石墨烯纳米片-水纳米流体重力热管的传热性能实验研究

徐正基 杨 峻

（南京工业大学机械与动力工程学院）

随着科技的不断发展，热交换设备对传热性能的要求不断提高。 热管作为最有效的传热元件之一，迫切需要提高其传输功率。 重力热管（两相封闭式热虹吸管） 在热管传热元件中占重要地位，它结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠［1］，可以作为换热设备的传热元件，在冻土地区的铁路、管线工程［2～4］，工业余热回收［5，6］及太阳能［7～9］等领域发挥了一定的作用。

以往两相封闭式热虹吸管将水、氨及乙醇等作为传热介质， 自Choi S U S 和Eastman J A 提出纳米流体的概念后［10］，研究人员进行了大量的纳米流体研究，研究角度包括纳米流体介质种类［11，12］、体积分数［13，14］、质量分数［15，16］、粒径［17～19］和纳米流体的表面活性剂的影响［20，21］，研究结果显示，在传统介质水中加入纳米颗粒可以提高传热性能。 进而将纳米流体与两相封闭式热虹吸管相结合进行研究，Shanbedi M 等将多壁碳纳米管-去离子水纳米流体应用于两相闭合热虹吸管，发现随着纳米流体的质量分数的增加，热管的热效率增加，热阻降低［22］。 Kamyar A 等使用水作为与Al2O3和TiSiO4纳米颗粒混合的基液，并且制备不同体积浓度的纳米流体，研究表明，对于体积分数为0.050%的Al2O3和体积分数为0.075%的TiSiO4均可通过降低热阻来改善性能［23］。 上述研究表明纳米流体的加入可以改善重力热管的传热性能，不同种类的纳米颗粒及其不同的浓度都会对热管的传热性能产生不同的影响。

自从Geim A K 和Novoselov K S 采用机械剥离的方法成功地将石墨层片剥离，得到单层石墨烯以来，受到了全世界科研人员的关注，并开展了许多相关的研究，单层石墨烯具有超高的导热率，是目前世界最优的导热材料之一，而石墨烯纳米片（GNP）为石墨烯层状堆积体，碳层数通常大于10，具有超大的形状比（直径/厚度比）和优异的导热性能， 相对于单层石墨烯成本较低［24］。Gao Y G 等将乙二醇、去离子水、乙二醇/水（1:1）作为石墨烯纳米片的基液，研究发现它们的导热率都比纯水的更好［25］。Soleymaniha M 等将水基石墨烯量子点悬浮液应用于两相封闭式热虹吸管，从试验结果不难发现，与蒸馏水相比，水基纳米流体的热导率显著提高［26］。

笔者将石墨烯纳米片-水纳米流体作为工作介质进行传热性能的研究，并与相同状况下纯水重力热管的传热性能进行比较，先进行可视化实验，观察对比它们的相变行为，分析石墨烯纳米片对流体带来的影响。 然后进行单管传热实验，分析不同充液率下不同质量分数的石墨烯-水纳米流体对重力热管传热性能的影响，选取最佳传热性能的石墨烯纳米片-水纳米流体重力热管。最后进行启动性能对比实验，研究纳米流体对于重力热管启动性能的影响。

1 可视化实验

1.1 实验材料的制备

实验中所购置的石墨烯纳米片厚度为1～5nm，片径1～3μm，将它与蒸馏水混合并且加入分散剂十二烷基硫酸钠（SDS），用搅拌棒顺时针搅拌3min，最后放入超声波破碎仪搅拌2h，以此获得分散均匀、稳定的水基石墨烯纳米流体。 如图1 所示，在各试管中加入等量的石墨烯纳米片和分散剂，试管a 中为加入SDS 分散剂并进行超声破碎的石墨烯纳米片-水纳米流体， 试管b 为加入SDS 分散剂不经过超声破碎的石墨烯纳米片-水纳米流体， 试管c 则是不经过任何处理直接将石墨烯纳米片与纯水混合，可以看出经过超声破碎且加入分散剂的纳米流体分散效果更好。

图1 石墨烯纳米片-水纳米流体分散效果

1.2 实验装置及方法

可视化实验装置如图2 所示，主要由电加热板、玻璃热虹吸管、固定架、保温砖、温度显示器、调压器、聚光灯和高速摄像机组成。 实验主体部分为两根长500mm、外径25mm、壁厚1mm 且装有旋塞阀的玻璃热虹吸管，分别装入石墨烯纳米片-水纳米流体和蒸馏水，充液率为30%，其中纳米流体管中石墨烯纳米片的质量分数为0.1%，分散剂质量分数为0.05%， 工作介质的初始温度为20℃。 再用固定架固定后将它放置于电加热板中间，将调压器与加热片和温度显示器连接后接通电源，工作电压为120～150V，然后打开聚光灯，采用高速摄像机捕捉热虹吸管内部流体的相变行为。 在实验刚开始的加热过程中，打开旋塞阀，随着温度的升高排出热管内部空气。

图2 可视化实验装置

1.3 结果与分析

如图3 所示，在同等实验条件下，a1～a5 是纯水流体通过加热逐渐沸腾的过程，b1～b5 是石墨烯纳米片-水纳米流体通过加热逐渐沸腾的过程。 在同等实验条件下， 将玻璃管加热至25min后，液池处于对流蒸发换热状态，可以观察到水管（a1）的液池内壁的汽化核数不断增加，由于石墨烯纳米片-水纳米流体呈黑色， 无法直接观察管内（b1）汽化核心数的变化状况，但可以看到石墨烯纳米片在流体中不停地进行无规则翻腾运动，管中气泡脱离管壁，纳米流体液面逐渐产生波动现象。 图3 中圆框部分为液池上部的液膜，可以发现，相同时间下，在水管（a1）液池上部，壁面仅产生水珠，但纳米流体管（b1）液池上方出现凝结液膜，逐渐形成水柱。

图3 石墨烯纳米片-水纳米流体与纯水的相变行为

实验时，玻璃热虹吸管内经常会产生间歇沸腾。 从图4 中可以观察到，刚开始水管中液池无任何变化，随着温度的升高液池底部瞬间生成巨大气泡向上迅速膨胀并且携带上方的液体冲向冷凝端顶部，并伴有清脆的撞击声，然后在重力作用下工质回流至蒸发端，此时一个间歇沸腾周期结束，液池开始积聚能量，进行下一次间歇沸腾，间歇沸腾的持续时间为1.5～2.0s。而水基石墨烯纳米管中液池表面会出现轻微沸腾现象，然后液池底部也会生成水泡从液池底部迅速膨胀，但携带工质上升的距离较小， 之后回落至蒸发端，扰动幅度相对于水管要小很多，可以观察出在纯水中加入分散剂与纳米颗粒对间歇沸腾产生了一定的抑制效果。 Kujawska A 等同样发现了在去离子水中加入纳米颗粒和化学稳定剂（如十二烷基硫酸钠或聚乙烯吡咯烷酮）， 间歇沸腾受到强烈影响［27］。 由基液，化学稳定剂和纳米颗粒组成的纳米流体会减少甚至完全抑制间歇性。 说明加入分散剂、石墨烯纳米片的纳米流体会对间歇沸腾产生影响，在本次可视化实验中加入分散剂的纳米流体可以改善间歇沸腾。

图4 石墨烯纳米片-水纳米流体与纯水的间歇沸腾现象

2 传热实验

传热实验将在重力热管中加入水基石墨烯纳米片纳米流体，分析不同充液率下不同质量分数的石墨烯纳米片对重力热管传热性能的影响，并与相同状况下的纯水重力热管进行比较。

2.1 实验装置及方法

如图5 所示， 重力热管采用GB 3087—2008《低中压锅炉用无缝钢管》要求的钢管，外径D=25mm、壁厚δ=2.5mm、总长度L=1250mm，其中蒸发段500mm、绝热段150mm、冷凝段600mm。 蒸发段采用电加热炉加热，设置炉膛温度为400℃，冷凝段带有500mm 的冷却水夹套可以通入冷却水进行对流换热，冷却水流量为0.16L/min。 由于冷凝段顶端部分裸露在空气中，实验中采用保温棉对整个冷凝段进行覆盖，防止热量损失。如图6所示（图中长度单位为mm），分别在蒸发段、绝热段和冷凝段各布置两根热电偶， 热电偶类型为T型热电偶。

图5 重力热管传热实验装置示意图

图6 重力热管热电偶分布示意图

在重力热管充液率为20%、30%、40%的条件下， 分别配备0.050%、0.075%、0.100%、0.250%、0.500%的水基石墨烯纳米片纳米流体，SDS 分散剂质量分数均为0.1%（实验忽略分散剂浓度的影响），配备完毕装入重力热管中。 将装有相同充液率的纯水热管一同放进加热炉中，待热管稳定运行后，记录冷却水的进、出口温度和热电偶读数。

2.2 实验结果和分析

每组实验重复3 次，并且根据换热公式计算重力热管的输出功率P 和总传热系数h：

式中 C——水的比热容，J/（kg·℃）；

D——重力热管的外径，mm；

L——重力热管总长度，mm；

m——冷却水质量流量，kg/s；

Tc——冷凝段平均壁温，℃；

Th——蒸发段平均壁温，℃；

Tin——冷却水进口温度，℃；

Tout——冷却水出口温度，℃。

分别作出不同充液率下3h 内不同质量分数的石墨烯纳米片-水纳米流体与水的输出功率P和总传热系数h 曲线（图7、8）。

图8 20%、30%、40%充液率下重力热管的传热系数

由图7、8 可知，一定充液率下重力热管的传输功率随着纳米流体质量分数的增加先上升后下降，当重力热管充液率为20%时，质量分数为0.100%的纳米流体输出功率最大， 相对于纯水管，分别提高了5.2%左右；当充液率为30%、40%时， 质量分数为0.250%的纳米流体输出功率最大，相对于纯水管，分别提高了8%、5%；本实验中，当充液率为30%、40%，质量分数小于0.100%时，纳米管相对于纯水管的输出功率并没有得到提高，反而下降了0.1%～3.2%。 当重力热管充液率为20%， 质量分数为0.100%的纳米流体单管总传热系数最大， 相对于纯水管， 最大提高了16.8%；当重力热管充液率为30%、40%时，质量分数为0.250%的纳米流体单管总传热系数最大，相对于纯水管，分别最大提高了15.4%、7.3%；同样，当质量分数小于0.100%时，纳米管单管总传热系数相较于纯水管并没有得到提高，下降幅度最高可达4.2%；当质量分数为0.500%时，30%充液率下总传热系数相对纯水管最多提高4%，20%、40%充液率下总传热系数相对于纯水管较低，下降最多可达5%。

在本次实验中，30%充液率下0.250%质量分数的水基石墨烯纳米流体重力热管的传热性能相对来说最好，因为相较于纯水管，石墨烯纳米片-水重力热管的输出功率最多能够提高8%，总传热系数最多可以提高15.4%。一定充液率下，质量分数小于0.100%的石墨烯纳米片-水纳米流体应用于重力热管中的效果并不理想，输出功率和热管传热系数比纯水管低。

通过表1 对比以往文献有关纳米流体应用于重力热管的结论，大部分纳米流体在最佳配比情况下都可以强化重力热管的传热性能，也有部分研究表明加入纳米流体阻碍了热管的传热性能，原因可能是纳米颗粒的加入使得表面张力增加，蒸发组分水在界面处的蒸发产生质扩散效应增大了其热阻使得性能下降［28］，纳米颗粒的团聚、沉积阻塞活性腔并且滞留于粗糙面的凹槽内导致两相封闭式热虹吸管传热性能降低［29］或纳米颗粒浓度过大致使重力热管沸腾特性劣化［30］。

表1 纳米流体应用于重力热管的传热性能研究对比

3 启动性能实验

在重力热管传热实验中，30%充液率下0.25%质量分数的水基石墨烯纳米流体重力热管的传热性能最好，将它与相同充液率下的纯水重力热管进行启动性能对比实验。 实验根据GB/T 9082.1—2011 的要求进行， 按照国家标准将纳米流体应用到工程热管中去，工程使用热管和实验热管尺寸一致。 冷凝段暴露在空气中自然冷却，设置炉膛温度为120℃，记录蒸发段与冷凝段的平均壁温， 并且多次重复， 所得结果如图9所示。

图9 纳米流体热管与水管的启动性能对比

在重力热管启动性能实验过程中，二者起始温度为26.5℃左右， 加热后， 水基石墨烯纳米片（GNP-water） 纳米流体热管与水管蒸发段温度上升趋势相当，20min 后二者蒸发段壁面温度都达到102℃左右， 实验进行到10min 后水基石墨烯纳米片纳米流体热管和水管冷凝段壁面温度开始上升，11min 时水管冷凝段壁面温度升至47℃左右，而水基石墨烯纳米片纳米流体管此时的冷凝段壁面温度为30.8℃。 当实验进行到14min 时水基石墨烯纳米片纳米流体热管的冷凝段温度才达到47℃左右，20min 后二者冷凝段曲线趋近平稳，水管冷凝段温度升至80.9℃，水基石墨烯纳米片纳米流体热管冷凝段温度为72.3℃。 重力热管启动完成， 二者蒸发段壁面温度都达到102℃左右，水管的冷凝段温度比纳米流体热管的冷凝段壁面温度高8.6℃， 水管达到72℃只需要17min， 比水基石墨烯纳米片纳米流体热管快4min 左右，水管启动速度更快。

4 结论

4.1 水基石墨烯纳米流体比蒸馏水的蒸发量大，加入分散剂、石墨烯纳米片的纳米流体会对间歇沸腾产生影响，可以改善间歇沸腾。

4.2 30%充液率下0.250%质量分数的水基石墨烯纳米流体重力热管的传热性能相对来说最好，相较于纯水管输出功率最多能够提高8%， 总传热系数最多可以提高15.4%。

4.3 重力热管启动性能实验中，水管蒸发段的平均温度与水基石墨烯纳米片纳米流体热管蒸发段的相当，水管的冷凝段温度比纳米流体热管的冷凝段壁面温度高8.6℃，冷凝段达到相同的温度时，水管启动速度更快。