一种强化振荡热管传热的新型工质及其制备方法和应用与流程

本发明涉及强化换热技术领域，更具体地说，是涉及一种强化振荡热管传热的新型工质及其制备方法和应用。

背景技术：

振荡热管，又称脉动热管、自激振荡流热管、弯曲毛细管热管等，是基于普通热管且优于普通热管的一种新型独特的传热元件，由日本的Akachi于20世纪90年代初提出的。

振荡热管的工作原理为：在抽真空的弯曲毛细管中，充有一定量的工作介质，该介质在冷热端温差及表面张力的作用下形成汽、液塞状流随机地出现在管路中，这样，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，即通过相变和液塞的振荡实现热量的传递。其传热现象集沸腾、蒸发、冷凝、脉冲振荡于一体，这些物理过程并非是彼此孤立和简单地叠加，而是一个有机互动整体过程。

目前，振荡热管在低温差下能高效利用工质蒸发冷凝的潜热转移高密度热流，因此，改善和强化振荡热管的热输送性成为了研究的重点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种强化振荡热管传热的新型工质及其制备方法和应用，采用本发明提供的新型工质能够有效改善振荡热管的转热性能及热输送性能。

本发明提供了一种强化振荡热管传热的新型工质，由氧化石墨烯、丁醇和水制备而成。

优选的，所述氧化石墨烯的直径为50nm～200nm，厚度为0.8nm～1.2nm。

优选的，所述氧化石墨烯的浓度为0.02wt％～1.4wt％。

优选的，所述丁醇的浓度为0.1wt％～7.0wt％。

本发明还提供了一种上述技术方案所述强化振荡热管传热的新型工质的制备方法，包括以下步骤：

a)将氧化石墨烯和水进行分散，得到氧化石墨烯分散液；

b)将丁醇和水进行混合，得到丁醇水溶液；

c)将氧化石墨烯分散液和丁醇水溶液混合，得到强化振荡热管传热的新型工质；

所述步骤a)和步骤b)没有顺序限制。

优选的，步骤a)中所述分散的过程具体为：

将氧化石墨烯在水中进行超声震荡，离心后得到氧化石墨烯分散液。

优选的，所述超声震荡的功率为100W～300W，时间为20h～30h；

所述离心的转速为500r/min～1000r/min。

本发明还提供了一种强化振荡热管，由振荡热管注入工质得到；所述工质为上述技术方案所述强化振荡热管传热的新型工质或上述技术方案所述的制备方法制备得到的强化振荡热管传热的新型工质。

优选的，所述振荡热管为外径为3mm～5mm、内径为1.5mm～2.5mm、壁厚为0.5mm～1.1mm的铜管制成的3弯头闭合回路振荡热管；

所述振荡热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段；所述蒸发段的长度为45mm～55mm，所述冷凝段的长度为45mm～55mm，所述绝热段的长度为180mm～220mm；

所述弯头的圆弧直径为45mm～55mm。

优选的，所述振荡热管的倾斜角为85°～95°，充液率为40％～60％。

本发明提供了一种强化振荡热管传热的新型工质，由氧化石墨烯、丁醇和水制备而成。与现有技术相比，本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质以丁醇为自湿润流体、氧化石墨烯为纳米流体，得到的强化振荡热管传热的新型工质具有优于自湿润流体和纳米流体的表面张力梯度特性，其表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升，能自发湿润热管烧干部位，有效延缓烧干现象的出现，并增强传热性能。本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质的各项性能均优于单独使用自湿润流体或纳米流体，能够有效改善振荡热管的热输送性能。

另外，本发明提供的制备方法工艺简单、易操作，且成本低。

附图说明

图1为实施例1中四种水溶液工质的表面张力随温度上升的变化曲线图；

图2为实施例2中不同浓度丁醇水溶液工质的热阻随加热功率上升的变化曲线图；

图3为实施例2中不同浓度丁醇水溶液工质的温差随加热功率上升的变化曲线图；

图4为实施例3中不同浓度氧化石墨烯分散液溶液工质的热阻随加热功率上升的变化曲线图；

图5为实施例3中不同浓度氧化石墨烯分散液溶液工质的温差随加热功率上升的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种强化振荡热管传热的新型工质，由氧化石墨烯、丁醇和水制备而成。

在本发明中，所述氧化石墨烯的直径优选为50nm～200nm，更优选为100nm；所述氧化石墨烯的厚度优选为0.8nm～1.2nm，更优选为1.0nm。本发明对所述氧化石墨烯的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品及实验室自制品均可。

本发明对所述丁醇的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的正丁醇和异丁醇的市售商品均可。

在本发明中，所述氧化石墨烯的浓度优选为0.02wt％～1.4wt％，更优选为0.03wt％～0.12wt％。在本发明优选的实施例中，所述氧化石墨烯的浓度为0.03wt％；在本发明另一个优选的实施例中，所述氧化石墨烯的浓度为0.07wt％；在本发明另一个优选的实施例中，所述氧化石墨烯的浓度为0.12wt％。

在本发明中，所述丁醇的浓度优选为0.1wt％～7.0wt％，更优选为0.3wt％～1.2wt％。在本发明优选的实施例中，所述丁醇的浓度为0.3wt％；在本发明另一个优选的实施例中，所述丁醇的浓度为0.7wt％；在本发明另一个优选的实施例中，所述丁醇的浓度为1.2wt％。

本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质当温度超过一定值时，其表面张力随温度的升高而递增，该特性会产生一种有利于气泡分离的驱动力，从而增强了沸腾传热。

本发明还提供了一种上述技术方案所述强化振荡热管传热的新型工质的制备方法，包括以下步骤：

a)将氧化石墨烯和水进行分散，得到氧化石墨烯分散液；

b)将丁醇和水进行混合，得到丁醇水溶液；

c)将氧化石墨烯分散液和丁醇水溶液混合，得到强化振荡热管传热的新型工质；

所述步骤a)和步骤b)没有顺序限制。

本发明首先将氧化石墨烯和水进行分散，得到氧化石墨烯分散液。在本发明中，所述分散的过程优选具体为：

将氧化石墨烯在水中进行超声震荡，离心后得到氧化石墨烯分散液。

在本发明中，所述超声震荡的功率优选为100W～300W，更优选为200W；所述超声震荡的时间优选为20h～30h，更优选为24h。

在本发明中，所述离心的转速优选为500r/min～1000r/min，更优选为800r/min。

同时，本发明将丁醇和水进行混合，得到丁醇水溶液。本发明对所述丁醇和水进行混合的过程没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的制备丁醇水溶液的技术方案即可。

分别得到氧化石墨烯分散液和丁醇水溶液后，本发明将氧化石墨烯分散液和丁醇水溶液混合，得到强化振荡热管传热的新型工质。在本发明中，所述混合的方式优选具体为：

将氧化石墨烯分散液加入到丁醇水溶液中进行混合，得到强化振荡热管传热的新型工质。本发明对所述氧化石墨烯分散液和丁醇水溶液的具体浓度没有特殊限制，保证所述强化振荡热管传热的新型工质中的氧化石墨烯和丁醇满足上述技术方案所述的浓度即可。

本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质以丁醇为自湿润流体、氧化石墨烯为纳米流体，得到的强化振荡热管传热的新型工质具有优于自湿润流体和纳米流体的表面张力梯度特性，其表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升，能自发湿润热管烧干部位，有效延缓烧干现象的出现，并增强传热性能。本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质的各项性能均优于单独使用自湿润流体或纳米流体，能够有效改善振荡热管的热输送性能。

本发明还提供了一种强化振荡热管，由振荡热管注入工质得到；所述工质为上述技术方案所述强化振荡热管传热的新型工质或上述技术方案所述的制备方法制备得到的强化振荡热管传热的新型工质。

在本发明中，所述振荡热管优选为外径为3mm～5mm、内径为1.5mm～2.5mm、壁厚为0.5mm～1.1mm的铜管制成的3弯头闭合回路振荡热管，更优选为外径为4mm、内径为2mm、壁厚为1mm的铜管制成的3弯头闭合回路振荡热管。在本发明中，所述振荡热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段；所述蒸发段的长度优选为45mm～55mm，更优选为50mm；所述冷凝段的长度优选为45mm～55mm，更优选为50mm；所述绝热段的长度优选为180mm～220mm，更优选为200mm；所述弯头的圆弧直径优选为45mm～55mm，更优选为50mm。

在本发明中，所述振荡热管的倾斜角优选为85°～95°，更优选为90°；所述振荡热管的充液率优选为40％～60％，更优选为50％。

本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质应用于振荡热管，相比单独用丁醇水溶液或氧化石墨烯分散液，能更好地增强振荡热管的传热性能，拥有更小的温差和热阻，在高温时拥有更大的热导率和表面张力梯度，因此，是拥有广阔前景和潜力的振荡热管中的新型工质。

本发明提供了一种强化振荡热管传热的新型工质，由氧化石墨烯、丁醇和水制备而成。与现有技术相比，本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质以丁醇为自湿润流体、氧化石墨烯为纳米流体，得到的强化振荡热管传热的新型工质具有优于自湿润流体和纳米流体的表面张力梯度特性，其表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升，能自发湿润热管烧干部位，有效延缓烧干现象的出现，并增强传热性能。本发明提供的强化振荡热管传热的新型工质的各项性能均优于单独使用自湿润流体或纳米流体，能够有效改善振荡热管的热输送性能。

另外，本发明提供的制备方法工艺简单、易操作，且成本低。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的振荡热管为外径为4mm、内径为2mm、壁厚为1mm的铜管制成的3弯头闭合回路振荡热管，该振荡热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分，蒸发段和冷凝段的长度均为50mm，绝热段的长度为200mm，弯头的圆弧直径为50mm；所用的氧化石墨烯的直径为100nm，厚度为1.0mm。

实施例1

(1)受试工质：去离子水、0.7wt％丁醇水溶液、0.07wt％氧化石墨烯分散液以及强化振荡热管传热的新型工质(0.7wt％丁醇-0.07wt％氧化石墨烯的混合水溶液)。

(2)实施例1的测量方法和步骤：

采用表面张力仪PocketDyne对工质在20℃～80℃的不同温度下用气泡压力法进行表面张力测量，测量范围是10mN/m～99mN/m，精度为±0.1mN/m。

气泡压力法是利用毛细管探入液体中进行测量，根据毛细管端口处产生气泡的曲率半径、气泡内压力和表面张力三者的关系，在气泡内压力最大时由公式计算出液体的表面张力。

测量过程中，为了减小外部环境对测量精度的影响，装有工质的烧杯和表面张力仪需进行固定；在不同温度下测量时，要等待数据稳定后再进行读取，而且要重复测量三次，取其平均值；更换测量工质时，要用待测工质冲洗烧杯，且换用新的毛细管，尽可能减小测量误差。

准备好实验所需设备后，首先完成充液过程，并检查仪器设备，确保实验能正常准确进行；预备工作做好后，打开数据采集仪，通过计算机读出热管壁温，然后向冷却水箱内注水，开启恒温水槽，水温设定为26℃，待稳定后进行下一步实验；待实验系统稳定后，开启电源对热管进行加热，开始蒸发温度会上升，达到稳定后调节功率到下一数值，每次调节步长为10W，直至功率达到100W后停止实验；实验结束后获取数据采集仪里的实验温度变化情况。

(3)测量结果：图1为实施例1中四种水溶液工质的表面张力随温度上升的变化曲线图；由图1能清楚地观察到水和氧化石墨烯分散液的表面张力随温度上升而呈下降趋势，而丁醇水溶液和0.7wt％丁醇-0.07wt％氧化石墨烯的混合水溶液(以下简称自湿润纳米流体溶液)的表面张力则先随温度上升呈下降趋势，当温度达到一定值后又随温度的升高而逐渐上升，但自湿润纳米流体溶液的表面张力最小值出现地更快，在温度50℃时就出现了，而丁醇水溶液则在60℃后才出现，并且自湿润纳米流体溶液的表面张力变化梯度明显大于丁醇水溶液的，因此，将产生更有利于工质往加热段回流的表面张力梯度，从而强化热输送效率。

实施例2

(1)受试工质：强化振荡热管传热的新型工质；其中，氧化石墨烯浓度(质量分数)均为0.07wt％，丁醇浓度分别为0.3wt％，0.7wt％和1.2wt％。

(2)实施例2的测量方法和步骤：

参见实施例1所述。

(3)测量结果：图2为实施例2中不同浓度丁醇水溶液工质的热阻随加热功率上升的变化曲线图；由图2能清楚地观察到三种浓度的丁醇水溶液的热阻都随加热功率的增加而减小；可以看到，在功率低于50W，丁醇浓度为1.2wt％时的热阻最小；但是当加热功率超过50W后，丁醇浓度为0.7wt％时热阻最小，并且与其他两种浓度的丁醇水溶液的热阻差值先变大后变小。

图3为实施例2中不同浓度丁醇水溶液工质的温差随加热功率上升的变化曲线图。由图3能清楚地观察到三种浓度的丁醇水溶液的温差均随加热功率的增加而变大；可以看到，在功率低于50W，丁醇浓度为1.2wt％时的温差最小；但是当加热功率超过50W后，丁醇浓度为0.7wt％时温差最小，并且与其他两种浓度的丁醇水溶液的热阻差值先变大后变小。

因此，不断增加多元流体中丁醇的浓度并不一定会进一步强化振荡热管的传热性能；在氧化石墨烯浓度一定的情况下，丁醇的浓度为0.7wt％时的传热性能最好。

实施例3

(1)受试工质：强化振荡热管传热的新型工质；其中，丁醇浓度为0.7wt％，氧化石墨烯浓度分别为0.03wt％，0.07wt％和0.12wt％。

(2)实施例3的测量方法和步骤：

参见实施例1所述。

(3)测量结果：图4为实施例3中不同浓度氧化石墨烯分散液溶液工质的热阻随加热功率上升的变化曲线图；由图4可以看出这三种浓度的氧化石墨烯溶液的热阻都随加热功率的增加而减小；同一加热功率下，氧化石墨烯浓度较大的具有较小的热阻，但浓度过大时热阻反而不一定较小。

图5为实施例3中不同浓度氧化石墨烯分散液溶液工质的温差随加热功率上升的变化曲线图；由图5可以看出这三种浓度的氧化石墨烯溶液的温差均随加热功率的增加而变大；可以看到，开始时随着功率增大，较大浓度的氧化石墨烯具有相对较小的温差，但当功率过大时，超过80W后，较小浓度的氧化石墨烯反而对应较小温差。

因此，当氧化石墨烯浓度为0.07wt％时，振荡热管具有较好的传热性能，此组分浓度的多元流体具有最佳的传热效果。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。