CTAB 表面活性剂脉动热管性能研究

2020-03-04龚志明王瑞祥邢美波

流体机械 2020年1期

龚志明，王瑞祥，邢美波

（北京市建筑能源高校综合利用工程技术研究中心，环境与能源工程学院，北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

脉动热管是Akachi［1］于20 世纪90 年代首先提出的一种新型散热元件。因其具有结构简单、小型化和传热高效等特点，受到广泛关注［2-5］。脉动热管的工作原理是利用液塞的运动来实现高效传热，并利用蒸发段与冷凝段间的压差实现脉动过程。蒸发段液体吸热，随着壁温的升高，过热度不断增大，液体部分由对流换热进入到沸腾换热。在核态沸腾下，气泡不断迅速产生，并上浮从气液界面逸出进入气塞部分。因而气塞部分压力不断增大，并最终推动工质克服阻力向冷凝段运动，形成定向的循环流动。影响脉动热管特性参数可归结为3 类：（1）物性参数，包括工质物性、充液率等；（2）操作参数，包括加热/冷却方式、倾斜角、加热功率等；（3）几何参数，包括管径、管长、弯头数等［6］。

工质的选择对于脉动热管的特性有着重要影响。王迅等［7］以体积分数为30%的甲醇水溶液、甲醇和水为工质，在不同加热功率、不同充液率和不同倾斜角工况下，对脉动热管的启动特性进行了实验研究，结果表明工质的物性参数与操作参数共同作用影响脉动热管启动性能。在50%充液率工况下，甲醇水溶液的启动时间比甲醇长，比水短。而在大充液率（80%）和小充液率（20%），大加热功率下，甲醇水溶液的启动时间比甲醇短。Khandekar 等［8］通过总结以往学者研究结果，建议选择高（dP/dT）sat，即蒸气压随温度变化大、低黏度、低潜热、高比热、低表面张力的流体作为应用到脉动热管中的工质。Qu 等［9］选择Al2O3/H2O纳米流体为工质进行实验研究，实验结果表明在表面沉积的纳米颗粒层增加了活跃的核化点数量和气泡的脱离频率从而强化了脉动热管传热效果。

目前已有很多针对表面活性剂的实验研究表明表面活性剂溶液具有很好的强化沸腾传热及流体减阻的特性［10-12］。Wang 等［13］配制了 CTAC/NaSal 混合溶液并在槽内进行了流动沸腾实验研究，研究结果表明表面活性剂的添加强化了沸腾传热，增大了流动沸腾的CHF（临界热流密度）。浓度为0.01%混合溶液的CHF 是水的1.6 倍。Wang 等［14］在PHP 中添加表面活性剂硬脂酸钠进行实验研究，结果表明表面活性剂对脉动热管的传热性能影响很大。在测试条件下，与去离子水PHP 相比，浓度为0.001%表面活性剂溶液的脉动热管热阻更低；当加热功率较高时，浓度为0.004%硬脂酸钠溶液明显增强了PHP 传热。但在脉动热管中应用表面活性剂的研究则比较有限［15-16］，作者课题组［17-18］前期选择了十二烷基苯磺酸钠（SDS）和全氟辛酸钾（PFOK）表面活性剂水溶液为工质对脉动热管的启动换热特性进行了研究，发现存在最佳浓度，使得脉动热管的启动时间和传热热阻最小。表面活性剂在脉动热管中的作用机理尚不明确。因此，本文在前期工作基础上选择十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）水溶液为工质，研究不同浓度的表面活性剂溶液对于脉动热管启动特性、温度振荡特性及传热特性的影响。

1 试验材料和方法

1.1 表面活性剂的选择

表面活性剂具有在很低浓度时就能使水的表面张力显著下降的特性［19］。脉动热管内部的气泡行为对于脉动热管的性能有着重要影响，一方面脉动热管蒸发段气体的压力是脉动热管启动和循环的动力，另一方面又关系到脉动热管的运行换热特性。已有研究表明［20］，与较大的长气泡相比，球形小气泡比更容易使壁面产生新的蒸气泡并使脉动热管容易运行。并且气泡直径越小，产生气泡所需要的过热度越小。在目前表面活性剂溶液的池沸腾研究中，研究者得出相同结论，表面张力的减小使形成气泡所需能量减少，从而激发更多的气化核心，因此形成更多、更小的气泡［21］。本文选择CTAB，阳离子型表面活性剂，由国药集团化学试剂有限公司提供，基液为去离子水。作为一种广泛应用的表面活性剂，CTAB阳离子型表面活性剂物理性质已经有研究者进行过测定［22］，CTAB 表面活性剂水溶液在达到临界胶束浓度（CMC）对应质量分数约为0.05%时，可将水表面张力降低至0.04 N/m 左右。并且温度对其CMC 影响较小，可以忽略。

1.2 试验系统

所采用的脉动热管传热性能试验系统如图1所示。试验系统主要由脉动热管主体、加热系统、冷却系统和数据采集系统以及其他辅助部件组成。脉动热管主体是由内径2 mm，外径4 mm 的紫铜管弯折而成的蛇形闭合回路。具体尺寸如下：整体尺寸（长×宽）为300 mm×600 mm，其中蒸发段、绝热段和冷凝段长度均为100 mm，管间距为60 mm。热电偶布置如图1 所示。本试验的加热系统由RXN-605D 型号直流电源和电加热丝组成。直流电源的调压范围为0～60 V，最大输出功率为300 W，指示表头显示精度1%。通过调节电加热丝两端输入电压来对脉动热管蒸发段的输入热量进行控制。脉动热管实验台的冷却系统采用RC 3010 型恒温水槽，可调节的温度范围为-40～ 120 ℃，并且具有良好的温度稳定性（± 0.01 ℃）。脉动热管在运行过程中测点温度的变化情况由数据采集系统测量，该系统由Agilent 34970A 多通道数据采集仪、校正后精度为± 0.1 ℃的K 型热电偶以及计算机组成。数据采集周期为1 s，温度信号由热电偶传入数据采集进行AD 转化采集，最后传入计算机由自带软件显示并记录。

图1 脉动热管试验系统示意

1.3 测试工况及误差分析

为讨论CTAB 表面活性剂水溶液浓度对脉动热管的影响，设置质量分数分别为0.025%、0.075%、0.125%、0.175%和0.25%，5 种不同浓度的CTAB 水溶液，充液率为50%，倾角为90°。在实验研究中，将蒸发段温度脉动曲线中第一个温度突然下降点的时间作为启动时间，将此点的温度作为启动温度。

在一定运行工况下，待各测点的温度脉动保持恒定，即达到传热稳定。选取脉动热管稳定运行20 min 后各测温点的温度值进行脉动热管传热性能的分析。对蒸发段、冷凝段取平均，计算热阻值。脉动热管的热阻可由下式计算得到：

式中 Te—— 脉动热管稳定运行时蒸发段各测点的平均温度；

Tc—— 脉动热管稳定运行时冷凝段各测点的平均温度；

Q ——电加热丝的加热量；

T1～T5—— 蒸发段5 个温度测点在20 min稳定运行内的平均值；

T11～T15—— 冷凝段5 个温度测点在20 min稳定运行内的平均值；

U，I —— 电压、电流，由直流电源显示器直接读取。

直接测量误差可由测量仪器的测量误差δi直接给出。由误差传递理论可知，间接测量值y 的绝对误差δy与各传递分量绝对误差δxi的关系为：

在本试验中，电压和电流均由直流电源读取，其显示精度均为1%。电压量程0～60 V，电流量程0～5 A。当采用本试验最小加热功率20 W 时，其电压和电流分别达到最小值为9.2 V 和2.2 A，则得到输入功率的最大相对误差为：

同样可以得到脉动热管热阻的相对误差。标定后热电偶的测温误差为±0.1 ℃，且在加热功率为20 W 时，Te-Tc最小值为28 ℃，因此得到热阻的最大相对误差为：

2 试验结果与讨论

2.1 启动特性分析

图2 示出不同加热功率下以去离子水为工质的脉动热管启动曲线。

图2 不同加热功率去离子水脉动热管的启动过程

从图2 中可以看出，在加热功率小于40 W时，没有出现温度突然下降点，此时脉动热管没有启动。当加热功率较低时，由于输入热量较小，相变过程可能未发生或进行较缓慢，热量通过导热方式传递，因而未能产生足够有效的推动力。随着加热功率增大，输入的热量不断增加，相变过程加剧推动液塞向冷凝端运动启动脉动热管。由于单位时间输入热量的增加，脉动热管启动时间也随着加热功率的增大而减小。

在进行试验中发现，对于倾斜角、充液率和浓度一定的CTAB 脉动热管，不同加热功率下的CTAB 脉动热管启动规律相似。当加热功率小于40 W 时CTAB 脉动热管无法启动；当加热功率大于等于40 W 时随着加热功率的增大，CTAB 脉动热管启动时间减小。因此，综合水与CTAB 脉动热管的启动规律，选择充液率50%、倾斜角90°在加热功率80 W 工况为例进行启动特性分析。图3 所示为充液率50%、倾斜角90°的脉动热管在加热功率80 W 情况下，不同浓度CTAB 蒸发段温度随时间变化曲线。

图3 不同浓度CTAB 水溶液脉动热管的启动过程（P=80 W）

从图3 中可以看出，各浓度的CTAB 脉动热管的启动温度变化趋势类似。蒸发段温度都是先持续增加而后突然降低，再逐渐变化到稳定运行温度范围内波动。启动前，在脉动热管中的气塞和液塞停滞在管中，只有脉动热管积累了足够的能量，在蒸发冷凝端的压差足够克服阻力时脉动热管才能正常启动。因此在图3 中，脉动热管启动前，其内部工质持续受热温度持续升高，达到启动条件时，气体推动液塞运动，低温液体补充到刚才位置使温度突然下降。随着表面活性剂浓度的增加，脉动热管的启动时间先增加后减少。其原因是随着表面活性剂浓度的提高，溶液粘度越来越大，启动的阻力也越来越大；随着浓度的不断增大，表面张力降低使产生气泡所需过热度进一步降低，产生大量的气泡，对于沸腾的强化作用大于黏度增加的影响，因此启动时间先增加后减小。而启动温度方面，由于表面活性剂水溶液在蒸发段沸腾过程中，在壁面产生大量气泡，壁面的温度波动较大。整体上启动温度变化规律与启动时间类似，也呈现先增大后减小的趋势。图4 是在充液率50%，倾斜角90°，加热功率80 W 的情况下，去离子水和不同浓度CTAB 水溶液脉动热管的启动时间和启动温度。对比相同操作参数下去离子水脉动热管的启动性能可知，当表面活性剂溶液浓度从0.025%升高到0.175%时，其启动时间不断升高且均高于去离子水。而当表面活性剂浓度升高到0.25%时，启动时间相比去离子水减少28.5%。

图4 去离子水和不同浓度CTAB 溶液脉动热管的启动时间及启动温度（P=80 W）

其原因是虽然此时黏度最大，但是在较高的加热功率下，表面活性剂对于沸腾换热的强化明显。蒸发段的气泡生成数量大幅增加，大量气泡通过气液界面进入气塞中，迅速达到启动所需饱和压力。因此在高浓度高加热功率下，CTAB 脉动热管启动性能优于纯水脉动热管。

2.2 温度脉动曲线特性分析

图5 示出去离子水及不同浓度CTAB 脉动热管在倾斜角90°、充液率50%下的温度脉动曲线。从整体上看，依然符合随加热功率增加，启动时间减少的规律。当加热功率较低为40 W 时，浓度为0.025%的CTAB 脉动热管正常启动，浓度为0.125%的CTAB 脉动热管没有启动。各浓度CTAB 脉动热管的启动主要受溶液粘度和气化剧烈程度共同作用。根据图5（a）（c）（e）可以看出，当加热功率为40 W 时，添加表面活性剂所带来粘度的变化明显延长了脉动热管的启动时间和脉动周期。当CTAB 浓度为0.025%时，此时溶液粘度较小，启动阻力相对较小，脉动热管可以启动。但是，随着表面活性剂浓度的增加，随之增大的黏度阻碍了脉动热管的启动。在加热功率较低时，提供的热驱动力不足以克服阻力使脉动热管启动。

图5 不同加热功率去离子水及不同浓度CTAB 水溶液脉动热管的温度脉动曲线

当加热功率较高为100 W 时，各个浓度下的CTAB 脉动热管都能正常启动。单位时间内的高能量输入，有利于脉动热管的启动。与启动特性分析类似，启动时间随CTAB 浓度升高先增大后减小。并且随CTAB 浓度升高，温度脉动的频率加快，传热性能越好。这主要是因为表面张力的降低强化了工质的沸腾换热过程，提高了蒸发段与冷凝段的换热效率。当CTAB 浓度达到0.125%以上，脉动热管的温度脉动曲线在启动开始阶段均出现了在较高温度范围内脉动。这是由于在较高加热功率下，一方面对于浓度较高的CTAB 脉动热管蒸发段的沸腾换热更加剧烈，产生的气泡更多，使得其壁面的温度波动较大。另一方面，气泡的增多和黏度的增大在脉动热管启动运行中需要积累更大的热驱动力。经过一段时间后，CTAB脉动热管稳定运行温度明显低于去离子水脉动热管，温度波动幅度较小。这可能是因为表面活性剂溶液和去离子水沸腾特性的区别。水在沸腾过程中气泡行为极度混乱无序，在上升过程中存在大量的气泡合并现象。而表面活性剂的添加则会减小产生的气泡直径，并且明显减小气泡合并趋势，因此换热较为稳定［21］。此外随着CTAB 的添加，黏度增大气泡数量增多使得剪切力增大减慢了振荡周期，因此在高加热功率和高浓度稳定运行时呈现出较去离子水而言振幅较小而周期稍大的特点。在浓度为0.025%的CTAB 脉动热管在100 W 加热功率下的温度振荡曲线中出现了几处温度突变点，温度突然急剧升高后降低至运行温度。考虑原因可能是由于表面活性剂的添加，气泡生成增加，气泡和液体在脉动热管中随机分布和蒸发段加热的不均匀，部分液体在加热过程中完全蒸发导致出现了短暂的局部烧干的现象。

2.3 传热特性分析

在倾斜角90°，充液率为50%条件下，不同浓度CTAB 脉动热管的热阻值随加热功率变化规律如图6 所示。

图6 不同浓度下CTAB 水溶液脉动热管的热阻

从图中可以看出，与去离子水类似，不同浓度的CTAB 脉动热管热阻均随加热功率的升高而减小。当加热功率从20 W 升高到100 W 时，去离子水脉动热管的热阻从1.67 K/W 下降到了0.6 K/W，降低了64%；浓度为0.25%的CTAB 水溶液脉动热管的热阻从1.73 K/W 降低到0.3 K/W，下降了83%。在较低加热功率下（≤40 W），所有浓度CTAB 脉动热管的热阻高于去离子水脉动热管。在高加热功率下浓度高于0.125%的CTAB脉动热管显示出了良好的传热性能，传热热阻远低于去离子水和低浓度工况下热阻。这是由于表面活性剂的添加使溶液黏度变大，在加热功率较小时热驱动力不足使得工质的流速较慢，传热性能不佳。而在高加热功率时，高浓度的CTAB 溶液更易于在蒸发段沸腾。与去离子水相比，CTAB溶液在沸腾过程中产生的气泡直径较小，气泡数量更多，分布密度更大。大量的小直径气泡增加了气-液表面的接触面积并且改善了加热面润湿性。由于在气-液界面处发生沸腾和冷凝，因此气-液接触面积的增加强化了相变过程，产生了更大的压力波动，使冷热端压差增大，促进了脉动及循环流动过程，强化了脉动热管传热效果。另一方面，大量的气泡也增加了流体的扰动和流速提高了传热效率。因此，在高热流密度下，高浓度CTAB 脉动热管传热热阻明显减小。需要说明的是，在前文中曾指出浓度为0.125%的CTAB 水溶液脉动热管在加热功率80 W 时启动温度和启动时间高于其它浓度的脉动热管。在脉动热管的启动过程中，开始阶段脉动热管蒸发段液塞受热但并未产生运动，此时黏度占主要影响地位。一方面浓度为0.125%的CTAB 表面活性剂脉动热管浓度相对较大，带来的黏度增加的影响较大；另一方面由于CTAB 表面活性剂溶液相变过程与去离子水相比在沸腾过程中产生了更多的气泡，在未达到启动条件时，在绝热和冷凝段积累了更多的气体。因此相比于去离子水脉动热管需要积累更多的能量推动液塞完成启动过程。而传热热阻是在稳定运行时测得的，反映的是脉动热管的稳定运行时的传热特性。

CTAB 表面活性剂强化了沸腾过程的换热效果，而此时脉动热管中的液塞不断在蒸发段与冷凝段之间循环运动，因此可以充分体现强化换热的作用，降低了脉动热管的热阻及运行温度。