納米流體重力熱管啟動性能的試驗研究

周根明, 周少華, 趙忠超, 趙忠梁

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003)

近十幾年來,隨著納米技術的迅速發展，納米材料被不斷應用到生產和生活的各個方面.20世紀90年代以來,研究人員開始探索將納米材料技術應用于強化傳熱領域,研究新一代高效傳熱冷卻技術[1].將 1～ 100 nm之間的固體顆粒分散到傳統工質中,形成了一類新的傳熱冷卻介質,并能夠強化其導熱系數,文獻[2]首次將其稱之為“納米流體”.將納米流體作為新型傳熱工質填充于熱管內部就可以制成納米流體熱管.

目前,對納米流體熱管的研究尚處于初級階段,但也取得了一些成果.重力熱管的啟動過程熱管處于一種不穩定狀態,如何縮短啟動時間,使熱管快速地達到穩定運行狀態,對于一些特殊設備的運行有重要影響.從熱管的整個工作過程來看,啟動過程的性能對于熱管是否能夠快速進入正常工作模式起著至關重要的作用.文獻[3-4]研究了以Al2O3/水納米顆粒為工作介質的新型銅熱管的啟動性能、傳熱系數及軸向熱流率;文獻[5]研究了納米流體強化熱管的換熱性能;文獻[6]將水基碳納米管懸浮液作為重力熱管工質研究了其啟動性能、管壁溫度和傳熱性能.這些研究均表明納米流體能強化熱管的傳熱性能.

Ti02/H2O納米流體是一種新型的強化換熱工質,具有比純水較高的導熱系數和較低的過冷度,并能提高成核率,是納米科技與工程熱物理相結合的產物[7-8].文獻[9]比較了由ZnO，SiO2，Al2O3和TiO2納米流體制成的4根熱虹吸管的啟動性能、管壁溫度以及輸出熱量.文獻[10]將TiO2/H20納米流體應用于閉式脈動熱管中,開展納米流體脈動熱管實驗研究,結果表明傳熱效果得到進一步強化.目前國內外將Ti02/H2O納米流體作為工質對重力熱管進行研究還非常少,文中對不同濃度和不同充液率的多根TiO2/H2O納米流體重力熱管的的啟動性能進行了試驗研究,為納米流體熱管的實際應用奠定一定的基礎.

1 試驗系統

試驗用熱管的管材為紫銅管,管子外徑9.50,壁厚0.7,管長750,蒸發段長為300,冷凝段長為450(單位均為：mm).重力熱管的參數見表1,充液率指充入熱管的工質容積與蒸發段總容積之比.

表1 重力熱管的參數Table 1 Parameters of gravity heat pipe

試驗系統如圖1,主要由加熱裝置、熱管、熱電阻和數據采集系統組成.納米流體熱管的加熱裝置為恒溫水浴.冷凝段完全暴露在空氣中,通過自然對流和輻射換熱進行冷卻.熱管的管壁溫度采用三線制的PT100熱電阻測量,這種熱電阻可以較好的消除連接導線電阻的影響,熱電阻布置在每根熱管的蒸發段底部(熱電偶1)與冷凝段頂端(熱電偶2),蒸發段測點外部包裹有隔熱隔水材料,冷凝段測點外部包裹有隔熱材料,試驗時冷凝段置于25℃的空氣中自然冷卻.熱電阻連接至Agilent數據采集儀,數據采集儀通過RS232/RS485信號轉換器連接到計算機的COM端口,在計算機上采用MCGS工控組態軟件實時采集和記錄.

1-恒溫水浴;2-蒸發段熱電阻;3-數據采集系統; 4-冷凝端熱電阻;5-熱管

2 試驗結果及分析

重力熱管開始加熱時,熱管內工質的溫度較低,管內工質還沒有達到沸騰狀態,整個熱管換熱緩慢,熱管的運行還沒有達到穩定狀態.將熱管開始加熱后蒸發段溫度由快速變化到趨于平緩的過程叫做熱管的啟動過程,并將熱管啟動過程所用的時間作為啟動時間,將溫度從迅速上升到趨于平緩的那一瞬間的溫度作為啟動溫度.

2.1 納米流體濃度對啟動的影響

將熱管豎直放置,蒸發段加熱溫度為90℃,冷凝段置于25℃的空氣中自然冷卻,對納米流體質量百分比分別為0.2%,0.5%,1%,2%的納米流體熱管和去離子水熱管的啟動過程進行測試,圖2,3給出了不同濃度的納米流體熱管的蒸發段和冷凝段在啟動過程中溫度隨時間的變化曲線,可以看出,各根熱管蒸發段受熱后,溫度迅速上升,經過一段時間后,溫度變化趨于平緩,最后達到恒定值,從而完成啟動過程.冷凝段的溫度變化曲線與蒸發段的相似,只是初始階段冷凝段的溫度變化率較蒸發段小一些.各根熱管均可以順利啟動,無任何啟動困難.由納米流體熱管和去離子水熱管啟動過程的溫度分布曲線的比較可以看出,二者具有相同的啟動趨勢,這表明納米流體熱管也屬于均勻啟動[11],納米流體的加入并沒有改變其基液的啟動方式.

圖2中,TiO2濃度為0.2%，0.5%，1%納米流體熱管啟動溫度分別為86,86.5,86 ℃,啟動時間分別為90,80,90 s.而濃度為2%的納米流體熱管和去離子水熱管的啟動性能較近,二者啟動溫度均為87 ℃,啟動時間均為150 s左右.由此可見質量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動時間較去離子水熱管明顯縮短,啟動溫度稍小一些,而質量百分比為2%的納米流體熱管啟動時間與去離子水熱管基本相同,所以納米流體濃度大于一定程度時,熱管的啟動時間反而會增加.從而說明,適當濃度的TiO2納米流體作為熱管的工質可以優化熱管的啟動性能.本實驗采用的熱管中,質量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動過程曲線十分接近,其中質量百分比0.5%的納米流體熱管啟動性能稍好一些.另外,比較每根熱管溫度穩定后冷熱端的溫差,可知去離子水熱管的冷熱端溫差最大時約為17 ℃.而其他幾根納米流體熱管的冷熱端最大溫差比較接近,比去離子水熱管的冷熱端溫差小2～4℃.由此可以看出,在相同條件下納米流體熱管的等溫性比水熱管好.

圖2 不同濃度的納米流體熱管蒸發段溫度變化Fig.2 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in evaporation section

圖3 不同濃度的納米流體熱管冷凝段溫度變化Fig.3 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different concentration in condensation section

2.2 納米流體充液率對啟動的影響

圖4為不同充液率的3根熱管豎直放置,在90℃水溫下的蒸發段溫度變化情況,由圖可知,充液率為50%,60%,70%的納米流體熱管的啟動時間分別為70,110,150 s,相差較大;啟動溫度分別為85,86,87℃,3個溫度值比較接近.質量百分比為50%的納米流體熱管的啟動時間最短,啟動溫度最低.這是因為在相同的加熱溫度下,充液率較小的熱管工質較少,達到沸騰所需的熱量也就少一些,所以先達到沸騰狀態,所需要的啟動時間也就較短.另外,充液率為70%的納米流體熱管的蒸發段和冷凝段溫差最大,其等溫性較差.

由于納米流體熱管的啟動性能還與熱管內部液態和氣態的比例以及熱負荷有關,對于其它充液率的納米流體熱管的啟動性能還有待在不同熱負荷條件下做進一步研究.

圖4 不同充液率的納米流體熱管溫度變化Fig.4 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids of different filling ratio

2.3 加熱溫度對啟動的影響

圖5，6為充液率為50%，質量百分比為0.5%納米流體熱管分別置于溫度為60,75,90℃的恒溫水浴中,且均為豎直放置時的蒸發段和冷凝段的溫度變化曲線.由圖看出,在60,75,90℃恒溫水浴條件下,熱管達到穩定溫度的時間分別為140,90,70 s,冷凝段達到穩定溫度的時間分別為80,110,60 s.即加熱溫度越高,蒸發段達到穩定溫度所需的時間越短.而冷凝段達到穩定溫度的時間還與環境溫度有關,冷凝段在75℃時達到穩定溫度所需的時間比60℃時稍微長一些,是由于60℃時冷凝段的穩定溫度與環境溫度之間的溫差較小,從而使冷凝段可以比較快地到達穩定溫度.

圖6 不同加熱溫度的熱管冷凝段的溫度變化Fig.6 Temperature variation of heat pipes with different heating temperature in condensation section

加熱溫度較高時,蒸發段溫度在初始階段會出現巨大的躍遷,溫度變化非常迅速.而加熱溫度較低時,冷凝段溫度在初始階段變化比較緩慢,稍后則逐漸變快,在經過一段時間后達到穩定溫度.這是因為溫度較低時,初始加熱時蒸發段內部的工質加熱緩慢,只有較少的工質變成氣體到達冷凝段,使得初始階段冷凝段溫度變化緩慢.

2.4 傾斜角度對啟動的影響

重力熱管的傾角為熱管軸線方向與水平方向之間的夾角.選用充液率為50%，質量百分比為0.5%納米流體熱管,將熱管分別傾斜不同角度至于90℃的恒溫水浴中做測試,圖7為不同傾角時熱管的溫度變化曲線.由圖可以看出,豎直放置與70°傾角時熱管的溫度變化情況非常接近,而40°傾角時熱管的啟動時間明顯增加.即傾角較大時,啟動性能變化不大,但當傾角減小到一定程度時,啟動時間開始增加.其主要原因是,重力熱管是依靠工質自身重力由冷凝段回流到蒸發段.傾角較小時,工質回流的動力不足,導致工質不能及時回流至蒸發段,從而影響傳熱效率.而熱管垂直放置時,工質蒸汽和回流液體流動方向相反,二者之間相互阻礙,從而在一定程度上影響熱量的傳遞.而70°傾角時,重力熱管內部的蒸汽和回流液體的流動處于兩層,二者互不干擾,但此時回流動力較垂直時稍小一些,所以總體啟動時間與垂直時非常接近.

圖7 不同傾斜角度的納米流體熱管的溫度變化Fig.7 Temperature variation of heat pipes filled with nanofluids under different tilt angle condition

3 納米流體重力熱管性能分析

適當濃度的納米流體重力熱管與去離子水重力熱管相比,啟動性能明顯改善.初步分析原因如下:熱管在較低熱通量的情況下工作時,加熱段與管內工質的熱交換方式主要是熱傳導,此時加熱面基本無氣泡產生,由于納米流體的導熱能力與去離子水相比較好,從而使換熱得以強化.當熱通量繼續增大,蒸發段內部工質將會處于核態沸騰狀態,此時熱管內壁表面氣泡的產生和脫離過程決定著熱管的換熱效果,而納米流體中的納米顆粒可以促使氣泡產生,并且納米顆粒在慣性力和布朗運動的共同作用下頻繁撞擊熱管內壁,加快氣泡脫離熱管內壁,從而強化沸騰換熱.對于冷凝段,納米顆粒的布朗運動可以增加液膜的擾動,強化冷凝段的傳熱.

若納米流體濃度過低,改善換熱管熱性能的效果不大.若納米流體濃度過高,一方面,較多的納米顆粒會影響納米懸浮液的穩定性,容易發生顆粒團聚現象,另一方面會使熱邊界層加厚,增大熱阻,這兩方面都會使納米流體重力熱管的換熱性能變差.所以適當濃度納米流體重力熱管才能有較好的啟動和換熱性能,濃度過高反而會造成負面影響.

4 結論

1)納米流體熱管啟動方式為均勻啟動,在充液率相同的情況下,質量百分比為0.2%～1% TiO2納米流體熱管的啟動時間與去離子水熱管相比明顯縮短,質量百分比2%TiO2納米流體熱管的啟動時間與質量百分比為0.2%～1%TiO2納米流體熱管相比有所增加.其中,質量百分比為0.5%左右的TiO2納米流體重力熱管啟動性能最好.

2)熱管穩定工作后,去離子水熱管的冷熱端最大溫差與納米流體熱管相比較大.

3)在90℃的加熱條件下,50%～70%充液率的TiO2納米流體重力熱管,50%充液率的較另外兩根充液率稍高的啟動時間短快一些.

4)在不同的加熱溫度下,加熱溫度越高,啟動時間越短.加熱溫度較低時,冷凝段初始階段的溫度變化比較緩慢.

5)當熱管傾斜角度為70°～90°時,啟動時間變化不大;當傾斜角度減小到40°時,啟動時間明顯增加.即傾斜角度增大到一定程度后,啟動時間隨著傾斜角度的增大而增大.

文中熱管啟動性能試驗是在100℃以下的恒溫水浴條件下進行的,對于更高熱負荷下的更多的納米流體濃度和充液率測試還有待進一步研究.

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