纳米流体重力热管启动性能的试验研究

周根明, 周少华, 赵忠超, 赵忠梁

(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003)

近十几年来,随着纳米技术的迅速发展，纳米材料被不断应用到生产和生活的各个方面.20世纪90年代以来,研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域,研究新一代高效传热冷却技术[1].将 1～ 100 nm之间的固体颗粒分散到传统工质中,形成了一类新的传热冷却介质,并能够强化其导热系数,文献[2]首次将其称之为“纳米流体”.将纳米流体作为新型传热工质填充于热管内部就可以制成纳米流体热管.

目前,对纳米流体热管的研究尚处于初级阶段,但也取得了一些成果.重力热管的启动过程热管处于一种不稳定状态,如何缩短启动时间,使热管快速地达到稳定运行状态,对于一些特殊设备的运行有重要影响.从热管的整个工作过程来看,启动过程的性能对于热管是否能够快速进入正常工作模式起着至关重要的作用.文献[3-4]研究了以Al2O3/水纳米颗粒为工作介质的新型铜热管的启动性能、传热系数及轴向热流率;文献[5]研究了纳米流体强化热管的换热性能;文献[6]将水基碳纳米管悬浮液作为重力热管工质研究了其启动性能、管壁温度和传热性能.这些研究均表明纳米流体能强化热管的传热性能.

Ti02/H2O纳米流体是一种新型的强化换热工质,具有比纯水较高的导热系数和较低的过冷度,并能提高成核率,是纳米科技与工程热物理相结合的产物[7-8].文献[9]比较了由ZnO，SiO2，Al2O3和TiO2纳米流体制成的4根热虹吸管的启动性能、管壁温度以及输出热量.文献[10]将TiO2/H20纳米流体应用于闭式脉动热管中,开展纳米流体脉动热管实验研究,结果表明传热效果得到进一步强化.目前国内外将Ti02/H2O纳米流体作为工质对重力热管进行研究还非常少,文中对不同浓度和不同充液率的多根TiO2/H2O纳米流体重力热管的的启动性能进行了试验研究,为纳米流体热管的实际应用奠定一定的基础.

1 试验系统

试验用热管的管材为紫铜管,管子外径9.50,壁厚0.7,管长750,蒸发段长为300,冷凝段长为450(单位均为：mm).重力热管的参数见表1,充液率指充入热管的工质容积与蒸发段总容积之比.

表1 重力热管的参数Table 1 Parameters of gravity heat pipe

试验系统如图1,主要由加热装置、热管、热电阻和数据采集系统组成.纳米流体热管的加热装置为恒温水浴.冷凝段完全暴露在空气中,通过自然对流和辐射换热进行冷却.热管的管壁温度采用三线制的PT100热电阻测量,这种热电阻可以较好的消除连接导线电阻的影响,热电阻布置在每根热管的蒸发段底部(热电偶1)与冷凝段顶端(热电偶2),蒸发段测点外部包裹有隔热隔水材料,冷凝段测点外部包裹有隔热材料,试验时冷凝段置于25℃的空气中自然冷却.热电阻连接至Agilent数据采集仪,数据采集仪通过RS232/RS485信号转换器连接到计算机的COM端口,在计算机上采用MCGS工控组态软件实时采集和记录.

1-恒温水浴;2-蒸发段热电阻;3-数据采集系统; 4-冷凝端热电阻;5-热管

2 试验结果及分析

重力热管开始加热时,热管内工质的温度较低,管内工质还没有达到沸腾状态,整个热管换热缓慢,热管的运行还没有达到稳定状态.将热管开始加热后蒸发段温度由快速变化到趋于平缓的过程叫做热管的启动过程,并将热管启动过程所用的时间作为启动时间,将温度从迅速上升到趋于平缓的那一瞬间的温度作为启动温度.

2.1 纳米流体浓度对启动的影响

将热管竖直放置,蒸发段加热温度为90℃,冷凝段置于25℃的空气中自然冷却,对纳米流体质量百分比分别为0.2%,0.5%,1%,2%的纳米流体热管和去离子水热管的启动过程进行测试,图2,3给出了不同浓度的纳米流体热管的蒸发段和冷凝段在启动过程中温度随时间的变化曲线,可以看出,各根热管蒸发段受热后,温度迅速上升,经过一段时间后,温度变化趋于平缓,最后达到恒定值,从而完成启动过程.冷凝段的温度变化曲线与蒸发段的相似,只是初始阶段冷凝段的温度变化率较蒸发段小一些.各根热管均可以顺利启动,无任何启动困难.由纳米流体热管和去离子水热管启动过程的温度分布曲线的比较可以看出,二者具有相同的启动趋势,这表明纳米流体热管也属于均匀启动[11],纳米流体的加入并没有改变其基液的启动方式.

图2中,TiO2浓度为0.2%，0.5%，1%纳米流体热管启动温度分别为86,86.5,86 ℃,启动时间分别为90,80,90 s.而浓度为2%的纳米流体热管和去离子水热管的启动性能较近,二者启动温度均为87 ℃,启动时间均为150 s左右.由此可见质量百分比为0.2%～1%的纳米流体热管的启动时间较去离子水热管明显缩短,启动温度稍小一些,而质量百分比为2%的纳米流体热管启动时间与去离子水热管基本相同,所以纳米流体浓度大于一定程度时,热管的启动时间反而会增加.从而说明,适当浓度的TiO2纳米流体作为热管的工质可以优化热管的启动性能.本实验采用的热管中,质量百分比为0.2%～1%的纳米流体热管的启动过程曲线十分接近,其中质量百分比0.5%的纳米流体热管启动性能稍好一些.另外,比较每根热管温度稳定后冷热端的温差,可知去离子水热管的冷热端温差最大时约为17 ℃.而其他几根纳米流体热管的冷热端最大温差比较接近,比去离子水热管的冷热端温差小2～4℃.由此可以看出,在相同条件下纳米流体热管的等温性比水热管好.

图2 不同浓度的纳米流体热管蒸发段温度变化Fig.2 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in evaporation section

图3 不同浓度的纳米流体热管冷凝段温度变化Fig.3 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in condensation section

2.2 纳米流体充液率对启动的影响

图4为不同充液率的3根热管竖直放置,在90℃水温下的蒸发段温度变化情况,由图可知,充液率为50%,60%,70%的纳米流体热管的启动时间分别为70,110,150 s,相差较大;启动温度分别为85,86,87℃,3个温度值比较接近.质量百分比为50%的纳米流体热管的启动时间最短,启动温度最低.这是因为在相同的加热温度下,充液率较小的热管工质较少,达到沸腾所需的热量也就少一些,所以先达到沸腾状态,所需要的启动时间也就较短.另外,充液率为70%的纳米流体热管的蒸发段和冷凝段温差最大,其等温性较差.

由于纳米流体热管的启动性能还与热管内部液态和气态的比例以及热负荷有关,对于其它充液率的纳米流体热管的启动性能还有待在不同热负荷条件下做进一步研究.

图4 不同充液率的纳米流体热管温度变化Fig.4 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different filling ratio

2.3 加热温度对启动的影响

图5，6为充液率为50%，质量百分比为0.5%纳米流体热管分别置于温度为60,75,90℃的恒温水浴中,且均为竖直放置时的蒸发段和冷凝段的温度变化曲线.由图看出,在60,75,90℃恒温水浴条件下,热管达到稳定温度的时间分别为140,90,70 s,冷凝段达到稳定温度的时间分别为80,110,60 s.即加热温度越高,蒸发段达到稳定温度所需的时间越短.而冷凝段达到稳定温度的时间还与环境温度有关,冷凝段在75℃时达到稳定温度所需的时间比60℃时稍微长一些,是由于60℃时冷凝段的稳定温度与环境温度之间的温差较小,从而使冷凝段可以比较快地到达稳定温度.

图6 不同加热温度的热管冷凝段的温度变化Fig.6 Temperature variation of heat pipes with different heating temperature in condensation section

加热温度较高时,蒸发段温度在初始阶段会出现巨大的跃迁,温度变化非常迅速.而加热温度较低时,冷凝段温度在初始阶段变化比较缓慢,稍后则逐渐变快,在经过一段时间后达到稳定温度.这是因为温度较低时,初始加热时蒸发段内部的工质加热缓慢,只有较少的工质变成气体到达冷凝段,使得初始阶段冷凝段温度变化缓慢.

2.4 倾斜角度对启动的影响

重力热管的倾角为热管轴线方向与水平方向之间的夹角.选用充液率为50%，质量百分比为0.5%纳米流体热管,将热管分别倾斜不同角度至于90℃的恒温水浴中做测试,图7为不同倾角时热管的温度变化曲线.由图可以看出,竖直放置与70°倾角时热管的温度变化情况非常接近,而40°倾角时热管的启动时间明显增加.即倾角较大时,启动性能变化不大,但当倾角减小到一定程度时,启动时间开始增加.其主要原因是,重力热管是依靠工质自身重力由冷凝段回流到蒸发段.倾角较小时,工质回流的动力不足,导致工质不能及时回流至蒸发段,从而影响传热效率.而热管垂直放置时,工质蒸汽和回流液体流动方向相反,二者之间相互阻碍,从而在一定程度上影响热量的传递.而70°倾角时,重力热管内部的蒸汽和回流液体的流动处于两层,二者互不干扰,但此时回流动力较垂直时稍小一些,所以总体启动时间与垂直时非常接近.

图7 不同倾斜角度的纳米流体热管的温度变化Fig.7 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids under different tilt angle condition

3 纳米流体重力热管性能分析

适当浓度的纳米流体重力热管与去离子水重力热管相比,启动性能明显改善.初步分析原因如下:热管在较低热通量的情况下工作时,加热段与管内工质的热交换方式主要是热传导,此时加热面基本无气泡产生,由于纳米流体的导热能力与去离子水相比较好,从而使换热得以强化.当热通量继续增大,蒸发段内部工质将会处于核态沸腾状态,此时热管内壁表面气泡的产生和脱离过程决定着热管的换热效果,而纳米流体中的纳米颗粒可以促使气泡产生,并且纳米颗粒在惯性力和布朗运动的共同作用下频繁撞击热管内壁,加快气泡脱离热管内壁,从而强化沸腾换热.对于冷凝段,纳米颗粒的布朗运动可以增加液膜的扰动,强化冷凝段的传热.

若纳米流体浓度过低,改善换热管热性能的效果不大.若纳米流体浓度过高,一方面,较多的纳米颗粒会影响纳米悬浮液的稳定性,容易发生颗粒团聚现象,另一方面会使热边界层加厚,增大热阻,这两方面都会使纳米流体重力热管的换热性能变差.所以适当浓度纳米流体重力热管才能有较好的启动和换热性能,浓度过高反而会造成负面影响.

4 结论

1)纳米流体热管启动方式为均匀启动,在充液率相同的情况下,质量百分比为0.2%～1% TiO2纳米流体热管的启动时间与去离子水热管相比明显缩短,质量百分比2%TiO2纳米流体热管的启动时间与质量百分比为0.2%～1%TiO2纳米流体热管相比有所增加.其中,质量百分比为0.5%左右的TiO2纳米流体重力热管启动性能最好.

2)热管稳定工作后,去离子水热管的冷热端最大温差与纳米流体热管相比较大.

3)在90℃的加热条件下,50%～70%充液率的TiO2纳米流体重力热管,50%充液率的较另外两根充液率稍高的启动时间短快一些.

4)在不同的加热温度下,加热温度越高,启动时间越短.加热温度较低时,冷凝段初始阶段的温度变化比较缓慢.

5)当热管倾斜角度为70°～90°时,启动时间变化不大;当倾斜角度减小到40°时,启动时间明显增加.即倾斜角度增大到一定程度后,启动时间随着倾斜角度的增大而增大.

文中热管启动性能试验是在100℃以下的恒温水浴条件下进行的,对于更高热负荷下的更多的纳米流体浓度和充液率测试还有待进一步研究.

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