分散剂对纳米流体喷雾冷却传热特性影响的试验研究

（中国科学技术大学 热科学和能源工程系，合肥 230027）

0 引言

喷雾冷却是一种新兴、高效的散热方式，相较于传统热控方法，具有散热能力强、控温响应快、接触热阻小、流量需求少和过热度低等优点，在电子元器件热控方面具有广阔的应用前景［1-3］。Cader等［4］表明与风冷系统相比，采用喷雾冷却系统冷却芯片可降低结温和35%的功耗。程文龙等［5］在试验条件下，用纯水作为循环喷雾工质可以实现在85 ℃的平均壁面温度下，热通量达到360 W/cm2。试验工质的物理性质，如表面张力、黏度、热导率等，能够通过影响喷雾液滴、液膜和汽膜的动态行为来影响喷雾冷却的传热能力。

纳米流体是一种新型传热介质，由基底流体（如水、油或乙二醇）和均匀悬浮在其中的金属（金属氧化物）纳米颗粒混合而成。纳米颗粒的加入可以使得流体的导热系数大幅度提高［6］，这种改变流体热物性的特点使纳米流体在多个领域得到应用［7-8］。

在纳米流体喷雾冷却传热特性研究方面，现有的研究成果存在较大争议。一些研究者认为纳米流体能够强化喷雾冷却的传热效果［9-10］，并认为其强化原理在于纳米颗粒较大的比表面积提高了工质的导热能力，并且颗粒与热源表面之间的相互碰撞可以破坏热源表面的液体薄层，两方面因素的综合作用强化了对流传热和沸腾传热［11］。然而，另一些研究发现纳米流体不能有效强化喷雾冷却的散热能力，有时甚至会降低喷雾冷却的散热性能［12］。本试验室的前期工作发现水和氧化铝纳米流体在两相阶段时开始显现换热差异：随着表面温度的升高，氧化铝纳米流体的传热效果逐渐变差，并对传热造成负面影响［13-14］。

在纳米流体制备中，为了防止颗粒团聚下沉，一般采用在纳米流体悬浮液中加入分散剂以防止纳米颗粒重新团聚，从而提高纳米流体的分散稳定性。有研究表明，在Cu-Zn-Al LDH纳米流体加入6×10-4分散剂SDS 和Tween 20后可使得喷雾冷却的冷却速率提高30.7%［15］。然而，对于讨论分散剂对传热影响方面的研究文献还非常稀少。

为了分析分散剂对纳米流体喷雾冷却传热特性的影响，本文将利用混合不同浓度的3类分散剂的氧化铝纳米流体进行喷雾试验，讨论分散剂浓度对纳米流体传热结果的影响，并对比纳米颗粒单独作用时的传热能力。

1 试验系统

1.1 试验装置及误差分析

喷雾冷却试验系统如图1所示，主要包括：泵、数据采集仪、压力表、加热台和喷雾装置等。工质由泵从储液罐中抽出，送至喷嘴处由于压差喷出形成喷雾，连续地喷洒在面积为1 cm2的加热表面以冷却表面。

试验中的加热装置如图2所示，用加热器加热铜柱，铜柱周围用陶瓷纤维棉做绝热处理。在靠近发热壁面纵向分别相距1，5，9 mm的截面上布置了3层T型热电偶，用来测量发热壁面附近的温度以计算其温度梯度。每一层截面上，分别在中心及距铜柱中心2，4 mm的位置上布置了3个热电偶，它们之间的夹角为120°。根据测得的温度数据，将铜柱的轴向温度梯度外推可以得到发热壁面的温度分布，然后根据傅里叶导热定律可以计算得出发热壁面的热流密度。

图2 加热台示意及热电偶设置

由于发热表面的温度不易直接测量，本文将发热表面附近各层的温度外推，通过插值的方法计算出表面温度：

式中 T0——表面温度，℃；

T1——靠近表面的第一层的截面温度，℃；

Ti，Tj——第i层和第j层的截面温度，℃；

i，j —— 两层截面的编号（i，j=1，2，3，i＞j）；

δ1—— 发热表面与第一层截面之间的距离，m；

Δδ ——第i层和第j层截面之间的距离，m。

由于铜柱很细小，且周围做了绝热处理，所以靠近发热表面的部分可以近似认为是一维导热，因此，可以利用铜柱的轴向温度梯度，通过傅里叶导热定律计算出发热表面的热流密度：

式中 q ——发热表面的表面热流密度，W/m2；

λ——铜柱的导热系数，W/（m·K）。

喷雾冷却换热系数计算公式为：

式中 h ——喷雾冷却换热系数，W/（m2·K）；

Tf——冷却工质的入口温度，℃。

试验中的误差来源主要包括各层热电偶截面之间距离的测量误差、热电偶温度的测量误差以及工质体积流量的测量误差。距离测量的误差为±0.1 mm。体积流量的测量误差为±0.1 mL/min，热电偶测量误差为±0.5 ℃。因此，根据误差传递公式：

换热密度、换热系数的误差分别为±2.3%、±6.5%。

1.2 试验流体的制备

为了探究分散剂对纳米流体喷雾冷却试验中的影响，使用10 nm粒径的氧化铝颗粒，选取了3种不同的分散剂：SDS，PVP和Tween20，分别配制出不同的浓度的工质。试验中使用的纳米颗粒均是来自麦克林公司，采用超声波震荡的方法制备所需的纳米流体。试验配制的工质见表1，不同分散剂浓度的选取范围是参考其他文献中的工作而选定的针对不同分散剂的常用浓度区间。

表1 试验所用工质种类

2 试验结果及分析

2.1 纳米流体的传热性能

从传热性能上看，在不使用分散剂的情况下，纳米颗粒水溶液的传热效果比纯水更弱，这是因为纳米颗粒之间容易相互吸附形成纳米微团，颗粒吸附并沉积到加热表面上，形成热阻，降低传热效果。3种分散剂的加入对比纳米颗粒单独作用，工质传热能力明显增强，这是由于添加分散剂后，团聚效应得到了抑制，提高了流体的分散稳定性。分散剂还能降低纳米流体悬浮液的表面张力，提高润湿性和接触角［16］，这些改变对喷雾冷却的换热结果具有积极影响。从图3还可以看出，3种分散剂的强化作用存在差异，与水的传热能力相比，SDS有显著提升。

图3 纳米流体和水的传热结果

2.2 分散剂浓度的影响

显然，纳米流体中分散剂的浓度对工质的传热能力有影响，而且存在最佳浓度，这是因为纳米粒子表面可供吸附的面积一定，当表面达到吸附饱和后，剩余未吸附的分散剂高分子链便会通过桥连作用使原本分散的粒子团聚，从而产生絮凝现象，导致分散性变差，从而影响传热［17-21］。如图4～6所示，用Tween20做分散剂的纳米流体在试验所选浓度中，使工质传热能力最强的浓度为4.5×10-5，与纳米颗粒水溶液相比，平均换热系数提升了16.5%；分散剂PVP的最佳浓度为3×10-4，平均换热系数提升了19.1%；分散剂SDS的最佳浓度为8×10-4，平均换热系数提升了64.1%。在未达到最佳浓度时，分散剂的散热效果随着浓度的增高为增加。SDS明显比其他2种分散剂的效果好，这是由于SDS属于阴离子表面活性剂，Tween 20和PVP属于非离子型分散剂，而纳米Al2O3颗粒在中性水介质中带正电，具有强烈吸附阴离子的能力［22］，因此加入分散剂SDS的稳定性更好，有助于换热。

图4 不同浓度的Tween 20做分散剂的纳米流体的换热系数

图5 不同浓度的PVP做分散剂的纳米流体的换热系数

图6 不同浓度的SDS做分散剂的纳米流体的换热系数

3 结语

纳米颗粒本身具有提高流体导热能力的优点，但又有容易聚沉的缺点，分散剂在纳米流体的使用中必不可少。本文研究发现分散剂提高了纳米流体的传热能力，在选取的试验浓度范围内，分散剂存在最佳浓度，Tween 20的最佳浓度为0.45×10-4，PVP 的最佳浓度为 3×10-4，SDS 的最佳浓度为8×10-4。三类分散剂中阴离子分散剂SDS的效果最好，加入浓度为8×10-4的SDS后，纳米流体的平均换热系数提高了64.1%。