作者：郑晓敏
重力热管和普通热管相比，结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良，工作可靠，因此在余热回收、空调制冷、电子设备散热等传热装置中得到广泛应用。但随着科技迅速发展、全球能源紧缺，重力热管的传热性能也需寻求更大的突破。纳米颗粒因其具有较高的表面能和很大的比表面积，以及比液体高得多的比热容等因素，逐渐被引入到换热领域，用来强化热管换热效果，并已有显著发现。郭广亮等用质量分数为2 %的纳米悬浮液代替水后，热管蒸发段性能大幅提高，临界热通量最高提高了120%。Firouzfar等将银一甲醇作为工作液用于空调系统的新风冷却可节能8. 8%~31. 5%，用于再热可节能18%—100%。Noie等将Al2 03纳米颗粒添加到纯水中作为热管的工作液，体积分数控制在1%~3%。研究表明，采用Al203 -H20两相闭式热虹吸热管与纯水相比，热效率提高了14.7%，蒸发段与冷凝段间的温差小于纯水，表明添加纳米颗粒工作液替代纯水有很大的潜力。
试验采用Si02 -DW纳米流体代替去离子水为工质，对重力热管进行传热性能试验研究，考察不同质量分数的纳米流体重力热管与DW热管对总传热系数和壁面温度的影响，选出热管传热性能最佳时的纳米浓度。以纳米流体热管代替DW热管，放人气一气热管换热器中，对比两者的传热性能。
1单管试验
为了选择热管传热性能最佳时的纳米流体浓度，在单管实验时，每个不同质量分数的纳米流体热管各选择3根与DW热管的传热性能进行对比。
1.1试验装置与方法
试验装置如图1所示，重力热管采用碳钢加工制作而成，热管外径为cp25 mm，壁厚1 mm，蒸发段、绝热段、冷凝段长度分别为500、200、550 mm。在蒸发段、冷凝段管壁布置了K型热电偶，热电偶的轴向位置如图2所示。蒸发段采用电加热炉加热，冷凝段采用空气自然对流冷却。
本实验采用的Si02纳米颗粒平均粒径为30 nm，制备质量分数为0.5010、1010、2%的纳米流体。热管的充液量为160 mL，采用电加热炉加热，控制炉膛温度为200℃，待热管稳定运行后，记录输入功率及热电偶读数，获得不同质量分数的纳米流体对热管传热性能的影响。每个纳米流体热管都采用3根热管和DW水管对比，分析不同质量分数的纳米流体热管与水管的传热性能。
1.2 单管试验结果与分析
1.2.1 单管总传热系数
图3为以不同质量分数的纳米流体及去离子水为工质的重力热管的总传热系数随时间变化关系图。从图3(a)、(c)可以看出，当纳米流体的质量分数为0. 5%、2%时，重力热管的总传热系数上下起伏，并不稳定。而纳米流体质量分数为1%时，如图3(b)所示，热管的传热性能相对稳定，总传热系数比去离子水重力热管提高了5. 6%~9.6%。所以本试验中，质量分数1%为最佳纳米流体浓度。这可能是由于纳米流体浓度对重力热管管内的沸腾换热有所影响。质量分数为1%的纳米流体重力热管管内蒸发段液池和冷凝段液膜是核态沸腾，大量的纳米颗粒被吸附于管壁上，当纳米颗粒的粒径大于液体成核的临界半径时，纳米颗粒促进了流体内的气泡成核，增加了气化核心。由于固液接触角非常小，气泡脱离尺寸变小，脱离频率增加，气泡产生的密度较大，Si02纳米颗粒在近壁面的扰动强化了管内蒸发段液膜换热，为蒸发段提供了工质。
在相同的质量分数下，每个纳米流体重力热管的总传热系数也略有不同，这主要是由于每个试验时电加热炉的热损失不完全相同，造成加热功率也略有不同。
1.2.2 热管壁面温度
图4是热管稳定运行时工质为去离子水的重力热管和3根质量分数1% Si02 -DW纳米流体重力热管的壁面温度分布图。由图4可知，Si02-DW重力热管壁面温度低于DW热管，且温度分布相对平缓。3根质量分数为1%的纳米流体重力热管管壁温度分别比DW热管低1.2~8.2、0.7~4.4、4.6~11. Oo℃。
从图4可看出，Si02 -DW纳米流体重力热管和去离子水重力热管的管壁温度具有相同的分布特征，无异常现象产生，这说明纳米颗粒加入到基液水中形成的纳米流体没有改变水热管的工作状态。但随着纳米颗粒的加入，Si02 -DW纳米流体重力热管的管壁温度明显比去离子水重力热管低，这是由于纳米流体的高导热性、布朗运动等引起的。
2气-气纳米流体热管换热器试验
由于质量分数lo/o Si02-DW纳米流体重力热管传热性能优于去离子水重力热管，将热管换热器中去离子水工质全部换为Si02 -DW纳米流体，在相同的工况下反复试验，比较2种工质的热管换热器的传热性能。
2.1试验装置与方法
同上方法配置Si02 -DW纳米流体，注入热管中，用热排法排空气。将60根热管全部放人气一气热管换热器中（如图5所示），将进气口阀门打开一个角度，运行热管换热器。待热管换热器运行稳定后，分别测量冷、热侧的进出口温度及风速。记录所测数据，计算热管换热器的传热系数。
2.2试验结果与分析
反复试验，计算对比试验中不同工质的热管换热器的总传热系数。热管换热器的总传热系数如表1所示，发现质量分数为1%的纳米流体热管换热器的总传热系数比DW热管提高了1.63%~1.70%，提高幅度不大，主要是由于在配置60根纳米流体工质和制作热管时，耗时较长，最先配置好的纳米流体重力热管内的纳米颗粒开始团聚，这种团聚只有微弱的布朗运动甚至不会有布朗运动，此时纳米流体热管换热器只能依靠纳米颗粒的导热系数比DW高来强化换热。
3结论
本试验研究了Si02 -DW纳米流体作为工质在碳钢重力热管及热管换热器中的传热性能，发现重力热管及热管换热器的性能都有所提高。主要结论如下。
(1)3根质量分数1% S102-DW纳米流体重力热管壁面温度相比去离子水低1.2~8.2、0.7~
4.4、4.6~11℃，且温度分布更均匀。
(2)从质量分数为0.5%、1%、2010的Si02 -DW纳米流体重力热管总传热系数角度来看，发现本试验中最佳质量分数为1010，总传热系数相对DW提高了5. 6%~9.6%。
(3)质量分数1% Si02 -DW纳米流体热管换热器的总传热系数比去离子水只提高了1.63%~1. 70%。
4摘要：
采用超声波细胞破碎仪制备了不同质量分数的S10，-DW纳米流体，并以S102 -DW纳米流体为工质在碳钢重力热管中进行了传热性能试验研究。结果表明，工质为质量分数1% SiO2 -DW纳米流体的重力热管总传热系数比去离子水高5. 6%~9.6qc，传热性能增强。纳米流体热管平稳运行时，管壁温度低，分布平缓。以质量分数1%的Si02 -DW纳米流体为工质的重力热管换热器，总换热系数较普通水工质热管换热器提高1. 63%~1.70%。
