石墨烯納米片-水納米流體重力熱管的傳熱性能實驗研究

徐正基 楊 峻

（南京工業大學機械與動力工程學院）

隨著科技的不斷發展，熱交換設備對傳熱性能的要求不斷提高。 熱管作為最有效的傳熱元件之一，迫切需要提高其傳輸功率。 重力熱管（兩相封閉式熱虹吸管） 在熱管傳熱元件中占重要地位，它結構簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性能優良、工作可靠［1］，可以作為換熱設備的傳熱元件，在凍土地區的鐵路、管線工程［2～4］，工業余熱回收［5，6］及太陽能［7～9］等領域發揮了一定的作用。

以往兩相封閉式熱虹吸管將水、氨及乙醇等作為傳熱介質， 自Choi S U S 和Eastman J A 提出納米流體的概念后［10］，研究人員進行了大量的納米流體研究，研究角度包括納米流體介質種類［11，12］、體積分數［13，14］、質量分數［15，16］、粒徑［17～19］和納米流體的表面活性劑的影響［20，21］，研究結果顯示，在傳統介質水中加入納米顆粒可以提高傳熱性能。 進而將納米流體與兩相封閉式熱虹吸管相結合進行研究，Shanbedi M 等將多壁碳納米管-去離子水納米流體應用于兩相閉合熱虹吸管，發現隨著納米流體的質量分數的增加，熱管的熱效率增加，熱阻降低［22］。 Kamyar A 等使用水作為與Al2O3和TiSiO4納米顆粒混合的基液，并且制備不同體積濃度的納米流體，研究表明，對于體積分數為0.050%的Al2O3和體積分數為0.075%的TiSiO4均可通過降低熱阻來改善性能［23］。 上述研究表明納米流體的加入可以改善重力熱管的傳熱性能，不同種類的納米顆粒及其不同的濃度都會對熱管的傳熱性能產生不同的影響。

自從Geim A K 和Novoselov K S 采用機械剝離的方法成功地將石墨層片剝離，得到單層石墨烯以來，受到了全世界科研人員的關注，并開展了許多相關的研究，單層石墨烯具有超高的導熱率，是目前世界最優的導熱材料之一，而石墨烯納米片（GNP）為石墨烯層狀堆積體，碳層數通常大于10，具有超大的形狀比（直徑/厚度比）和優異的導熱性能， 相對于單層石墨烯成本較低［24］。Gao Y G 等將乙二醇、去離子水、乙二醇/水（1:1）作為石墨烯納米片的基液，研究發現它們的導熱率都比純水的更好［25］。Soleymaniha M 等將水基石墨烯量子點懸浮液應用于兩相封閉式熱虹吸管，從試驗結果不難發現，與蒸餾水相比，水基納米流體的熱導率顯著提高［26］。

筆者將石墨烯納米片-水納米流體作為工作介質進行傳熱性能的研究，并與相同狀況下純水重力熱管的傳熱性能進行比較，先進行可視化實驗，觀察對比它們的相變行為，分析石墨烯納米片對流體帶來的影響。 然后進行單管傳熱實驗，分析不同充液率下不同質量分數的石墨烯-水納米流體對重力熱管傳熱性能的影響，選取最佳傳熱性能的石墨烯納米片-水納米流體重力熱管。最后進行啟動性能對比實驗，研究納米流體對于重力熱管啟動性能的影響。

1 可視化實驗

1.1 實驗材料的制備

實驗中所購置的石墨烯納米片厚度為1～5nm，片徑1～3μm，將它與蒸餾水混合并且加入分散劑十二烷基硫酸鈉（SDS），用攪拌棒順時針攪拌3min，最后放入超聲波破碎儀攪拌2h，以此獲得分散均勻、穩定的水基石墨烯納米流體。 如圖1 所示，在各試管中加入等量的石墨烯納米片和分散劑，試管a 中為加入SDS 分散劑并進行超聲破碎的石墨烯納米片-水納米流體， 試管b 為加入SDS 分散劑不經過超聲破碎的石墨烯納米片-水納米流體， 試管c 則是不經過任何處理直接將石墨烯納米片與純水混合，可以看出經過超聲破碎且加入分散劑的納米流體分散效果更好。

圖1 石墨烯納米片-水納米流體分散效果

1.2 實驗裝置及方法

可視化實驗裝置如圖2 所示，主要由電加熱板、玻璃熱虹吸管、固定架、保溫磚、溫度顯示器、調壓器、聚光燈和高速攝像機組成。 實驗主體部分為兩根長500mm、外徑25mm、壁厚1mm 且裝有旋塞閥的玻璃熱虹吸管，分別裝入石墨烯納米片-水納米流體和蒸餾水，充液率為30%，其中納米流體管中石墨烯納米片的質量分數為0.1%，分散劑質量分數為0.05%， 工作介質的初始溫度為20℃。 再用固定架固定后將它放置于電加熱板中間，將調壓器與加熱片和溫度顯示器連接后接通電源，工作電壓為120～150V，然后打開聚光燈，采用高速攝像機捕捉熱虹吸管內部流體的相變行為。 在實驗剛開始的加熱過程中，打開旋塞閥，隨著溫度的升高排出熱管內部空氣。

圖2 可視化實驗裝置

1.3 結果與分析

如圖3 所示，在同等實驗條件下，a1～a5 是純水流體通過加熱逐漸沸騰的過程，b1～b5 是石墨烯納米片-水納米流體通過加熱逐漸沸騰的過程。 在同等實驗條件下， 將玻璃管加熱至25min后，液池處于對流蒸發換熱狀態，可以觀察到水管（a1）的液池內壁的汽化核數不斷增加，由于石墨烯納米片-水納米流體呈黑色， 無法直接觀察管內（b1）汽化核心數的變化狀況，但可以看到石墨烯納米片在流體中不停地進行無規則翻騰運動，管中氣泡脫離管壁，納米流體液面逐漸產生波動現象。 圖3 中圓框部分為液池上部的液膜，可以發現，相同時間下，在水管（a1）液池上部，壁面僅產生水珠，但納米流體管（b1）液池上方出現凝結液膜，逐漸形成水柱。

圖3 石墨烯納米片-水納米流體與純水的相變行為

實驗時，玻璃熱虹吸管內經常會產生間歇沸騰。 從圖4 中可以觀察到，剛開始水管中液池無任何變化，隨著溫度的升高液池底部瞬間生成巨大氣泡向上迅速膨脹并且攜帶上方的液體沖向冷凝端頂部，并伴有清脆的撞擊聲，然后在重力作用下工質回流至蒸發端，此時一個間歇沸騰周期結束，液池開始積聚能量，進行下一次間歇沸騰，間歇沸騰的持續時間為1.5～2.0s。而水基石墨烯納米管中液池表面會出現輕微沸騰現象，然后液池底部也會生成水泡從液池底部迅速膨脹，但攜帶工質上升的距離較小， 之后回落至蒸發端，擾動幅度相對于水管要小很多，可以觀察出在純水中加入分散劑與納米顆粒對間歇沸騰產生了一定的抑制效果。 Kujawska A 等同樣發現了在去離子水中加入納米顆粒和化學穩定劑（如十二烷基硫酸鈉或聚乙烯吡咯烷酮）， 間歇沸騰受到強烈影響［27］。 由基液，化學穩定劑和納米顆粒組成的納米流體會減少甚至完全抑制間歇性。 說明加入分散劑、石墨烯納米片的納米流體會對間歇沸騰產生影響，在本次可視化實驗中加入分散劑的納米流體可以改善間歇沸騰。

圖4 石墨烯納米片-水納米流體與純水的間歇沸騰現象

2 傳熱實驗

傳熱實驗將在重力熱管中加入水基石墨烯納米片納米流體，分析不同充液率下不同質量分數的石墨烯納米片對重力熱管傳熱性能的影響，并與相同狀況下的純水重力熱管進行比較。

2.1 實驗裝置及方法

如圖5 所示， 重力熱管采用GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》要求的鋼管，外徑D=25mm、壁厚δ=2.5mm、總長度L=1250mm，其中蒸發段500mm、絕熱段150mm、冷凝段600mm。 蒸發段采用電加熱爐加熱，設置爐膛溫度為400℃，冷凝段帶有500mm 的冷卻水夾套可以通入冷卻水進行對流換熱，冷卻水流量為0.16L/min。 由于冷凝段頂端部分裸露在空氣中，實驗中采用保溫棉對整個冷凝段進行覆蓋，防止熱量損失。如圖6所示（圖中長度單位為mm），分別在蒸發段、絕熱段和冷凝段各布置兩根熱電偶， 熱電偶類型為T型熱電偶。

圖5 重力熱管傳熱實驗裝置示意圖

圖6 重力熱管熱電偶分布示意圖

在重力熱管充液率為20%、30%、40%的條件下， 分別配備0.050%、0.075%、0.100%、0.250%、0.500%的水基石墨烯納米片納米流體，SDS 分散劑質量分數均為0.1%（實驗忽略分散劑濃度的影響），配備完畢裝入重力熱管中。 將裝有相同充液率的純水熱管一同放進加熱爐中，待熱管穩定運行后，記錄冷卻水的進、出口溫度和熱電偶讀數。

2.2 實驗結果和分析

每組實驗重復3 次，并且根據換熱公式計算重力熱管的輸出功率P 和總傳熱系數h：

式中 C——水的比熱容，J/（kg·℃）；

D——重力熱管的外徑，mm；

L——重力熱管總長度，mm；

m——冷卻水質量流量，kg/s；

Tc——冷凝段平均壁溫，℃；

Th——蒸發段平均壁溫，℃；

Tin——冷卻水進口溫度，℃；

Tout——冷卻水出口溫度，℃。

分別作出不同充液率下3h 內不同質量分數的石墨烯納米片-水納米流體與水的輸出功率P和總傳熱系數h 曲線（圖7、8）。

圖8 20%、30%、40%充液率下重力熱管的傳熱系數

由圖7、8 可知，一定充液率下重力熱管的傳輸功率隨著納米流體質量分數的增加先上升后下降，當重力熱管充液率為20%時，質量分數為0.100%的納米流體輸出功率最大， 相對于純水管，分別提高了5.2%左右；當充液率為30%、40%時， 質量分數為0.250%的納米流體輸出功率最大，相對于純水管，分別提高了8%、5%；本實驗中，當充液率為30%、40%，質量分數小于0.100%時，納米管相對于純水管的輸出功率并沒有得到提高，反而下降了0.1%～3.2%。 當重力熱管充液率為20%， 質量分數為0.100%的納米流體單管總傳熱系數最大， 相對于純水管， 最大提高了16.8%；當重力熱管充液率為30%、40%時，質量分數為0.250%的納米流體單管總傳熱系數最大，相對于純水管，分別最大提高了15.4%、7.3%；同樣，當質量分數小于0.100%時，納米管單管總傳熱系數相較于純水管并沒有得到提高，下降幅度最高可達4.2%；當質量分數為0.500%時，30%充液率下總傳熱系數相對純水管最多提高4%，20%、40%充液率下總傳熱系數相對于純水管較低，下降最多可達5%。

在本次實驗中，30%充液率下0.250%質量分數的水基石墨烯納米流體重力熱管的傳熱性能相對來說最好，因為相較于純水管，石墨烯納米片-水重力熱管的輸出功率最多能夠提高8%，總傳熱系數最多可以提高15.4%。一定充液率下，質量分數小于0.100%的石墨烯納米片-水納米流體應用于重力熱管中的效果并不理想，輸出功率和熱管傳熱系數比純水管低。

通過表1 對比以往文獻有關納米流體應用于重力熱管的結論，大部分納米流體在最佳配比情況下都可以強化重力熱管的傳熱性能，也有部分研究表明加入納米流體阻礙了熱管的傳熱性能，原因可能是納米顆粒的加入使得表面張力增加，蒸發組分水在界面處的蒸發產生質擴散效應增大了其熱阻使得性能下降［28］，納米顆粒的團聚、沉積阻塞活性腔并且滯留于粗糙面的凹槽內導致兩相封閉式熱虹吸管傳熱性能降低［29］或納米顆粒濃度過大致使重力熱管沸騰特性劣化［30］。

表1 納米流體應用于重力熱管的傳熱性能研究對比

3 啟動性能實驗

在重力熱管傳熱實驗中，30%充液率下0.25%質量分數的水基石墨烯納米流體重力熱管的傳熱性能最好，將它與相同充液率下的純水重力熱管進行啟動性能對比實驗。 實驗根據GB/T 9082.1—2011 的要求進行， 按照國家標準將納米流體應用到工程熱管中去，工程使用熱管和實驗熱管尺寸一致。 冷凝段暴露在空氣中自然冷卻，設置爐膛溫度為120℃，記錄蒸發段與冷凝段的平均壁溫， 并且多次重復， 所得結果如圖9所示。

圖9 納米流體熱管與水管的啟動性能對比

在重力熱管啟動性能實驗過程中，二者起始溫度為26.5℃左右， 加熱后， 水基石墨烯納米片（GNP-water） 納米流體熱管與水管蒸發段溫度上升趨勢相當，20min 后二者蒸發段壁面溫度都達到102℃左右， 實驗進行到10min 后水基石墨烯納米片納米流體熱管和水管冷凝段壁面溫度開始上升，11min 時水管冷凝段壁面溫度升至47℃左右，而水基石墨烯納米片納米流體管此時的冷凝段壁面溫度為30.8℃。 當實驗進行到14min 時水基石墨烯納米片納米流體熱管的冷凝段溫度才達到47℃左右，20min 后二者冷凝段曲線趨近平穩，水管冷凝段溫度升至80.9℃，水基石墨烯納米片納米流體熱管冷凝段溫度為72.3℃。 重力熱管啟動完成， 二者蒸發段壁面溫度都達到102℃左右，水管的冷凝段溫度比納米流體熱管的冷凝段壁面溫度高8.6℃， 水管達到72℃只需要17min， 比水基石墨烯納米片納米流體熱管快4min 左右，水管啟動速度更快。

4 結論

4.1 水基石墨烯納米流體比蒸餾水的蒸發量大，加入分散劑、石墨烯納米片的納米流體會對間歇沸騰產生影響，可以改善間歇沸騰。

4.2 30%充液率下0.250%質量分數的水基石墨烯納米流體重力熱管的傳熱性能相對來說最好，相較于純水管輸出功率最多能夠提高8%， 總傳熱系數最多可以提高15.4%。

4.3 重力熱管啟動性能實驗中，水管蒸發段的平均溫度與水基石墨烯納米片納米流體熱管蒸發段的相當，水管的冷凝段溫度比納米流體熱管的冷凝段壁面溫度高8.6℃，冷凝段達到相同的溫度時，水管啟動速度更快。