两亲性纳米流体太阳能重力热管传热性能研究

赵佳腾，王增鹏，戴宇成，刘昌会，饶中浩

（中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221116）

引 言

太阳能等可再生能源的高效利用对于促进节能减排，构建可持续发展能源系统具有重要意义。在太阳能热利用领域，集热器是将太阳辐照转化为热能的主要部件[1]。热管集热器具有传热能力高、抗冻性好和承压能力强等优点。太阳能重力热管（SGHP）是热管集热器的核心元件，其传热性能决定了系统热效率。重力热管（GHP）传热强化方法可归纳为结构强化[2-4]、表面改性[5-6]和工质强化三方面。采用纳米流体强化GHP性能受到了广泛关注。

杨雪飞[7]制备了分散稳定的改性SiO2纳米流体，并比较了改性SiO2纳米流体和常规SiO2纳米流体在GHP 中的换热特性及其影响规律。Asirvatham 等[8]对以石墨烯/丙酮纳米流体为工质的重力热管进行了传热和可视化研究。Zhao等[9]研究了石墨烯/水纳米流体SGHP的传热性能，并测试了SGHP真空管集热 器 的性能。Moraveji 等[10]和Ghanbarpour 等[11]均 探讨了Al2O3纳米流体工质对热管性能的影响，发现Al2O3纳米流体热管的热阻低于蒸馏水热管。Kiseev等[12]发现Fe2O3/蒸馏水纳米流体环路热管的传热系数在适当的运行条件下提高了20%～25%。Nazari等[13]研究了氧化石墨烯纳米流体脉动热管的热性能，发现在合适的浓度下，热阻降低42%，但高浓度会导致性能衰减。Mehrali 等[14]研究了氮掺杂石墨烯纳米流体沟槽热管的传热性能，重点研究了纳米片浓度、倾角和加热功率的影响。Parametthanuwat等[15]研究了不同充液率和管径时银/水纳米流体GHP 的传热速率，并建立了性能预测无量纲关联式。周根明等[16]研究了TiO2/水纳米流体GHP 的传热性能，与以去离子水为工质相比，相同条件下的启动温度、启动时间以及冷热段温差均降低。Gürü等[17-19]探讨了以不同种类纳米流体为工质的GHP 的传热性能，包括MgO/水纳米流体、膨润土/水纳米流体和斜沸石/水纳米流体。

在太阳能应用领域，Eidan 等[20]利用Al2O3和CuO/丙酮纳米流体强化GHP 真空管集热器的热性能，集热效率可提高20%～54%。Liu 等[21]设计并测试了一种以CuO/水纳米流体为工质的开放式热虹吸管真空管集热器，发现使用纳米流体的集热器性能高于使用水的。Moradgholi等[22]研究了以Al2O3/甲醇纳米流体为工质的两相闭式热虹吸管对PV/T 系统的控温效果，面板温度可控制在14.52℃以下。Dehaj 等[23]研究了以CuO/水纳米流体为工质的热管集热器的性能，发现集热效率随纳米流体的浓度和流量的增加而提高。Ozsoy 等[24]发现与工质水相比，银/水纳米流体可使太阳能集热器的效率提高20.7%～40%。此外，Ramezanizadeh 等[25]、Nazari 等[26]及Liu 等[27]详细综述了纳米流体热管的研究工作。通过文献调研发现，纳米流体在一定条件下可被动提高GHP 的传热能力，但分散不稳定问题严重制约了其应用，分散不稳定会导致受热面沉积层的出现，影响热管的可靠性。

水基石墨烯纳米流体作为一种新型传热流体，在不同的传热应用中具有很大的潜力。Tharayil等[28]建立了石墨烯/水纳米流体微型环路热管(MLHP)的理论模型。Soleymaniha 等[29]制备了胺改性石墨烯/水纳米流体，并对其热性能、流变性能以及在热管中的应用性能进行了评价，研究表明它可以作为一种有效、经济的工质来提高工业热管的热性能。Azizi等[30]研究了以阿拉伯胶为表面活性剂的石墨烯/水纳米流体对GHP 热性能的影响，发现增加纳米流体的浓度可以提高整体传热系数和热效率，但导致真空压降。尽管石墨烯/水纳米流体具有广阔的应用前景，但不稳定性仍是制约其应用的瓶颈。

本文针对石墨烯/水纳米流体分散不稳定，或因分散剂发生老化变质导致其稳定性变差的问题，采用化学方法对石墨烯进行改性，得到具有两亲性的石墨烯高聚物，进一步不添加分散剂制备出分散稳定性良好的改性石墨烯/水两亲性纳米流体（Ananofluid），随后重点对以其为工质的SGHP 的启动特性、壁温分布、蒸发段换热特性以及整体传热性能进行了实验研究。

1 实 验

1.1 改性石墨烯/水两亲性纳米流体制备

改性石墨烯/水两亲性纳米流体的制备主要包括三个步骤：季铵盐单体的制备、石墨烯高聚物的制备以及纳米流体的制备。

(1)季铵盐单体的制备流程如下：用氧化铝过滤四氯甲苯乙烯以除去稳定剂；取3 g过滤后得到的四氯甲苯乙烯于密封瓶，继续滴加31 ml 三甲胺；将密封瓶放入油浴锅中反应12 h，反应温度50℃，转速为600 r/min；取出反应产物于烧瓶中，搭好旋转蒸发器，往其中加入丙酮，旋蒸一段时间，以除去甲醇。旋蒸结束后，将烧瓶取出放入磁力搅拌器中，边搅拌边滴加丙酮，会有固体析出，加丙酮至浸没析出的固体，用药匙将析出的固体与丙酮混合均匀，在磁力搅拌器中搅拌10 h，转速600 r/min；将产物进行抽滤，快速放入培养皿中以防吸水；将培养皿放入真空干燥箱中40℃真空干燥30 min，结束后迅速装瓶，得到季铵盐单体。

(2)石墨烯高聚物的制备流程如图1 所示，具体步骤如下：在烧瓶中添加0.5 g 季铵盐单体，0.3 g N-叔丁基丙烯酰胺，0.085 g N,N′-亚甲基双甲基丙烯胺，0.077 g 偶氮二异丁腈（AIBN），加入5 ml 三氯甲烷使其混合均匀，再向其中加入200 mg 石墨烯；使用充满氮气的气球以及真空泵为其制造氮气环境；将烧瓶放入油浴锅中反应12 h，反应温度50℃，转速600 r/min；将产物取出放入培养皿中，40℃真空干燥8 h；取出研磨成粉装瓶，得到石墨烯高聚物。

图1 石墨烯高聚物的制备示意图Fig.1 Preparation of the modified graphene polymer

(3)纳米流体的制备步骤为：将高聚物与去离子水在油浴锅中混合搅拌3 h，温度50℃，转速600 r/min；搅拌结束之后放入超声波振荡器中超声振荡3 h，得到改性石墨烯基两亲性纳米流体。

纳米流体稳定性表征的常用方法包括分光光度法、Zeta 电位法和重力沉降法[31-33]，本文通过重力沉降法研究了石墨烯/水纳米流体和改性石墨烯/水两亲性纳米流体的稳定性。如图2 所示，经过三个月的静置观察，石墨烯/水纳米流体的分层现象明显，但改性石墨烯/水两亲性纳米流体没有明显的沉淀。

1.2 SGHP测试系统及数据处理

SGHP 性能测试系统以及数据采集点布置如图3 所示。SGHP 的几何结构根据国家标准GB/T 24767—2009选取，蒸发段和绝热段内径为8 mm，外径为10 mm，总长1000 mm，其中缠绕电热丝的部分有两段，每段长280 mm，冷凝段长度为150 mm，内径为12 mm，外径为14 mm。SGHP 顶部连接一个三通阀，其两个端口分别是注液口和压力传感器接口。SGHP 的蒸发段采用电热丝模拟太阳能加热，系统的热损失主要来自于热管高温部分向环境的散热量，为此采用两级隔热措施，蒸发段和绝热段外先裹一层保温耐火棉，然后封装在夹层真空玻璃管中进行进一步保温，在25℃的实验环境温度下，两级保温后热损失率低于5%。冷凝端外部设有水冷套，由低温恒温槽提供入口温度恒定的冷却水。实验采用直径0.127 mm 的OMEGA K 型热电偶进行测温，由安捷伦温度巡检仪（34970A）和安捷伦数据采集模块（34901）进行温度数据采集分析。SGHP以 不 同 质 量 分 数(φ)的A-nanofluid 为 工 质，φ 在0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%中变化，以去离子水（DW）作为对照工质，充液率均为50%。充液率和冷却水流量分别为30%和1.6 ml/s。安装角度(α)从30°变化到90°，间隔为15°，加热功率(qin)从10 W 增加到100 W。每个条件下的测试重复三次，两次间隔一周。

图3 实验系统及数据采集点布置示意图Fig.3 The photograph of experimental platform and the schematic of measuring points

全局平均热阻(R)的计算方法如下：

蒸发段传热系数(he)的计算公式如下：

式中，Ae为SGHP 蒸发段换热面积，Ta为稳定条件下绝热段的平均温度。

基于数据采集装置和传感器的不确定性，考虑了实验不确定性分析。每个测点的温度测量误差范围为±0.5℃。电压和电流的测量精度分别是±0.1 V和±0.1 A。对于任意函数y = f(a,b,…,g),其中a、b和g 都是独立变量，函数的误差σy能够根据误差迁移定律得到:

式中，σa、σb和σg分别是变量a、b 和g 的误差。热阻的最大实验不确定性是±4.96%。

2 实验结果与讨论

2.1 两亲性纳米流体SGHP变功率运行对比

图4(a)、(b)分别给出了α 为30°，以DW 和Ananofluid 为工质的SGHP 变功率运行时不同位置的温度演化曲线，以及循环冷却水出入口温差曲线。图中粗实线表示蒸发段测点温度，粗虚线表示绝热段测点温度，细虚线表示冷凝段测点温度。如图4(a)所示，初始qin为10 W，蒸发段测点温度逐渐增加，在达到启动转折点A 后（约89℃），蒸发段温度骤降然后趋于稳定，此时绝热段温度跃升后趋于稳定。在SGHP 启动后，待系统达到稳定时再逐步增加功率。随着qin的增加，蒸发段和绝热段温度小幅度上升便趋于稳定，冷却水的温差逐步增加。对比图4(a)、(b)可知，以A-nanofluid 为工质时，温度演化图上没有明显的启动转折点，qin为10 W，蒸发段温度上升到62℃时温升速率明显降低，温度变化区域平缓，可以判断SGHP 启动。相较于DW，以Ananofluid 为工质能降低启动温度，因为两亲性高分子的作用降低了DW 基纳米流体的表面张力，导致工质气液界面附加压力下降。随着qin的增加，Ananofluid SGHP 温度演化趋势和DW 的相似。冷却水温差的波动幅度随qin增加而变大，间接表明SGHP 内部气液相变换热强度随着qin的增加而升高。

图4 不同加热功率时SGHP壁温及冷却水温差演化图Fig.4 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different heating powers

图5 不同加热功率时蒸发段换热特性及热阻对比Fig.5 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different heating powers

图5 给出了系统稳定时不同qin下SGHP 的蒸发段传热系数及全局平均热阻。如图5(a)所示，在两种工质条件下，蒸发段传热系数均随着qin的增加而先上升，然后趋于稳定，其极值点对应qin均在60 W附近。在所测试功率范围内，以A-nanofluid 为工质时的蒸发段传热系数要高于以DW 为工质时的，这说明纳米粒子的添加能有效强化SGHP 内部两相对流换热，一方面纳米粒子的添加能增大基液的导热能力，另一方面纳米粒子的扰动作用能强化工质与管壁的对流换热能力，并且能够在沸腾过程中为基液提供汽化核心，强化气泡产生过程。图5(b)给出了不同工质时全局热阻的变化规律。随着qin的增加，全局热阻逐渐降低并趋于平缓，当qin较小，如低于40 W，A-nanofluid SGHP 的热阻明显低于DW 的，在热输送能力上表现出明显优势，随着qin的增加，热阻差别可以忽略，在qin为100 W时，全局热阻分别为0.61℃/W 和0.59℃/W。尽管SGHP 蒸发段的换热能力有所提高，但两亲性纳米粒子的加入不能达到强化传热的效果，这主要受限于冷凝段换热瓶颈。

2.2 安装角度的影响

以φ=0.1%的A-nanofluid 为工质，α 分别为60°和90°时，SGHP 壁温及循环冷却水温差演化曲线如图6(a)、(b)所示。结合图4(b)和图6可知，随着α的增加，SGHP在启动时温度转折现象逐渐出现，α为60°和90°时对应的启动温度分别在67℃和85℃左右，可见启动温度随着α 的增加而上升，说明重力效应对启动温度的影响十分明显。当α 为60°和90°，在较低的qin范围内，循环冷却水温升均出现幅度大并且稳定的振荡现象，与之对应的SGHP 壁温也出现明显的波动，且冷却水温升的平均值高于α为30°时的情况，说明在该区域内SGHP 热输送能力得到强化，可能原因是增加α 导致冷凝液态工质的回流能力增强。但是当qin增加到一定程度，大幅度振荡现象消失，转变为幅度较低且频率较高的稳定振动，此时与α为30°时的表观现象相似。

图6 不同安装角度时SGHP壁温及冷却水温差演化图Fig.6 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different incline angles

图7 给出了qin为20、40 和60 W，系统达到稳态时SGHP 的蒸发段传热系数和全局平均热阻的变化规律。如图7(a)所示，在所测试的α 和功率范围内，蒸发段传热系数随着α的增加呈现先降低后几乎稳定的趋势。此外，相同α 下蒸发段传热系数与qin呈正相关。当α 相对较小时，α 对蒸发段的传热能力有较大的影响。但是当α 增加到一定程度，则对蒸发段传热能力的影响较小。结合图5(a)可知，当qin增加到一定程度后，蒸发段的传热系数会趋于稳定，甚至缓慢降低，SGHP 内部沸腾传热的增强会导致大气泡（甚至汽塞）的产生和脱离，大气泡/汽塞会缩小SGHP 管壁与液态工质之间的接触面积，增大换热热阻，削弱管壁与工质的换热，进一步可以推测，α 对蒸发段气泡/汽塞的产生、生长以及脱离过程有明显的影响，导致宏观层面的传热系数表现出对α 的敏感性，但具体影响机理有待进一步研究。如图7(b)所示，随着qin增加，α 对全局热阻的影响程度逐渐降低。一般情况下，随着α的上升，整体热阻呈现先减小后稳定的趋势。当α 从60°增加到90°时，SGHP 的热输运能力基本相同，当qin为60 W 时，α 为60°、70°和90°的全局热阻分别为0.84、0.84 和0.9℃/W。此外，20、40和60 W 时的最大相对变化率分别小于0.6%、10.2%和5.8%。

图7 不同安装角度时蒸发段换热特性及热阻对比Fig.7 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different incline angles

2.3 两亲性纳米流体浓度的影响

图8 给出了α 为90o，以不同φ 的A-nanofluid 为工质时SGHP 的温度演化曲线。从图6(b)和图8 可知，在qin为10 W 时，当φ 从0.1%增加到0.6%，SGHP的启动温度先升高然后趋于稳定。还可以观察到，蒸发段和绝热段的稳定壁温度都随φ 而升高，特别是当qin相对较大时，如20 W，φ 为0.1%、0.2%、0.4%和0.6%的蒸发段平均温度分别为78.9、100.8、113.4和112.9℃。这间接表明，当A-nanofluid 的φ 足够大时，与 文 献 中 的0.01%～0.075%[9]和0.001%～0.002%[29]相比，SGHP 的传热能力受到限制，由于浓度上升在很大程度上导致工质黏性上升，削弱了对流换热能力，并且延缓了气泡的生长和脱离。

图9 给出了不同φ 时SGHP 蒸发段传热系数和全局平均热阻。如图9(a)所示，随着φ 的增加，蒸发段传热系数减小。当φ 从0.1%增加到0.6%时，qin为20 W 和40 W 时的蒸发段传热系数分别下降了54.7%和48.9%。当qin相对较大时，如在60 W 和100 W之间，蒸发段传热系数的差异较小。从图9(b)可见，当qin不变时，随着A-nanofluid 的φ 增加，全局平均热阻均先增大后逐渐变得稳定。随着qin的增加，全局热阻增加的幅度逐渐减小，如当φ 从0.1%增加到0.4%时，qin为20、40、60 和80 W 时的全局热阻分别增加了427%、161%、134%和106%。相对较大的φ 引起的SGHP 的性能减弱在很大程度上归因于流体黏性的上升，削弱了对流换热能力，它还可能延迟气泡的生长和分离过程，导致更大的气泡尺寸，从而防止热量从固体表面转移到液体，产生较高的热阻[3]。另外，高浓度纳米流体中的纳米粒子更容易附着在绝热段和冷凝段的内表面，削弱凝结液回流过程。以上分析表明A-nanofluid 的φ 相对较低时有利于强化SGHP的传热能力。

图8 不同浓度时SGHP壁温及冷却水温差演化图Fig.8 Temperature evolution curves of different measuring points of SGHP at different concentrations

图9 不同浓度下蒸发段换热特性及热阻对比Fig.9 Heat transfer characteristic and thermal resistance of the SGHP at different concentrations

3 结 论

本文采用化学方法制备了改性石墨烯/水两亲性纳米流体（A-nanofluid），并以其为工质，研究了SGHP 在不同qin、α 和φ 下的传热性能。详细讨论了SGHP 的启动特性、壁面温度分布、蒸发段传热和整体传热能力，得到以下结论。

（1）与DW 相比，A-nanofluid 可以降低SGHP 的启动温度。在测试功率范围内，A-nanofluid SGHP蒸发段传热系数大于DW 的。当qin相对较小时，Ananofluid SGHP 的热阻明显低于DW 的。但是随着qin的增加，以A-nanofluid 和DW 为工质的SGHP 的热阻几乎相同。

（2）φ 为0.1%的A-nanofluid SGHP 的启动温度随α 的增大而上升。相同α 下蒸发段传热系数与qin呈正相关。当α 相对较小时，对蒸发段的传热能力有较大影响。随着α 增加，全局热阻呈现先减小后稳定的趋势。当α从60°增加到90°时，SGHP的热输运能力基本相同。

（3）当φ从0.1%增加到0.6%时，qin为20 W 的蒸发段传热系数下降了54.7%，qin为40 W 的降低了48.9%。当qin相对较大时，如从60 W 到100 W，蒸发段传热系数的差异较小。A-nanofluid 的浓度相对较低时有助于强化SGHP的传热能力。