摘要：研究了以含氟表面活性剂水溶液为工质并经氧乙炔正火处理后脉动热管的传热性能。首先，采用正火处理对脉动热管的内表面进行改性，由结果可知，正火处理后脉动热管内表面的润湿性得到改善。将PQAI（全氟烷基季铵碘化物)表面活性剂分散在去离子水中作为工质进行脉动热管性能实验研究。

实验结果表明，加人少量的PQAI可以大大降低水的表面张力（比水低77.7%）。当热流密度在10—60W/cm²，沸腾传热系数提高5%—37%。将PQAI水溶液应用于具有可润湿表面的脉动热管中，温度脉动曲线与采用纯水工质的脉动热管相比，显示出更小的振幅和更高的温度波动稳定性。结果表明，在100W的加热功率下，PQAI水溶液脉动热管的热阻与采用纯水工质相比降低了20.8%。

近几十年来，脉动热管由于其结构简单、成本低廉以及优异的传热性能而被认为是一种在高热流密度下工作的高效热管理装置。脉动热管采用金属毛细管弯曲形成蛇形结构，是一种新型的热交换设备。由于管径足够小，液塞和汽塞会在表面张力下间隔排列，并在管内随机分布。在蒸发段，工作流体吸热产生气泡，气泡迅速膨胀加压，推动工作流体流向低温冷凝段。在冷凝段，气泡冷却、收缩和破裂，压力下降。由于两段之间的压差和相邻管道之间的压力不平衡，工作流体在蒸发段和冷凝段之间振荡，从而实现传热。通过对脉动热管不同工况下热力性能进行研究，提出了提高其运行效率的方法包括几何参数、运行参数和工质性质等。其中，增加内壁的润湿性以提高脉动热管的热性能备受关注。

Qu等研究发现，当毛细管内表面被包覆或被制造的有空腔或粗糙度时，启动振荡运动所需的过热温度和热量降低，脉动热管更容易启动。Hao等研究了超亲水和亲水表面对脉动热管传热性能和液塞运动的影响。

实验结果表明，在超亲水和亲水2种表面的工况下，液塞运动都变得更加强烈，脉动热管的整体传热性能提高。根据文献可知，表面润湿性对脉动热管的液塞运动和热性能有很大影响。通过添加少量的表面活性剂可以显著降低工质的表面张力。

此外，据报道，表面活性剂溶液将增加气泡脱离频率和气化核心密度，进一步有效地改善池沸腾传热。Patel等报道了表面活性剂溶液对闭式脉动热管运行性能的影响。结果表明，由于加人表面活性剂新型工质的表面张力较低，脉动热管的毛细管阻力会降低，因此其热性能优于使用纯水工质的脉动热管。Bastakoti等研究了表面活性剂溶液对脉动热管传热性能的影响。实验结果表明，脉动热管的传热特性很大部分取决于表面活性剂溶液的充灌率。表面活性剂溶液在较低的充灌率和加热功率下是有利于换热。表面活性剂溶液浓度在2kg/m时，脉热管的最低热阻为0.30K/W，低于纯水型脉动热管。

含氟表面活性剂能够在较低浓度下显著降低基液的表面张力，而不会影响黏度等其他性质的不良变化。本研究用铜毛细管弯曲制成脉动热管，毛细管内壁经氧乙炔正火处理以改善润湿性。

本文研究中，采用PQAI（全氟烷基季铵碘化物）表面活性剂水溶液为工质，研究管内表面改性和表面活性剂溶液对脉动热管性能强化的耦合作用。具体地，研究当充灌率保持为50%时，在不同加热功率下分别使用去离子水和表面活性剂溶液经正火处理脉动热管的传热性能。

1实验装置

1.1氧乙炔正火处理

表面对铜管进行氧乙炔正火处理。采用德国蔡司公司提供的LSM700型三维激光共聚焦显微镜测量，观察处理前后的管内壁结构。图1为未经处理的铜管内壁结构，内壁表面有小的、多形状的裂线和明显的小凹坑，但总体上仍比较光滑。对比处理前、后两个表面，可以清楚地看到，经氧乙炔正火处理的铜管内壁结构与未经处理的铜管有很大的变化，管内壁正火后明显粗糙，大部分壁面被黑色晶体和沟谷纹覆盖。

图1脉动热管的内壁面结构

正火处理脉动热管时化学反应方程式如下：

氧乙炔燃烧产生的主要产物是CO，和水蒸气，在高温条件下这些物质会以气态形式存在。采用能谱仪，型号为ESCALAB250XI，对铜表面元素组成进行分析，其含有较高的Cu、O元素，表明其表面附着的黑色物质应为铜的氧化物。

将去离子水滴在未处理和处理过的铜表面上，研究氧乙炔正火处理表面的润湿性，采用POWE-REACHJC2000D1测量了液固静态接触角，结果如图2所示。由图可见，未处理表面和正火处理表面的接触角分别为88°和27°。氧乙炔正火处理表面与未处理的铜表面相比，接触角减小，表明表面润湿性的提高。

图2脉动热管内壁的润湿性