CTAB 表面活性劑脈動熱管性能研究

龔志明，王瑞祥，邢美波

（北京市建筑能源高校綜合利用工程技術(shù)研究中心，環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

脈動熱管是Akachi［1］于20 世紀(jì)90 年代首先提出的一種新型散熱元件。因其具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化和傳熱高效等特點，受到廣泛關(guān)注［2-5］。脈動熱管的工作原理是利用液塞的運動來實現(xiàn)高效傳熱，并利用蒸發(fā)段與冷凝段間的壓差實現(xiàn)脈動過程。蒸發(fā)段液體吸熱，隨著壁溫的升高，過熱度不斷增大，液體部分由對流換熱進入到沸騰換熱。在核態(tài)沸騰下，氣泡不斷迅速產(chǎn)生，并上浮從氣液界面逸出進入氣塞部分。因而氣塞部分壓力不斷增大，并最終推動工質(zhì)克服阻力向冷凝段運動，形成定向的循環(huán)流動。影響脈動熱管特性參數(shù)可歸結(jié)為3 類：（1）物性參數(shù)，包括工質(zhì)物性、充液率等；（2）操作參數(shù)，包括加熱/冷卻方式、傾斜角、加熱功率等；（3）幾何參數(shù)，包括管徑、管長、彎頭數(shù)等［6］。

工質(zhì)的選擇對于脈動熱管的特性有著重要影響。王迅等［7］以體積分?jǐn)?shù)為30%的甲醇水溶液、甲醇和水為工質(zhì)，在不同加熱功率、不同充液率和不同傾斜角工況下，對脈動熱管的啟動特性進行了實驗研究，結(jié)果表明工質(zhì)的物性參數(shù)與操作參數(shù)共同作用影響脈動熱管啟動性能。在50%充液率工況下，甲醇水溶液的啟動時間比甲醇長，比水短。而在大充液率（80%）和小充液率（20%），大加熱功率下，甲醇水溶液的啟動時間比甲醇短。Khandekar 等［8］通過總結(jié)以往學(xué)者研究結(jié)果，建議選擇高（dP/dT）sat，即蒸氣壓隨溫度變化大、低黏度、低潛熱、高比熱、低表面張力的流體作為應(yīng)用到脈動熱管中的工質(zhì)。Qu 等［9］選擇Al2O3/H2O納米流體為工質(zhì)進行實驗研究，實驗結(jié)果表明在表面沉積的納米顆粒層增加了活躍的核化點數(shù)量和氣泡的脫離頻率從而強化了脈動熱管傳熱 效果。

目前已有很多針對表面活性劑的實驗研究表明表面活性劑溶液具有很好的強化沸騰傳熱及流體減阻的特性［10-12］。Wang 等［13］配制了 CTAC/NaSal 混合溶液并在槽內(nèi)進行了流動沸騰實驗研究，研究結(jié)果表明表面活性劑的添加強化了沸騰傳熱，增大了流動沸騰的CHF（臨界熱流密度）。濃度為0.01%混合溶液的CHF 是水的1.6 倍。Wang 等［14］在PHP 中添加表面活性劑硬脂酸鈉進行實驗研究，結(jié)果表明表面活性劑對脈動熱管的傳熱性能影響很大。在測試條件下，與去離子水PHP 相比，濃度為0.001%表面活性劑溶液的脈動熱管熱阻更低；當(dāng)加熱功率較高時，濃度為0.004%硬脂酸鈉溶液明顯增強了PHP 傳熱。但在脈動熱管中應(yīng)用表面活性劑的研究則比較有限［15-16］，作者課題組［17-18］前期選擇了十二烷基苯磺酸鈉（SDS）和全氟辛酸鉀（PFOK）表面活性劑水溶液為工質(zhì)對脈動熱管的啟動換熱特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)存在最佳濃度，使得脈動熱管的啟動時間和傳熱熱阻最小。表面活性劑在脈動熱管中的作用機理尚不明確。因此，本文在前期工作基礎(chǔ)上選擇十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）水溶液為工質(zhì)，研究不同濃度的表面活性劑溶液對于脈動熱管啟動特性、溫度振蕩特性及傳熱特性的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 表面活性劑的選擇

表面活性劑具有在很低濃度時就能使水的表面張力顯著下降的特性［19］。脈動熱管內(nèi)部的氣泡行為對于脈動熱管的性能有著重要影響，一方面脈動熱管蒸發(fā)段氣體的壓力是脈動熱管啟動和循環(huán)的動力，另一方面又關(guān)系到脈動熱管的運行換熱特性。已有研究表明［20］，與較大的長氣泡相比，球形小氣泡比更容易使壁面產(chǎn)生新的蒸氣泡并使脈動熱管容易運行。并且氣泡直徑越小，產(chǎn)生氣泡所需要的過熱度越小。在目前表面活性劑溶液的池沸騰研究中，研究者得出相同結(jié)論，表面張力的減小使形成氣泡所需能量減少，從而激發(fā)更多的氣化核心，因此形成更多、更小的氣 泡［21］。本文選擇CTAB，陽離子型表面活性劑，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供，基液為去離子水。作為一種廣泛應(yīng)用的表面活性劑，CTAB陽離子型表面活性劑物理性質(zhì)已經(jīng)有研究者進行過測定［22］，CTAB 表面活性劑水溶液在達到臨界膠束濃度（CMC）對應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.05%時，可將水表面張力降低至0.04 N/m 左右。并且溫度對其CMC 影響較小，可以忽略。

1.2 試驗系統(tǒng)

所采用的脈動熱管傳熱性能試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗系統(tǒng)主要由脈動熱管主體、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他輔助部件組成。脈動熱管主體是由內(nèi)徑2 mm，外徑4 mm 的紫銅管彎折而成的蛇形閉合回路。具體尺寸如下：整體尺寸（長×寬）為300 mm×600 mm，其中蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長度均為100 mm，管間距為60 mm。熱電偶布置如圖1 所示。本試驗的加熱系統(tǒng)由RXN-605D 型號直流電源和電加熱絲組成。直流電源的調(diào)壓范圍為0～60 V，最大輸出功率為300 W，指示表頭顯示精度1%。通過調(diào)節(jié)電加熱絲兩端輸入電壓來對脈動熱管蒸發(fā)段的輸入熱量進行控制。脈動熱管實驗臺的冷卻系統(tǒng)采用RC 3010 型恒溫水槽，可調(diào)節(jié)的溫度范圍為-40～ 120 ℃，并且具有良好的溫度穩(wěn)定性（± 0.01 ℃）。脈動熱管在運行過程中測點溫度的變化情況由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量，該系統(tǒng)由Agilent 34970A 多通道數(shù)據(jù)采集儀、校正后精度為± 0.1 ℃的K 型熱電偶以及計算機組成。數(shù)據(jù)采集周期為1 s，溫度信號由熱電偶傳入數(shù)據(jù)采集進行AD 轉(zhuǎn)化采集，最后傳入計算機由自帶軟件顯示并記錄。

圖1 脈動熱管試驗系統(tǒng)示意

1.3 測試工況及誤差分析

為討論CTAB 表面活性劑水溶液濃度對脈動熱管的影響，設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.025%、0.075%、0.125%、0.175%和0.25%，5 種不同濃度的CTAB 水溶液，充液率為50%，傾角為90°。在實驗研究中，將蒸發(fā)段溫度脈動曲線中第一個溫度突然下降點的時間作為啟動時間，將此點的溫度作為啟動溫度。

在一定運行工況下，待各測點的溫度脈動保持恒定，即達到傳熱穩(wěn)定。選取脈動熱管穩(wěn)定運行20 min 后各測溫點的溫度值進行脈動熱管傳熱性能的分析。對蒸發(fā)段、冷凝段取平均，計算熱阻值。脈動熱管的熱阻可由下式計算得到：

式中 Te—— 脈動熱管穩(wěn)定運行時蒸發(fā)段各測點的平均溫度；

Tc—— 脈動熱管穩(wěn)定運行時冷凝段各測點的平均溫度；

Q ——電加熱絲的加熱量；

T1～T5—— 蒸發(fā)段5 個溫度測點在20 min穩(wěn)定運行內(nèi)的平均值；

T11～T15—— 冷凝段5 個溫度測點在20 min穩(wěn)定運行內(nèi)的平均值；

U，I —— 電壓、電流，由直流電源顯示器直接讀取。

直接測量誤差可由測量儀器的測量誤差δi直接給出。由誤差傳遞理論可知，間接測量值y 的絕對誤差δy與各傳遞分量絕對誤差δxi的關(guān)系為：

在本試驗中，電壓和電流均由直流電源讀取，其顯示精度均為1%。電壓量程0～60 V，電流量程0～5 A。當(dāng)采用本試驗最小加熱功率20 W 時，其電壓和電流分別達到最小值為9.2 V 和2.2 A，則得到輸入功率的最大相對誤差為：

同樣可以得到脈動熱管熱阻的相對誤差。標(biāo)定后熱電偶的測溫誤差為±0.1 ℃，且在加熱功率為20 W 時，Te-Tc最小值為28 ℃，因此得到熱阻的最大相對誤差為：

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 啟動特性分析

圖2 示出不同加熱功率下以去離子水為工質(zhì)的脈動熱管啟動曲線。

圖2 不同加熱功率去離子水脈動熱管的啟動過程

從圖2 中可以看出，在加熱功率小于40 W時，沒有出現(xiàn)溫度突然下降點，此時脈動熱管沒有啟動。當(dāng)加熱功率較低時，由于輸入熱量較小，相變過程可能未發(fā)生或進行較緩慢，熱量通過導(dǎo)熱方式傳遞，因而未能產(chǎn)生足夠有效的推動力。隨著加熱功率增大，輸入的熱量不斷增加，相變過程加劇推動液塞向冷凝端運動啟動脈動熱管。由于單位時間輸入熱量的增加，脈動熱管啟動時間也隨著加熱功率的增大而減小。

在進行試驗中發(fā)現(xiàn)，對于傾斜角、充液率和濃度一定的CTAB 脈動熱管，不同加熱功率下的CTAB 脈動熱管啟動規(guī)律相似。當(dāng)加熱功率小于40 W 時CTAB 脈動熱管無法啟動；當(dāng)加熱功率大于等于40 W 時隨著加熱功率的增大，CTAB 脈動熱管啟動時間減小。因此，綜合水與CTAB 脈動熱管的啟動規(guī)律，選擇充液率50%、傾斜角90°在加熱功率80 W 工況為例進行啟動特性分析。圖3 所示為充液率50%、傾斜角90°的脈動熱管在加熱功率80 W 情況下，不同濃度CTAB 蒸發(fā)段溫度隨時間變化曲線。

圖3 不同濃度CTAB 水溶液脈動熱管的啟動過程（P=80 W）

從圖3 中可以看出，各濃度的CTAB 脈動熱管的啟動溫度變化趨勢類似。蒸發(fā)段溫度都是先持續(xù)增加而后突然降低，再逐漸變化到穩(wěn)定運行溫度范圍內(nèi)波動。啟動前，在脈動熱管中的氣塞和液塞停滯在管中，只有脈動熱管積累了足夠的能量，在蒸發(fā)冷凝端的壓差足夠克服阻力時脈動熱管才能正常啟動。因此在圖3 中，脈動熱管啟動前，其內(nèi)部工質(zhì)持續(xù)受熱溫度持續(xù)升高，達到啟動條件時，氣體推動液塞運動，低溫液體補充到剛才位置使溫度突然下降。隨著表面活性劑濃度的增加，脈動熱管的啟動時間先增加后減少。其原因是隨著表面活性劑濃度的提高，溶液粘度越來越大，啟動的阻力也越來越大；隨著濃度的不斷增大，表面張力降低使產(chǎn)生氣泡所需過熱度進一步降低，產(chǎn)生大量的氣泡，對于沸騰的強化作用大于黏度增加的影響，因此啟動時間先增加后減小。而啟動溫度方面，由于表面活性劑水溶液在蒸發(fā)段沸騰過程中，在壁面產(chǎn)生大量氣泡，壁面的溫度波動較大。整體上啟動溫度變化規(guī)律與啟動時間類似，也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖4 是在充液率50%，傾斜角90°，加熱功率80 W 的情況下，去離子水和不同濃度CTAB 水溶液脈動熱管的啟動時間和啟動溫度。對比相同操作參數(shù)下去離子水脈動熱管的啟動性能可知，當(dāng)表面活性劑溶液濃度從0.025%升高到0.175%時，其啟動時間不斷升高且均高于去離子水。而當(dāng)表面活性劑濃度升高到0.25%時，啟動時間相比去離子水減 少28.5%。

圖4 去離子水和不同濃度CTAB 溶液脈動熱管的啟動時間及啟動溫度（P=80 W）

其原因是雖然此時黏度最大，但是在較高的加熱功率下，表面活性劑對于沸騰換熱的強化明顯。蒸發(fā)段的氣泡生成數(shù)量大幅增加，大量氣泡通過氣液界面進入氣塞中，迅速達到啟動所需飽和壓力。因此在高濃度高加熱功率下，CTAB 脈動熱管啟動性能優(yōu)于純水脈動熱管。

2.2 溫度脈動曲線特性分析

圖5 示出去離子水及不同濃度CTAB 脈動熱管在傾斜角90°、充液率50%下的溫度脈動曲線。從整體上看，依然符合隨加熱功率增加，啟動時間減少的規(guī)律。當(dāng)加熱功率較低為40 W 時，濃度為0.025%的CTAB 脈動熱管正常啟動，濃度為0.125%的CTAB 脈動熱管沒有啟動。各濃度CTAB 脈動熱管的啟動主要受溶液粘度和氣化劇烈程度共同作用。根據(jù)圖5（a）（c）（e）可以看出，當(dāng)加熱功率為40 W 時，添加表面活性劑所帶來粘度的變化明顯延長了脈動熱管的啟動時間和脈動周期。當(dāng)CTAB 濃度為0.025%時，此時溶液粘度較小，啟動阻力相對較小，脈動熱管可以啟動。但是，隨著表面活性劑濃度的增加，隨之增大的黏度阻礙了脈動熱管的啟動。在加熱功率較低時，提供的熱驅(qū)動力不足以克服阻力使脈動熱管啟動。

圖5 不同加熱功率去離子水及不同濃度CTAB 水溶液脈動熱管的溫度脈動曲線

當(dāng)加熱功率較高為100 W 時，各個濃度下的CTAB 脈動熱管都能正常啟動。單位時間內(nèi)的高能量輸入，有利于脈動熱管的啟動。與啟動特性分析類似，啟動時間隨CTAB 濃度升高先增大后減小。并且隨CTAB 濃度升高，溫度脈動的頻率加快，傳熱性能越好。這主要是因為表面張力的降低強化了工質(zhì)的沸騰換熱過程，提高了蒸發(fā)段與冷凝段的換熱效率。當(dāng)CTAB 濃度達到0.125%以上，脈動熱管的溫度脈動曲線在啟動開始階段均出現(xiàn)了在較高溫度范圍內(nèi)脈動。這是由于在較高加熱功率下，一方面對于濃度較高的CTAB 脈動熱管蒸發(fā)段的沸騰換熱更加劇烈，產(chǎn)生的氣泡更多，使得其壁面的溫度波動較大。另一方面，氣泡的增多和黏度的增大在脈動熱管啟動運行中需要積累更大的熱驅(qū)動力。經(jīng)過一段時間后，CTAB脈動熱管穩(wěn)定運行溫度明顯低于去離子水脈動熱管，溫度波動幅度較小。這可能是因為表面活性劑溶液和去離子水沸騰特性的區(qū)別。水在沸騰過程中氣泡行為極度混亂無序，在上升過程中存在大量的氣泡合并現(xiàn)象。而表面活性劑的添加則會減小產(chǎn)生的氣泡直徑，并且明顯減小氣泡合并趨勢，因此換熱較為穩(wěn)定［21］。此外隨著CTAB 的添加，黏度增大氣泡數(shù)量增多使得剪切力增大減慢了振蕩周期，因此在高加熱功率和高濃度穩(wěn)定運行時呈現(xiàn)出較去離子水而言振幅較小而周期稍大的特點。在濃度為0.025%的CTAB 脈動熱管在100 W 加熱功率下的溫度振蕩曲線中出現(xiàn)了幾處溫度突變點，溫度突然急劇升高后降低至運行溫度?？紤]原因可能是由于表面活性劑的添加，氣泡生成增加，氣泡和液體在脈動熱管中隨機分布和蒸發(fā)段加熱的不均勻，部分液體在加熱過程中完全蒸發(fā)導(dǎo)致出現(xiàn)了短暫的局部燒干的現(xiàn)象。

2.3 傳熱特性分析

在傾斜角90°，充液率為50%條件下，不同濃度CTAB 脈動熱管的熱阻值隨加熱功率變化規(guī)律如圖6 所示。

圖6 不同濃度下CTAB 水溶液脈動熱管的熱阻

從圖中可以看出，與去離子水類似，不同濃度的CTAB 脈動熱管熱阻均隨加熱功率的升高而減小。當(dāng)加熱功率從20 W 升高到100 W 時，去離子水脈動熱管的熱阻從1.67 K/W 下降到了0.6 K/W，降低了64%；濃度為0.25%的CTAB 水溶液脈動熱管的熱阻從1.73 K/W 降低到0.3 K/W，下降了83%。在較低加熱功率下（≤40 W），所有濃度CTAB 脈動熱管的熱阻高于去離子水脈動熱管。在高加熱功率下濃度高于0.125%的CTAB脈動熱管顯示出了良好的傳熱性能，傳熱熱阻遠(yuǎn)低于去離子水和低濃度工況下熱阻。這是由于表面活性劑的添加使溶液黏度變大，在加熱功率較小時熱驅(qū)動力不足使得工質(zhì)的流速較慢，傳熱性能不佳。而在高加熱功率時，高濃度的CTAB 溶液更易于在蒸發(fā)段沸騰。與去離子水相比，CTAB溶液在沸騰過程中產(chǎn)生的氣泡直徑較小，氣泡數(shù)量更多，分布密度更大。大量的小直徑氣泡增加了氣-液表面的接觸面積并且改善了加熱面潤濕性。由于在氣-液界面處發(fā)生沸騰和冷凝，因此氣-液接觸面積的增加強化了相變過程，產(chǎn)生了更大的壓力波動，使冷熱端壓差增大，促進了脈動及循環(huán)流動過程，強化了脈動熱管傳熱效果。另一方面，大量的氣泡也增加了流體的擾動和流速提高了傳熱效率。因此，在高熱流密度下，高濃度CTAB 脈動熱管傳熱熱阻明顯減小。需要說明的是，在前文中曾指出濃度為0.125%的CTAB 水溶液脈動熱管在加熱功率80 W 時啟動溫度和啟動時間高于其它濃度的脈動熱管。在脈動熱管的啟動過程中，開始階段脈動熱管蒸發(fā)段液塞受熱但并未產(chǎn)生運動，此時黏度占主要影響地位。一方面濃度為0.125%的CTAB 表面活性劑脈動熱管濃度相對較大，帶來的黏度增加的影響較大；另一方面由于CTAB 表面活性劑溶液相變過程與去離子水相比在沸騰過程中產(chǎn)生了更多的氣泡，在未達到啟動條件時，在絕熱和冷凝段積累了更多的氣體。因此相比于去離子水脈動熱管需要積累更多的能量推動液塞完成啟動過程。而傳熱熱阻是在穩(wěn)定運行時測得的，反映的是脈動熱管的穩(wěn)定運行時的傳熱特性。

CTAB 表面活性劑強化了沸騰過程的換熱效果，而此時脈動熱管中的液塞不斷在蒸發(fā)段與冷凝段之間循環(huán)運動，因此可以充分體現(xiàn)強化換熱的作用，降低了脈動熱管的熱阻及運行溫度。

3 結(jié)論

（1）CTAB 對脈動熱管啟動時間有一定影響。充液率50%、傾斜角90°的脈動熱管在加熱功率80 W 情況下，隨著表面活性劑濃度的增加，脈動熱管的啟動時間先增加后減少。濃度為0.25%的CTAB 脈動熱管比去離子水脈動熱管啟動時間減少28.5%。

（2）CTAB 對脈動熱管溫度振蕩特性的影響主要是表面張力和黏度變化的耦合作用。高濃度（≥0.125%）CTAB 脈動熱管在低加熱功率（≤40 W）下無法啟動。但在高加熱功率下，高濃度CTAB 脈動熱管穩(wěn)定運行溫度和溫度波動幅度明顯小于去離子水脈動熱管。

（3）CTAB 對脈動熱管傳熱強化作用與加熱功率密切相關(guān)。在低加熱功率下，CTAB 的添加使傳熱熱阻變大；在高加熱功率下，高濃度CTAB可以明顯降低傳熱熱阻。