石墨烯/去离子水纳米流体振荡热管传热性能

施赛燕，崔晓钰，周宇，韩华，陈成猛



石墨烯/去离子水纳米流体振荡热管传热性能

施赛燕1，崔晓钰1，周宇1，韩华1，陈成猛2

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2中国科学院山西煤炭化学研究所，中国科学院炭材料重点实验室，山西太原 030001）

通过实验研究石墨烯（GNP）纳米流体振荡热管的传热性能，质量分数分别为0.01%、0.05%、0.08%和0.10%，充液率为45%～90%，加热功率为10～100 W。结果表明，充液率为45%时，GNP纳米流体可以缓解烧干；充液率为55%～70%，质量分数为0.01%具有较为明显的传热优势，其热阻最高可降低83.33%。GNP纳米流体改善PHP传热性能的原因主要是其热导率较高，表面润湿性能较好。

传热；热力学性质；纳米粒子；石墨烯纳米流体；振荡热管

引 言

振荡热管（pulsating heat pipe，PHP）作为极具潜力的电子冷却器吸引了很多学者的关注[1-2]，因此对PHP的研究也有很多，包括PHP内充注的工质，PHP的结构和材料等，而PHP内充注工质的种类是最受学者关注的对象之一[3]。纳米流体是近年来研究的热点，研究发现，相比传统工质，纳米流体可以明显提升PHP的传热特性[4]。Karthikeyan等[5]研究发现PHP内充注Ag纳米流体可以将其传热性能提高33.3%；Qu等[6]通过实验得出：质量分数为0.9%的Al2O3纳米流体最大能将PHP的热阻降低32.5%；Ma等[7]将体积分数1%的钻石颗粒和HPLC级水配制成纳米流体，PHP的热阻可以达到0.03℃·W-1。Tanshen等[8]将4种不同质量分数（0.05%，0.1%，0.2%和0.3%）的多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体作为PHP的工质，充液率为60%。实验结果发现当工质质量分数为0.2%时，PHP的传热性能最好。Li等[9]进行了SiO2纳米流体振荡热管的可视化实验，通过实验可以发现，纳米流体在管内的接触角更小，液柱的分段更多，且纳米流体相比纯工质更容易发生核态沸腾。纳米流体改善PHP的传热性能的原因主要有以下两点：①在基液中添加纳米粒子，显著增大了液体的热导率[10]；②纳米颗粒的添加改变PHP内壁面的表面状况，尤其是在蒸发段，增加了汽化核心[11]。和其他纳米颗粒相比，石墨烯纳米片（graphene nanoplatelet，GNP）具有超高的热导率(3000～5000 W·m-1·K-1)[12]，而且石墨烯是二维纳米材料，相较于零维纳米颗粒和一维纳米管，其热传输特性和传热机制有很大的不同[13-14]。因此将其制成纳米流体作为PHP的工质，预期会有较好的效果。已经有学者将GNP纳米流体运用于普通热管内，当质量分数为0.1%时，热管的热阻最大能降低48.4%，在关于热管中运用纳米流体的公开文献中，该实验结果最佳[15]。因此，考虑将GNP配制成合适浓度的纳米流体作为PHP的工质，通过实验探究PHP的传热性能。GNP纳米流体的稳定性如图1所示，图中对应GNP纳米流体的质量分数从左往右依次为0.01%、0.05%、0.08%和0.10%。每次实验之前，所用工质都会经过1 h超声振荡。振荡完成之后的工质较稳定，如图1(a)所示，之后GNP纳米流体随时间的沉降情况如图1(b)～(d)所示，可以看出GNP纳米流体5 min后开始沉降，25 min后基本完全沉降。因此在超声振荡完成之后立即将工质充入振荡热管内，并开始实验。

GNP的TEM扫描结果如图2所示。

文献[15]指出GNP纳米流体的接触角随着浓度的增大而减小，同时接触角的减小表明了工质能较好地润湿固体表面。Nayak等[16]也得出了相似的结论：和基液相比，GNP纳米流体的接触角至少可以降低16%，说明GNP纳米流体具有较好表面湿润性。Mehrali等[17]测量了不同浓度GNP纳米流体的物性，纳米流体的热导率随着温度的升高基本呈直线上升，且和去离子水相比，纳米流体的热导率增大了12%～28%；GNP纳米流体的黏度随着温度的上升而下降且纳米流体的黏度较高；纳米流体热导率和黏度的值都随浓度的升高而升高。本文通过实验的方法测量蒸发段及冷凝段的温度变化，计算PHP的整体热阻，探究GNP纳米流体如何影响PHP传热性能并尝试揭示其机理。

1 实验装置

PHP的实验系统如图3所示，实验系统由PHP元件、充液/抽真空装置、加热冷却装置及数据采集装置构成。PHP蒸发段采用电加热丝缠绕底部加热；蒸发段和绝热段置于封闭透明的腔体中，以减少试件向环境散热；冷凝段放入小型风道中央进行强制风冷，风速 1.5 m·s-1；抽真空和充液共用一个管段，通过上部的阀门分别连接真空表和滴定管。PHP元件及测温热电偶的布置如图4所示，PHP的内径为2 mm，相邻两根管之间的中心距为20 mm，弯头半径为10 mm。PHP垂直放置，从上往下依次为冷凝段、绝热段和蒸发段，对应的长度为95、20和80 mm。一共布置了20个热电偶，1个测量双层有机玻璃盒外表面温度，其余测量PHP外壁面的温度（其中编号1～6测量冷凝段的温度，编号7～11测量蒸发段的温度，编号12～19测量中间管段的温度）。

1.1 数据处理与误差分析

在本实验中，GNP纳米流体质量分数为0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率为45%、55%、62%、70%、90%，加热功率10～100 W。需要说明的是：实验中当加热功率低于35 W时，工质运动比较慢，初始充液的随机分布对实验结果影响较大，实验重复性比较差，因此取35 W加热功率以上的实验结果进行分析。

1.2 数据处理

PHP的热阻计算式为

式中，e为PHP达到稳定运行状态时，蒸发段各测点温度的平均值；c为PHP达到稳定运行状态时，冷凝段各测点温度的平均值；为电加热丝的加热功率。蒸发段和冷凝段的温度可根据PHP稳定运行时相应测点温度T的平均值确定，即

1.3 不确定度分析

1.3.1 加热功率不确定度 加热实验所用的电压表（0～75 V）和电流表（0～1 A）精度等级为0.5，当加热功率为10 W时，测量电压为31.1 V，测量电流为0.32 A，加热功率的相对不确定度为

1.3.2 热阻不确定度 标定后的热电偶精度是0.1℃，安捷伦的精度是0.0256℃，所以温度测量的绝对不确定度为

而在加热功率为10 W时，蒸发段和冷凝段最小温差为：(e−c)min=12.6℃。

所以热阻的最大不确定度为

给定一个包含因子（=2）[18]，因此实验结果最大的不确定度为

2 GNP纳米流体PHP的传热性能

2.1 小充液率（45%）PHP的传热性能

小充液率下不同浓度PHP的热阻曲线如图5所示。从图中可以看出，去离子水PHP的耐热功率（PHP蒸发段平均温度达到120℃时的加热功率）为50 W，质量分数为0.01%和0.05%的GNP纳米流体的耐热功率为65 W，而质量分数为0.08%和0.10%的GNP纳米流体的PHP的耐热功率能增加至80 W，说明GNP纳米流体能够延迟烧干（图5中最右端点即对应烧干点），扩大了PHP的工作范围。从图中还可以看出，GNP纳米流体PHP的热阻自35 W后均小于去离子水，说明GNP纳米流体能够明显改善PHP的传热性能，原因是：GNP纳米流体具有较好的表面润湿性，缓解振荡热管的烧干状况。质量分数为0.10%的纳米流体PHP，其热阻自50 W开始均高于其余浓度的GNP纳米流体PHP；质量分数为0.05%和0.01%的GNP纳米流体PHP热阻较为接近；质量分数为0.08% GNP纳米流体PHP在高功率（65～80 W）下，其热阻均低于其余浓度PHP，说明在此充液率下，0.08%是最佳质量分数。

结合图6中不同浓度GNP纳米流体PHP冷热端温度振荡曲线作进一步说明。图6(a)为去离子水PHP冷热端平均温度振荡曲线，从图中可以看出，当加热功率为50 W时，冷凝段的平均温度和35 W相比基本没有变化，但是蒸发段的平均温度迅速上升，之后一直维持在较高水平，说明此时管内已经没有足够液态的去离子水冷却蒸发段，PHP无法正常运行；图6(b)为0.01% GNP纳米流体PHP冷热端平均温度振荡曲线，从图中可以看出，当加热功率为50 W时，工质在管内振荡良好，冷热端温差较小；图6(c)为0.10% GNP纳米流体PHP冷热端平均温度振荡曲线，自50 W开始0.10% GNP纳米流体PHP冷热端温差逐渐增大，该浓度纳米流体的黏度最高，工质在管内的运行阻力增大，导致传热性能变差。

2.2 中等充液率（55%、62%、70%）PHP的传热性能

当充液率为55%时，PHP的传热热阻如图7所示。当加热功率大于50 W时，去离子水PHP的热阻呈逐渐上升趋势，有轻微局部烧干。而GNP纳米流体PHP的热阻随着加热功率上升逐渐下降。质量分数为0.1%的PHP的热阻明显高于其他浓度的GNP纳米流体，虽然浓度越高，石墨烯纳米流体的热导率越高，但同时纳米流体的黏度也随之增加，导致流动阻力增大，因而冷热端的温差增大，其热阻也增大。其他浓度的PHP热阻较为接近，0.01% GNP纳米流体PHP略低于0.05%和0.08%纳米流体。当充液率增加至62%时，PHP的热阻曲线如图8所示。在此充液率下，质量分数0.01%的PHP优势较为明显，其热阻要明显低于其他工质PHP，当加热功率为100 W时，0.01%的纳米流体PHP的热阻相比去离子水降低了83.33%（从0.12℃·W-1到0.02℃·W-1）。除2.1节提到的GNP纳米流体具有热导率高、润湿性能好的特点外，在此充液率下还有一个原因：当充液率为50%～70%之间，PHP正常运行时，管内的流型以环状流为主[19]，GNP纳米流体在管内壁面形成一层涂层，增强了壁面的热导率，从而进一步提高了PHP的传热性能[15]。当充液率为70%时，各浓度PHP传热性能如图9所示，质量分数0.01% GNP纳米流体PHP继续保持传热优势，原因同充液率为62%的情况。

2.3 大充液率（90%）及0.01%质量分数下不同充液率PHP的传热性能

当充液率增加至90%时，PHP热阻曲线如图10所示。GNP纳米流体PHP的热阻基本上低于去离子水PHP，主要原因还是纳米流体的热导率较高，表面润湿能力较好。从图中还可以看出，质量分数为0.10%的GNP纳米流体PHP的热阻明显高于其他浓度，浓度越高，纳米流体的黏度也随之增加，导致流动阻力增大，因而冷热端的温差增大，其热阻也增大。图11为相同质量分数（0.01%）不同充液率下各工质PHP的热阻曲线，从图中可以看出当加热功率高于35 W时，充液率为90%的PHP热阻明显高于其他充液率，原因是：90%充液率下PHP气相空间小，气泡的生成和成长受到限制[20]，促使工质运动的推动力减弱，而且管内工质绝大部分以液体形式存在，运行的阻力会相对增大。

3 结 论

GNP纳米流体的质量分数为0.01%、0.05%、0.08%和0.1%，PHP的充液率为45%、55%、62%、70%、90%，加热功率10～100 W。本实验中分析了不同充液率下各浓度GNP纳米流体PHP的热阻曲线，得出如下结论：

（1）添加GNP纳米材料后，GNP纳米流体相比于去离子水，PHP传热性能提高的原因主要是：①GNP纳米流体较好表面润湿性和较高的热导率；②GNP纳米流体在管内壁面形成一层涂层，增强了壁面的热导率，从而进一步提高PHP的传热性能。

（2）小充液率（45%）：和去离子水相比，GNP纳米流体PHP的耐热功率增加，热阻减小，提高了PHP的传热性能；中等充液率（55%、62%、70%）：质量分数为0.01%的GNP纳米流体PHP传热性能较为突出，当充液率为62%，加热功率为100 W时，热阻最高能降低83.33%；高充液率（90%）：GNP纳米流体PHP的热阻基本低于去离子水。

（3）不同浓度的GNP纳米流体PHP适合的充液率不同。质量分数为0.08% GNP纳米流体在45%充液率下传热性能最好，0.01% GNP纳米流体适用的充液率范围较广，为55%～70%，而此充液率为振荡热管的最佳充液率范围，因此建议0.01% GNP纳米流体作为振荡热管的工质。0.10% GNP纳米流体PHP在各充液率下的热阻均保持在一个较高的水平，传热性能劣于其他浓度。

符 号 说 明

I——电流，A Q——PHP蒸发段电加热丝的加热量，W R——PHP 的热阻，℃·W-1 Tc, Te——分别为PHP达到稳定运行时冷凝段、蒸发段各点的平均温度，℃ U——电压，V 下角标 i——热电偶编号 max——最大值

[1] KEARNEY D, GRIFFIN J. An open loop pulsating heat pipe for integrated electronic cooling applications [J]. Journal of Heat Transfer, 2014, 136(8): 1-7.

[2] MAYDANIK Y F, DMITRIN V I, PASTUKHOV V G. Compact cooler for electronics on the basis of a pulsating heat pipe [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(17/18): 3511-3517.

[3] HAN X H, WANG X H, ZHENG H C,. Review of the development of pulsating heat pipe for heat dissipation [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 59: 692-709.

[4] ALAWI O A, SIDIK N A C, MOHAMMED H A,. Fluid flow and heat transfer characteristics of nanofluids in heat pipes: a review [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 56: 50-62.

[5] KARTHIKEYAN V K, RAMACHANDRAN K, PILLAI B C,. Effect of nanofluids on thermal performance of closed loop pulsating heat pipe [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 54: 171-178.

[6] QU J, WU H Y, CHENG P. Thermal performance of an oscillating heat pipe with Al2O3-water nanofluids [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2010, 37(2): 111-115.

[7] MA H B, WILSON C, YU Q. An experimental investigation of heat transport capability in a nanofluid oscillating heat pipe [J]. Journal of Heat Transfer, 2006, 128(11): 1213-1216.

[8] TANSHEN M R, MUNKHBAYAR B, NINE M J,. Effect of functionalized MWCNTs/water nanofluids on thermal resistance and pressure fluctuation characteristics in oscillating heat pipe [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, 48: 93-98.

[9] LI Q M, ZOU J, DUAN Y Y,. Visualization of two-phase flows in nanofluid oscillating heat pipe [J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(5): 1-5.

[10] 李强, 宣益民. 纳米流体强化热导率机理初步分析[J]. 热能与动力工程, 2002, 17(6): 568-573. LI Q, XUAN Y M. Preliminary analysis on the mechanism of enhancement on nanofluids’ thermal conductivity [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2002, 17(6): 568-573.

[11] QU J, WU H Y. Thermal performance comparison of oscillating heat pipes with SiO2/water and Al2O3/water nanofluids [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(10): 1954-1962.

[12] MEHRALI M, SADEGHINEZHAD E, LATIBARI S T,. Investigation of thermal conductivity and rheological properties of nanofluids containing graphene nanoplatelets [J]. Nanoscale Research Letters, 2014, 9(1): 1-12.

[13] LEE G J, RHEE C K. Enhanced thermal conductivity of nanofluids containing graphene nanoplatelets prepared by ultrasound irradiation [J]. Journal of Materials Science, 2014, 49(4):1506-1511.

[14] SARSAM W S, AMIRI A, KAZI S N,. Stability and thermophysical properties of non-covalently functionalized graphene nanoplatelets nanofluids [J]. Energy Conversion and Management, 2016, 116: 101-111.

[15] SADEGHINEZHAD E, MEHRALI M, ROSEN M A,. Experimental investigation of the effect of graphene nanofluids on heat pipe thermal performance [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 775-787.

[16] NAYAK V U, PRABHU N K. Wetting behavior and heat transfer of aqueous graphene nanofluids [J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2016, 25(4): 1474-1480.

[17] MEHRALI M, SADEGHINEZHAD E, ROSEN M A,. Heat transfer and entropy generation for laminar forced convection flow of graphene nanoplatelets nanofluids in a horizontal tube [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2015, 66: 23-31.

[18] WRIGHT M M, MAITLAND G C, TRUSLER J P M. Viscosity and density of aqueous solutions of carbon dioxide at temperatures from (274 to 449) K and at pressures up to 100 MPa [J]. Journal of Chemical and Engineering Data, 2015, 60(1): 171-180.

[19] 尹大燕, 贾力. 振荡热管管内流型对传热性能的影响[J]. 应用基础与工程科学学报, 2007, 15(3): 363-369. YIN D Y, JIA L. The influence of flow patterns on heat transfer characteristic of oscillating heat pipe [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2007, 15(3): 363-369.

[20] CUI X Y, ZHU Y, LI Z H,. Combination study of operation characteristics and heat transfer mechanism for pulsating heat pipe [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 65(1/2): 394-402.

Heat transfer performance of pulsating heat pipe with graphene aqueous nanofluids

SHI Saiyan1, CUI Xiaoyu1, ZHOU Yu1, HAN Hua1, CHEN Chengmeng2

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China;2CAS Key Laboratory of Carbon Materials, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China)

Experiments of pulsating heat pipe (PHP) were conducted with graphene nanoplate (GNP) nanofliuds at different mass fractions (0.01%, 0.05% %, 0.08% and 0.10%) under various filling ratios (45%—90%) and heat inputs (10—100 W). The results indicated that when the filling ratio was 45%, GNP nanofluids can significantly improve the dry state in PHP. The filling ratio ranged from 55%—70% and PHP with GNP nanofluids at the mass fraction of 0.01% showed better heat transfer performance and the maximum reduction on thermal resistance of PHP with nanofluids was 83.33% compared to that with deionized water. The main reasons for improving the heat transfer performance of PHP were higher thermal conductivity and better surface wettability of GNP nanofluids.

heat transfer; thermodynamic properties; nanoparticles; GNP nanofluids; pulsating heat pipe

date: 2016-06-13.

Prof. CUI Xiaoyu, xiaoyu_cui@usst.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160807

TK 124

A

0438—1157（2016）12—4944—07

国家自然科学基金项目（51076104）；2012年度“科技创新行动计划”高新技术领域项目基金项目(12dz1143800)。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51076104) and the 2012 Project of High Tech Field “Action Plan of Science and Technology Innovation” (12dz1143800).

2016-06-13收到初稿，2016-09-12收到修改稿。

联系人：崔晓钰。第一作者：施赛燕（1990—），女，硕士研究生。