水溶液和去離子水。PHP 的傾斜角度均為90°。加熱的功率10～105 W，冷卻方式為風冷。

1.4 實驗過程

實驗前，首先采用真空泵對系統進行抽真空處理，打開PHP 兩端的三通閥同時關閉滴定管閥門，連接真空泵，脈動熱管和滴定管，抽真空過程開始。當真空計示數為1.5×10-3Pa 時，保壓15 min，抽真空結束。然后進行充液操作，關閉PHP 兩端的三通閥同時打開滴定管閥門，記錄液面下降后滴定管刻度，緩慢打開滴定管連接端的三通閥，使滴定管中的液面下降到指定刻度，關閉該三通閥，充液完成。開始試驗，打開變頻冷卻風機，直流電源與安捷倫，初始的加熱功率設定為10 W，待每個加熱工況穩定后，運行10～15 min。

2 數據處理方法

實驗中蒸發段溫度Te與冷凝段溫度Tc分別通過布置在蒸發段和冷凝段的6 個熱電偶的平均溫度計算所得，即：

式中：Te和Tc分別是PHP 達到穩定運行時，蒸發段和冷凝段6 個測點的平均溫度，℃；Q 為直流穩壓電源提供的加熱功率，W。

為了更加直觀反映氧化石墨烯對以去離子水為工質的脈動熱管啟動性能的強化作用，定義Ep1為啟動功率強化作用率，Ep2為啟動溫度強化作用率，其中Q′1、T′1為以去離子水為工質PHP 啟動功率與啟動時間，Q′2、T′2為以GO 為工質PHP 啟動功率與啟動時間，即：

3 脈動熱管啟動特性分析

3.1 氧化石墨烯/去離子水脈動熱管啟動溫度與時間

本實驗加熱功率范圍為10～105 W，研究在不同充液率下（FR=20%，50%，80%）下，以0.01% wt～0.1% wt 的氧化石墨烯水溶液和去離子水為工質的PHP 啟動溫度與啟動時間。隨著輸入功率的增加，蒸發段工質蒸發相變，在壓力差的作用下，蒸發段工質被推送至冷凝段，氣態工質冷卻后液化回流至蒸發段，PHP 內工質如此反復，達到穩定的脈動工況。因此，PHP 在啟動過程中，蒸發段溫度先增加后下降，溫度第一次急劇下降且之后溫度不再波動上升處定義為啟動點，從加熱到該溫度轉折點所需的時間定義為啟動時間τ′，該點處的溫度定義為啟動溫度T′，此時的功率定義為啟動功率Q′。

FR=20%時，從圖2、3 可知：1）在10 W 的加熱功率下，GO 與去離子水能夠未啟動，這可能是由于小充液率的情況下，PHP 內不能形成穩定的氣塞與液塞導致。2）小充液率（FR=20%）情況下，0.05%wt 的GO 啟動效果最好，啟動時間為1422 s，啟動溫度為62.2 ℃，且在啟動前的溫度攀升幅度較小，對加熱功率的敏感度最強。3）從圖3 可知，隨著GO 濃度的提高，GO 的啟動效果先優后劣，這是由于高濃度的GO 粘度較大，需要較大的啟動作用力，阻礙了PHP 的啟動。

圖3 PHP 啟動溫度與啟動時間（FR=20%）

FR=50%時，從圖4、5 可知：1）在10 W 的加熱功率下，只有0.05%wt 的GO 能夠啟動，啟動的溫度為50.2 ℃、啟動時間為574s。2）0.01%wt 的GO 在10 W的加熱功率下有局部啟動的跡象，但未啟動成功，溫度總體仍為上升趨勢，當加熱功率增加到20 W 時，蒸發段溫度攀升至90.7 ℃后陡然下降，達到穩定的啟動工況，其啟動特性弱于0.05%wtGO 的主要原因是低濃度的GO 在小加熱功率下（10W）的強化傳熱作用是有限的。3）從圖5 可知，隨著GO 濃度的提高，GO 的啟動效果先優后劣（0.01%wt 除外），存在最佳啟動濃度0.05%wt，啟動溫度為50.2 ℃，啟動時間為574 s，在大中小（FR=80%，50%，20%）充液率下啟動效果最佳。4）FR=50%時，0.01%wtGO 的啟動特性弱于去離子水的原因可能是由于隨著充液率的增加，液塞的數量也隨之增加，PHP 的啟動需要更加強勁的動力驅動，GO 帶來的氣化核心的增加與強化傳熱收益低于其工質粘度的增加所導致的啟動驅動力的增加。5）只有0.05%wt、0.08%wt 的GO 啟動效果優于去離子水，啟動溫度與啟動時間均低于去離子水，且在啟動前的溫度攀升幅度較小，對加熱功率的敏感度最強。

圖4 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動曲線（FR=50%）

圖5 PHP 啟動溫度與啟動時間（FR=50%）

FR=80%時，從圖6、7 可知：1）在10 W 的加熱功率下，GO 與去離子水均未啟動，這可能是由于隨著充液率的增加，管內工質大部分以液體的形式存在，降低了PHP 內蒸發段與冷凝段的壓力差，工質驅動力不足導致的。2）從圖6 可知，0.1%wtGO 在各個加熱功率下均不啟動。3）從圖7 可知，大充液率（FR=80%）的情況下，GO 惡化了PHP 的啟動性能，各濃度的GO 啟動溫度與啟動時間均高于去離子水，其原因同FR=50%中所述。

圖6 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動曲線（FR=80%）

圖7 PHP 啟動溫度與啟動時間（FR=80%）

3.2 氧化石墨烯/去離子水脈動熱管的啟動功率分析

圖8 為以GO 與去離子水為工質的PHP 在不同充液率下啟動功率隨濃度的變化關系，可知：1）隨著充液率的增加，PHP 的啟動功率先降低后增加，存在最佳啟動充液率FR=50%，Q′最低為10W。2）中小充液率（FR=20%，50%）下，隨著GO 濃度的增加，PHP 的啟動功率先降低后升高，存在最佳啟動濃度0.05%wt。3）FR=50，wt=0.05%為最佳啟動工況。

圖8 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動功率

3.3 充液率對脈動熱管啟動性能的影響

圖9、10 為不同濃度的GO 在不同充液率下的啟動溫度與啟動時間，由圖可知：隨著充液率的增加，各濃度GO 的T′與τ′均呈現與Q′相同的變化趨勢，即先降低后增加（FR=80%，wt=0.1%不啟動），充液率FR=50%，wt=0.05%時，Q′、T′與τ′最低。

圖9 PHP 啟動溫度與充液率關系圖

圖10 PHP 啟動時間與充液率關系圖

3.4 氧化石墨烯對PHP 啟動性能的強化作用

為了研究GO 對PHP 啟動性能的強化作用，本實驗在大中小充液率（FR=80%，50%，20%）下，研究了不同濃度GO 對PHP 啟動強化作用率的變化情況。圖11、12 分別為啟動功率強化作用率與啟動時間強化作用率。由圖11 可知：1）wt=0.05%，FR=20%，50%時，GO對PHP 啟動功率改善效果最為顯著，改善率達50%。2）不同充液率下，0.01%wtGO 對PHP 的啟動功率無改善作用，0.1%wtGO 提高了PHP 的啟動功率，阻礙了PHP 的啟動。由圖12 可知：1）wt=0.05%，FR=20%，50%時，GO 對PHP 啟動時間改善效果較明顯，改善率分別為41.9%與40.5%。2）0.01%wt 與0.1%wtGO 提高了PHP 的啟動時間，延緩了PHP 的啟動。