石墨烯超導熱管散熱性能實驗研究

作者簡介：劉澤珙（1974-），聯合國國際生態生命安全科學院院士，從事化學與材料科學的研究，113354537@qq.

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引用本文：劉澤珙.石墨烯超導熱管散熱性能實驗研究[J].化工機械，2024，51（2）：201-206;299.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402005

摘 要 為優化室內地暖的散熱效果，應用石墨烯超導冷暖技術，設計石墨烯超導熱管，并通過實驗研究石墨烯超導熱管散熱性能。選取石墨烯超導熱管、鋁極干式熱管和傳統濕式熱管，構建熱管實驗裝置，分別對3種熱管的散熱性能進行測試，并將測試結果通過數據處理與誤差分析方法進行處理。經實驗可知：傳統濕式熱管在熱管啟動時啟動溫度上升速度最慢，且在不同充液率下始終保持較低的導熱系數、較高的熱阻，說明該熱管的散熱性能較弱;而鋁極干式熱管在測試時雖然具備一定的散熱能力，但依然弱于石墨烯超導熱管;在石墨烯超導熱管測試過程中，其在不同啟動溫度下均能迅速達到相應溫度，且總熱阻較低、導熱系數較高，可迅速實現散熱。當導管的充液率較高時，熱管的冷凝段和蒸發段的溫差較低，具有較好的散熱效果，且石墨烯超導材料還能夠提高熱管強化作用率，使熱管散熱效果更強。

關鍵詞 石墨烯 超導熱管 散熱性能 充液率 啟動溫度 強化作用率

中圖分類號 TK79" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0201?07

熱管是目前較有效的傳熱元件，其傳熱效果優秀，且結構簡單，具有較強的適用性，目前廣泛應用于太陽能節能、地暖裝置中[1，2]。隨著室內冷暖技術的不斷提高，傳統熱管已無法滿足當前的供熱需求，為此，有較多學者不斷研究新型的熱管材料，使室內溫度得到更精準地控制[3]。

大量學者研究熱管優化方法，金志浩等研究氧化石墨烯重力熱管傳熱性能，該方法設計了適用于室內的重力熱管，并對其傳熱能力進行了周密測試，但該方法研究的熱管無法在較大充液率下維持較強的散熱能力[4];楊洪海等研究氧化石墨烯/水脈動熱管傳熱強化方法，該方法詳細分析了熱管傳熱變化，并通過預測算法預測熱管應用后的變化，但該方法并未測試熱管的啟動溫度情況，導致實驗結果不夠精準[5]。為此，筆者研究石墨烯超導熱管散熱性能實驗。

石墨烯是目前多領域較為流行的超導材料之一[6，7]，因具有優異的特性使其逐漸為當前相關的研發項目提供較多幫助[8]。石墨烯超導冷暖技術是一種能夠吸收室內的CO2，且不斷稀釋空氣中病毒濃度的技術。現在的感染大多都發生在室內，空調是交叉感染源[9]，所以應該把抵抗病毒蔓延的關口前移到建筑設計和安裝層面，通過石墨烯超導建筑防止病毒的交叉感染。如果得以推廣，不只是節能，而且會給社會創造巨大的效

益[10]。但是，目前石墨烯超導技術在建筑領域的應用效果并不全面，因此可通過石墨烯超導熱管性能測試，分析石墨烯超導技術的應用效果，獲取石墨烯超導熱管在應用后的具體性能。

1 石墨烯超導熱管研究

1.1 石墨烯超導材料配備

筆者選用石墨烯材料作為超導體進行地暖熱管鋪設，并對熱管進行散熱性能實驗。實驗用石墨烯產自南京牧科納米科技有限公司，純度不小于99%，最高導熱系數可達到600 W/（m·K）。為此，應用石墨烯材料構造熱管超導層，使室內冷暖技術能夠具有更好的節能效果。應用該石墨烯作為本實驗的超導材料，將其作為超導石墨層包圍在熱管外層，從而進行一系列的熱管散熱性能實驗。

1.2 石墨烯超導熱管冷暖優勢對比

針對石墨烯超導熱管進行冷暖優勢對比，分析相較于不同類型的傳統地暖，石墨烯超導材料應用于熱管地暖的優勢，具體分析結果見表1。

通過不同地暖的冷暖優勢對比可知，石墨烯超導石墨層與熱管構成的地暖在舒適度、升溫速度、供水溫度等方面性能均較好，相較于傳統地暖，石墨烯超導熱管的保溫效果更好，為此，筆者針對該熱管進行散熱性能實驗。

1.3 實驗裝置

筆者構建的石墨烯超導熱管散熱性能實驗裝置如圖1所示。其中，石墨烯超導熱管元件垂直放置，該元件主要由蒸發段、絕熱段和冷卻段3部分組成，蒸發段通過電加熱絲纏繞加熱，蒸發段與絕熱段均位于封閉腔體中，使這兩段能夠降低

散熱，而冷凝段則位于小型風道中，在風道內通過風冷進行散熱[11～13];在本次研究中，其充液和抽真空可在一個管道內通過閥門連接滴定管與真空表實現。

在該實驗裝置中，石墨烯超導熱管的內徑為2 mm，每根鄰近管之間的中心距為20 mm，共設計了20個熱電偶，其中1個用于測量有機玻璃外界溫度，其余用于測量熱管外壁面溫度。

1.4 數據處理與誤差分析

在石墨烯超導熱管散熱性能實驗中，熱管充液率分別為40%、60%、80%，而加熱功率在10～100 W之間。因在加熱初始階段熱管工質流動在熱阻曲線上的變化并不明顯[14，15]，故針對加熱功率大于35 W之后的熱管變化情況進行分析。

石墨烯超導熱管的熱阻R的計算式為：

R=

式中 Q——加熱功率;

T——熱管供熱過程中冷凝段的溫度;

" " T——熱管供熱過程中蒸發段的溫度。

在進行實驗時，采用的電壓表與電流表精度級別均為0.5，在加熱功率達到10 W時，所測得的電壓、電流為31.1 V、0.32 A。此時，加熱功率的相對不確定度為：

=

==1.968%

其中，δ表示不確定度，I為電流，U為電壓。同時，熱電偶精度通常為0.1 ℃，而真空表精度基本為0.025 6 ℃，因此，測得的溫度存在一定的不確定性，可通過下式計算溫度的絕對不確定度：

δT=δT=δT==0.103 ℃

當加熱功率達到10 W時，可計算出熱管蒸發段與冷凝段的最小溫差為（T-T）=12.6 ℃。此時，熱阻最大不確定度為：

=

==2.228%

假設給定一個包含因子K=2，則可通過下式計算散熱性能實驗的最大不確定度U：

U=

×K=2.228%×2≈4.5%

2 實驗分析

2.1 熱管啟動實驗

當熱管在啟動時，由于管內水質溫度提升，會產生蒸汽，導致在壓差作用下會推動水質循環流動，使得管內每處溫度保持平穩狀態，因此，可通過監測熱管啟動時的溫度上升情況，有效分析熱管應用時的散熱性能。為此，文中以啟動溫度作為評價標準，假設當前充液率均為60%，選取石墨烯超導熱管、鋁極干式熱管和傳統濕式熱管作為研究對象，設定啟動溫度分別為50、60、70 ℃，分析3種熱管在不同啟動溫度下的啟動性能。

2.1.1 啟動溫度為50 ℃時熱管啟動性能

分析當啟動溫度設置為50 ℃時，不同熱管的啟動性能，測試結果如圖2所示。由圖2可以看出，在最初啟動階段，傳統濕式熱管與鋁極干式熱管的溫度上升速度較慢，當啟動時間為50 s時，傳統濕式熱管的溫度僅達到37 ℃，而此時鋁極干式熱管溫度已達到40 ℃左右，同時，石墨烯超導熱管在該時間下溫度已達到43 ℃以上，且在后續時間下該熱管均保持較高溫度，說明石墨烯超導熱管在啟動時不僅可迅速升溫，還能始終維持管內較高溫度。

2.1.2 啟動溫度為60 ℃時熱管啟動性能

分析在相同充液率下，每種熱管在啟動溫度為60 ℃時的啟動性能，分析結果如圖3所示。由圖3可知，當熱管啟動溫度設定為60 ℃時，3種熱管的溫度上升速度有所下降，其中傳統濕式熱管在啟動100 s后才能夠保持35 ℃以上溫度，而鋁極干式熱管在該時間下溫度僅達到40 ℃左右。隨著啟動時間的增加，這兩種熱管的溫度均要低于石墨烯超導熱管，說明石墨烯超導熱管在60 ℃的啟動溫度下依然能夠保持較好的啟動性能。

2.1.3 啟動溫度為70 ℃時熱管啟動性能

所設啟動溫度越高，對熱管的性能考驗就越強，當設置70 ℃的啟動溫度時，3種熱管的啟動性能測試結果如圖4所示。根據圖4可以看出，3種熱管的啟動速度明顯要低于其他兩種啟動溫度下的啟動速度，在70 ℃的啟動溫度下，鋁極干式熱管與傳統濕式熱管的溫度始終低于石墨烯超導熱管。同時可知，當設置不同的啟動溫度時，石墨烯超導熱管均具備較好的啟動性能，能夠快速實現升溫，所以，石墨烯超導熱管在使用時可保障較為優秀的散熱性。

2.2 熱管熱阻實驗

熱阻是指當熱量在熱管中傳輸時，熱管兩端的溫度差與熱源功率的比值。通過熱阻分析，可衡量熱管的散熱情況，熱阻越低說明熱管的散熱能力越強。

文中測試不同熱管在不同充液率下的總熱阻情況，并分析隨著充液溫度的上升，每種熱管總熱阻的變化情況，具體測試結果如圖5所示。

通過圖5可知，3種不同的熱管在充液率40%的情況下總熱阻均保持最低水平，而充液率80%

時，3種熱管的總熱阻相對較高，說明充液率越高，會導致熱阻越高。同時，在3種熱管中，傳統濕式熱管的總熱阻最高達到1.15 ℃/W左右，隨著充液溫度的增加，該熱管的總熱阻依然在3種熱管中保持最高，說明該熱管的散熱性能較弱;而鋁極干式熱管的總熱阻明顯低于傳統濕式熱管，其最高熱阻僅為0.75 ℃/W左右，但該熱管的總熱阻依然要高于石墨烯超導熱管，在石墨烯超導熱管的充液過程中，其總熱阻最高未超過0.55 ℃/W，由此可知，該熱管可增強溶液的導熱性，降低熱阻，使其保持較高的散熱能力。

2.3 熱管導熱系數實驗

熱管的導熱系數越高，說明熱管散熱越快，因此對不同熱管在充液過程中的導熱系數進行分析。測試3種熱管在60%充液率情況下的導熱系數變化，測試結果如圖6所示。

根據圖6可知，在不同充液時間下，每種熱管的導熱系數均呈現波動狀態。其中，鋁極干式熱管的導熱系數波動幅度較大，使得該熱管出現散熱不均勻現象，而傳統濕式熱管的導熱系數始終保持在最低水平波動，基本在90～100 W/（m2·℃）左右，散熱速度處于最慢狀態。鋁極干式熱管的散熱速度雖然高于傳統濕式熱管，但要明顯低于石墨烯超導熱管，在充液過程中，石墨烯超導熱管的導熱系數始終處于之間130～140 W/（m2·℃），遠高于其他兩種熱管，說明石墨烯超導熱管的散熱速度最快，可迅速為室內供暖。

2.4 熱管強化作用實驗

測試每種熱管材料在不同加熱功率下對地暖散熱的強化作用率，當強化作用率越高，說明熱管散熱性能越強。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，當加熱功率越大，3種熱管的強化作用率也隨之產生較大變化，其中，傳統濕式熱管的強化作用率隨著加熱功率的提升逐漸下降，最終達到-20%左右，說明該熱管材料沒有強化地暖散熱作用，而其他兩種熱管的強化作用率都呈上升狀態，鋁極干式熱管的強化作用率最高達到20%～30%，強化作用較好，而石墨烯超導熱管的強化作用率最高達到50%以上。因此，石墨烯超導材料能夠更好地增強熱管散熱作用，使地熱供暖保持更好的效果。

2.5 熱管溫差實驗

測試3種熱管在加熱過程中蒸發段與冷凝段的溫差情況。溫差越大說明其散熱性能較弱，具體測試結果如圖8所示。

根據圖8可知，當充液率為80%時，3種熱管蒸發段與冷凝段的溫差均處于最高狀態，由此可說明充液率較高會影響熱管散熱性能。在3種熱管中，傳統濕式熱管的最高溫差為40～45 ℃左右，最低溫差也要在30 ℃以上，在3種熱管中溫差最高;鋁極干式熱管在3種充液率下的溫差相差較大，其最高溫差處于30～45 ℃之間，最低溫差在5～

10 ℃之間，由此說明充液率變化對鋁極干式熱管的溫差影響較大，而石墨烯超導熱管在加熱過程中蒸發段與冷凝段的溫差處于較小水平，其最高溫差未超過20 ℃，最低溫差達到了4 ℃左右，說明石墨超導熱管即使在80%充液率下依然能夠保持較高的散熱性能，因此，石墨烯超導熱管更適用于地暖材料。

3 結束語

筆者對石墨烯超導熱管散熱性能進行實驗研究，石墨烯超導熱管是一種先進的冷暖技術，其維護簡單，所用材料均屬于防腐材料，使用壽命較長，且熱管承壓較低，基本無需大量維修工作。因此，對該熱管運行過程中散熱能力進行詳細測試，發現在控制熱管供熱時靈敏度更高，相較于普通熱管材料，石墨烯超導熱管具有更高應用性。在未來研究階段，可針對該熱管材料進行更多優化，使其應用效果更佳。

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（收稿日期：2023-02-03）

Experimental Study on Heat Dissipation Performance of

Graphene Superconducting Heat Pipe

LIU Ze?gong

（Tsinghua Research Center for Community of Shared Future， School of Social Sciences of Tsinghua University）

Abstract" "For purpose of optimizing heat dissipation effect of indoor floor heating， having graphene superconducting heating and cooling technology applied to design graphene superconducting heat pipe was implemented， including investigating its heat dissipation performance through experiments. In which， having the graphene superconducting heat pipe， aluminum electrode dry heat pipe and the traditional wet heat pipe selected to build a heat pipe experimental device to test their heat dissipation performance， respectively，