氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性

张明，苏新军，韩魏，郭宪民

（天津商业大学，天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

摘要：以氧化石墨烯分散液（浓度为0.5mg/mL）和正丁醇水溶液（质量分数为0.5%）的混合溶液（体积比2∶5）为工质，充液率为50%，对不同加热功率条件下环路脉动热管稳定运行的传热特性进行实验研究，并与正丁醇水溶液和去离子水的传热性能进行对比，分析了混合溶液在脉动热管稳定运行时冷热端温差和传热热阻的变化特点，探究了氧化石墨烯对自湿润流体传热性能的影响。研究结果表明：在自湿润流体中加入氧化石墨烯能够强化脉动热管的传热特性，但是和脉动热管的加热功率密切相关；在低加热功率下，氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性没有强化作用；随着加热功率的增加，强化作用明显增强，而当加热功率过大时，强化作用又会逐渐减弱。

关键词：脉动热管；自湿润流体；氧化石墨烯；传热性能

第一作者：张明（1990—），男，硕士研究生。E-mail zhangminghn1 990321@163.com。联系人：苏新军，副教授，从事多相流动传热传质强化研究。E-mail suxinjun@tjcu.edu.cn。

作为解决高热流密度问题的传热元件，脉动热管具有体积小、结构简单但传热性能好的优点，在制冷空调、电子冷却、余热回收和太阳能集热等领域展现出了良好的应用前景[1]。近年来，众多学者从热管结构与尺寸、加热方式、工质类型、充液率和重力影响方面等不同角度对脉动热管的热运输性能做了详细研究[2]。目前，在强化脉动热管传热特性方面，寻找新型工质是最直接有效的方法之一。

Abe等[3-4]研究发现，高碳醇水溶液的表面张力随着温度的增加而增大，由于Marangoni效应，有利于液体自发的从冷端向热端流动，发生所谓的自湿润现象，从而强化传热。Fumoto等[5-6]发现以自湿润流体为工质的脉动热管的传热性能明显优于水；Hu等[7]研究了以庚醇水溶液为工质的脉动热管，发现与纯水相比，自湿润流体具有更好的热运输性能，且在水平工况下脉动热管的传热特性有更明显的提升。纳米流体是将金属或者非金属纳米颗粒按照一定的方式和比例加入液体介质中形成的一种新型换热工质[8]，具有较高的导热系数。Lin等[9-10]发现纳米流体能有效强化脉动热管的传热性能；Sato等[11]研究发现，自湿润流体与纳米流体混合后依然具有非常规的表面张力特性，而且混合溶液的传热特性比自湿润流体更加优越。目前，国内外的研究中很少将纳米流体和自湿润流体的混合溶液作为工质应用在脉动热管中，对其强化传热机理亦无深入探讨。

石墨烯是从石墨中分离出来的一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其导热系数高达5300 W/(m·K)，而且石墨烯粉末不易溶于水，而氧化石墨烯表面的极性含氧官能团使其能很好的分散在水中，形成纳米流体。本文以氧化石墨烯分散液与正丁醇水溶液的混合溶液作为工质，分析脉动热管的稳定运行性能，研究了混合溶液不同于自湿润流体的传热特性。

1　实验

1.1实验系统及过程

实验中脉动热管由外径为4mm、内径为2mm的紫铜管焊接而成，弯头数为3，分为蒸发段、绝热段、冷凝段三部分。其中，蒸发段长50mm，绝热段长90mm，冷凝段长50mm。实验系统如图1所示，蒸发段采用垂直底部加热的方式，把镍铬电阻丝直接缠绕在包有绝缘导热胶布的铜管上进行加热，通过直流稳压稳流电源（WTK-305B2）控制加热功率，电流及电压的测量精度为±0.01A及±0.1V；冷凝段采用节能型智能恒温槽（DC-4006）水冷的方式进行冷却，冷却水的温度设定在(25±0.1)℃；绝热段用保温隔热膜包裹，以减少热量的对流、辐射损失；选用测量精度为±0.1℃的标准T形热电偶，通过数据采集仪（MX-100）对脉动热管18个位置（蒸发段6个，绝热段6个，冷凝段6个）的壁面温度进行温度变动记录，具体布置如图1所示。

实验工质由浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯分散液和质量分数为0.5%的正丁醇水溶液按体积比2∶5配制而成。其中，氧化石墨烯分散液由南京先丰纳米材料科技有限公司生产，氧化石墨烯颗粒直径50～200nm，厚度0.8～1.2nm，单层比约99%，图2为氧化石墨烯透射和扫描电镜图片。实验工质的表面张力采用德国KRUSS全自动表面张力仪Pocket-Dyne（测量精度为±0.1mN/m），在20～80℃温度范围内进行测量，采用节能型智能恒温槽（DC-4006）保证溶液温度的稳定，每个温度下测量3次，取平均值作为该温度下的表面张力值。实验前，先采用真空泵（AP-9925）对系统进行抽真空处理，然后利用注射器在压力差的作用下将工质注入脉动热管内，充液率为50%。实验开始后，初始加热功率设定为10W，待温度曲线平稳后，即1min内蒸发段温度变化小于0.5℃，再每次增加10W加热功率直至100W，以上功率和温度数据通过计算机记录下来。

图1　实验系统图

图2　氧化石墨烯透射和扫描电镜图片

1.2实验数据处理

实验中，蒸发段温度Te、冷凝段温度Tc分别取蒸发段和冷凝段6个测点的平均温度，即。定义脉动热管的热阻R= ΔT/Q，其中ΔT= Te−Tc是蒸发段与冷凝段的温差，Q为加热功率。Q由电加热丝两端的电压和电流值相乘得到，根据系统热平衡分析，蒸发段和绝热段的散热量不超过4.2%，在考虑仪表精度的情况下，计算得到加热功率的相对不确定度为4.6%。热阻是与温度和功率有关的间接测量量，且在最小加热功率10W时，蒸发冷凝段最小温差为24.5℃，则热阻的最大相对不确定度为5.1%。

为了进一步分析氧化石墨烯对以正丁醇水溶液为工质脉动热管传热特性的影响，定义EP为强化作用率。EP是指在相同工况下以正丁醇水溶液为工质所测得的热阻R与充入正丁醇水溶液和氧化石墨烯的混合溶液时所测热阻Rm的差值与仅以正丁醇水溶液为工质所测热阻Rw的比值百分数，见式（1）。

2　结果与分析

2.1工质表面张力特性

图3是去离子水、正丁醇水溶液以及加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液3种工质表面张力随温度变化的曲线图。从图3中可以看出，正丁醇水溶液及其与氧化石墨烯分散液的混合溶液的表面张力先是随着温度的升高呈减小趋势，然后又随着温度的升高而增大，与去离子水不同；加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液在相对较低的温度下达到了表面张力的最小值，而且在表面张力随着温度的升高而增大的过程中，相同温度下的导数较大，能产生更大的表面张力梯度，更有利于液体向高温区域回流。

2.2温差与热阻分析

图4是以去离子水、正丁醇水溶液和加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液为工质的脉动热管两端温差随功率的变化情况。从图4中可看出，正丁醇水溶液及其与氧化石墨烯分散液的混合溶液的温差小于去离子水，体现了优良的热运输性能。在加热功率小于20W时，正丁醇水溶液和混合溶液的温差几乎相等。这是由于在低输入功率下，脉动热管还未完全启动，蒸发段产生的气泡较少，相变驱动力较小，工质流动性差，氧化石墨烯高导热系数的优势没有体现出来，而且在较低温度下，混合溶液较好的自湿润特性也没有表现出来。加热功率在20～70W之间时，混合溶液的温差比正丁醇水溶液小，且随着功率增大，差距逐渐增大。分析可知，随着加热功率的增大，热管内气泡开始增多，冷热端压差变大，工质流动性增强，由于氧化石墨烯具有较高的导热系数，混合溶液的传热量更大；而且随着工质温度的升高，自湿润特性开始发挥作用，混合溶液能更好地促使液体回流，促进蒸发段气泡的生成，进一步增强了流动性，热运输效率高；同时，脉动热管完全启动之后，工质的振荡作用使氧化石墨烯颗粒一直处于悬浮状态，颗粒与颗粒、液体和管壁间的碰撞及相互作用，增强了流动湍流强度，增加了汽化核心，强化了能量传递过程，减小了脉动热管冷热端温差。加热功率大于70W时，混合溶液的温差依然比正丁醇溶液小，但随着功率增大，差距逐渐减小。因为在较高温度下，氧化石墨烯颗粒的悬浮稳定性减弱，纳米流体对脉动热管传热特性的强化作用无法完全体现出来，混合溶液的热输送能力降低，不再使两端温差明显低于正丁醇水溶液。

图3　工质的表面张力与温度的关系

图4　脉动热管两端温差与输入功率的关系

图5是以去离子水、正丁醇水溶液和加入氧化石墨烯的正丁醇水溶液为工质的脉动热管两端热阻随功率的变化情况。从图5中可知，以正丁醇水溶液及其与氧化石墨烯分散液的混合溶液为工质时，脉动热管的热阻小于去离子水。在加热功率小于20W时，正丁醇水溶液和混合溶液的热阻相当。加热功率在20～70W之间时，混合溶液的热阻比正丁醇水溶液小，且随功率的增大，差距不断增大，混合溶液表现出了明显优于正丁醇水溶液的热运输能力。当加热功率大于70W时，混合溶液的热阻依然较小，但随着功率的增大，逐渐靠近正丁醇水溶液，混合溶液的热运输能力不再明显强于正丁醇水溶液。

2.3氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的强化作用

图6是氧化石墨烯对正丁醇水溶液脉动热管的强化作用率随加热功率的变化情况。由图6可知，在加热功率低于20W时，氧化石墨烯对以正丁醇水溶液为工质的脉动热管没有强化作用；当加热功率在20～70W之间时，氧化石墨烯对以正丁醇水溶液为工质的脉动热管的强化作用较强，在8.15%～12.2%之间。随着功率继续增大，氧化石墨烯对以正丁醇水溶液为工质的脉动热管的强化作用大幅减弱，没有明显增强脉动热管的传热特性。

图5　脉动热管两端热阻与输入功率的关系

图6　氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的强化作用率

3　结论

实验研究了氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性，研究结果表明：

（1）氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性具有强化作用。

（2）氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管传热特性的强化作用与加热功率密切相关。在加热功率小于20W的情况下，氧化石墨烯没有强化作用；加热功率在20～70W之间时，氧化石墨烯的强化作用较强，在8.15%～12.2%之间；加热功率大于80W时，氧化石墨烯的强化作用变得十分微弱。

参考文献

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研究开发

Heat transfer characteristics of pulsating heat pipe with graphene oxide/self-rewetting fluid

ZHANG Ming，SU Xinjun，HAN Wei，GUO Xianmin

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Abstract：This research investigated heat transfer characteristics of the steady operation processes of pulsating heat pipe（PHP）at various heating power.The working fluid was mixture of graphene oxide dispersion at concentration of 0.5mg/mL and n-butanol aqueous solution with mass fraction of 0.5%.The volume ratio of the mixture was 2∶5 and filling ratio was 50%.Heat transfer performances were compared between mixed solution，n-butanol aqueous solution and deionized water.The effects of graphene oxide on the heat transfer performance of self-rewetting fluid were explored by analyzing the temperature difference and thermal resistance of PHP with the mixture.The results showed that graphene oxide could enhance the heat transfer characteristics of PHP when added in self-rewetting fluid，and heating power had important effects on the heat transfer enhancement.Graphene oxide had no effects on the heat transfer characteristics of PHP with self-rewetting fluid at low heating power.The strengthening effects increased significantly with increase of heating power，but the increase became less significant when heating power increased to a certain value.

Key words：pulsating heat pipe；self-rewetting fluid；graphene oxide；heat transfer performance

基金项目：食品冷链装置节能及储运新技术（TD12-5048）及国家自然科学基金项目（51176142）。

收稿日期：2014-12-24；修改稿日期：2015-01-14。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.007

文章编号：1000–6613（2015）08–2951–04

文献标志码：A

中图分类号：TB 3