CN110749222A

CN110749222A - 一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管

Info

Publication number: CN110749222A
Application number: CN201910938334.6A
Authority: CN
Inventors: 岳亚楠; 高建树; 谢诞梅; 熊扬恒; 蒋劲
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-02-04

Abstract

本发明涉及一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管。其以纳米流体为工作介质；蒸发段壳体内嵌高导热多孔泡沫；石墨烯纳米流体为石墨烯纳米粉体分散到水中，并用表面活性剂维持其悬浊液状态，是一种高效导热的工作介质；高导热多孔泡沫和石墨烯纳米流体的存在，汽化相变过程同时发生在蒸发段壳体内壁表面和蒸发段的内部；残留的纳米石墨烯颗粒，可附着在蒸发段壳体内壁和高导热多孔泡沫表面，进而提高相变气核的数量。纳米石墨烯颗粒具有更大的表面能，在形成异相成核汽化核心方面具有更大的优势，可促进相变气核的快速产生。本发明可促进工作介质的相变过程，降低重力热管的传热热阻，提高换热效率。

Description

一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管

技术领域

本发明涉及一种重力热管，特别是关于一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，属于热传输设备领域。

背景技术

重力热管借助内部工作介质的相变过程来吸收和释放汽化潜热，利用重力实现工作介质的循环回流与持续工作，达到热量输运的目的，是一种能实现快速均温功能的设备，其传热热阻低，热输运性能远高于银、铜等金属，在航天航空、太阳能供暖和空调系统等具有广泛的应用。

石墨烯具有非常优异的导热性能，将石墨烯粉体分散到相应的液体中可制备成石墨烯纳米流体，其导热性质远高于本征流体，为一种新型高导热传热介质。

专利号CN109631641A公开了一种重力热管。该重力热管通过合理布置电加热热管的加热部件的间距分布，提高了电加热换热效率。该重力热管设置了多个电热元件，能耗有所增加。且沿着加热管长度方向的电热元件加热功率不同，制造复杂。专利CN106610240B公布了一种增效弯曲闭式重力热管。该重力热管为了适应工作对象不同的热交换条件和工作空间位置的限制，根据热管蒸发段、绝热段、冷凝段的工作状况来设置各工作段的倾斜角来优化热管性能。但弯管很难达到与其参数相同的直管的工作性能，且弯曲次数越多性能下降越快。专利号CN102445097B公布了一种高效重力热管及其制备方法。该重力热管在热管蒸发段内表面烧结一层金属铜粉末多孔层和在其冷凝段进行化学镀层，所制造的热管可同时强化沸腾传热与冷凝传热。虽然金属粉末烧结法可在热管的蒸发段表面通过高温熔融形成薄薄的一层多孔性金属，但这也限制了汽化过程主要发生于这一多孔层，且孔隙的特征尺度为微米量级，难以达到亚微米至纳米尺度。专利号CN206160786U公开了一种具有超声功能的石墨烯纳米流体重力热管。该重力热管在管壳下部的加热段底部设定有粘结剂层，且粘结剂层外粘有超声换能器，可在重力热管内的纳米流体发生沉淀时进行超声振动，提高纳米颗粒的分散性，但当采用合适的稳定剂以及纳米颗粒大小时，便可保证纳米流体的长期稳定。

发明内容

本发明的目的为提供一种新式结构的重力热管，该种结构的重力热管能够促进工作介质的相变传热，提高换热效率。

一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，包括一蒸发段，一绝热段和一冷凝段：

所述蒸发段壳体内部嵌有高导热多孔泡沫；所述重力热管采用石墨烯纳米流体为工作介质；在使用状态下，所述蒸发段内高导热多孔泡沫以及石墨烯纳米流体的存在，可促进热量由蒸发段壁面到内部的传递，使得石墨烯纳米流体中的液相因吸热而发生相变，且汽化相变过程不仅发生在蒸发段壳体内壁表面，也将大量发生在蒸发段的内部；此外，残留的石墨烯颗粒具有纳米尺寸，可附着在所述蒸发段壳体内壁以及高导热多孔泡沫的表面，形成异相成核汽化核心，可促进相变气核的产生；与此同时，得益于高导热多孔泡沫比表面积大的特点，其附着所述石墨烯纳米颗粒的数量可获得提高，可进一步促进所述石墨烯纳米流体的相变过程，降低重力热管的传热热阻，提高换热效率；

进一步地，所述蒸发段设置了高导热多孔泡沫结构。所述高导热多孔泡沫由石墨烯或者金属等导热性能优异的材料组成，其内部为三维无规则互为连接的网络几何结构。所述高导热多孔泡沫的孔径在100～500μm，孔隙率在50％～98％之间；孔径过低将阻碍气泡的上升，形成堵塞，造成传热恶化；孔隙率过高将减小所述高导热多孔泡沫的比表面积，不利于所述石墨烯纳米颗粒在所述高导热多孔泡沫表面的附着；

进一步地，所述工作介质为石墨烯纳米流体，其填充于蒸发段内，覆没所述高导热多孔泡沫；

进一步地，所述石墨烯纳米流体的填充率在20％～50％之间；填充率过高会缩短冷凝段，蒸汽不能及时释放潜热影响冷凝回流；填充率过低将发生液相干涸现象，无法充分发挥所述重力热管的换热效能；

进一步地，为保证重力热管系统能够在重力作用下保持气液相变通畅，所述重力热管安装的倾斜角度在30～90°之间(其中90°为竖直方向)，在倾斜角度较小时，需要提高纳米流体的填充率，保证石墨烯纳米流体完全覆没所述高导热多孔泡沫；

进一步地，所述石墨烯纳米流体为石墨烯纳米粉体分散到水中，是一种高效导热的工作介质；所述添加石墨烯纳米颗粒的重量分数在0.025wt％～0.2wt％之间；所述石墨烯纳米流体加入表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠，添加量为1wt％)，可防止石墨烯纳米颗粒发生沉淀；

再进一步地，所述的石墨烯纳米流体通过细胞破碎器进行超声波震荡而分散均匀；所述石墨烯纳米粉体的粒径分布于500～5000nm，粒径在上述区间的具体分布可通过改变超声波震荡时间(大于1小时)进行控制；过大的粒径不利于石墨烯纳米流体的均匀分散，容易形成沉淀；过小的粒径虽然可提高石墨烯纳米颗粒的表面能，有利于提高汽化过程，但通过物理超声法不易获得；所述石墨烯纳米颗粒的层数不多于5层，层数越小，石墨烯纳米颗粒的比表面积越大，有助于异相成核过程临界气核的生长。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明使用高导热多孔泡沫，为三维无规则互为连接的网络几何结构，其仅作为一个传热通道与骨架结构，汽化核心主要由沉积于骨架上的石墨烯纳米颗粒组成；

2)本发明在蒸发段内设计的高导热多孔泡沫以及石墨烯纳米流体，可促进热量由蒸发段壁面到内部的传递，使得石墨烯纳米流体中的液相因吸热而发生相变，且汽化相变过程不仅发生在蒸发段壳体内壁表面，也将大量发生在蒸发段的内部；

3)残留的石墨烯颗粒具有纳米尺寸，可附着在所述蒸发段壳体内壁以及高导热多孔泡沫的表面，形成异相成核汽化核心，可促进相变气核的产生；

4)得益于高导热多孔泡沫比表面积大的特点，其附着所述石墨烯纳米颗粒的数量可获得提高，可进一步促进所述石墨烯纳米流体的相变过程，降低重力热管的传热热阻，提高换热效率。

附图说明

图1为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的结构示意图。

图2为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的正面剖视图。

图3为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的工作原理图。

图4为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的石墨烯纳米流体中高导热多孔泡沫单元胞示意图。

图5为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的石墨烯纳米颗粒强化汽化过程示意图。

图中：1-高导热多孔泡沫；2-壳体；3-重力热管；301-蒸发段；302-绝热段；303-冷凝段；4-石墨烯纳米流体；5-水膜；6-石墨烯纳米颗粒；7-气泡。

具体实施方式

实施例1

取质量分数分别为1wt％的十二烷基苯磺酸钠、0.025wt％的粒径5000nm的层数不多于5层的石墨烯粉末放入装有蒸馏水的烧杯中，通过细胞破碎器对其进行超声震荡，时间不少于一个小时，制得稳定的石墨烯纳米流体，等待热管充装。

实施例2

取质量分数分别为1wt％的十二烷基苯磺酸钠、0.1wt％的粒径500nm的层数不多于5层的石墨烯粉末放入装有蒸馏水的烧杯中，通过细胞破碎器对其进行超声震荡，时间不少于一个小时，制得稳定的石墨烯纳米流体，等待热管充装。

实施例3

取质量分数分别为1wt％的十二烷基苯磺酸钠、0.2wt％的粒径2500nm的层数不多于5层的石墨烯粉末放入装有蒸馏水的烧杯中，通过细胞破碎器对其进行超声震荡，时间不少于一个小时，制得稳定的石墨烯纳米流体，等待热管充装。

实施例4

确定重力热管的安装角度30°，计算出石墨烯纳米流体的充液率50％，保证石墨烯纳米流体在充液安装后完全覆没孔径为100μm孔隙率为50％的石墨烯高导热多孔泡沫。

实施例5

确定好热管的安装角度60°，计算出石墨烯纳米流体的充液率28.7％，保证石墨烯纳米流体在充液安装后完全覆没孔径为250μm孔隙率为70％的金属高导热多孔泡沫。

实施例6

确定好热管的安装角度90°，计算出石墨烯纳米流体的充液率20％，保证石墨烯纳米流体在充液安装后完全覆没孔径为500μm孔隙率为98％的金属高导热多孔泡沫。

实施例7

图1为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的结构示意图，图2为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的正面剖视图。请同时参考图1及图2所示，于本实施例中，该重力热管3由设置在蒸发段301中的高导热多孔泡沫1、壳体2以及工作介质石墨烯纳米流体4构成的。该重力热管3的一端为蒸发段301，另一端为冷凝段303，连接着蒸发段301和冷凝段303之间的为绝热段302。

图3为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的工作原理图，图4为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的石墨烯纳米流体中高导热多孔泡沫单元胞示意图，图5为本发明一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管的石墨烯颗粒强化汽化过程示意图。请同时参考图3、图4及图5所示，于本实施例中，工作介质石墨烯纳米流体4在重力热管3的蒸发段301吸收热量，石墨烯纳米流体4中的液相汽化，残留的石墨烯纳米颗粒6可附着在所述蒸发段301壳体2内壁以及高导热多孔泡沫1的表面，形成异相成核汽化核心，可促进相变气核的产生；同时，高导热多孔泡沫1的比表面积大，其附着所述石墨烯纳米颗粒6的数量可获得提高，可进一步促进所述石墨烯纳米流体4的相变过程；气泡7在石墨烯纳米颗粒6表面形成，并在石墨烯纳米流体4上升过程中不断增大，后逸至冷凝段303冷却成水膜5，受重力的作用流回蒸发段301再次受热。此过程的不断循环，实现了热量由蒸发段301至冷凝段303的转移。

本文中所描述的具体实施例仅对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做其余修改或补充或采用类似的方式进行替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，包括一蒸发段，一绝热段和一冷凝段，其特征在于：所述蒸发段壳体内部嵌有高导热多孔泡沫；所述重力热管采用石墨烯纳米流体为工作介质；在使用状态下，所述蒸发段内高导热多孔泡沫以及石墨烯纳米流体的存在，可促进热量由蒸发段壁面到内部的传递，使得石墨烯纳米流体中的液相因吸热而发生相变，且汽化相变过程不仅发生在蒸发段壳体内壁表面，也将大量发生在蒸发段的内部；此外，残留的石墨烯颗粒具有纳米尺寸，可附着在所述蒸发段壳体内壁以及高导热多孔泡沫的表面，形成异相成核汽化核心，可促进相变气核的产生；与此同时，得益于高导热多孔泡沫比表面积大的特点，其附着所述石墨烯纳米颗粒的数量可获得提高，可进一步促进所述石墨烯纳米流体的相变过程，降低重力热管的传热热阻，提高换热效率。

2.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述高导热多孔泡沫由石墨烯或者金属制成，其内部为三维无规则互为连接的网络几何结构。

3.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述石墨烯纳米流体覆没所述高导热多孔泡沫。

4.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述石墨烯纳米流体的填充率在20％～50％之间；填充率过高会缩短冷凝段，蒸汽不能及时释放潜热影响冷凝回流；填充率过低将发生液相干涸现象，无法充分发挥所述重力热管的换热效能。

5.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，为保证重力热管系统能够在重力作用下保持气液相变通畅，所述重力热管安装的倾斜角度在30～90°之间，在倾斜角度较小时，需要提高纳米流体的填充率，保证石墨烯纳米流体完全覆没所述高导热多孔泡沫。

6.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述石墨烯纳米流体为石墨烯纳米粉体分散到水中，是一种高效导热的工作介质；所述添加石墨烯纳米颗粒的重量分数在0.025wt％～0.2wt％之间；所述石墨烯纳米流体加入表面活性剂，可防止石墨烯纳米颗粒发生沉淀。

7.根据权利要求6所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述的石墨烯纳米流体通过细胞破碎器进行超声波震荡而分散均匀；所述石墨烯纳米粉体的粒径分布于500～5000nm，粒径在上述区间的具体分布可通过改变超声波震荡时间进行控制；过大的粒径不利于石墨烯纳米流体的均匀分散，容易形成沉淀；过小的粒径虽然可提高石墨烯纳米颗粒的表面能，有利于提高汽化过程，但通过物理超声法不易获得；所述石墨烯纳米颗粒的层数不多于5层，层数越小，石墨烯纳米颗粒的比表面积越大，有助于异相成核过程临界气核的生长。

8.根据权利要求1所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述高导热多孔泡沫的孔径在100～500μm，孔隙率在50％～98％之间；孔径过低将阻碍气泡的上升，形成堵塞，造成传热恶化；孔隙率过高将减小所述高导热多孔泡沫的比表面积，不利于所述石墨烯纳米颗粒在所述高导热多孔泡沫表面的附着。

9.根据权利要求6所述的一种蒸发段内嵌多孔泡沫式的石墨烯纳米流体重力热管，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，添加量为1wt％。