氧化石墨烯脉动热管启动特性的研究

刘利伟 杨洪海 张田田 张苗 周博 王耀锋

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

脉动热管（Pulsating Heat Pipe，PHP）的工作状态可分为两个阶段，开始加热后，蒸发段温度逐渐上升为启动阶段。当其温度围绕一恒定值上下波动为稳定运行阶段。PHP 的结构[1-3]、尺寸[4]、倾斜角度[5]、加热与冷却方式[6]、充液率[7]、工质[8-10]等影响其启动性能。

石墨烯独特的二维片层结构使其传热性能及机制均不同于一般纳米颗粒，其导热系数高达5300 W/(m·K)，远高于碳纳米管和金刚石。鉴于石墨烯粉末不易溶于水，将其氧化后能很好地分散在水中，显著增强石墨烯的亲水性[11]。

目前针对氧化石墨烯PHP 的研究主要集中在热阻与温度波动两方面，未探究其启动特性，故本文实验研究了浓度为0.01%wt～0.1%wt 的氧化石墨烯溶液与去离子水在不同充液率（FR=30%、50%、80%）、不同加热功率（10～105 W）下的启动特性。

1 实验概况

1.1 实验系统

本实验装置如图1 所示。脉动热管采用外径4 mm、内径2 mm 的紫铜管弯制而成，由蒸发段、绝热段、冷凝段三部分组成，弯头数为3，热管连接部位采用耐高温不锈钢三通阀连接。脉动热管总长250 mm，其中，蒸发段长50 mm，绝热段长50 mm，冷凝段长150 mm，相邻两根管之间的中心距为。实验辅助系统包括直流电加热系统（MP1203D），数据采集系统（Aglient 34970A）与冷却系统。本实验采用垂直底部加热方式，镍铬加热丝缠在裹有耐高温绝缘胶带的紫铜管上，通过直流电源（MP1203D）控制加热功率，电流及电压测量精度±0.01 A 和±0.1 V。绝热段与蒸发段采用内部保温石棉、中间铝箔反射膜、外部聚苯乙烯加夹紧装置组成。PHP 装置示意图及测温热电偶的布置如图所示，共采用12 个K 型热电偶，测量精度±0.01 ℃，其中1～6 号测量蒸发段温度，7～12 号测量冷凝段温度，采用安捷伦（Aglient 34970 A）进行数据记录，扫描频率为1 Hz。冷凝系统由DN150mm 亚克力风管与三相变频风机组成。

图1 实验装置图

1.2 工质配备

本实验氧化石墨烯样品由南京先丰纳米科技提供，纯度≥99%，片径0.5～5 μm，厚度0.8～1.2 nm。氧化石墨烯/去离子水的配制：1）使用电子天平秤量取一定量的氧化石墨烯粉末与去离子水置于量杯中；2）将氧化石墨烯与去离子水初步搅拌均匀；3）将混合液放入超声波震荡器（HN-1000CS）中震荡40 min，使得氧化石墨烯分散均匀。

1.3 实验工况

实验工质为：0.01%wt，0.05% wt，0.08% wt 和0.1%wt 的氧化石墨烯水溶液和去离子水。PHP 的倾斜角度均为90°。加热的功率10～105 W，冷却方式为风冷。

1.4 实验过程

实验前，首先采用真空泵对系统进行抽真空处理，打开PHP 两端的三通阀同时关闭滴定管阀门，连接真空泵，脉动热管和滴定管，抽真空过程开始。当真空计示数为1.5×10-3Pa 时，保压15 min，抽真空结束。然后进行充液操作，关闭PHP 两端的三通阀同时打开滴定管阀门，记录液面下降后滴定管刻度，缓慢打开滴定管连接端的三通阀，使滴定管中的液面下降到指定刻度，关闭该三通阀，充液完成。开始试验，打开变频冷却风机，直流电源与安捷伦，初始的加热功率设定为10 W，待每个加热工况稳定后，运行10～15 min。

2 数据处理方法

实验中蒸发段温度Te与冷凝段温度Tc分别通过布置在蒸发段和冷凝段的6 个热电偶的平均温度计算所得，即：

式中：Te和Tc分别是PHP 达到稳定运行时，蒸发段和冷凝段6 个测点的平均温度，℃；Q 为直流稳压电源提供的加热功率，W。

为了更加直观反映氧化石墨烯对以去离子水为工质的脉动热管启动性能的强化作用，定义Ep1为启动功率强化作用率，Ep2为启动温度强化作用率，其中Q′1、T′1为以去离子水为工质PHP 启动功率与启动时间，Q′2、T′2为以GO 为工质PHP 启动功率与启动时间，即：

3 脉动热管启动特性分析

3.1 氧化石墨烯/去离子水脉动热管启动温度与时间

本实验加热功率范围为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离子水为工质的PHP 启动温度与启动时间。随着输入功率的增加，蒸发段工质蒸发相变，在压力差的作用下，蒸发段工质被推送至冷凝段，气态工质冷却后液化回流至蒸发段，PHP 内工质如此反复，达到稳定的脉动工况。因此，PHP 在启动过程中，蒸发段温度先增加后下降，温度第一次急剧下降且之后温度不再波动上升处定义为启动点，从加热到该温度转折点所需的时间定义为启动时间τ′，该点处的温度定义为启动温度T′，此时的功率定义为启动功率Q′。

FR=20%时，从图2、3 可知：1）在10 W 的加热功率下，GO 与去离子水能够未启动，这可能是由于小充液率的情况下，PHP 内不能形成稳定的气塞与液塞导致。2）小充液率（FR=20%）情况下，0.05%wt 的GO 启动效果最好，启动时间为1422 s，启动温度为62.2 ℃，且在启动前的温度攀升幅度较小，对加热功率的敏感度最强。3）从图3 可知，随着GO 浓度的提高，GO 的启动效果先优后劣，这是由于高浓度的GO 粘度较大，需要较大的启动作用力，阻碍了PHP 的启动。

图3 PHP 启动温度与启动时间（FR=20%）

FR=50%时，从图4、5 可知：1）在10 W 的加热功率下，只有0.05%wt 的GO 能够启动，启动的温度为50.2 ℃、启动时间为574s。2）0.01%wt 的GO 在10 W的加热功率下有局部启动的迹象，但未启动成功，温度总体仍为上升趋势，当加热功率增加到20 W 时，蒸发段温度攀升至90.7 ℃后陡然下降，达到稳定的启动工况，其启动特性弱于0.05%wtGO 的主要原因是低浓度的GO 在小加热功率下（10W）的强化传热作用是有限的。3）从图5 可知，随着GO 浓度的提高，GO 的启动效果先优后劣（0.01%wt 除外），存在最佳启动浓度0.05%wt，启动温度为50.2 ℃，启动时间为574 s，在大中小（FR=80%，50%，20%）充液率下启动效果最佳。4）FR=50%时，0.01%wtGO 的启动特性弱于去离子水的原因可能是由于随着充液率的增加，液塞的数量也随之增加，PHP 的启动需要更加强劲的动力驱动，GO 带来的气化核心的增加与强化传热收益低于其工质粘度的增加所导致的启动驱动力的增加。5）只有0.05%wt、0.08%wt 的GO 启动效果优于去离子水，启动温度与启动时间均低于去离子水，且在启动前的温度攀升幅度较小，对加热功率的敏感度最强。

图4 氧化石墨烯/去离子水PHP 启动曲线（FR=50%）

图5 PHP 启动温度与启动时间（FR=50%）

FR=80%时，从图6、7 可知：1）在10 W 的加热功率下，GO 与去离子水均未启动，这可能是由于随着充液率的增加，管内工质大部分以液体的形式存在，降低了PHP 内蒸发段与冷凝段的压力差，工质驱动力不足导致的。2）从图6 可知，0.1%wtGO 在各个加热功率下均不启动。3）从图7 可知，大充液率（FR=80%）的情况下，GO 恶化了PHP 的启动性能，各浓度的GO 启动温度与启动时间均高于去离子水，其原因同FR=50%中所述。

图6 氧化石墨烯/去离子水PHP 启动曲线（FR=80%）

图7 PHP 启动温度与启动时间（FR=80%）

3.2 氧化石墨烯/去离子水脉动热管的启动功率分析

图8 为以GO 与去离子水为工质的PHP 在不同充液率下启动功率随浓度的变化关系，可知：1）随着充液率的增加，PHP 的启动功率先降低后增加，存在最佳启动充液率FR=50%，Q′最低为10W。2）中小充液率（FR=20%，50%）下，随着GO 浓度的增加，PHP 的启动功率先降低后升高，存在最佳启动浓度0.05%wt。3）FR=50，wt=0.05%为最佳启动工况。

图8 氧化石墨烯/去离子水PHP 启动功率

3.3 充液率对脉动热管启动性能的影响

图9、10 为不同浓度的GO 在不同充液率下的启动温度与启动时间，由图可知：随着充液率的增加，各浓度GO 的T′与τ′均呈现与Q′相同的变化趋势，即先降低后增加（FR=80%，wt=0.1%不启动），充液率FR=50%，wt=0.05%时，Q′、T′与τ′最低。

图9 PHP 启动温度与充液率关系图

图10 PHP 启动时间与充液率关系图

3.4 氧化石墨烯对PHP 启动性能的强化作用

为了研究GO 对PHP 启动性能的强化作用，本实验在大中小充液率（FR=80%，50%，20%）下，研究了不同浓度GO 对PHP 启动强化作用率的变化情况。图11、12 分别为启动功率强化作用率与启动时间强化作用率。由图11 可知：1）wt=0.05%，FR=20%，50%时，GO对PHP 启动功率改善效果最为显著，改善率达50%。2）不同充液率下，0.01%wtGO 对PHP 的启动功率无改善作用，0.1%wtGO 提高了PHP 的启动功率，阻碍了PHP 的启动。由图12 可知：1）wt=0.05%，FR=20%，50%时，GO 对PHP 启动时间改善效果较明显，改善率分别为41.9%与40.5%。2）0.01%wt 与0.1%wtGO 提高了PHP 的启动时间，延缓了PHP 的启动。

图11 启动功率强化作用率

图12 启动时间强化作用率

3.5 影响脉动热管启动因素的显著性分析

明确影响PHP 启动特性因素的显著性对其启动稳定性的改善具有重要意义。由图13 知：工质浓度对PHP 启动性能的影响最为显著，wt=0～0.1%时，启动功率变化幅度最大。

4 结论

本文研究了不同浓度（0.01%wt～0.1%wt）的氧化石墨烯溶液和去离子水在不同充液率（FR=30%、50%、80%）、不同加热功率（10～105 W）下PHP 的启动特性，得到以下结论：

1）浓度为0.05%氧化石墨烯水溶液可改善脉动热管的启动性能，其启动效果最好，启动功率低至10 W，且在启动前的温度攀升幅度较小，对加热功率的敏感度最强。

2）中小充液率下（FR=20%，50%）启动功率随氧化石墨烯浓度的增加先降低后升高。

3）随着充液率的增加，氧化石墨烯PHP 的启动温度与启动时间呈先降低后升高趋势。

4）充液率为50%，氧化石墨烯浓度为0.05%wt时，启动功率与启动时间改善作用率较大，分别达50%与40.5%。

5）对于已经确定几何结构与参数的PHP，工质浓度对PHP 的启动性能影响最为显著。

符号说明

Q——PHP 蒸发段加热功率，W

T——温度，℃

Te——蒸发段平均温度，℃

Tc——冷凝段平均温度，℃

T′——启动温度，℃

FR——充液率，%

τ——时间，s

τ′——启动时间，s

Ep1——启动功率强化作用率，%

Ep2——启动时间强化作用率，%

wt——质量浓度，%