摘要：研究了以含氟表面活性劑水溶液為工質并經(jīng)氧乙炔正火處理后脈動熱管的傳熱性能。首先，采用正火處理對脈動熱管的內(nèi)表面進行改性，由結果可知，正火處理后脈動熱管內(nèi)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進行脈動熱管性能實驗研究。

實驗結果表明，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(shù)提高5%—37%。將PQAI水溶液應用于具有可潤濕表面的脈動熱管中，溫度脈動曲線與采用純水工質的脈動熱管相比，顯示出更小的振幅和更高的溫度波動穩(wěn)定性。結果表明，在100W的加熱功率下，PQAI水溶液脈動熱管的熱阻與采用純水工質相比降低了20.8%。

近幾十年來，脈動熱管由于其結構簡單、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，液塞和汽塞會在表面張力下間隔排列，并在管內(nèi)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，從而實現(xiàn)傳熱。通過對脈動熱管不同工況下熱力性能進行研究，提出了提高其運行效率的方法包括幾何參數(shù)、運行參數(shù)和工質性質等。其中，增加內(nèi)壁的潤濕性以提高脈動熱管的熱性能備受關注。

Qu等研究發(fā)現(xiàn)，當毛細管內(nèi)表面被包覆或被制造的有空腔或粗糙度時，啟動振蕩運動所需的過熱溫度和熱量降低，脈動熱管更容易啟動。Hao等研究了超親水和親水表面對脈動熱管傳熱性能和液塞運動的影響。

實驗結果表明，在超親水和親水2種表面的工況下，液塞運動都變得更加強烈，脈動熱管的整體傳熱性能提高。根據(jù)文獻可知，表面潤濕性對脈動熱管的液塞運動和熱性能有很大影響。通過添加少量的表面活性劑可以顯著降低工質的表面張力。

此外，據(jù)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的表面張力較低，脈動熱管的毛細管阻力會降低，因此其熱性能優(yōu)于使用純水工質的脈動熱管。Bastakoti等研究了表面活性劑溶液對脈動熱管傳熱性能的影響。實驗結果表明，脈動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，脈熱管的最低熱阻為0.30K/W，低于純水型脈動熱管。

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，而不會影響?zhàn)ざ鹊绕渌再|的不良變化。本研究用銅毛細管彎曲制成脈動熱管，毛細管內(nèi)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，研究管內(nèi)表面改性和表面活性劑溶液對脈動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，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)正火處理脈動熱管的傳熱性能。

1實驗裝置

1.1氧乙炔正火處理

表面對銅管進行氧乙炔正火處理。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，觀察處理前后的管內(nèi)壁結構。圖1為未經(jīng)處理的銅管內(nèi)壁結構，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。對比處理前、后兩個表面，可以清楚地看到，經(jīng)氧乙炔正火處理的銅管內(nèi)壁結構與未經(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脈動熱管的內(nèi)壁面結構

正火處理脈動熱管時化學反應方程式如下：

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會以氣態(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應為銅的氧化物。

將去離子水滴在未處理和處理過的銅表面上，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，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脈動熱管內(nèi)壁的潤濕性