工质表面张力和黏度对脉动热管启动及传热热阻的影响
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CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第8期·2816·化 工 进展工质表面张力和黏度对脉动热管启动及传热热阻的影响郑开明，徐荣吉，王瑞祥，邢美波，蔡骥驰，苑亚（北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，北京 100044）摘要：以表面活性剂全氟辛酸钾（potassium perfluorooctanoate ，PFOK ）为溶质，以纯水为基液，配制了质量分数为0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%共5种溶液并进行了物性测试，发现PFOK 对水的表面张力改变较大，黏度其次，比热容、密度、热导率等参数影响较小；实验研究了不同表面张力及黏度工质对内径为2.5mm 的脉动热管在不同加热功率下的启动时间和传热热阻的变化规律。
结果表明：加热功率对启动时间的促进作用在≤60W 时较为明显；由于黏度增加的影响，表面张力对启动时间及传热热阻的变化规律都呈现W 形图像；并且随着加热功率的增加，表面张力和黏度对传热热阻的影响作用下降。
关键词：脉动热管；表面张力；黏度；启动时间；传热热阻中图分类号：TK172.4；TK124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）08–2816–06 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2309Influence of surface tension and viscosity on the start-up time and thermalresistance of pulsating heat pipeZHENG Kaiming ，XU Rongji ，WANG Ruixiang ，XING Meibo ，CAI Jichi ，YUAN Ya（Beijing Engineering Research Centre of Sustainable Energy and Buildings ，Beijing University of Civil Engineering andArchitecture ，Beijing 100044，China ）Abstract ：Thermo-physical properties of aqueous solutions of potassium perfluorooctanoate （PFOK ），with mass fractions of 0.02%，0.05%，0.1%，0.2%，0.5%，were tested respectively. It was found that significant changes in a little amount of PFOK could lead to surface tension of water ，viscosity followed ，while the specific heat ，density ，thermal conductivity and other parameters of water were less affected. An experimental study on characteristics of the pulsating heat pipe （PHP ），with the inner diameter of 2.5mm of copper pipe ，using water of different surface tensions and viscosities was carried out. The results showed that promotion of heating power on startup time is obvious if the heating power input is no more than 60W. Change laws of startup time and thermal resistance with the effect of surface tension present “W ”type image due to the increment of viscosity. Besides ，the effect of surface tension and viscosity on the thermal resistance is decreased with the increase of the heating power. Key words ：pulsating heat pipe ；surface tension ；viscosity ；startup time ；thermal resistance脉动热管是一种新型、高效传热元件，具有体积小、成本低、结构简单等优势，但是运行机理却十分复杂。
自AKACHI [1]于1990年提出后，脉动热管得到了越来越广泛的关注。
国内外学者的研究表明，工质热物性对脉动热管的传热性能具有显著影响，如热导率、潜热、显热、表面张力、黏度等[2-6]。
ZHANG 等[7]以FC-72、纯水、乙醇为工质，研究了脉动热管的振荡特性，发现振荡周期主要与工质的收稿日期：2016-12-13；修改稿日期：2017-03-21。
基金项目：国家自然科学基金青年基金（51506004）及北京市自然科学基金（3162009）项目。
第一作者：郑开明（1991—），男，硕士研究生，研究方向为制冷系统热物理过程。
E-mail ：zhengkaiming2015@ 。
联系人：王瑞祥，教授，研究方向为制冷与空调系统热物理过程、纳米材料与工质技术。
E-mail ：wangruixiang@ 。
第8期郑开明等：工质表面张力和黏度对脉动热管启动及传热热阻的影响·2817·汽化潜热有关，而振荡幅度主要与工质的表面张力有关。
崔晓钰等[8]测定了R123、乙醇和水3种不同工质的脉动热管的传热热阻，研究表明传热特性与工质比热容、汽化潜热及表面张力有关，且在不同工况下作用大小不同。
崔晓钰等[9]通过去离子水、甲醇、乙醇和丙酮为工质的实验研究，定性分析得到在小功率下，黏度是脉动热管启动和稳定运行时的一个关键因素。
在上述文献中，关于工质热物性对脉动热管传热性能的实验研究多以不同工质之间的对比实验，而通过在去离子水添加表面活性剂作为脉动热管工质的实验研究较少。
WANG等[10]在纯水中添加表面活性剂硬脂酸钠，研究对脉动热管性能的影响，结果显示脉动热管的热阻有一定的减小，且浓度为40µg/mL、充液率为58%、加热功率为160W时，与纯水相比，热阻减小了0.13K/W，但是并没有深入分析工质热物性对脉动热管传热性能的影响。
本文作者课题组[11]前期研究了表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对铜-水脉动热管传热性能的影响，发现存在最佳浓度，使得脉动热管的传热热阻最小，分析发现高浓度溶液的黏度改变量较大，抑制了传热。
本文在课题组前期的工作基础上，通过在纯水中添加表面活性剂全氟辛酸钾（potassium perfluorooctanoate，PFOK）来改变水的表面张力及黏度，而其他物性几乎保持不变，并将其用于脉动热管，从而研究表面张力及黏度对脉动热管传热性能的影响。
1 实验系统及数据处理1.1 实验系统实验系统如图1所示，主要包括脉动热管、电加热系统、恒温水浴冷却系统、数据采集系统等。
详细实验系统请见参考文献[11]。
实验过程中，加图1 脉动热管实验系统示意图1～15—测温点表1 实验工况实验参数工况工质质量分数/% 0，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5加热功率/W 40，60，80，100，120充液率/% 50倾角/(°) 90冷却水进出口温度/℃20热方式为垂直底部加热模式，通过调节输入电压来改变输入功率。
K型热电偶测温点位置如图布置，通过安捷伦34970A数据采集仪和计算机实时监测测温点温度变化。
具体实验工况如表1所示。
工质热物性表面张力、黏度、密度、热导率和比热容分别采用美国科诺工业有限公司A801全自动表面张力仪，西安交通大学研制的西安夏溪VS3000振动弦黏度/密度仪，TC3010L型热线法液体导热系数仪，HC2000型流动型比热计测量。
1.2 性能评价指标启动过程中，蒸发段温度波动是脉动热管启动的主要标志，规定温度第一次出现明显的下降对应的时间为启动时间。
以100W加热功率，水为工质的某测点实验数据为例，如图2所示，管内温度随时间持续上升，在109s时，温度出现第一次的明显下降，随后温度曲线呈现波动状态，由此判断109s 为该脉动热管的启动时间。
图2 工质为水脉动热管启动时间（加热功率100W）在稳定阶段时传热热阻是衡量脉动热管性能的重要参数。
脉动热管运行时的传热热阻定义为式(1)。
e c()/R T T Q-＝(1)Q＝UI(2) 式中，e和c T分别为加热段和冷凝段5个测点的平均温度；Q为脉动热管忽略漏热损失后的加热量，即加热功率；U和I分别为加热段电阻丝两化 工 进 展 2017年第36卷·2818·端的输入电压和通过电流。
1.3 误差分析实验过程中，实验仪器及参数的误差分析如表2所示。
其中，直接测量的物理量的误差可由产品说明书直接得到，间接测量量（传热热阻)可由通过式(3)得到。
RR δ (3)表2 实验仪器及参数的误差实验仪器及参数误差 A801全自动表面张力仪/mN·m –1 0.04 VS3000振动弦黏度(密度仪)/% 动力黏度2密度0.5 TC3010L 型热线法液体导热系数仪/% 2 HC2000型流动型比热计/% 2 标定后K 型热电偶/℃ 0.1 RC3006恒温水浴/℃ 0.1 输入电压/V 0.6 通过电流/A0.05传热热阻/% 4.1 2 实验结果及分析2.1 表面活性剂PFOK 对纯水热物性的影响 表3所示为在室温25℃时，各溶液的物性参数测量值。
首先用纯水对物性测试仪器的精准度进行校验，由表3所示测试值与标准值符合良好，其误差在精度范围内。
为了更直观地反映表面活性剂PFOK 对纯水热物性的影响程度，定义物性参数的相对改变量，如式(4)。
water water P P C =P - (4)式中，P 和P water 分别为工质和水的热物性 参数。
从表3和图3可以看出，5种PFOK 水溶液的表面张力随浓度的升高都出现了明显的降低，最高降低了43.83%。
可以发现，质量分数为0.02%、0.05%和0.1%三者溶液的表面张力相接近，而0.2%和0.5%溶液的表面张力相接近；同时，黏度也随浓度的升高有小幅度的增加，最大增加了2.33%。
