CuO-水納米流體多孔球?qū)映胤序v傳熱特性

祝嘯，陳威，李林星（上海海事大學商船學院，上海 201306）

研究開發(fā)

CuO-水納米流體多孔球?qū)映胤序v傳熱特性

祝嘯，陳威，李林星
（上海海事大學商船學院，上海 201306）

對CuO-水納米流體在6mm多孔球?qū)觾?nèi)進行池沸騰實驗研究。實驗使用了40nm的CuO納米顆粒，加以不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為表面活性劑，配成多種不同配比關系的納米流體。實驗結果表明，當表面活性劑濃度與納米顆粒濃度在0.01%～0.03%（質(zhì)量分數(shù)，下同）之間變化時，兩者濃度相近的納米流體穩(wěn)定性較好，沸騰傳熱效果高。其中表面活性劑濃度略高于CuO濃度時，傳熱效果較好，在SDBS濃度為0.03%、CuO濃度為0.02%時達到最大，為41670W/（m2·K）；而納米顆粒濃度增大時，根據(jù)其對納米流體的穩(wěn)定性和沉降效應的影響，在不同程度上可增強或削弱沸騰傳熱。同時對納米流體的池沸騰進行可視化研究，利用氣泡脫離特性對實驗結果作了詮釋。所得結果可為納米流體在多孔球?qū)拥某胤序v傳熱特性研究提供有益的研究數(shù)據(jù)。

納米流體；表面活性劑；池沸騰；多孔介質(zhì)；傳熱

納米流體自1995年［1］問世以來，在熱科學及能源科學領域一直受著研究人員的關注。目前研究認為它具有高導熱特性［2-5］。而在沸騰傳熱中，對其是否能增強傳熱還有一些爭論［6-8］。多孔結構的傳熱研究也是目前熱科學技術的前沿領域之一，在其能顯著提升汽化核心數(shù)的基礎上，對沸騰傳熱的提升效果十分明顯［9］，但多孔結構中球形多孔介質(zhì)的研究不多。王崢［10］和張曉杰［11］等對多孔玻璃球進行了沸騰傳熱的實驗研究，發(fā)現(xiàn)多孔球?qū)拥慕强p區(qū)域能形成一個比較穩(wěn)定沸騰換熱區(qū)。王記等［12］采用模擬與實驗相結合的方法，對多孔球?qū)拥姆序v換熱機理作了進一步的研究。

納米流體的穩(wěn)定性受表面活性劑的影響［13］，由于水基納米流體在經(jīng)過較長時間加熱之后，會出現(xiàn)吸附沉降現(xiàn)象［7］，沉降顆粒附著在平板上會在一定程度上增加汽化核心，加強沸騰傳熱；而在多孔介質(zhì)層中，這種沉降是否有利于傳熱還有待驗證。另外，表面活性劑的濃度也會影響納米流體的穩(wěn)定性，而在沸騰傳熱中，這種影響還有待研究。

為進一步分析納米流體在多孔介質(zhì)沸騰傳熱中的穩(wěn)定性與傳熱效果，本文就 CuO-水納米流體在6mm多孔球?qū)由铣胤序v傳熱效果進行研究，所得的實驗結果，可為納米流體的表面活性劑使用量，以及多孔結構池沸騰強化換熱方向的應用提供一些實驗依據(jù)與指導。

1　實驗裝置及納米流體的制備

1.1實驗裝置與數(shù)據(jù)處理

沸騰實驗臺如圖1（a）所示，該裝置主要由沸騰容器、冷凝器和測量系統(tǒng)組成。在沸騰容器底部鋪設有一層直徑6 mm的銅珠［圖1（d）］，以此模擬球狀多孔結構，測試多孔球?qū)拥姆序v特性。沸騰產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)螺旋管冷凝器冷凝后回流到容器內(nèi)，保證沸騰工質(zhì)的液位恒定。

圖1　球狀多孔介質(zhì)池沸騰實驗臺

加熱塊內(nèi)有4根加熱棒，如圖1（a）所示，在其上部的紫銅塊內(nèi)部有 8根熱電偶。此銅塊為邊長72mm的正方形，從側(cè)面看，插入銅塊的兩層熱電偶分別為 t1、t2、t3、t4和 t5、t6、t7、t8，分布如圖1（b）所示；從俯視結構上來看，每層各方向深入銅塊內(nèi)20mm布置有4根熱電偶，如圖1（c）所示，以此可獲取各截面的平均溫度。紫銅塊與底座外部均包裹有隔熱保溫材料。容器外部圍護結構是以不銹鋼為骨架的石英玻璃，以觀察沸騰現(xiàn)象，實驗工質(zhì)采用去離子水。通過調(diào)整電壓控制加熱功率，用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀來采集溫度數(shù)據(jù)。

實驗初期以較小的功率加熱，當溫度變化在10min內(nèi)不超過0.5K時即視為穩(wěn)定狀態(tài)，隨后以間隔1.5W/cm2調(diào)節(jié)加熱器，增大功率，并記錄數(shù)據(jù)。實驗在0.1MPa下進行。本實驗使用的T形熱電偶推導出流經(jīng)加熱壁面的熱通量誤差可控制在5%之內(nèi)。導熱段采用玻璃纖維保溫棉封裝絕熱（漏熱損失為5%～10%），其傳熱可視為一維穩(wěn)態(tài)導熱，根據(jù)傅里葉定律，可獲得加熱面?zhèn)鬏數(shù)臒崃髅芏?、壁面的近似平均溫度和傳熱系?shù)如式（1）～式（4）所示。

熱流密度q

壁面的近似平均溫度Tw

過熱度ΔT

傳熱系數(shù)h

式中的符號位置標注如圖1（b）所示。

1.2納米流體的制備

本實驗采用兩步法制備納米流體，將不同質(zhì)量分數(shù)的CuO納米顆粒和表面活性劑添加到水中，按照表面活性劑濃度不變、CuO濃度改變和CuO濃度不變、表面活性劑濃度改變的原則配制納米流體。其中表面活性劑質(zhì)量分數(shù)分別取0.01%和0.03%保持不變，CuO質(zhì)量分數(shù)取值分別為0.01%、0.02%、0.03%；以及CuO質(zhì)量分數(shù)分別取0.03%和0.06%保持不變，表面活性劑質(zhì)量分數(shù)取值分別為0.01%、0.02%和0.03%。

實驗中CuO納米顆粒質(zhì)量分數(shù)大于99.5%，粒徑為 40nm；表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）。實驗過程中以去離子水為基液，經(jīng)過超聲波震蕩儀震蕩60min左右制備成納米流體。

2　實驗結果與分析

2.1表面活性劑濃度相同，納米顆粒濃度不同

當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)固定為0.01%時，調(diào)節(jié)納米顆粒CuO質(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02%和0.03%。其沸騰傳熱特性如圖2所示。

圖2　表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%，CuO質(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02%和0.03%的池沸騰傳熱特性

隨著CuO濃度的升高，納米流體池沸騰所傳輸?shù)臒崃髅芏冉?jīng)歷了一個先下降，再上升的過程。當表面活性劑濃度與CuO質(zhì)量分數(shù)一致，為0.01%時，納米流體的穩(wěn)定性較好，沉降現(xiàn)象不明顯，能充分發(fā)揮納米流體的高傳熱效果。當CuO質(zhì)量分數(shù)升高到0.02%時，納米流體的穩(wěn)定性變差，雖然沸騰初始時傳熱系數(shù)比較接近，但納米顆粒濃度的增加反而增加顆粒吸附層的厚度，從而增加傳熱面熱阻，導致?lián)Q熱效果的下降，傳熱效果反而低于第一組。而CuO質(zhì)量分數(shù)提升到0.03%時，其傳熱系數(shù)在過熱度ΔT=5.5～8K之間稍大于第一組，這是由于沉降效果達到最大，此時沉降附著在加熱表面的納米顆粒反而有助于汽化核心的生成；而過熱度繼續(xù)提升時，沉降現(xiàn)象更嚴重，導致加熱面顆粒吸附層厚度增大，繼而增加了傳熱面熱阻，致使傳熱系數(shù)逐漸低于第一組。

增大表面活性劑質(zhì)量分數(shù)到0.03%，CuO質(zhì)量分數(shù)仍然取0.01%、0.02%和0.03%。其沸騰傳熱特性如圖3。

圖3　表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.03%，CuO質(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02%和0.03%的池沸騰傳熱特性

當表面活性劑濃度與CuO濃度同時增加時，沸騰傳熱特性產(chǎn)生了新變化：CuO質(zhì)量分數(shù)為0.03%的傳熱效果反而不如質(zhì)量分數(shù)為0.02%的高。這是由于此時的表面活性劑濃度較CuO濃度高，使得納米流體的穩(wěn)定性進一步提升，沉降現(xiàn)象繼續(xù)減弱，沸騰換熱達到了一個較為理想的狀態(tài)，這也是實驗中傳熱系數(shù)所達到的最大值，為41670W/（m2·K）。

然而實驗中也發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)提高表面活性劑的濃度會造成氣泡的生成速率過于劇烈而無法得到有效冷凝，大量氣泡充斥在沸騰容器內(nèi)，導致實驗環(huán)境惡化，這對體積固定的納米流體來說是非常不利的，因此本實驗中表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)上限為0.03%。

2.2納米顆粒濃度相同，表面活性劑濃度不同

當納米顆粒質(zhì)量分數(shù)固定為 0.03%時，調(diào)節(jié)表面活性劑濃度為0.01%、0.02%和0.03%。實驗得其沸騰傳熱特性如圖4所示。

圖4　CuO質(zhì)量分數(shù)為0.03%，表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02%和0.03%的池沸騰傳熱特性

圖4中可以看出，表面活性劑對納米流體的沸騰傳熱特性有著較為明顯的差異性影響。表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%時，納米顆粒的沉降現(xiàn)象比較嚴重，納米顆粒此時聚團附著在銅珠表面，增加了汽化核心數(shù)，沸騰傳熱效果遠遠超出了表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.02%的納米流體。而表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.03%時，納米顆粒在工質(zhì)中得到了充分混合，穩(wěn)定性提升，流體沸騰時產(chǎn)生的氣泡挾帶固體顆粒在加熱表面附近運動，強化了流體內(nèi)部的能量傳遞，傳熱系數(shù)較表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%的納米流體高出25%左右。而表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.02%的納米流體處于半穩(wěn)定半沉降狀態(tài)，一方面，沉降現(xiàn)象不明顯，汽化核心產(chǎn)生的數(shù)量不如0.01%組；另一方面，流體的穩(wěn)定性又不如0.03%組，因此沸騰傳熱效果在三者之中列于末尾。同時也可以看出，納米流體沸騰時，在沉降作用和穩(wěn)定性兩者之中，流體的穩(wěn)定性更有助于增強沸騰傳熱。

圖5　CuO質(zhì)量分數(shù)為0.06%，表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02%和0.03%的池沸騰傳熱特性

繼續(xù)增大納米顆粒的質(zhì)量分數(shù)到0.06%，表面活性劑質(zhì)量分數(shù)維持在0.01%、0.02%和0.03%，沸騰傳熱圖線如圖5。

此時納米流體中的顆粒沉降是影響沸騰換熱的主要因素，CuO質(zhì)量分數(shù)為0.06%的納米流體的傳熱特性遠低于以上各組。但此時表面活性劑的濃度對傳熱系數(shù)的影響卻有著較大的差別，由于納米顆粒的濃度遠大于表面活性劑的濃度，因此整個納米流體是非常不穩(wěn)定的。在表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.01%的情況下，納米顆粒的沉降現(xiàn)象最為嚴重，因而較其他組別產(chǎn)生了更多的汽化核心，沸騰傳熱效果在ΔT＜8K時最好。當提升了表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.02%后，納米流體的狀態(tài)趨于半穩(wěn)定半沉降，使得沸騰傳熱效果有所降低。繼續(xù)提升SDBS質(zhì)量分數(shù)到0.03%，納米流體的穩(wěn)定性有所增強，傳熱系數(shù)逐漸上升，在ΔT＞8K后超過其他兩組如圖5（b）所示。這也是本實驗中所觀察到的傳熱系數(shù)隨過熱度上升的現(xiàn)象。

2.3多孔球?qū)映胤序v氣泡傳輸特性

當CuO質(zhì)量分數(shù)為0.03%時，根據(jù)表面活性劑SDBS濃度的不同，納米流體在6mm銅珠上的沸騰氣泡特性如表1所示。過熱度ΔT=5K時為起始沸騰過程，ΔT=7K為飽和沸騰過程，ΔT=9K為強烈沸騰過程。沸騰起始階段熱流密度相對較小，氣泡有序的從銅珠之間的縫隙之間逸出；隨著過熱度的增大，氣泡的生長、脫離變得頻繁，并逐漸有形成汽柱的趨勢。在高熱流密度下，氣泡大量生成、融合形成汽柱，整個池沸騰區(qū)域由于汽柱的劇烈擾動而使得換熱效果有所增強，傳熱系數(shù)趨于平穩(wěn)，如圖4（b）所示。而表1的（b）組在初始階段氣泡的生成頻率就低于其他兩組，在劇烈沸騰階段也未能使得汽柱有效成型，導致傳熱效果遠遠不如其他兩組。

表1中同時可以看到，（a）、（c）兩組氣泡生成較（b）組劇烈，且（c）組的氣泡生成速率明顯較（a）組高，沸騰傳熱效果好。在強烈沸騰階段，（c）組的沸騰液面已經(jīng)逼近多孔球?qū)?，這也在另一方面體現(xiàn)了（c）組的高沸騰傳熱特性。

表1　相同過熱度下不同種類的納米流體在6mm銅珠上的沸騰氣泡特性

實驗中同時也發(fā)現(xiàn)，在過熱度超過11℃后，納米流體急劇沸騰而無法得到有效冷凝，產(chǎn)生的氣泡充滿了整個沸騰池，難以快速消除，沸騰實驗難以為繼。這可能是由于十二烷基苯磺酸鈉是一種發(fā)泡劑，易于產(chǎn)生大量氣泡。另外也有學者［7］發(fā)現(xiàn)，壁溫過高時，這種水基納米流體會出現(xiàn)壁面燒結現(xiàn)象，這對沸騰傳熱是非常不利的。因此，使用此類納米流體時，應注意控制加熱面的溫度。

3　結　論

表面活性劑對納米流體沸騰換熱的影響是多樣的。一方面，影響了納米流體的穩(wěn)定性；另一方面，也表現(xiàn)在納米流體沸騰后顆粒沉積的影響。兩者相比較而言（圖4和圖5），納米流體的穩(wěn)定性越好，沸騰傳熱系數(shù)越高。而當分散劑濃度略高于 CuO時，如圖3所示，納米流體的穩(wěn)定性最好，沸騰傳熱系數(shù)最大。另一方面，當納米顆粒CuO的濃度過高時（如圖5所示），由于粒子之間團聚現(xiàn)象增多，沉降程度也隨之上升，在過熱度ΔT＜8K在一定程度上有助于傳熱，但ΔT＞8K之后則會惡化沸騰傳熱。因此，本實驗對 CuO納米顆粒與表面活性劑SDBS的納米流體配比關系的建議是：兩者質(zhì)量分數(shù)在0.01%～0.03%區(qū)間內(nèi)，為保持納米流體的穩(wěn)定性，配比比例應維持在1∶1左右，且納米顆粒的濃度不宜過大，否則沸騰中極易團聚沉降；但若能有效增大氣泡的消除速率，表面活性劑的比例可略大一些。

對于表面活性劑SDBS而言，長時間的持續(xù)加熱將導致工質(zhì)整體溫度過高，氣泡的生成速率過快，使得氣泡難以消除，整個沸騰池內(nèi)空腔被氣泡占領而難以冷凝，嚴重影響了沸騰換熱效果。因此，應嚴格控制加熱面的過熱度不超過 11℃，既可防止氣泡生成過多，也可防止壁面燒結，影響沸騰換熱。

符號說明

h—— 傳熱系數(shù)，W/（cm2·K）

q—— 熱流密度，W/cm2

ti—— 熱電偶測得的溫度，K

Tsat—— 水在標準大氣壓下的沸騰溫度，K

Tw—— 壁面的近似平均溫度，K

δ1—— 銅塊內(nèi)兩層熱電偶的平面間距，cm

δ2—— 靠近容器側(cè)的熱電偶平面與容器上表面的間距，cm

ΔT—— 過熱度，K

λ—— 銅的導熱系數(shù)，W/（cm·K）

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An experimental investigation on heat transfer performance of CuO-H2O nanofluid pool boiling with porous bead-packed structures

ZHU Xiao，CHEN Wei，LI Linxing
（School of Merchant Marine，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Heat transfer performance of nanofluids in nucleate pool boiling was experimentally investigated in 6 mm copper beads. The nanofluid was prepared by dispersing the 40nm CuO nanoparticles in the base fluid water by using sodium dodecyl benzene sulphate（SDBS） as the surfactants，and both the proportion of the mass fraction were different. Experimental results showed that the nanofluid is in stability and has a good heat transfer performance at the same concentration ranges from 0.01% to 0.03% of nanoparticles and surfactants. The nanofluid could transfer heat more effectively at the slightly higher concentration of surfactants. The best heat transfer coefficient from the range above was 41670 W/（m2·K），where the concentration of CuO and SDBS were 0.02% and 0.03%，respectively. The sedimentation occurred obviously at the larger proportion of nanoparticles，which could enhance or weaken the boiling heat transfer at the different grade. The visualization research of nanofluid pool boiling was also investigated. It could interpret experimental results by analyzing the detachment characteristics of boiling bubble. All these results in this paper can be supplied for the research of nanofluid pool boiling on porous bead-packed structures with useful experimental data.

nanofluid；surfactants；pool boiling；porous media；heat transfer

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2381-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.12

2015-12-31；修改稿日期：2016-03-01。

國家自然科學基金（51276107）、交通部應用基礎項目（2013319810150）及上海市教委創(chuàng)新科研課題（14ZZ142）。

祝嘯（1991—），男，碩士研究生。E-mail zx2362@gmail.com。聯(lián)系人：陳威，教授，博士生導師，研究方向為傳熱傳質(zhì)學。E-mail weichen96@163.com。