高压脉动热管启动和传热特性的研究

高压脉动热管启动和传热特性的研究

0设备组成脉动热管动脉供暖是两种传统设备中应用前景的新型设备。脉动热管具有卓越的热量传递性能，应用在冷却电子设备，热回收系统中可以提高其效率。脉动热管结构简单，无运动部件，在传热能力，适应性，成本和应对当今电子设备高集成化小型化方面具有较高的发展潜力，近年来已被国内外许多研究人员广泛研究。纳米流体的种类有：离子液体、微金属、自湿润流体、碳纳米管等氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，它的导热系数约为6000W/(m·K)，它良好的导热性可以极大地提升脉动热管的传热特性，延缓烧干等1设备和测试方法1.1脉动热管倾斜角度本实验选取的工质为：去离子水，0.01wt%,0.03wt%,0.05wt%,0.08wt%,0.1wt%氧化石墨烯溶液，脉动热管倾斜角度定义为与水平方向的夹角，根据文献1.2墨烯溶液稳定性以及前后的变化本实验制备氧化石墨烯采用Hummers法氧化石墨烯溶液的稳定性以及实验前后变化如图1所示，可以发现静置一个月后溶液颜色变浅，基本没有沉淀，实验后溶液中的纳米流体聚集在一起，有黑色沉淀产生。1.3实验加热系统及数据采集系统本实验台主要包括紫铜脉动热管，电加热系统，数据采集系统和冷却系统。实验装置见图2。本实验用的脉动热管是外径4mm、内径2mm的铜管，脉动热管总长250mm，有6个回路。实验的电加热系统包括电阻丝、直流电源型号（MP1203D）等。如图2所示，蒸发段采取垂直底部加热方式，把加热丝缠在裹有绝缘胶带的紫铜管上，通过直流电源控制加热功率。数据采集系统如图2中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12所示对脉动热管壁面温度进行温度变化记录，其中1～6在冷凝段，7～12在蒸发段。采用标定“K”型热电偶，数据采集用安捷伦（Aglient34970A），频率1Hz，分辨率0.01℃。冷却系统采用强迫对流风冷系统，加热端有保温棉保温。2数据处理与不确定性分析2.1处理数据脉动热管热阻R计算公式：式中：T蒸发段和冷凝段的温度可根据脉动热管稳定运行时相应测点温度T2.2加热功率对蒸发的不确定度本实验中加热量由P=U·I得到，U和I可由直流电源显示器直接读取。直接测量误差可由测量仪器的测量误差δ本实验采用的直流电源，电压范围（0～120V）和电流范围（0～3A），当加热功率为10W时，电压为20.0V，电流为0.501A，则加热功率的不确定度为：热电偶精度是0.1℃，安捷伦（34970A）的精度是0.0256℃，温度测量的绝对不确定度为：在加热功率为10W时，蒸发端和冷凝端的最小温差为：所以热阻的最大不确定过度为：3纳米流体启动时间多和温度波动脉动热管的工作状态分为启动阶段和稳定运行阶段。脉动热管的启动性能常用启动时间和启动温度来描述，脉动热管只有在一定的加热功率下才会启动。定义从开始加热到开始产生振荡的时间为脉动热管的启动时间，产生振荡时的蒸发段的平均温度为启动温度。从图3可以看出：去离子水的启动时间明显高于纳米流体（除0.1wt%外）的启动时间，适当的纳米流体明显的改善了脉动热管的启动情况，随着浓度的增加，启动时间先降低再升高，可以看到浓度0.01wt%时启动时间最短为299s，去离子水的启动时间为1377s,在启动时间上纳米流体最高可改善78.2%，改善效果显著。在实验过程中发现纳米流体在10W的时候温度均出现了波动，开始启动，而去离子水10W时温度一直很平稳，无任何波动情况，20W才启动。也可以看出启动温度随浓度的变化，随着浓度的增加启动温度先降低后增加，去离子水的启动温度整体高于纳米流体（除0.1wt%氧化石墨烯外）的启动温度，浓度为0.1wt%的氧化石墨烯的启动温度最高，其次是去离子水的启动温度83.23℃，其中浓度为0.01wt%的氧化石墨烯溶液启动温度最低41.24℃，启动温度降50.45%。这是因为水的表面张力比较大，导致启动温度过高。在纯工质情况下，不容易产生汽泡，添加纳米颗粒，蒸发段的核化点增加，纳米颗粒和热管壁面碰撞剧烈，更容易产生汽泡，随着汽泡不断脱离壁面进入主水流，壁面附近的扰动增强，热交换过程强化，核态沸腾过程剧烈，从而使得蒸发段的热量传递到冷凝段过程更快。而随着纳米流体颗粒的增加，溶液粘度增加，流体越难流动，启动越困难。并且纳米颗粒存在着聚沉问题，小颗粒聚集成大分子，影响了产生汽泡的效果，从而影响了脉动热管的启动情况，当浓度为0.1wt%时，较短时间产生汽泡的利已经小于粘度增加这种弊。高浓度流体发生沉淀现象明显，这可能是阻碍热管启动的原因。4纳米动脉热的外观4.1纳米流体的工作特性见图1小充液率下不同浓度的纳米流体热阻波动曲线如图4所示，可以看到整体随着加热功率的增加热阻先减小后增加，去离子水的耐热功率（蒸发端平均温度到达130℃的加热功率）为50W,0.01wt%的氧化石墨烯溶液的耐热功率为55W，质量分数为0.03wt%氧化石墨烯溶液耐热功率为60W，而0.05wt%,0.08wt%,0.1wt%的氧化石墨烯溶液耐热功率为65W，耐热功率最大增加23%由此可以看出氧化石墨烯浓度增高，能够缓热管烧干。这是因为氧化石墨烯有很好的润湿性。从图4可以看与去离子水相比，添加纳米流体以后热阻均有所改善，热阻降低。并存在一个最佳浓度为0.08wt%。4.2浓度对热阻的影响充液率为50%时热阻波动曲线如图5所示，发现随着加热功率的增加热阻降低。这是由于随着吸热量的增加，脉动热管内部产生的气泡数量增多膨胀功增大,加热段和冷凝段的压差增加，从而推动液体从蒸发段流向冷凝段，促进了流体的流动，强化了管内介质的对流换热,从而使得系统热阻下降图6为浓度与热阻的关系变化图，从图6可以看到：热阻随着浓度的增加先降低后升高，当浓度为0.05wt%时，热阻有最小值。随着功率的增加热阻在一直减小，10W时热阻最大，105W时热阻最小。4.3氧化石墨烯的启动80%充液率下的纳米流体热阻曲线如图7所示，从图7可以发现，随着加热功率的增加热阻整体呈下降趋势，低浓度氧化石墨烯溶液（0.01wt%,0.03wt%,0.05wt%）的热阻低于去离子水的热阻，而高浓度氧化石墨烯溶液（0.08wt%,0.1wt%）热阻高于去离子水热阻。其中0.1wt%的氧化石墨烯溶液只能做三个功率，由于30W时0.1wt%氧化石墨烯水溶液的温度很高，基本不启动，从10W到30W温度直线上升，无回落趋势，故只做了三个功率，由于氧化石墨烯的浓度较高，粘度太大，故无法启动。从排出的工质来看，氧化石墨烯呈大块片状，聚沉在一起，阻碍热管的启动。在充液率为80%时，0.05wt%氧化石墨烯溶液表现为有较低的热阻。5氧化石墨烯溶液浓度对脉动热管启动特性的影响通过以上分析，可得到以下结论：1）氧化石墨烯溶液可改善脉动热管的启动性能，当浓度低于0.1wt%的情况下，启动温度与启动时间特性均优于去离子水。本实验氧化石墨烯溶液浓度范围内，启动特性的强化作用随着溶液浓度的提高而恶化，且在0.1wt%氧化石墨烯溶液浓度下脉动热管启动特性劣于去离子水，这主要是由于0.1wt%氧化石墨烯溶液浓度过高，加热聚沉现象更为严重，反而削弱了脉动热管的启动。2）充液率为20%时，各浓度的氧化石墨烯传热特性均优于去离子水，且随氧化石墨烯溶液浓度的提高，耐热功率增加。充液率为50%、80%时，除0.1wt%浓度下，各浓度的