AEO-9表面活性剂对脉动热管启动和传热特性的影响

董俊彪 姚 晔 刘世清

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2 浙江师范大学物理与电子信息工程学院 金华 321004)

脉动热管(pulsating heat pipe,PHP)自H.Akachi[1]在20世纪90年代提出以来，凭借其传热高效、结构简单和环境适应性强等优点，在制冷低温[2]、太阳能利用[3]及电池散热[4]等领域受到广泛关注。

近年来，大量学者通过改良工质来提高脉动热管的性能。张田田等[5]研究了不同充液率和加热功率下氧化石墨烯对脉动热管性能的影响，结果表明，氧化石墨烯可以降低启动时间和启动温度，启动时间最大可降低78%。张超等[6]研究发现非共沸不互溶混合工质(HFE-7100和水)能够加速蒸发段气泡的形成，从而降低脉动热管的启动时间和启动热负荷。Xing Meibo等[7]研究发现使用铁磁流体并施加磁场可以改善开环脉动热管的启动特性和温度稳定性。表面活性剂可以减小流动阻力并强化沸腾换热[8]，因此具有改良脉动热管工质的潜力。Wang X.H.等[9-10]研究了十八酸钠阴离子表面活性剂对脉动热管启动和运行特性的影响，结果表明十八酸钠可以降低热阻和启动热负荷，热阻最大可降低27.8%。A.Gandomkar等[11-13]研究了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)阳离子表面活性剂对脉动热管的启动时间、热阻和烧干特性的影响，结果表明，CTAB可以缩短启动时间，降低热阻，但会降低烧干热负荷。蔡骥驰等[14-15]分别研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和全氟辛酸钾(PFOK)阴离子表面活性剂对脉动热管启动及传热特性的影响，结果表明，随着SDBS和PFOK质量分数增加，脉动热管的启动时间和热阻先减小后增大。

与阴离子和阳离子表面活性剂相比，AEO-9非离子表面活性剂具有出色的协同效应，可与其他各类阴离子、阳离子、非离子表面活性剂复配使用，大大降低原工质的表面张力和黏度，因此本文选择AEO-9表面活性剂作为工质，研究其对脉动热管启动时间、热阻和温度稳定性的影响。

1 实验系统与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，采用外径为6 mm，内径为2 mm，弯头总数为5的石英玻璃脉动热管，具体尺寸如图2所示。脉动热管分为蒸发段、绝热段、冷凝段3部分，长度分别为100、100、150 mm。蒸发段采用漆包镍铬电阻丝加热，材料为Cr20Ni80，加热功率通过MS-305D可调直流稳压电源控制，显示精度为1%。冷凝段使用HF-150轴流风机进行冷却，风量为540 m3/h。为使冷却风的速度均匀、流向一致，并减小冷却风的损耗，设计尺寸为500 mm×365 mm×175 mm的风道，将脉动热管垂直插入风道内，冷却风的流速为4.7 m/s。温度测量采用T型热电偶，精度为±0.1 ℃。在蒸发段、冷凝段和绝热段分别布置4个测温点，具体位置如图2所示。为保证热电偶与管壁紧密接触，先用铜箔将热电偶紧密包裹在管壁上，后用石墨贴纸将铜箔紧紧粘贴在管壁上。通过Keithley 2700数据采集仪采集温度信号并输出到计算机。脉动热管的充液率为50%，倾角为90°，蒸发段和绝热段用玻璃棉紧密包裹，外侧再用黑胶棉包裹(蒸发段观测点留有观测孔)，以减少热损失。

图1 实验装置Fig.1 The experiment device

图2 脉动热管尺寸、测温点分布和观测点位置Fig.2 PHP size,distribution of temperature measuring points and location of observation points

1.2 实验步骤

实验前首先对装置进行密封性检验：关闭真空阀3，打开真空阀1和2，打开真空泵对整个装置进行抽真空。当真空表到-0.1 MPa时，等待真空泵继续运行5 min后关闭真空泵。关闭真空阀2，等待24 h后，若观察到真空表的变化小于-0.02 MPa则可以认为整个系统的密封性能完好，方可开始实验，实验步骤如下：

1)打开真空阀1和2，打开真空泵，当真空表示数为-0.1 MPa时继续运行5 min后关闭真空泵，关闭真空阀1。在注射器中充入工质，缓慢打开真空阀3，当达到所需要的充液量后关闭真空阀3。

2)打开轴流风机，调节直流稳压电源输出功率至设定值，记录热电偶温度，待热电偶温度稳定并维持30 min后停止加热。

3)保持轴流风机的开启，打开玻璃棉和黑胶棉，并用另一台轴流风机对脉动热管蒸发段和绝热段进行冷却，待冷却至室温后进行下一组实验。

4)改变输出功率设定值，重复步骤2)～3)至所有加热功率均测试完毕。

5)改变AEO-9质量分数，重复步骤1)～4)至所有质量分数均测试完毕。重复实验5次。

1.3 数据处理

蒸发段和冷凝段温度均取布置在各段的4个热电偶平均温度：

(1)

(2)

式中：Te和Tc分别为蒸发段和绝热段的温度，℃；Tei和Tci和分别为蒸发段和绝热段第i个测温点的温度，℃。

脉动热管的热阻：

(3)

式中：R为脉动热管的热阻，K/W；Q为脉动热管的加热功率，W。

脉动热管的加热功率：

Q=UI

(4)

式中：U为直流稳压电源的输出电压，V；I为直流稳压电源的输出电流，A。

1.4 误差分析

在本实验中，温度的测量采用T型热电偶，其测量误差为±0.1 ℃，本实验的最低测温点为20 ℃，因此温度的最大相对误差为：

(5)

式中：T为T型热电偶的测量温度，℃。

电压和电流均由直流稳压电源读取，显示精度均为1%，电压量程为0～30 V，电流量程为0～5 A。当加热功率为40 W 时，电压和电流分别达到最小值为27.2 V和1.47 A，因此加热功率的最大相对误差为：

(6)

蒸发段与绝热段温差的最小值为31.5 ℃，因此热阻的最大相对误差为：

=3.6%

(7)

2 结果与讨论

2.1 AEO-9质量分数对脉动热管启动时间的影响

不同AEO-9质量分数下脉动热管启动时间随加热功率的变化如图3所示。由图3可知，不同AEO-9质量分数下启动时间均随加热功率的增大而减小。相比去离子水，4种质量分数的AEO-9均可以缩短启动时间。分析不同加热功率下启动时间减少率(相对工质为去离子水时启动时间减小的百分比)随AEO-9质量分数的变化，如图4所示。由图4可知，随着AEO-9质量分数增大，启动时间减少率先增大后减小，即启动时间先减小后增大，质量分数为20 mg/kg时启动时间减少率最大，启动时间最短。加热功率为40 W，质量分数为20 mg/kg时启动时间最多缩短了29.2%。

图3 不同AEO-9质量分数下启动时间随加热功率的变化Fig.3 The start-up time changes with heating power under different AEO-9 mass concentrations

图4 不同加热功率下启动时间减少率随AEO-9质量分数的变化Fig.4 The start-up time reduction rate changes with AEO-9 mass concentration under different heating powers

实验结果机理分析，工质水在脉动热管管壁形成汽化核心所需的过热度[16]：

(8)

式中：ΔTs为工质形成汽化核心所需的过热度，K；Tl和Ts分别为气泡内蒸汽的温度和气泡内压力对应的蒸汽饱和温度，K；σlv为气-液界面的表面张力，N/m；θ为工质与管壁的接触角；h为普朗克常数，J·s；ρv为气泡内蒸汽的密度，kg/m3；k为玻尔兹曼常数，J/K；N为单位体积工质的分子数，m-3。

AEO-9可以减小工质气-液界面的表面张力[17]，由式(8)可知工质成核所需的管壁过热度将减小，使工质更容易形成汽化核心，从而缩短了启动时间。在加热功率最小40 W、最大120 W时对蒸发段观测点(位置如图2所示)连续拍摄，对比去离子水与20 mg/kg AEO-9气泡产生速度，如图5、图6所示，可知，在加热功率为40 W和120 W时，20 mg/kg AEO-9气泡产生速度均大于去离子水，与分析结果相符。但AEO-9在减小工质表面张力的同时，还会对工质黏度产生影响。随着AEO-9质量分数增大，工质黏度会增大，导致工质脉动的内摩擦力增大，脉动启动的阻力变大，导致启动时间增大。当AEO-9质量分数过大时对工质黏度的影响大于对工质气泡产生速度的影响，启动时间由减小变为增大，因此随着AEO-9质量分数增大，启动时间先减小后增大。

图5 蒸发段气泡的产生(Q=40 W，照片拍摄间隔0.1 s)Fig.5 Bubbles generation in evaporation section (Q=40 W,photo interval 0.1 s)

2.2 AEO-9质量分数对脉动热管热阻的影响

不同AEO-9质量分数下脉动热管热阻随加热功率的变化如图7所示。由图7可知，不同AEO-9质量分数下热阻均随加热功率的增大而减小。相比去离子水，不同质量分数的AEO-9均可以减少热阻。分析不同加热功率下热阻减少率(相对工质为去离子水时热阻减小的百分比)随AEO-9质量分数的变化，如图8所示。当加热功率较小时(≤60 W)，热阻减少率随AEO-9质量分数的增大而减小，即热阻随AEO-9质量分数的增大而增大；当加热功率较大时(≥100 W)时，热阻减少率随AEO-9质量分数的增大而增大，即热阻随AEO-9质量分数的增大而减小。加热功率为40 W时，质量分数为10 mg/kg的热阻相对去离子水最多下降了35.8%。

图7 不同AEO-9质量分数下热阻随加热功率的变化Fig.7 The thermal resistance changes with heating power under different AEO-9 mass concentrations

图8 不同加热功率下热阻减少率随AEO-9质量分数的变化Fig.8 The thermal resistance reduction rate changes with AEO-9 mass concentration under different heating powers

实验结果机理分析，液塞在脉动热管内运动时由毛细阻力引起的压降为[18]：

(9)

式中：Δp为毛细阻力引起的压降，Pa；θr和θa分别为液塞与管壁间的前进接触角和后退接触角,(°)；d为气-液界面的直径，m。

AEO-9可减小工质气-液界面的表面张力，由式(9)可知液塞运动的毛细阻力将减小，从而增大工质脉动速度，使脉动热管热阻减小。在加热功率最小40 W和最大120 W时对冷凝段观测点(位置如图2所示)连续拍摄，拍摄间隔0.1 s，对比去离子水与10 mg/kg AEO-9工质脉动情况，如图9和图10所示，可知在加热功率为40 W和120 W时，10 mg/kg AEO-9工质的平均脉动速度均大于去离子水，与分析结果相符。但增加AEO-9质量分数在进一步减小毛细阻力的同时也会增大工质黏度，从而增大工质运动的内摩擦力，使工质脉动速度减小，脉动热管热阻增大。工质黏度除了受AEO-9质量分数影响还受温度影响，随温度的升高而减小。当加热功率较小时，脉动热管温度较低，AEO-9对工质黏度的影响较大，因此热阻随AEO-9质量分数的增大而增大；当加热功率较大时，脉动热管较高的温度使工质黏度变小，AEO-9对毛细阻力的影响较大，因此热阻随AEO-9质量分数的增大而减小。

图9 冷凝段工质脉动(Q=40 W，照片拍摄间隔0.1 s)Fig.9 Working fluid pulsation in condensation section (Q=40 W,photos interval 0.1 s)

图10 冷凝段工质脉动(Q=120 W，照片拍摄间隔0.1 s)Fig.10 Working fluid pulsation in condensation section (Q=120 W,photos interval 0.1 s)

2.3 AEO-9质量分数对脉动热管温度稳定性的影响

不同AEO-9质量分数下蒸发段温度随时间变化如图11所示。由图11可知，30 mg/kg和40 mg/kg AEO-9的蒸发段温度波动显著小于去离子水，脉动热管的温度稳定性得到改善。不同AEO-9质量分数下蒸发段温度波动幅度(脉动热管稳定运行后蒸发段最高温度与最低温度之差)随加热功率的变化如图12所示。由图12可知，蒸发段的温度波动幅度随着加热功率的增大和AEO-9质量分数的增大而减小，在加热功率为120 W、质量分数为40 mg/kg时波动幅度最多减小了68.4%。

图11 不同AEO-9质量分数下蒸发段温度随时间的变化(Q=100 W)Fig.11 The temperature of evaporation section changes with time under different AEO-9 concentrations(Q=100 W)

图12 不同AEO-9质量分数下蒸发段温度波动幅度随加热功率的变化Fig.12 The temperature fluctuation amplitude of evaporation section changes with heating power under different AEO-9 concentrations

实验结果机理分析，在加热功率为100 W，工质质量分数为10 mg/kg AEO-9时对冷凝段观测点连续拍摄24张照片，拍摄间隔0.1 s，如图13所示，可知工质的脉动速度在不同时刻差异较大。当工质快速脉动时，蒸发段冷却条件较好，温度降低；当工质缓慢脉动时，蒸发段冷却条件恶化，温度升高，从而形成了蒸发段的温度波动。

图13 冷凝段工质脉动(Q=100 W，工质10 mg/kg AEO-9，照片拍摄间隔0.1 s)Fig.13 Working fluid pulsation in condensation section (Q=100 W,working fluid 10 mg/kg AEO-9,photos interval 0.1 s)

液塞与脉动热管管壁的接触角可表示为[19]：

(10)

式中：θ为工质与管壁的接触角，(°)；σsv、σsl和σlv分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力，N/m。

AEO-9可减小工质气-液界面的表面张力，由式(10)可知工质液塞与脉动热管管壁的接触角将减小，从而提高工质的湿润性[20]，缩短气塞的长度，使工质液塞分布更均匀，脉动速度变化减小，从而减小蒸发段温度波动幅度。

3 结论

本文通过搭建脉动热管实验平台，研究了质量分数分别为10、20、30、40 mg/kg的AEO-9非离子表面活性剂在40、60、80、100、120 W加热功率下，脉动热管的启动时间、热阻和温度稳定性，并与去离子水对比，得到结论如下：

1)AEO-9可以缩短脉动热管的启动时间。启动时间随AEO-9质量分数的增大先减小后增大，质量分数为20 mg/kg时启动时间最短。在加热功率为40 W、质量分数为20 mg/kg时启动时间最多缩短了29.2%。

2)AEO-9可以减小脉动热管的热阻。在加热功率较小时(≤60 W)，热阻随AEO-9质量分数的增大而增大；在加热功率较大时(≥100 W)，热阻随AEO-9质量分数的增大而减小。在加热功率为40 W，质量分数为10 mg/kg时热阻最多减小了35.8%。

3)AEO-9可以提高脉动热管的温度稳定性。AEO-9的质量分数越高，脉动热管的温度稳定性越好。在加热功率为120 W、质量分数为40 mg/kg时蒸发段温度波动幅度最多减小了68.4%。