石墨烯奈米流體於可視化脈動式熱管研究

摘要：本文進行石墨烯奈米流體添加至脈動式熱管(Pulsating Heat Pipe, PHP)的可視化研究。與現有技術相比，石墨烯奈米流體可以提高熱管內微氣泡產生速度，以及氣柱於脈動式熱管內的推動速度。利用可視化實驗測試和高速攝影機觀察氣泡和氣柱的流動，發現速度比純水高3-5倍，藉此改善了兩相流體的熱交換。

Abstract：This article conducts a visual study on the addition of graphene nanofluids to Pulsating Heat Pipe (PHP). Compared to existing technologies, graphene nanofluids can enhance the generation speed of microbubbles inside the heat pipe, as well as the driving speed of the gas column within the pulsating heat pipe. Through visualization experiments and high-speed camera observation of the flow of bubbles and gas columns, it was found that the velocity is 3-5 times higher than pure water, thereby improving the heat exchange of the two-phase fluid.

關鍵詞：石墨烯、奈米流體、脈動式熱管

Keywords：Graphene, Nanofluids, Pulsating heat pipe

前言

20世紀末，奈米技術逐漸成熟，對於熱解決方案，奈米材料和奈米流體的研究非常重要。在歷史上，Choi[1]是第一位使用氧化銅奈米流體和二氧化鈦奈米流體來探索奈米流體導熱性的人，改善了先前微米級和毫米級顆粒的不足。目前在奈米材料中，石墨烯奈米粉的導熱效率最好，在理論數據中可達到5,300 W/mK，遠高於奈米氧化銅粉和奈米氧化鋁粉。You等人[2]研究了以水為溶劑的奈米流體，在沸騰時溶劑中奈米粉體對臨界熱通量的影響，研究結果發現奈米流體的臨界熱通量約為純水的兩倍。Kwark等人[3]研究了低濃度(≤1g/L)的奈米流體，發現奈米粒子在受熱表面沉積了一層很薄的奈米粒子層，在薄的奈米尺度區域產生了核沸騰的傳熱。Wong等人[4]設計了一種可視化扁平熱管，上端為可見光能穿透的石英平板，底部為網狀金屬毛細管結構，將奈米氧化鋁流體和奈米銅粉流體進行灌注及測試熱管的性能。結果發現奈米流體的最大傳熱率比純水高20%，並且透過可視化觀察，發現蒸發區有輕微沸騰。 J. Mitrovic [5] 使用沉浸於液體中的加熱筒，改變加熱筒不同熱量，觀測流體變化。當加熱筒表面光滑時，隨著熱通量的增加，加熱筒內溫度與加熱筒表面溫度的溫差越來越大，顯示傳熱效果不佳；反之，讓加熱筒表面為粗糙時，隨著熱通量的增加，加熱筒內溫度與加熱筒表面溫度之間的溫差幾乎恆定，這意味著傳熱效果更好。而且，在對加熱筒的四個部位進行的實驗測試中，結果表明，粗糙表面的傳熱效果優於光滑表面。主要原因是粗糙表面會有很多成核址。當加熱筒受熱時，這些粗糙表面會產生核沸騰，增加熱交換，減少筒體內外溫差。在許多研究中，包括脈動式熱管(PHP)、振盪熱管(Oscillating Heat Pipe, OHP)和環路熱管(Loop Heat Pipe, LHP)中添加石墨烯可以改善傳熱性能[6,7,8]。奈米流體除了具有優越的傳熱係數外，還可以加速沸騰，提高流體流速和傳熱性能[9]。D.Zhang等人[10]使用可視化脈動熱管(PHP)平台，發現二氧化矽奈米流體的速度可以比純水更快。奈米流體PHP中氣泡的最大速度從50.0 mm/s增加到57.8 mm/s，平均速度從12.63 mm/s增加到19.03 mm/s，可見奈米流體確實可以提升流體速度。本文我們將使用微波化學氣相沉積來製造石墨烯粉，並配置石墨烯奈米流體。由於石墨烯的幾何構型接近平面，與粒狀奈米粉末相比，它可以產生更多的沸騰，從而可以提高氣柱推進速度並增加傳熱。

實驗方法

石墨烯製程利用化學氣相沉積法：第一步將將甲烷和氮氣混合；第二步將通過微波電漿火炬，在電漿下將甲烷分解成碳和氫氣，進行石墨烯製作；第三步則利用真空幫浦和Filter，進行氣體與石墨烯分離。流程如圖1所示。取下石墨烯粉加入界面活性劑(sodium dodecyl benzene sulfonate, SDBS)，以純水為溶劑進行充分混合。石墨烯粉比例添加0.1 wt% 至3.0 wt%。將石墨烯與工作流體混合後，以電磁攪拌器攪拌120分鐘，再進行超音波震盪8小時，並將溫度維持在25°C。此流程有助於石墨烯於純水中均勻分散。

圖1 石墨烯製程

1.石墨烯奈米流體黏滯係數

黏滯係數會影響流體在脈動熱管內的流動速度，黏滯係數低將會讓流體流動順暢，使熱交換提升。本文我們使用A&D Company, Limited的Sine-wave Vibro Viscometer (SV-10)，測試黏度範圍為0.3 mPa.s 到 10 mPa.s. 實驗為將分散劑濃度固定為0.1 g，純水40 g。實驗溫度在25.5±1 ℃，量測溫度利用k-type 1 mm-diameter stainless-steel sheathed probe (Omega, Inc.)，溫度誤差0.1 ℃。調整石墨烯濃度，從0.1 wt% 到 3.0 wt%。而另一實驗為純水量40 g，石墨烯濃度0.1 wt%，改變SDBS濃度從0.25 wt% 到 12.0 wt%。

2.石墨烯奈米流體比熱容

流體的比熱容影響單位流體質量可以帶走多少熱量，比熱容大，則間接提升脈動熱管的熱傳量。本文採用Differential Scanning Calorimeter(DSC)。實驗原理是將具備控溫加熱器且熱傳導性佳的材料作成加熱爐，配合冷卻系統作溫度控制。sample和reference被擺放在加熱爐內，藉由樣品組及對照組在升降溫的過程中產生的差異可精準量測到溫度，藉由溫度曲線對時間的積分可得到能量。實驗共九次，石墨烯濃度為0.1 wt%、0.75 wt%和1.5 wt%；SDBS濃度為0.25 wt%、5.0 wt%和10.0 wt%，並在環境溫度25℃、40℃和70℃進行量測。如圖2所示。

圖2 黏度測量實驗平台