高壓脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱特性的研究

高壓脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱特性的研究

0設(shè)備組成脈動(dòng)熱管動(dòng)脈供暖是兩種傳統(tǒng)設(shè)備中應(yīng)用前景的新型設(shè)備。脈動(dòng)熱管具有卓越的熱量傳遞性能，應(yīng)用在冷卻電子設(shè)備，熱回收系統(tǒng)中可以提高其效率。脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件，在傳熱能力，適應(yīng)性，成本和應(yīng)對(duì)當(dāng)今電子設(shè)備高集成化小型化方面具有較高的發(fā)展?jié)摿?，近年來已被國?nèi)外許多研究人員廣泛研究。納米流體的種類有：離子液體、微金屬、自濕潤流體、碳納米管等氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)約為6000W/(m·K)，它良好的導(dǎo)熱性可以極大地提升脈動(dòng)熱管的傳熱特性，延緩燒干等1設(shè)備和測(cè)試方法1.1脈動(dòng)熱管傾斜角度本實(shí)驗(yàn)選取的工質(zhì)為：去離子水，0.01wt%,0.03wt%,0.05wt%,0.08wt%,0.1wt%氧化石墨烯溶液，脈動(dòng)熱管傾斜角度定義為與水平方向的夾角，根據(jù)文獻(xiàn)1.2墨烯溶液穩(wěn)定性以及前后的變化本實(shí)驗(yàn)制備氧化石墨烯采用Hummers法氧化石墨烯溶液的穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)前后變化如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)靜置一個(gè)月后溶液顏色變淺，基本沒有沉淀，實(shí)驗(yàn)后溶液中的納米流體聚集在一起，有黑色沉淀產(chǎn)生。1.3實(shí)驗(yàn)加熱系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括紫銅脈動(dòng)熱管，電加熱系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。本實(shí)驗(yàn)用的脈動(dòng)熱管是外徑4mm、內(nèi)徑2mm的銅管，脈動(dòng)熱管總長250mm，有6個(gè)回路。實(shí)驗(yàn)的電加熱系統(tǒng)包括電阻絲、直流電源型號(hào)（MP1203D）等。如圖2所示，蒸發(fā)段采取垂直底部加熱方式，把加熱絲纏在裹有絕緣膠帶的紫銅管上，通過直流電源控制加熱功率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12所示對(duì)脈動(dòng)熱管壁面溫度進(jìn)行溫度變化記錄，其中1～6在冷凝段，7～12在蒸發(fā)段。采用標(biāo)定“K”型熱電偶，數(shù)據(jù)采集用安捷倫（Aglient34970A），頻率1Hz，分辨率0.01℃。冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)冷系統(tǒng)，加熱端有保溫棉保溫。2數(shù)據(jù)處理與不確定性分析2.1處理數(shù)據(jù)脈動(dòng)熱管熱阻R計(jì)算公式：式中：T蒸發(fā)段和冷凝段的溫度可根據(jù)脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度T2.2加熱功率對(duì)蒸發(fā)的不確定度本實(shí)驗(yàn)中加熱量由P=U·I得到，U和I可由直流電源顯示器直接讀取。直接測(cè)量誤差可由測(cè)量儀器的測(cè)量誤差δ本實(shí)驗(yàn)采用的直流電源，電壓范圍（0～120V）和電流范圍（0～3A），當(dāng)加熱功率為10W時(shí)，電壓為20.0V，電流為0.501A，則加熱功率的不確定度為：熱電偶精度是0.1℃，安捷倫（34970A）的精度是0.0256℃，溫度測(cè)量的絕對(duì)不確定度為：在加熱功率為10W時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端的最小溫差為：所以熱阻的最大不確定過度為：3納米流體啟動(dòng)時(shí)間多和溫度波動(dòng)脈動(dòng)熱管的工作狀態(tài)分為啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段。脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能常用啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)溫度來描述，脈動(dòng)熱管只有在一定的加熱功率下才會(huì)啟動(dòng)。定義從開始加熱到開始產(chǎn)生振蕩的時(shí)間為脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)時(shí)間，產(chǎn)生振蕩時(shí)的蒸發(fā)段的平均溫度為啟動(dòng)溫度。從圖3可以看出：去離子水的啟動(dòng)時(shí)間明顯高于納米流體（除0.1wt%外）的啟動(dòng)時(shí)間，適當(dāng)?shù)募{米流體明顯的改善了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)情況，隨著濃度的增加，啟動(dòng)時(shí)間先降低再升高，可以看到濃度0.01wt%時(shí)啟動(dòng)時(shí)間最短為299s，去離子水的啟動(dòng)時(shí)間為1377s,在啟動(dòng)時(shí)間上納米流體最高可改善78.2%，改善效果顯著。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)納米流體在10W的時(shí)候溫度均出現(xiàn)了波動(dòng)，開始啟動(dòng)，而去離子水10W時(shí)溫度一直很平穩(wěn)，無任何波動(dòng)情況，20W才啟動(dòng)。也可以看出啟動(dòng)溫度隨濃度的變化，隨著濃度的增加啟動(dòng)溫度先降低后增加，去離子水的啟動(dòng)溫度整體高于納米流體（除0.1wt%氧化石墨烯外）的啟動(dòng)溫度，濃度為0.1wt%的氧化石墨烯的啟動(dòng)溫度最高，其次是去離子水的啟動(dòng)溫度83.23℃，其中濃度為0.01wt%的氧化石墨烯溶液啟動(dòng)溫度最低41.24℃，啟動(dòng)溫度降50.45%。這是因?yàn)樗谋砻鎻埩Ρ容^大，導(dǎo)致啟動(dòng)溫度過高。在純工質(zhì)情況下，不容易產(chǎn)生汽泡，添加納米顆粒，蒸發(fā)段的核化點(diǎn)增加，納米顆粒和熱管壁面碰撞劇烈，更容易產(chǎn)生汽泡，隨著汽泡不斷脫離壁面進(jìn)入主水流，壁面附近的擾動(dòng)增強(qiáng)，熱交換過程強(qiáng)化，核態(tài)沸騰過程劇烈，從而使得蒸發(fā)段的熱量傳遞到冷凝段過程更快。而隨著納米流體顆粒的增加，溶液粘度增加，流體越難流動(dòng)，啟動(dòng)越困難。并且納米顆粒存在著聚沉問題，小顆粒聚集成大分子，影響了產(chǎn)生汽泡的效果，從而影響了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)情況，當(dāng)濃度為0.1wt%時(shí)，較短時(shí)間產(chǎn)生汽泡的利已經(jīng)小于粘度增加這種弊。高濃度流體發(fā)生沉淀現(xiàn)象明顯，這可能是阻礙熱管啟動(dòng)的原因。4納米動(dòng)脈熱的外觀4.1納米流體的工作特性見圖1小充液率下不同濃度的納米流體熱阻波動(dòng)曲線如圖4所示，可以看到整體隨著加熱功率的增加熱阻先減小后增加，去離子水的耐熱功率（蒸發(fā)端平均溫度到達(dá)130℃的加熱功率）為50W,0.01wt%的氧化石墨烯溶液的耐熱功率為55W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03wt%氧化石墨烯溶液耐熱功率為60W，而0.05wt%,0.08wt%,0.1wt%的氧化石墨烯溶液耐熱功率為65W，耐熱功率最大增加23%由此可以看出氧化石墨烯濃度增高，能夠緩熱管燒干。這是因?yàn)檠趸┯泻芎玫臐櫇裥?。從圖4可以看與去離子水相比，添加納米流體以后熱阻均有所改善，熱阻降低。并存在一個(gè)最佳濃度為0.08wt%。4.2濃度對(duì)熱阻的影響充液率為50%時(shí)熱阻波動(dòng)曲線如圖5所示，發(fā)現(xiàn)隨著加熱功率的增加熱阻降低。這是由于隨著吸熱量的增加，脈動(dòng)熱管內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡數(shù)量增多膨脹功增大,加熱段和冷凝段的壓差增加，從而推動(dòng)液體從蒸發(fā)段流向冷凝段，促進(jìn)了流體的流動(dòng)，強(qiáng)化了管內(nèi)介質(zhì)的對(duì)流換熱,從而使得系統(tǒng)熱阻下降圖6為濃度與熱阻的關(guān)系變化圖，從圖6可以看到：熱阻隨著濃度的增加先降低后升高，當(dāng)濃度為0.05wt%時(shí)，熱阻有最小值。隨著功率的增加熱阻在一直減小，10W時(shí)熱阻最大，105W時(shí)熱阻最小。4.3氧化石墨烯的啟動(dòng)80%充液率下的納米流體熱阻曲線如圖7所示，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著加熱功率的增加熱阻整體呈下降趨勢(shì)，低濃度氧化石墨烯溶液（0.01wt%,0.03wt%,0.05wt%）的熱阻低于去離子水的熱阻，而高濃度氧化石墨烯溶液（0.08wt%,0.1wt%）熱阻高于去離子水熱阻。其中0.1wt%的氧化石墨烯溶液只能做三個(gè)功率，由于30W時(shí)0.1wt%氧化石墨烯水溶液的溫度很高，基本不啟動(dòng)，從10W到30W溫度直線上升，無回落趨勢(shì)，故只做了三個(gè)功率，由于氧化石墨烯的濃度較高，粘度太大，故無法啟動(dòng)。從排出的工質(zhì)來看，氧化石墨烯呈大塊片狀，聚沉在一起，阻礙熱管的啟動(dòng)。在充液率為80%時(shí)，0.05wt%氧化石墨烯溶液表現(xiàn)為有較低的熱阻。5氧化石墨烯溶液濃度對(duì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)特性的影響通過以上分析，可得到以下結(jié)論：1）氧化石墨烯溶液可改善脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能，當(dāng)濃度低于0.1wt%的情況下，啟動(dòng)溫度與啟動(dòng)時(shí)間特性均優(yōu)于去離子水。本實(shí)驗(yàn)氧化石墨烯溶液濃度范圍內(nèi)，啟動(dòng)特性的強(qiáng)化作用隨著溶液濃度的提高而惡化，且在0.1wt%氧化石墨烯溶液濃度下脈動(dòng)熱管啟動(dòng)特性劣于去離子水，這主要是由于0.1wt%氧化石墨烯溶液濃度過高，加熱聚沉現(xiàn)象更為嚴(yán)重，反而削弱了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)。2）充液率為20%時(shí)，各濃度的氧化石墨烯傳熱特性均優(yōu)于去離子水，且隨氧化石墨烯溶液濃度的提高，耐熱功率增加。充液率為50%、80%時(shí)，除0.1wt%濃度下，各濃度的