石墨烯/去離子水納米流體振蕩熱管傳熱性能

施賽燕，崔曉鈺，周宇，韓華，陳成猛

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石墨烯/去離子水納米流體振蕩熱管傳熱性能

施賽燕1，崔曉鈺1，周宇1，韓華1，陳成猛2

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030001）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究石墨烯（GNP）納米流體振蕩熱管的傳熱性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.05%、0.08%和0.10%，充液率為45%～90%，加熱功率為10～100 W。結(jié)果表明，充液率為45%時(shí)，GNP納米流體可以緩解燒干；充液率為55%～70%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%具有較為明顯的傳熱優(yōu)勢(shì)，其熱阻最高可降低83.33%。GNP納米流體改善PHP傳熱性能的原因主要是其熱導(dǎo)率較高，表面潤(rùn)濕性能較好。

傳熱；熱力學(xué)性質(zhì)；納米粒子；石墨烯納米流體；振蕩熱管

引 言

振蕩熱管（pulsating heat pipe，PHP）作為極具潛力的電子冷卻器吸引了很多學(xué)者的關(guān)注[1-2]，因此對(duì)PHP的研究也有很多，包括PHP內(nèi)充注的工質(zhì)，PHP的結(jié)構(gòu)和材料等，而PHP內(nèi)充注工質(zhì)的種類是最受學(xué)者關(guān)注的對(duì)象之一[3]。納米流體是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)工質(zhì)，納米流體可以明顯提升PHP的傳熱特性[4]。Karthikeyan等[5]研究發(fā)現(xiàn)PHP內(nèi)充注Ag納米流體可以將其傳熱性能提高33.3%；Qu等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的Al2O3納米流體最大能將PHP的熱阻降低32.5%；Ma等[7]將體積分?jǐn)?shù)1%的鉆石顆粒和HPLC級(jí)水配制成納米流體，PHP的熱阻可以達(dá)到0.03℃·W-1。Tanshen等[8]將4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.05%，0.1%，0.2%和0.3%）的多壁碳納米管（MWCNT）納米流體作為PHP的工質(zhì)，充液率為60%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)工質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，PHP的傳熱性能最好。Li等[9]進(jìn)行了SiO2納米流體振蕩熱管的可視化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，納米流體在管內(nèi)的接觸角更小，液柱的分段更多，且納米流體相比純工質(zhì)更容易發(fā)生核態(tài)沸騰。納米流體改善PHP的傳熱性能的原因主要有以下兩點(diǎn)：①在基液中添加納米粒子，顯著增大了液體的熱導(dǎo)率[10]；②納米顆粒的添加改變PHP內(nèi)壁面的表面狀況，尤其是在蒸發(fā)段，增加了汽化核心[11]。和其他納米顆粒相比，石墨烯納米片（graphene nanoplatelet，GNP）具有超高的熱導(dǎo)率(3000～5000 W·m-1·K-1)[12]，而且石墨烯是二維納米材料，相較于零維納米顆粒和一維納米管，其熱傳輸特性和傳熱機(jī)制有很大的不同[13-14]。因此將其制成納米流體作為PHP的工質(zhì)，預(yù)期會(huì)有較好的效果。已經(jīng)有學(xué)者將GNP納米流體運(yùn)用于普通熱管內(nèi)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，熱管的熱阻最大能降低48.4%，在關(guān)于熱管中運(yùn)用納米流體的公開文獻(xiàn)中，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果最佳[15]。因此，考慮將GNP配制成合適濃度的納米流體作為PHP的工質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究PHP的傳熱性能。GNP納米流體的穩(wěn)定性如圖1所示，圖中對(duì)應(yīng)GNP納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從左往右依次為0.01%、0.05%、0.08%和0.10%。每次實(shí)驗(yàn)之前，所用工質(zhì)都會(huì)經(jīng)過(guò)1 h超聲振蕩。振蕩完成之后的工質(zhì)較穩(wěn)定，如圖1(a)所示，之后GNP納米流體隨時(shí)間的沉降情況如圖1(b)～(d)所示，可以看出GNP納米流體5 min后開始沉降，25 min后基本完全沉降。因此在超聲振蕩完成之后立即將工質(zhì)充入振蕩熱管內(nèi)，并開始實(shí)驗(yàn)。

GNP的TEM掃描結(jié)果如圖2所示。

文獻(xiàn)[15]指出GNP納米流體的接觸角隨著濃度的增大而減小，同時(shí)接觸角的減小表明了工質(zhì)能較好地潤(rùn)濕固體表面。Nayak等[16]也得出了相似的結(jié)論：和基液相比，GNP納米流體的接觸角至少可以降低16%，說(shuō)明GNP納米流體具有較好表面濕潤(rùn)性。Mehrali等[17]測(cè)量了不同濃度GNP納米流體的物性，納米流體的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高基本呈直線上升，且和去離子水相比，納米流體的熱導(dǎo)率增大了12%～28%；GNP納米流體的黏度隨著溫度的上升而下降且納米流體的黏度較高；納米流體熱導(dǎo)率和黏度的值都隨濃度的升高而升高。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量蒸發(fā)段及冷凝段的溫度變化，計(jì)算PHP的整體熱阻，探究GNP納米流體如何影響PHP傳熱性能并嘗試揭示其機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

PHP的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PHP元件、充液/抽真空裝置、加熱冷卻裝置及數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。PHP蒸發(fā)段采用電加熱絲纏繞底部加熱；蒸發(fā)段和絕熱段置于封閉透明的腔體中，以減少試件向環(huán)境散熱；冷凝段放入小型風(fēng)道中央進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，風(fēng)速 1.5 m·s-1；抽真空和充液共用一個(gè)管段，通過(guò)上部的閥門分別連接真空表和滴定管。PHP元件及測(cè)溫?zé)犭娕嫉牟贾萌鐖D4所示，PHP的內(nèi)徑為2 mm，相鄰兩根管之間的中心距為20 mm，彎頭半徑為10 mm。PHP垂直放置，從上往下依次為冷凝段、絕熱段和蒸發(fā)段，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為95、20和80 mm。一共布置了20個(gè)熱電偶，1個(gè)測(cè)量雙層有機(jī)玻璃盒外表面溫度，其余測(cè)量PHP外壁面的溫度（其中編號(hào)1～6測(cè)量冷凝段的溫度，編號(hào)7～11測(cè)量蒸發(fā)段的溫度，編號(hào)12～19測(cè)量中間管段的溫度）。

1.1 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

在本實(shí)驗(yàn)中，GNP納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率為45%、55%、62%、70%、90%，加熱功率10～100 W。需要說(shuō)明的是：實(shí)驗(yàn)中當(dāng)加熱功率低于35 W時(shí)，工質(zhì)運(yùn)動(dòng)比較慢，初始充液的隨機(jī)分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性比較差，因此取35 W加熱功率以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

PHP的熱阻計(jì)算式為

式中，e為PHP達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，蒸發(fā)段各測(cè)點(diǎn)溫度的平均值；c為PHP達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，冷凝段各測(cè)點(diǎn)溫度的平均值；為電加熱絲的加熱功率。蒸發(fā)段和冷凝段的溫度可根據(jù)PHP穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度T的平均值確定，即

1.3 不確定度分析

1.3.1 加熱功率不確定度 加熱實(shí)驗(yàn)所用的電壓表（0～75 V）和電流表（0～1 A）精度等級(jí)為0.5，當(dāng)加熱功率為10 W時(shí)，測(cè)量電壓為31.1 V，測(cè)量電流為0.32 A，加熱功率的相對(duì)不確定度為

1.3.2 熱阻不確定度 標(biāo)定后的熱電偶精度是0.1℃，安捷倫的精度是0.0256℃，所以溫度測(cè)量的絕對(duì)不確定度為

而在加熱功率為10 W時(shí)，蒸發(fā)段和冷凝段最小溫差為：(e?c)min=12.6℃。

所以熱阻的最大不確定度為

給定一個(gè)包含因子（=2）[18]，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大的不確定度為

2 GNP納米流體PHP的傳熱性能

2.1 小充液率（45%）PHP的傳熱性能

小充液率下不同濃度PHP的熱阻曲線如圖5所示。從圖中可以看出，去離子水PHP的耐熱功率（PHP蒸發(fā)段平均溫度達(dá)到120℃時(shí)的加熱功率）為50 W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%和0.05%的GNP納米流體的耐熱功率為65 W，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%和0.10%的GNP納米流體的PHP的耐熱功率能增加至80 W，說(shuō)明GNP納米流體能夠延遲燒干（圖5中最右端點(diǎn)即對(duì)應(yīng)燒干點(diǎn)），擴(kuò)大了PHP的工作范圍。從圖中還可以看出，GNP納米流體PHP的熱阻自35 W后均小于去離子水，說(shuō)明GNP納米流體能夠明顯改善PHP的傳熱性能，原因是：GNP納米流體具有較好的表面潤(rùn)濕性，緩解振蕩熱管的燒干狀況。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的納米流體PHP，其熱阻自50 W開始均高于其余濃度的GNP納米流體PHP；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%和0.01%的GNP納米流體PHP熱阻較為接近；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08% GNP納米流體PHP在高功率（65～80 W）下，其熱阻均低于其余濃度PHP，說(shuō)明在此充液率下，0.08%是最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

結(jié)合圖6中不同濃度GNP納米流體PHP冷熱端溫度振蕩曲線作進(jìn)一步說(shuō)明。圖6(a)為去離子水PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，從圖中可以看出，當(dāng)加熱功率為50 W時(shí)，冷凝段的平均溫度和35 W相比基本沒有變化，但是蒸發(fā)段的平均溫度迅速上升，之后一直維持在較高水平，說(shuō)明此時(shí)管內(nèi)已經(jīng)沒有足夠液態(tài)的去離子水冷卻蒸發(fā)段，PHP無(wú)法正常運(yùn)行；圖6(b)為0.01% GNP納米流體PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，從圖中可以看出，當(dāng)加熱功率為50 W時(shí)，工質(zhì)在管內(nèi)振蕩良好，冷熱端溫差較?。粓D6(c)為0.10% GNP納米流體PHP冷熱端平均溫度振蕩曲線，自50 W開始0.10% GNP納米流體PHP冷熱端溫差逐漸增大，該濃度納米流體的黏度最高，工質(zhì)在管內(nèi)的運(yùn)行阻力增大，導(dǎo)致傳熱性能變差。

2.2 中等充液率（55%、62%、70%）PHP的傳熱性能

當(dāng)充液率為55%時(shí)，PHP的傳熱熱阻如圖7所示。當(dāng)加熱功率大于50 W時(shí)，去離子水PHP的熱阻呈逐漸上升趨勢(shì)，有輕微局部燒干。而GNP納米流體PHP的熱阻隨著加熱功率上升逐漸下降。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的PHP的熱阻明顯高于其他濃度的GNP納米流體，雖然濃度越高，石墨烯納米流體的熱導(dǎo)率越高，但同時(shí)納米流體的黏度也隨之增加，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，因而冷熱端的溫差增大，其熱阻也增大。其他濃度的PHP熱阻較為接近，0.01% GNP納米流體PHP略低于0.05%和0.08%納米流體。當(dāng)充液率增加至62%時(shí)，PHP的熱阻曲線如圖8所示。在此充液率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%的PHP優(yōu)勢(shì)較為明顯，其熱阻要明顯低于其他工質(zhì)PHP，當(dāng)加熱功率為100 W時(shí)，0.01%的納米流體PHP的熱阻相比去離子水降低了83.33%（從0.12℃·W-1到0.02℃·W-1）。除2.1節(jié)提到的GNP納米流體具有熱導(dǎo)率高、潤(rùn)濕性能好的特點(diǎn)外，在此充液率下還有一個(gè)原因：當(dāng)充液率為50%～70%之間，PHP正常運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)的流型以環(huán)狀流為主[19]，GNP納米流體在管內(nèi)壁面形成一層涂層，增強(qiáng)了壁面的熱導(dǎo)率，從而進(jìn)一步提高了PHP的傳熱性能[15]。當(dāng)充液率為70%時(shí)，各濃度PHP傳熱性能如圖9所示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01% GNP納米流體PHP繼續(xù)保持傳熱優(yōu)勢(shì)，原因同充液率為62%的情況。

2.3 大充液率（90%）及0.01%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同充液率PHP的傳熱性能

當(dāng)充液率增加至90%時(shí)，PHP熱阻曲線如圖10所示。GNP納米流體PHP的熱阻基本上低于去離子水PHP，主要原因還是納米流體的熱導(dǎo)率較高，表面潤(rùn)濕能力較好。從圖中還可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的GNP納米流體PHP的熱阻明顯高于其他濃度，濃度越高，納米流體的黏度也隨之增加，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，因而冷熱端的溫差增大，其熱阻也增大。圖11為相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.01%）不同充液率下各工質(zhì)PHP的熱阻曲線，從圖中可以看出當(dāng)加熱功率高于35 W時(shí)，充液率為90%的PHP熱阻明顯高于其他充液率，原因是：90%充液率下PHP氣相空間小，氣泡的生成和成長(zhǎng)受到限制[20]，促使工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力減弱，而且管內(nèi)工質(zhì)絕大部分以液體形式存在，運(yùn)行的阻力會(huì)相對(duì)增大。

3 結(jié) 論

GNP納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率為45%、55%、62%、70%、90%，加熱功率10～100 W。本實(shí)驗(yàn)中分析了不同充液率下各濃度GNP納米流體PHP的熱阻曲線，得出如下結(jié)論：

（1）添加GNP納米材料后，GNP納米流體相比于去離子水，PHP傳熱性能提高的原因主要是：①GNP納米流體較好表面潤(rùn)濕性和較高的熱導(dǎo)率；②GNP納米流體在管內(nèi)壁面形成一層涂層，增強(qiáng)了壁面的熱導(dǎo)率，從而進(jìn)一步提高PHP的傳熱性能。

（2）小充液率（45%）：和去離子水相比，GNP納米流體PHP的耐熱功率增加，熱阻減小，提高了PHP的傳熱性能；中等充液率（55%、62%、70%）：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的GNP納米流體PHP傳熱性能較為突出，當(dāng)充液率為62%，加熱功率為100 W時(shí)，熱阻最高能降低83.33%；高充液率（90%）：GNP納米流體PHP的熱阻基本低于去離子水。

（3）不同濃度的GNP納米流體PHP適合的充液率不同。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08% GNP納米流體在45%充液率下傳熱性能最好，0.01% GNP納米流體適用的充液率范圍較廣，為55%～70%，而此充液率為振蕩熱管的最佳充液率范圍，因此建議0.01% GNP納米流體作為振蕩熱管的工質(zhì)。0.10% GNP納米流體PHP在各充液率下的熱阻均保持在一個(gè)較高的水平，傳熱性能劣于其他濃度。

符 號(hào) 說(shuō) 明

I——電流，A Q——PHP蒸發(fā)段電加熱絲的加熱量，W R——PHP 的熱阻，℃·W-1 Tc, Te——分別為PHP達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冷凝段、蒸發(fā)段各點(diǎn)的平均溫度，℃ U——電壓，V 下角標(biāo) i——熱電偶編號(hào) max——最大值

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Heat transfer performance of pulsating heat pipe with graphene aqueous nanofluids

SHI Saiyan1, CUI Xiaoyu1, ZHOU Yu1, HAN Hua1, CHEN Chengmeng2

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China;2CAS Key Laboratory of Carbon Materials, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China)

Experiments of pulsating heat pipe (PHP) were conducted with graphene nanoplate (GNP) nanofliuds at different mass fractions (0.01%, 0.05% %, 0.08% and 0.10%) under various filling ratios (45%—90%) and heat inputs (10—100 W). The results indicated that when the filling ratio was 45%, GNP nanofluids can significantly improve the dry state in PHP. The filling ratio ranged from 55%—70% and PHP with GNP nanofluids at the mass fraction of 0.01% showed better heat transfer performance and the maximum reduction on thermal resistance of PHP with nanofluids was 83.33% compared to that with deionized water. The main reasons for improving the heat transfer performance of PHP were higher thermal conductivity and better surface wettability of GNP nanofluids.

heat transfer; thermodynamic properties; nanoparticles; GNP nanofluids; pulsating heat pipe

date: 2016-06-13.

Prof. CUI Xiaoyu, xiaoyu_cui@usst.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160807

TK 124

A

0438—1157（2016）12—4944—07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51076104）；2012年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”高新技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目基金項(xiàng)目(12dz1143800)。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51076104) and the 2012 Project of High Tech Field “Action Plan of Science and Technology Innovation” (12dz1143800).

2016-06-13收到初稿，2016-09-12收到修改稿。

聯(lián)系人：崔曉鈺。第一作者：施賽燕（1990—），女，碩士研究生。