氧化石墨烯脈動(dòng)熱管啟動(dòng)特性的研究

劉利偉 楊洪海 張?zhí)锾?張苗 周博 王耀鋒

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

脈動(dòng)熱管（Pulsating Heat Pipe，PHP）的工作狀態(tài)可分為兩個(gè)階段，開始加熱后，蒸發(fā)段溫度逐漸上升為啟動(dòng)階段。當(dāng)其溫度圍繞一恒定值上下波動(dòng)為穩(wěn)定運(yùn)行階段。PHP 的結(jié)構(gòu)[1-3]、尺寸[4]、傾斜角度[5]、加熱與冷卻方式[6]、充液率[7]、工質(zhì)[8-10]等影響其啟動(dòng)性能。

石墨烯獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)使其傳熱性能及機(jī)制均不同于一般納米顆粒，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/(m·K)，遠(yuǎn)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(qiáng)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(dòng)兩方面，未探究其啟動(dòng)特性，故本文實(shí)驗(yàn)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(dòng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。脈動(dòng)熱管采用外徑4 mm、內(nèi)徑2 mm 的紫銅管彎制而成，由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段三部分組成，彎頭數(shù)為3，熱管連接部位采用耐高溫不銹鋼三通閥連接。脈動(dòng)熱管總長250 mm，其中，蒸發(fā)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(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)包括直流電加熱系統(tǒng)（MP1203D），數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Aglient 34970A）與冷卻系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)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(fā)段采用內(nèi)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?zé)犭娕嫉牟贾萌鐖D所示，共采用12 個(gè)K 型熱電偶，測量精度±0.01 ℃，其中1～6 號(hào)測量蒸發(fā)段溫度，7～12 號(hào)測量冷凝段溫度，采用安捷倫（Aglient 34970 A）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，掃描頻率為1 Hz。冷凝系統(tǒng)由DN150mm 亞克力風(fēng)管與三相變頻風(fēng)機(jī)組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 工質(zhì)配備

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)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(fēng)冷。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，首先采用真空泵對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理，打開PHP 兩端的三通閥同時(shí)關(guān)閉滴定管閥門，連接真空泵，脈動(dòng)熱管和滴定管，抽真空過程開始。當(dāng)真空計(jì)示數(shù)為1.5×10-3Pa 時(shí)，保壓15 min，抽真空結(jié)束。然后進(jìn)行充液操作，關(guān)閉PHP 兩端的三通閥同時(shí)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(guān)閉該三通閥，充液完成。開始試驗(yàn)，打開變頻冷卻風(fēng)機(jī)，直流電源與安捷倫，初始的加熱功率設(shè)定為10 W，待每個(gè)加熱工況穩(wěn)定后，運(yùn)行10～15 min。

2 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)段溫度Te與冷凝段溫度Tc分別通過布置在蒸發(fā)段和冷凝段的6 個(gè)熱電偶的平均溫度計(jì)算所得，即：

式中：Te和Tc分別是PHP 達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)段和冷凝段6 個(gè)測點(diǎn)的平均溫度，℃；Q 為直流穩(wěn)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(zhì)的脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能的強(qiáng)化作用，定義Ep1為啟動(dòng)功率強(qiáng)化作用率，Ep2為啟動(dòng)溫度強(qiáng)化作用率，其中Q′1、T′1為以去離子水為工質(zhì)PHP 啟動(dòng)功率與啟動(dòng)時(shí)間，Q′2、T′2為以GO 為工質(zhì)PHP 啟動(dòng)功率與啟動(dòng)時(shí)間，即：

3 脈動(dòng)熱管啟動(dòng)特性分析

3.1 氧化石墨烯/去離子水脈動(dòng)熱管啟動(dòng)溫度與時(shí)間

本實(shí)驗(yàn)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(zhì)的PHP 啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間。隨著輸入功率的增加，蒸發(fā)段工質(zhì)蒸發(fā)相變，在壓力差的作用下，蒸發(fā)段工質(zhì)被推送至冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)冷卻后液化回流至蒸發(fā)段，PHP 內(nèi)工質(zhì)如此反復(fù)，達(dá)到穩(wěn)定的脈動(dòng)工況。因此，PHP 在啟動(dòng)過程中，蒸發(fā)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(dòng)上升處定義為啟動(dòng)點(diǎn)，從加熱到該溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需的時(shí)間定義為啟動(dòng)時(shí)間τ′，該點(diǎn)處的溫度定義為啟動(dòng)溫度T′，此時(shí)的功率定義為啟動(dòng)功率Q′。

FR=20%時(shí)，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(dòng)，這可能是由于小充液率的情況下，PHP 內(nèi)不能形成穩(wěn)定的氣塞與液塞導(dǎo)致。2）小充液率（FR=20%）情況下，0.05%wt 的GO 啟動(dòng)效果最好，啟動(dòng)時(shí)間為1422 s，啟動(dòng)溫度為62.2 ℃，且在啟動(dòng)前的溫度攀升幅度較小，對加熱功率的敏感度最強(qiáng)。3）從圖3 可知，隨著GO 濃度的提高，GO 的啟動(dòng)效果先優(yōu)后劣，這是由于高濃度的GO 粘度較大，需要較大的啟動(dòng)作用力，阻礙了PHP 的啟動(dòng)。

圖3 PHP 啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間（FR=20%）

FR=50%時(shí)，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(dòng)，啟動(dòng)的溫度為50.2 ℃、啟動(dòng)時(shí)間為574s。2）0.01%wt 的GO 在10 W的加熱功率下有局部啟動(dòng)的跡象，但未啟動(dòng)成功，溫度總體仍為上升趨勢，當(dāng)加熱功率增加到20 W 時(shí)，蒸發(fā)段溫度攀升至90.7 ℃后陡然下降，達(dá)到穩(wěn)定的啟動(dòng)工況，其啟動(dòng)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(qiáng)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(dòng)效果先優(yōu)后劣（0.01%wt 除外），存在最佳啟動(dòng)濃度0.05%wt，啟動(dòng)溫度為50.2 ℃，啟動(dòng)時(shí)間為574 s，在大中?。‵R=80%，50%，20%）充液率下啟動(dòng)效果最佳。4）FR=50%時(shí)，0.01%wtGO 的啟動(dòng)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(shù)量也隨之增加，PHP 的啟動(dòng)需要更加強(qiáng)勁的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，GO 帶來的氣化核心的增加與強(qiáng)化傳熱收益低于其工質(zhì)粘度的增加所導(dǎo)致的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的增加。5）只有0.05%wt、0.08%wt 的GO 啟動(dòng)效果優(yōu)于去離子水，啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間均低于去離子水，且在啟動(dòng)前的溫度攀升幅度較小，對加熱功率的敏感度最強(qiáng)。

圖4 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動(dòng)曲線（FR=50%）

圖5 PHP 啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間（FR=50%）

FR=80%時(shí)，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(dòng)，這可能是由于隨著充液率的增加，管內(nèi)工質(zhì)大部分以液體的形式存在，降低了PHP 內(nèi)蒸發(fā)段與冷凝段的壓力差，工質(zhì)驅(qū)動(dòng)力不足導(dǎo)致的。2）從圖6 可知，0.1%wtGO 在各個(gè)加熱功率下均不啟動(dòng)。3）從圖7 可知，大充液率（FR=80%）的情況下，GO 惡化了PHP 的啟動(dòng)性能，各濃度的GO 啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間均高于去離子水，其原因同F(xiàn)R=50%中所述。

圖6 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動(dòng)曲線（FR=80%）

圖7 PHP 啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間（FR=80%）

3.2 氧化石墨烯/去離子水脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)功率分析

圖8 為以GO 與去離子水為工質(zhì)的PHP 在不同充液率下啟動(dòng)功率隨濃度的變化關(guān)系，可知：1）隨著充液率的增加，PHP 的啟動(dòng)功率先降低后增加，存在最佳啟動(dòng)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(dòng)功率先降低后升高，存在最佳啟動(dòng)濃度0.05%wt。3）FR=50，wt=0.05%為最佳啟動(dòng)工況。

圖8 氧化石墨烯/去離子水PHP 啟動(dòng)功率

3.3 充液率對脈動(dòng)熱管啟動(dòng)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(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間，由圖可知：隨著充液率的增加，各濃度GO 的T′與τ′均呈現(xiàn)與Q′相同的變化趨勢，即先降低后增加（FR=80%，wt=0.1%不啟動(dòng)），充液率FR=50%，wt=0.05%時(shí)，Q′、T′與τ′最低。

圖9 PHP 啟動(dòng)溫度與充液率關(guān)系圖

圖10 PHP 啟動(dòng)時(shí)間與充液率關(guān)系圖

3.4 氧化石墨烯對PHP 啟動(dòng)性能的強(qiáng)化作用

為了研究GO 對PHP 啟動(dòng)性能的強(qiáng)化作用，本實(shí)驗(yàn)在大中小充液率（FR=80%，50%，20%）下，研究了不同濃度GO 對PHP 啟動(dòng)強(qiáng)化作用率的變化情況。圖11、12 分別為啟動(dòng)功率強(qiáng)化作用率與啟動(dòng)時(shí)間強(qiáng)化作用率。由圖11 可知：1）wt=0.05%，F(xiàn)R=20%，50%時(shí)，GO對PHP 啟動(dòng)功率改善效果最為顯著，改善率達(dá)50%。2）不同充液率下，0.01%wtGO 對PHP 的啟動(dòng)功率無改善作用，0.1%wtGO 提高了PHP 的啟動(dòng)功率，阻礙了PHP 的啟動(dòng)。由圖12 可知：1）wt=0.05%，F(xiàn)R=20%，50%時(shí)，GO 對PHP 啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間，延緩了PHP 的啟動(dòng)。

圖11 啟動(dòng)功率強(qiáng)化作用率

圖12 啟動(dòng)時(shí)間強(qiáng)化作用率

3.5 影響脈動(dòng)熱管啟動(dòng)因素的顯著性分析

明確影響PHP 啟動(dòng)特性因素的顯著性對其啟動(dòng)穩(wěn)定性的改善具有重要意義。由圖13 知：工質(zhì)濃度對PHP 啟動(dòng)性能的影響最為顯著，wt=0～0.1%時(shí)，啟動(dòng)功率變化幅度最大。

4 結(jié)論

本文研究了不同濃度（0.01%wt～0.1%wt）的氧化石墨烯溶液和去離子水在不同充液率（FR=30%、50%、80%）、不同加熱功率（10～105 W）下PHP 的啟動(dòng)特性，得到以下結(jié)論：

1）濃度為0.05%氧化石墨烯水溶液可改善脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能，其啟動(dòng)效果最好，啟動(dòng)功率低至10 W，且在啟動(dòng)前的溫度攀升幅度較小，對加熱功率的敏感度最強(qiáng)。

2）中小充液率下（FR=20%，50%）啟動(dòng)功率隨氧化石墨烯濃度的增加先降低后升高。

3）隨著充液率的增加，氧化石墨烯PHP 的啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間呈先降低后升高趨勢。

4）充液率為50%，氧化石墨烯濃度為0.05%wt時(shí)，啟動(dòng)功率與啟動(dòng)時(shí)間改善作用率較大，分別達(dá)50%與40.5%。

5）對于已經(jīng)確定幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)的PHP，工質(zhì)濃度對PHP 的啟動(dòng)性能影響最為顯著。

符號(hào)說明

Q——PHP 蒸發(fā)段加熱功率，W

T——溫度，℃

Te——蒸發(fā)段平均溫度，℃

Tc——冷凝段平均溫度，℃

T′——啟動(dòng)溫度，℃

FR——充液率，%

τ——時(shí)間，s

τ′——啟動(dòng)時(shí)間，s

Ep1——啟動(dòng)功率強(qiáng)化作用率，%

Ep2——啟動(dòng)時(shí)間強(qiáng)化作用率，%

wt——質(zhì)量濃度，%