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，采用正火處理對脈動(dòng)熱管的內表面進(jìn)行改性，由結果可知，正火處理后脈動(dòng)熱管內表面的潤濕性得到改善。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)驗研究。

實(shí)驗結果表明，加人少量的PQAI可以大大降低水的表面張力（比水低77.7%）。當熱流密度在10—60W/cm2，沸騰傳熱系數提高5%—37%。將PQAI水溶液應用于具有可潤濕表面的脈動(dòng)熱管中，溫度脈動(dòng)曲線(xiàn)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)穩定性。結果表明，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)熱管由于其結構簡(jiǎn)單、成本低廉以及優(yōu)異的傳熱性能而被認為是一種在高熱流密度下工作的高效熱管理裝置。脈動(dòng)熱管采用金屬毛細管彎曲形成蛇形結構，是一種新型的熱交換設備。由于管徑足夠小，液塞和汽塞會(huì )在表面張力下間隔排列，并在管內隨機分布。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)現傳熱。通過(guò)對脈動(dòng)熱管不同工況下熱力性能進(jìn)行研究，提出了提高其運行效率的方法包括幾何參數、運行參數和工質(zhì)性質(zhì)等。其中，增加內壁的潤濕性以提高脈動(dòng)熱管的熱性能備受關(guān)注。

Qu等研究發(fā)現，當毛細管內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脈動(dòng)熱管傳熱性能和液塞運動(dòng)的影響。

實(shí)驗結果表明，在超親水和親水2種表面的工況下，液塞運動(dòng)都變得更加強烈，脈動(dòng)熱管的整體傳熱性能提高。根據文獻可知，表面潤濕性對脈動(dòng)熱管的液塞運動(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(zhù)降低工質(zhì)的表面張力。

此外，據報道，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等報道了表面活性劑溶液對閉式脈動(dòng)熱管運行性能的影響。結果表明，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脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響。實(shí)驗結果表明，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(zhù)降低基液的表面張力，而不會(huì )影響黏度等其他性質(zhì)的不良變化。本研究用銅毛細管彎曲制成脈動(dòng)熱管，毛細管內壁經(jīng)氧乙炔正火處理以改善潤濕性。

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)，研究管內表面改性和表面活性劑溶液對脈動(dòng)熱管性能強化的耦合作用。具體地，研究當充灌率保持為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)驗裝置

1.1氧乙炔正火處理

表面對銅管進(jìn)行氧乙炔正火處理。采用德國蔡司公司提供的LSM700型三維激光共聚焦顯微鏡測量，觀(guān)察處理前后的管內壁結構。圖1為未經(jīng)處理的銅管內壁結構，內壁表面有小的、多形狀的裂線(xiàn)和明顯的小凹坑，但總體上仍比較光滑。對比處理前、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壁結構與未經(jīng)處理的銅管有很大的變化，管內壁正火后明顯粗糙，大部分壁面被黑色晶體和溝谷紋覆蓋。

圖1脈動(dòng)熱管的內壁面結構

正火處理脈動(dòng)熱管時(shí)化學(xué)反應方程式如下：

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，型號為ESCALAB250XI，對銅表面元素組成進(jìn)行分析，其含有較高的Cu、O元素，表明其表面附著(zhù)的黑色物質(zhì)應為銅的氧化物。

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濕性，采用POWE-REACHJC2000D1測量了液固靜態(tài)接觸角，結果如圖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，表明表面潤濕性的提高。

圖2脈動(dòng)熱管內壁的潤濕性