TiO2納米顆粒形貌對(duì)熱管工作性能的影響

牛艷芳 蔣麗麗 王冬至 杜潤(rùn)生 趙蔚琳

文章編號(hào)：1671-3559（2024）01-0094-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.003

摘要：為了研究介質(zhì)形貌對(duì)熱管工作過(guò)程的影響，利用水熱法制備棒狀、片狀、菱狀3種形貌的TiO2納米顆粒， 采用兩步法制備3種形貌TiO2-水納米流體， 對(duì)熱管內(nèi)不同形貌工作介質(zhì)的導(dǎo)熱性能、熱管工作過(guò)程的啟動(dòng)性能、等溫性能和熱阻進(jìn)行試驗(yàn)研究， 分析TiO2納米顆粒形貌對(duì)熱管工作性能的影響。 結(jié)果表明：熱管內(nèi)片狀TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)大于菱狀、棒狀TiO2-水納米流體和基液水的；當(dāng)加熱功率相同時(shí)， 片狀TiO2-水納米流體熱管啟動(dòng)溫度最低，為（38.2±0.5）℃， 并且相對(duì)于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管，

片狀TiO2-水納米流體熱管穩(wěn)定工作時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段的平均溫度差減小2～3 ℃， 總熱阻減小4.4%～28.3%。

關(guān)鍵詞：TiO2納米顆粒；熱管；工作介質(zhì)

中圖分類號(hào)：TQ051.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

開(kāi)放科學(xué)識(shí)別碼（OSID碼）：

Effects of TiO2 Nanoparticle Morphology on

Working Performances of Heat Pipes

NIU Yanfang1， JIANG Lili1， WANG Dongzhi2， DU Runsheng3， ZHAO Weilin2

（1. School of Engineering， Shandong Yingcai University， Jinan 250104， Shandong， China;

2. School of Materials Science and Engineering， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

3. Lanling County Yixin Mining Technology Co.， Ltd.， Linyi 277700， Shandong， China）

Abstract： To study the effects of medium morphology on working process of heat pipes， TiO2 nanoparticles with rod， flaky， and rhombus shape were prepared by using hydrothermal method， and TiO2-water nanofluids with three morphologies were prepared by using two-step method. The thermal conductivity of working medium with different morphologies in heat pipes， start-up performance， isothermal performance， and thermal resistance of heat pipes working process were experimentally studied， and effects of TiO2 nanoparticle morphology on working performances of heat pipes were analyzed. The results show that the thermal conductivity of flaky TiO2-water nanofluids in heat pipes is greater than those of rhombus and rod-shaped TiO2-water nanofluids and base liquid water. When the heating power is same， the start-up temperature of flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is the lowest， which is （38.2±0.5） ℃， and the average temperature difference between evaporation section and condensation section of the flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is 2-3 ℃ smaller than the corresponding average temperature difference of the rod and rhombus-shaped TiO2-water nanofluid heat pipes， and the total thermal resistance is reduced by 4.4%-28.3%.

Keywords： TiO2 nanoparticle; heat pipe; working medium

收稿日期：2022-09-01????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2023-11-10T07：59：00

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2021ME193）；2021年山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（2022TSGC1332）

第一作者簡(jiǎn)介：牛艷芳（1988—），女，山東泰安人。講師，碩士，研究方向?yàn)槲⒓{粉體的制備及其在熱工中的應(yīng)用。E-mail： niuyanfang@

ycxy.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1715.006

納米流體是指將一定比例的金屬或非金屬納米顆粒均勻地分散到基液中，制成的一種穩(wěn)定的混合懸浮液。自1995年Choi等［1］首次提出這一概念以來(lái)，納米流體作為一種新型傳熱工質(zhì)不斷地被學(xué)者們研究、應(yīng)用與發(fā)展，取得了可觀的成就［2］。納米流體能在傳熱領(lǐng)域起到強(qiáng)化換熱作用的主要原因是：1）金屬或非金屬納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)大于基液的，使得混合懸浮液具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，從而增強(qiáng)了傳熱；2）金屬或非金屬納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)加快了能量的傳遞，改善了納米流體傳熱性能［3］。目前，常被應(yīng)用于納米流體的有銅［4］、銀［5］等金屬納米顆粒，氧化銅［6］、氧化鋁［7］、二氧化硅［8-9］、二氧化鈦（TiO2）［10］等金屬氧化物納米顆粒，以及石墨烯［11-13］、碳納米管［14］等非金屬納米顆粒。其中TiO2納米粒子因具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)、較大的導(dǎo)熱系數(shù)、無(wú)污染無(wú)毒性、制備方式簡(jiǎn)單、粒子種類形貌多樣等特點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外的研究者所關(guān)注。史繼媛等［15］利用瞬態(tài)熱法對(duì)導(dǎo)熱油基TiO2納米流體在20～60 ℃的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 隨著溫度的升高， 該納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)的增加率約為20%～38%。 陳謝磊［16］研究了TiO2-氨水納米流體的對(duì)流換熱特性， 結(jié)果表明， 與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水基液相比， TiO2-氨水納米流體的對(duì)流換熱性能明顯改善， 當(dāng)TiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增大了15.1%。Zhang等［17］研究了納米顆粒含量和溫度對(duì)TiO2-水納米流體熱物性的影響，發(fā)現(xiàn)納米流體的熱導(dǎo)率和有效熱導(dǎo)率隨溫度和納米顆粒含量的增加而增大。盡管許多學(xué)者都從不同角度探討TiO2納米流體的熱物理性能以及傳熱性能；但是對(duì)于TiO2納米顆粒形貌對(duì)熱管工作性能影響的研究極少，因此，本文中采用水熱法合成棒狀、片狀和菱狀的TiO2納米顆粒，并分別制備不同顆粒形貌的TiO2-水納米流體，探討TiO2納米顆粒形貌對(duì)熱管工作性能的影響，為拓展納米流體在傳熱領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1? 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑包括：三氯化鈦（TiCl3）、氫氟酸（HF）、鈦酸四丁酯（TBOT），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈（C2H3N）、甲酸（CH2O2），天津市富宇精細(xì)化工有限公司。上述試劑均為分析純。所用水為去離子水。

實(shí)驗(yàn)儀器包括：DF-101型集熱式恒溫磁力攪拌器， 河南省鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；KH-100DB型數(shù)控超聲清洗機(jī)，江蘇省昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；GZX-9076MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱， 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；UV-5500型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；Quanta FEG 250型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），美國(guó)FEI公司；KD2 Pro型熱特性分析儀，美國(guó)Decagon公司；D8 Adrance型X射線衍射儀（XRD），德國(guó)Bruker公司。

1.2? 不同形貌TiO2納米顆粒的制備與結(jié)構(gòu)表征

本文中采用水熱法分別制備棒狀、片狀和菱狀3種形貌的TiO2納米顆粒［18］。

1）制備棒狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入20 mL去離子水中， 再將4 mL TiCl3緩慢加入，將混合溶液磁力攪拌均勻后，移入容積為50 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將密封好后的反應(yīng)釜放入恒溫干燥箱中，在恒溫180 ℃下加熱24 h。反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫，用去離子水和無(wú)水乙醇清洗反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)次后烘干，即得到棒狀TiO2納米顆粒。

2）制備片狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入20 mL TBOT， 將3.2 mL HF緩慢加入，磁力攪拌均勻后，將溶液放入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜放入恒溫干燥箱，在200 ℃下反應(yīng)24 h。自然冷卻至室溫，用去離子水和無(wú)水乙醇清洗反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)次后烘干，即得到片狀TiO2納米顆粒。

3）制備菱狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入6 mL C2H3N， 再將18 mL CH2O2 緩慢加入，磁力攪拌均勻后，繼續(xù)邊攪拌邊向混合溶液內(nèi)加入體積分?jǐn)?shù)為0.8%的TBOT。將溶液移入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入干恒溫燥箱，在160 ℃下反應(yīng)4 h。自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物用無(wú)水乙醇和去離子水清洗后烘干，即得到菱狀TiO2納米顆粒。

采用SEM對(duì)所制得的3種形貌的TiO2納米顆粒進(jìn)行微觀形貌表征， 結(jié)果如圖1所示。 由圖可知， TiO2納米顆粒的棒狀、片狀和菱狀形貌非常清晰，3種形貌的TiO2納米顆粒的當(dāng)量直徑為（64.62±0.4） nm。 3種形貌TiO2納米顆粒的XRD譜圖如圖2所示。由圖可知，棒狀TiO2納米顆粒為金紅石晶型（標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片號(hào)為21-1276），片狀和菱狀TiO2納米顆粒為均為銳鈦礦晶型（標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片號(hào)為21-1272）。

1.3? 不同形貌TiO2-水納米流體的制備

采用兩步法制備不同形貌TiO2-水納米流體。取前述制得的一定量的棒狀、片狀和菱狀的TiO2納米顆粒分別分散到去離子水中，水浴超聲3 h，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的不同形貌TiO2-水納米流體。

為了考察3種納米流體懸浮穩(wěn)定性，采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)靜置一定時(shí)間的流體進(jìn)行吸光度分析，如圖3所示。從圖中可以看出，靜置1～25 d的不同形貌TiO2-水納米流體的吸光度變化幅度較小，表明3種形貌TiO2納米流體具有很好的懸浮穩(wěn)定性。

1.4? 不同形貌TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱性

納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法很多，按照測(cè)量機(jī)制可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，其中非穩(wěn)態(tài)法中的瞬態(tài)熱線法是比較常用的測(cè)量方法。本文中采用瞬態(tài)熱線法，利用KD2 Pro型熱特性分析儀對(duì)不同形貌TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測(cè)試。

將棒狀、片狀和菱狀TiO2-水納米流體應(yīng)用于熱管中，通過(guò)測(cè)試熱管內(nèi)3種形貌納米流體導(dǎo)熱性能、熱管工作過(guò)程啟動(dòng)性能、等溫性能和熱阻表征其工作性能。

3種形貌TiO2-水納米流體和基液水的熱管材質(zhì)均為紫銅， 外徑為6 mm， 總長(zhǎng)為800 mm， 內(nèi)裝一層孔徑為74 μm的銅絲網(wǎng)吸液芯， 充液體積為6 mL， 設(shè)置每個(gè)熱管蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長(zhǎng)度分別為400、150、250 mm。 熱管工作性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖4所示。 蒸發(fā)段采用電加熱帶加熱， 冷凝段采用低溫恒溫水槽進(jìn)行水循環(huán)冷卻。 熱管壁面上焊有7支經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校正后的銅-康銅熱電偶測(cè)量壁面溫度， 其中蒸發(fā)段溫度點(diǎn)為T(mén)1、T2、T3、T4， 絕熱段溫度點(diǎn)為T(mén)5， 冷凝段溫度點(diǎn)為T(mén)6和T7。 為了防止熱量散失， 熱管外用保溫材料包裹。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 加熱功率的調(diào)節(jié)由電壓調(diào)節(jié)器控制， 冷卻水流量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量。 壁面溫度的測(cè)量通過(guò)數(shù)據(jù)采集記錄儀連接到計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)采集工作。

1.5? 數(shù)據(jù)處理和不確定性分析

考察熱管工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)是熱阻R，計(jì)算公式為

R=ΔTQ ，（1）

式中：Q為加熱功率；ΔT為蒸發(fā)段與冷凝段的平均溫度差。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 標(biāo)定后的熱電偶精度為0.1 ℃，加熱系統(tǒng)恒溫水槽精度也為0.1 ℃， 因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大的不確定度為2.02%。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 顆粒形貌對(duì)熱管內(nèi)工作介質(zhì)導(dǎo)熱性能影響

3種形貌TiO2-水納米流體和基液水的導(dǎo)熱性能對(duì)比如圖5所示。從圖中可以看出：3種形貌TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)都隨著溫度的升高而增大。當(dāng)溫度相同時(shí)，3種形貌的TiO2-水納米流體按照導(dǎo)熱系數(shù)由大到小的順序是片狀TiO2-水納米流體、菱狀TiO2-水納米流體、棒狀TiO2-水納米流體。同時(shí)，3種納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)都大于基液水的，當(dāng)溫度為65 ℃時(shí)，片狀、菱狀、棒狀TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)分別比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增加涉及到很多因素， 如布朗運(yùn)動(dòng)、粒子-流體界面分層和粒子聚集效應(yīng)等， 但是關(guān)于顆粒形貌對(duì)納米流體的導(dǎo)熱性能的影響至今沒(méi)有明確機(jī)制。 就本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，3種形貌納米顆粒的當(dāng)量直徑相近；但是，由于形貌不同，片狀顆粒具有更大的表面積，因此在流體內(nèi)部進(jìn)行熱交換時(shí)與液體之間具有更大接觸面積，相互碰撞接觸的概率更大，強(qiáng)化熱量傳遞效率，促進(jìn)了快速導(dǎo)熱，導(dǎo)致片狀TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)更大。

2.2? 顆粒形貌對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響

當(dāng)加熱功率分別為25、35 W，冷卻水體積流量為1.38 cm3/s時(shí)3種形貌TiO2-水納米流體和基液水熱管啟動(dòng)過(guò)程中蒸發(fā)段平均溫度的變化如圖6所示。從圖中可以看出：當(dāng)熱管受熱后蒸發(fā)段平均溫度都快速升高， 到達(dá)某溫度后升溫速率逐漸平緩， 表明熱管已順利完成啟動(dòng)過(guò)程， 進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。 當(dāng)加熱功率相同時(shí)， 基液水熱管啟動(dòng)滯后于TiO2納米流體熱管， 片狀TiO2-水納米流體熱管啟動(dòng)最快， 啟動(dòng)溫度最低。表1所示為加熱功率分別為25、35 W時(shí)3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管的啟動(dòng)溫度的范圍。由表可以看出，當(dāng)加熱功率相同時(shí)，3種形貌TiO2-水納米流體熱管啟動(dòng)溫度明顯低于基液水熱管的，且片狀TiO2-水納米流體熱管的啟動(dòng)溫度最低。

2.3? 顆粒形貌對(duì)熱管壁面溫度的影響

加熱功率為25、35 W時(shí)3種形貌TiO2-水納米流體和基液水熱管壁面溫度分布如圖7所示。 從圖中可以看出， 熱管壁面溫度沿長(zhǎng)度方向由蒸發(fā)段向冷凝段方向逐步降低。 分析圖7（a）發(fā)現(xiàn)：在加熱功率為25 W時(shí)， 片狀TiO2-水納米流體熱管蒸發(fā)段溫度最低， 其次為棒狀TiO2-水納米流體熱管， 菱狀TiO2-水納米流體熱管蒸發(fā)段溫度略高于片狀、棒狀TiO2-水納米流體熱管蒸發(fā)段溫度。 基液水熱管冷凝段壁面溫度比3種形貌TiO2-水納米流體熱管的低。 分析圖7（b）發(fā)現(xiàn)， 雖然加熱功率增大， 但片狀TiO2-水納米流體熱管的蒸發(fā)段壁面溫度仍低于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管的蒸發(fā)段壁面溫度， 同時(shí)， 棒狀TiO2-水納米流體熱管出現(xiàn)奇異現(xiàn)象， 蒸發(fā)段壁面溫度陡升， 最高達(dá)到78.36 ℃， 即出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象， 根據(jù)熱管的工作原理［19］， 可以判定出現(xiàn)奇異現(xiàn)象的原因?yàn)槊?xì)極限。

2.4? 顆粒形貌對(duì)熱管溫差及熱阻的影響

為了表征熱管等溫性能，給出加熱功率為15、20、25、30、35 W時(shí)3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管穩(wěn)定工作時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段的平均溫差，如圖8所示，其中蒸發(fā)段、冷凝段的溫度點(diǎn)分布見(jiàn)圖4。從圖中可以看出：隨著加熱功率增大，所有熱管的平均溫度差呈線性增大。當(dāng)加熱功率相同時(shí)，片狀TiO2-水納米流體熱管的平均溫度差始終最小，比棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管的相應(yīng)平均溫度差小2～3 ℃，表明其等溫性能更好。除棒狀TiO2-水納米流體熱管在加熱功率35 W時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象導(dǎo)致溫差最大外，基液水熱管的平均溫度差均大于3種顆粒形貌納米流體熱管的平均溫度差，表明TiO2納米流體熱管的等溫性能優(yōu)于基液水熱管的。

3種形貌TiO2-水納米流體熱管及基液水熱管的總熱阻對(duì)比如圖9所示。 從圖中可以看出，隨著加熱功率的增大， 3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管的總熱阻呈小幅減小趨勢(shì)， 其中片狀TiO2-水納米流體熱管的總熱阻最小， 基液水熱管的熱總熱阻最大（加熱功率為35 W時(shí)例外）。

3? 結(jié)論

本文中制備了不同顆粒形貌的TiO2-水納米流體，探討TiO2納米顆粒形貌對(duì)熱管工作性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）熱管內(nèi)工作介質(zhì)TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)都隨著溫度的升高而增大。當(dāng)溫度相同時(shí)，3種形貌的TiO2-水納米流體按照導(dǎo)熱系數(shù)由大到小的順序是片狀TiO2-水納米流體、菱狀TiO2-水納米流體、棒狀TiO2-水納米流體、基液水。當(dāng)溫度為65 ℃時(shí)，片狀、菱狀、棒狀TiO2-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)分別比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。

2）隨著加熱功率的增大，片狀TiO2-水納米流體熱管蒸發(fā)段的壁面溫度始終低于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管蒸發(fā)段的，而且棒狀TiO2-水納米流體熱管出現(xiàn)過(guò)熱的奇異現(xiàn)象。

3）棒狀、片狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管在加熱功率分別為15、20、25、30、35 W時(shí)都能正常啟動(dòng)，當(dāng)加熱功率相同時(shí)，片狀TiO2-水納米流體熱管啟動(dòng)最快。

4）當(dāng)加熱功率相同時(shí)，相對(duì)于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管， 片狀TiO2-水納米流體熱管穩(wěn)定工作時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段的平均溫度差減小2～3 ℃， 總熱阻減小4.4%～28.3%。

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（責(zé)任編輯：劉? 飚）