摘要：研究了以含氟表面活性劑水溶液為工質(zhì)并經(jīng)氧乙炔正火處理后脈動(dòng)熱管的傳熱性能。首先，采用正火處理對(duì)脈動(dòng)熱管的內(nèi)表面進(jìn)行改性，由結(jié)果可知，正火處理后脈動(dòng)熱管內(nèi)表面的潤(rùn)濕性得到改善。將PQAI（全氟烷基季銨碘化物)表面活性劑分散在去離子水中作為工質(zhì)進(jìn)行脈動(dòng)熱管性能實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加人少量的PQAI可以大大降低水的表面張力（比水低77.7%）。當(dāng)熱流密度在10—60W/cm2，沸騰傳熱系數(shù)提高5%—37%。將PQAI水溶液應(yīng)用于具有可潤(rùn)濕表面的脈動(dòng)熱管中，溫度脈動(dòng)曲線與采用純水工質(zhì)的脈動(dòng)熱管相比，顯示出更小的振幅和更高的溫度波動(dòng)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在100W的加熱功率下，PQAI水溶液脈動(dòng)熱管的熱阻與采用純水工質(zhì)相比降低了20.8%。

近幾十年來(lái)，脈動(dòng)熱管由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉以及優(yōu)異的傳熱性能而被認(rèn)為是一種在高熱流密度下工作的高效熱管理裝置。脈動(dòng)熱管采用金屬毛細(xì)管彎曲形成蛇形結(jié)構(gòu)，是一種新型的熱交換設(shè)備。由于管徑足夠小，液塞和汽塞會(huì)在表面張力下間隔排列，并在管內(nèi)隨機(jī)分布。在蒸發(fā)段，工作流體吸熱產(chǎn)生氣泡，氣泡迅速膨脹加壓，推動(dòng)工作流體流向低溫冷凝段。在冷凝段，氣泡冷卻、收縮和破裂，壓力下降。由于兩段之間的壓差和相鄰管道之間的壓力不平衡，工作流體在蒸發(fā)段和冷凝段之間振蕩，從而實(shí)現(xiàn)傳熱。通過(guò)對(duì)脈動(dòng)熱管不同工況下熱力性能進(jìn)行研究，提出了提高其運(yùn)行效率的方法包括幾何參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和工質(zhì)性質(zhì)等。其中，增加內(nèi)壁的潤(rùn)濕性以提高脈動(dòng)熱管的熱性能備受關(guān)注。

Qu等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)表面被包覆或被制造的有空腔或粗糙度時(shí)，啟動(dòng)振蕩運(yùn)動(dòng)所需的過(guò)熱溫度和熱量降低，脈動(dòng)熱管更容易啟動(dòng)。Hao等研究了超親水和親水表面對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能和液塞運(yùn)動(dòng)的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超親水和親水2種表面的工況下，液塞運(yùn)動(dòng)都變得更加強(qiáng)烈，脈動(dòng)熱管的整體傳熱性能提高。根據(jù)文獻(xiàn)可知，表面潤(rùn)濕性對(duì)脈動(dòng)熱管的液塞運(yùn)動(dòng)和熱性能有很大影響。通過(guò)添加少量的表面活性劑可以顯著降低工質(zhì)的表面張力。

此外，據(jù)報(bào)道，表面活性劑溶液將增加氣泡脫離頻率和氣化核心密度，進(jìn)一步有效地改善池沸騰傳熱。Patel等報(bào)道了表面活性劑溶液對(duì)閉式脈動(dòng)熱管運(yùn)行性能的影響。結(jié)果表明，由于加人表面活性劑新型工質(zhì)的表面張力較低，脈動(dòng)熱管的毛細(xì)管阻力會(huì)降低，因此其熱性能優(yōu)于使用純水工質(zhì)的脈動(dòng)熱管。Bastakoti等研究了表面活性劑溶液對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈動(dòng)熱管的傳熱特性很大部分取決于表面活性劑溶液的充灌率。表面活性劑溶液在較低的充灌率和加熱功率下是有利于換熱。表面活性劑溶液濃度在2kg/m時(shí)，脈熱管的最低熱阻為0.30K/W，低于純水型脈動(dòng)熱管。

含氟表面活性劑能夠在較低濃度下顯著降低基液的表面張力，而不會(huì)影響?zhàn)ざ鹊绕渌再|(zhì)的不良變化。本研究用銅毛細(xì)管彎曲制成脈動(dòng)熱管，毛細(xì)管內(nèi)壁經(jīng)氧乙炔正火處理以改善潤(rùn)濕性。

本文研究中，采用PQAI（全氟烷基季銨碘化物）表面活性劑水溶液為工質(zhì)，研究管內(nèi)表面改性和表面活性劑溶液對(duì)脈動(dòng)熱管性能強(qiáng)化的耦合作用。具體地，研究當(dāng)充灌率保持為50%時(shí)，在不同加熱功率下分別使用去離子水和表面活性劑溶液經(jīng)正火處理脈動(dòng)熱管的傳熱性能。

1實(shí)驗(yàn)裝置

1.1氧乙炔正火處理

表面對(duì)銅管進(jìn)行氧乙炔正火處理。采用德國(guó)蔡司公司提供的LSM700型三維激光共聚焦顯微鏡測(cè)量，觀察處理前后的管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。圖1為未經(jīng)處理的銅管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁表面有小的、多形狀的裂線和明顯的小凹坑，但總體上仍比較光滑。對(duì)比處理前、后兩個(gè)表面，可以清楚地看到，經(jīng)氧乙炔正火處理的銅管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)與未經(jīng)處理的銅管有很大的變化，管內(nèi)壁正火后明顯粗糙，大部分壁面被黑色晶體和溝谷紋覆蓋。

圖1脈動(dòng)熱管的內(nèi)壁面結(jié)構(gòu)

正火處理脈動(dòng)熱管時(shí)化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

氧乙炔燃燒產(chǎn)生的主要產(chǎn)物是CO，和水蒸氣，在高溫條件下這些物質(zhì)會(huì)以氣態(tài)形式存在。采用能譜儀，型號(hào)為ESCALAB250XI，對(duì)銅表面元素組成進(jìn)行分析，其含有較高的Cu、O元素，表明其表面附著的黑色物質(zhì)應(yīng)為銅的氧化物。

將去離子水滴在未處理和處理過(guò)的銅表面上，研究氧乙炔正火處理表面的潤(rùn)濕性，采用POWE-REACHJC2000D1測(cè)量了液固靜態(tài)接觸角，結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)，未處理表面和正火處理表面的接觸角分別為88°和27°。氧乙炔正火處理表面與未處理的銅表面相比，接觸角減小，表明表面潤(rùn)濕性的提高。

圖2脈動(dòng)熱管內(nèi)壁的潤(rùn)濕性