TiO2納米流體在液冷服上的應(yīng)用實驗研究

王 濤, 王 亮, 林貴平, 柏立戰(zhàn),4,劉向陽, 卜雪琴, 謝廣輝

(1. 北京航空航天大學(xué) 人機工效與環(huán)境控制重點學(xué)科實驗室,北京 100191； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094；3. 中國科學(xué)院 工程熱物理研究所,北京100190；4. 英國利茲大學(xué) 化學(xué)與處理工程學(xué)院,利茲 LS2 9JT)

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TiO2納米流體在液冷服上的應(yīng)用實驗研究

王 濤1,2, 王 亮3, 林貴平1, 柏立戰(zhàn)1,4,劉向陽2, 卜雪琴1, 謝廣輝2

(1. 北京航空航天大學(xué) 人機工效與環(huán)境控制重點學(xué)科實驗室,北京 100191； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094；3. 中國科學(xué)院 工程熱物理研究所,北京100190；4. 英國利茲大學(xué) 化學(xué)與處理工程學(xué)院,利茲 LS2 9JT)

為了更好地理解與運用納米流體在液冷服上的強化傳熱能力,開展TiO2納米流體在液冷服上的試驗研究.利用暖體假人系統(tǒng)模擬人體散熱,從人服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情形對應(yīng)用TiO2納米流體液冷服在散熱、溫控、能耗等性能上與應(yīng)用水的情形進行對比分析.結(jié)果表明：應(yīng)用TiO2納米流體的液冷服工作性能受工質(zhì)進口溫度、質(zhì)量流量和納米顆粒體積分數(shù)的影響很大,通過合理匹配以上參數(shù)可以提高液冷服的工作性能；若上述參數(shù)匹配不當,則將導(dǎo)致液冷服的工作性能惡化,甚至出現(xiàn)低于應(yīng)用傳統(tǒng)工質(zhì)水的情形.在該實驗條件下,當納米顆粒體積分數(shù)為2%,入口溫度為15 ℃,質(zhì)量流量為1 000～1 400 g/min時,液冷服的散熱能力比以水為工質(zhì)時提高6%；所需的泵耗顯著降低,為水的0.70～0.80倍；人服系統(tǒng)溫度分布和液冷服抗熱負荷能力均有所改善.

納米流體；二氧化鈦；液冷服(LCG)

近20年隨著納米科技的發(fā)展,出現(xiàn)了一種新穎的流體工質(zhì)——納米流體.納米流體是將具有一定功能用途的納米級固體粉末狀材料運用某種制備方法與基液混合形成的固體顆粒懸浮液,顆粒直徑一般為1～100 nm.在納米流體中加入高熱導(dǎo)率的納米顆?？梢燥@著增強基液的傳熱性能.Saidur等[1-2]在對近15年來的各種納米流體應(yīng)用的研究中發(fā)現(xiàn),納米流體的熱導(dǎo)率、對流傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)工質(zhì)(如水,油和乙二醇等)有顯著提高,分別是傳統(tǒng)工質(zhì)的1.01～3.00倍和1.08～4.50倍.納米流體在傳熱領(lǐng)域里的應(yīng)用方興未艾,近些年來涌現(xiàn)出了大量應(yīng)用文獻,主要應(yīng)用包括換熱器[3-5]、太陽能利用[6-8]、熱管[9-12]和核能[13]等領(lǐng)域,顯示出了納米流體的巨大潛力.

納米顆粒雖然在一定程度上增強了基液的傳熱性能,但增強的效果在很多文獻中的表述不是很一致.形成差異性的原因是多方面的：1)在納米流體的制備、導(dǎo)熱系數(shù)測量和溶液穩(wěn)定性評估上沒有一個統(tǒng)一的執(zhí)行標準.2)納米流體加強傳熱的機理不明確.3)影響傳熱的因素多,如顆粒種類、尺寸、形狀、濃度、導(dǎo)熱系數(shù),溶液的黏度、溫度、分散性,基液的導(dǎo)熱系數(shù)等[14].另外,納米顆粒會帶來基液黏度的增加,從而增加泵耗.納米流體在應(yīng)用中,選擇合適的濃度很重要,濃度的選取是以提高溶液傳熱性能而不使黏度增加太大,使溶液具有較高的能耗比為原則[15].目前,納米流體的應(yīng)用主要停留在實驗室研究階段,未走向商業(yè)化應(yīng)用,究其原因主要是懸浮液穩(wěn)定性沒有得到很好的解決,另外制備成本較高[3-4,9,16].

近10多年來,雖然對納米流體在熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究較廣泛,但涉及液冷服的相關(guān)報道不多見.本文嘗試將這一新型傳熱工質(zhì)應(yīng)用于液冷服系統(tǒng),重點考察納米流體的應(yīng)用對于改善和提高液冷服工作性能的影響,分析影響液冷服工作性能的主要參數(shù),為液冷服系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo).

1 TiO2納米流體的制備

1.1 TiO2納米顆粒的物性

TiO2納米材料是德國DEGUSSA公司產(chǎn)品,外觀呈白色粉末狀,無味,密度為4 185 kg/m3,定壓比熱容為710 J/(kg·K),熱導(dǎo)率為8.2 W/(m·K).經(jīng)電子顯微鏡掃描可知,顆粒呈球狀外形,直徑約為20 nm,這與該公司宣稱的粒徑為21 nm基本一致.

如圖1所示為TiO2150 000倍掃描電鏡(SEM)微觀圖像.

圖1 TiO2 SEM微觀圖像Fig.1 SEM micro image of TiO2

1.2 納米流體的制備

納米流體的制備方法有以下2種：一步法和兩步法.一步法是將納米顆粒的加工和納米流體的制備合二為一.該方法制備的納米流體固相顆粒小,溶液穩(wěn)定性好,但只適用某些特定的納米流體制備.兩步法是將納米顆粒的加工與納米流體的制備分開.采用該方法得到的懸浮液顆粒的表面能較高,會產(chǎn)生團聚沉降.在兩步法中,須借助一些措施提高溶液的穩(wěn)定性,如超聲波振動、添加分散劑/穩(wěn)定劑或調(diào)節(jié)溶液PH值.這3種穩(wěn)定措施實質(zhì)上是對懸浮顆粒表面進行改性,阻止或減緩顆粒團聚的形成,使溶液更穩(wěn)定[17].兩步法適合金屬氧化物納米流體的制備,因其簡便易行,在工業(yè)應(yīng)用及實驗室制備中經(jīng)常運用[18].Wang等[19]認為合理選擇溶液的PH值和分散劑濃度不但能夠使懸浮液穩(wěn)定性增強,熱物理性能也可以得到穩(wěn)定和強化.為了避免分散劑和調(diào)節(jié)PH值給溶液熱性能分析帶來的影響,Peyghambarzadeh等[5,16]只采用攪拌和超聲波振動的方法來制備懸浮液.有報道稱只采用攪拌和超聲波的制備方式可使TiO2納米流體的穩(wěn)定性最長超過2個月[20].在兩步法中無論采用何種穩(wěn)定措施,都不能徹底解決溶液長期穩(wěn)定的問題,但在一定時間內(nèi)溶液可以保持穩(wěn)定狀態(tài).

在試驗中,TiO2納米流體的基液為去離子水,顆粒體積分數(shù)分別為1%和2%.制備方法是首先將稱量好的TiO2顆粒與水混合并通過攪拌器進行攪拌,約30 min；然后調(diào)節(jié)PH值為3,對溶液進行水浴超聲波振動2 h,功率為240 W.通過該方法制備得到的TiO2納米流體,10天后依然保持較好的穩(wěn)定性,如圖2所示為第10天的試驗照片.

圖2 TiO2懸浮液第10天的試驗照片F(xiàn)ig.2 Experimental photos of TiO2 nanofluids in 10 days

1.3 納米流體輸運參數(shù)

納米流體的輸運參數(shù)主要包括熱導(dǎo)率和黏度.熱導(dǎo)率是反映流體傳熱性能的重要參數(shù),黏度反映的是流體的壓降與能耗[14].影響輸運參數(shù)的因素較多,包括固、液相的物理化學(xué)性質(zhì),濃度、溫度、溶液的分散性和PH值等.目前雖然在國內(nèi)/外發(fā)表的諸多論文中出現(xiàn)了很多輸運參數(shù)的預(yù)測模型,但這些模型都是在特定的制備方法、試驗條件和工況下,針對某一種或幾種影響因素的預(yù)測結(jié)果,預(yù)測精度差異較大,使用限制很多,都不具有普適性.這說明諸多影響因素間的相互作用對輸運參數(shù)的影響機理到目前為止還不是十分明確.

試驗測量是對輸運參數(shù)影響因素分析的主要手段.在借鑒國內(nèi)/外同類或近似研究成果的基礎(chǔ)上,可以定性地得到以上各參數(shù)對TiO2納米流體輸運參數(shù)的作用關(guān)系.納米顆粒的熱導(dǎo)率、濃度和溶液的溫度對納米流體的熱導(dǎo)率有加強作用,尤其是在較高的溶液溫度下,這種加強作用更明顯.納米流體的黏度隨溶液溫度的升高而降低,隨著顆粒濃度的增加而增大,在較高體積分數(shù)(3%～8%)下的增加幅度較大[15,17,21].Wang等[19]在研究PH值和分散劑對Al2O3-H2O和Cu-H2O納米流體熱導(dǎo)率的影響后,指出調(diào)節(jié)PH值可以提高顆粒表面電勢,增強溶液的穩(wěn)定性,在PH值和分散劑濃度達到最優(yōu)組合時,溶液的穩(wěn)定性和分散性最好,熱導(dǎo)率最高.TiO2納米流體在小濃度下,穩(wěn)定的PH值接近中性,但在較高濃度(體積分數(shù)大于2%)下,低PH值有利于增大顆粒間的作用力,增強溶液的穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率[22].Sidik等[16]通過回顧研究大量的論文和報道后指出,納米流體的分散性越好,熱導(dǎo)率越高.以上得到的一些定性結(jié)論有助于該項試驗的策劃與設(shè)計.

經(jīng)計算流體流經(jīng)液冷服時,剪切率為25～170 s-1.2種體積分數(shù)的TiO2納米流體經(jīng)流變儀測試,在該剪切率范圍內(nèi)可以當作牛頓流體看待.表1給出該試驗和相關(guān)文獻中TiO2納米流體熱導(dǎo)率、黏度與水的比值.表中,d為粒徑,knf/kf為納米流體與基液水熱導(dǎo)率比值,ηnf/ηf為納米流體與基液水黏度比值.流體熱導(dǎo)率采用基于瞬態(tài)熱線法的KD2熱物性測量儀(Decagon,American)測量,黏度采用Modular Compact Rheometer MCR300流變測試儀測量.

表1 TiO2納米流體與基液水的輸運參數(shù)比

Tab.1 Ratios of transport properties between TiO2nanofluids and water

t/℃d/nm knf/kf ηnf/ηf 1%2%1%2%參考文獻11～1520～301．031．051．11．2-15211．0461．0781．031．07[17]10～2070～76>1．01<1．03>1．01<1．23[15]2020～301．021．041．21．4[21]1525～331．0751．11．051．1[12]20～25151．181．23--[22]3521-1．07--[11]

2 實驗系統(tǒng)與方法

2.1 實驗系統(tǒng)

如圖3所示,實驗系統(tǒng)分為以下4部分：暖體假人系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和假人隔熱服.

圖3 液冷服性能測試試驗系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of experimental system for LCGtesting

2.1.1 暖體假人系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng) 暖體假人系統(tǒng)是模擬人體顯熱散熱的專用設(shè)備.如圖4所示,系統(tǒng)包括暖體假人和計算機控制系統(tǒng).該設(shè)備具有設(shè)置身體不同部位散熱量和設(shè)定核心溫度為恒定值的2種工作模式.暖體假人工作狀態(tài)的選擇、切換,數(shù)據(jù)的記錄、處理均由計算機控制系統(tǒng)完成.

圖4 暖體假人系統(tǒng)Fig.4 Thermal manikin system

溫度采集系統(tǒng)包括Omega T型熱電偶和Agilent數(shù)據(jù)采集儀,采集儀與微機相連,通過專業(yè)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、監(jiān)測和記錄.熱電偶的布點位置在圖4的黑色圓點處,分別位于假人右半部的上臂(2點)、軀干(3點)、大腿部(3點),還有液冷服管道的進、出口處.假人身上的熱電偶緊貼于假人表皮,用3M導(dǎo)熱膠帶固定.由于假人與液冷服的結(jié)構(gòu)是左右對稱的,僅在假人一側(cè)布置了熱電偶.在假人頭部、小臂、小腿及手、足上沒有熱電偶,是因為液冷服上該部位沒有液冷管道.

2.1.2 工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和隔熱服 如圖5所示,工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)包括蠕動泵、液冷服、換熱器、恒溫冷源、攪拌器、電子稱和燒杯等.循環(huán)系統(tǒng)的工作流程如下：首先蠕動泵將流體工質(zhì)輸送到液冷服管網(wǎng)中,工質(zhì)與人體換熱,而后流進恒溫冷源中的換熱器.換熱器由長6 m、內(nèi)徑為6 mm、壁厚1 mm的銅管繞制而成.恒溫冷源溫度的調(diào)節(jié)要根據(jù)不同試驗工況的液冷服進口溫度確定.工質(zhì)流經(jīng)冷源換熱器后,將進入攪拌器,被攪拌均勻,再由蠕動泵抽入液冷服形成閉路循環(huán).系統(tǒng)流量可以由蠕動泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕控制,電子稱和燒杯用于監(jiān)測循環(huán)流體的質(zhì)量流量.

圖5 工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)Fig.5 Cooling circulatory system

圖6 液冷服管網(wǎng)系統(tǒng)Fig.6 Pipe network system of LCG

液冷服是工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中最大和最復(fù)雜的換熱部件.液冷服中的液冷管道分布與流動形式如圖6所示.冷卻工質(zhì)從后部的主管道進入,而后分為向軀干和下肢流動.進入軀干的工質(zhì),在背部主干道的分流下形成左、右對稱的從后向前橫向流動,而后匯集到服裝前部的2個主干道,再經(jīng)這2個主干道通向出水管道,流出服外.進入下肢的工質(zhì)分成左、右對稱的兩部分,管網(wǎng)繞經(jīng)大腿后部、外側(cè)和前部后,匯集到服裝前的出水管道,流出服外.為了平衡管道流阻,使各條小管道流量基本一致,小管道內(nèi)徑為2～5 mm.

隔熱服套在液冷服上用于隔絕假人、液冷服同外部環(huán)境的換熱.內(nèi)、外表面是棉布層,夾層是棉花層,厚度為4～6 mm.經(jīng)測試可知,服裝的clo值約為2.68(含空氣層).

2.2 實驗方法

人體散熱有顯熱和潛熱兩種途徑.液冷服和人體間的換熱主要是通過顯熱交換形式.暖體假人用于模擬人體顯熱換熱,通過設(shè)定不同部位的散熱量,可以實現(xiàn)模擬人體長時間高負荷代謝產(chǎn)熱,這是真人無法做到的,可見利用暖體假人代替人體來評價液冷服的散熱性能是既合理又經(jīng)濟的.

評價液冷服工作性能的方法分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩部分,評價標準是考察換熱能力的強弱和溫控能力的大小.換熱能力強意味著移除相同的熱量需要更少的流量或所需的液冷服入口溫度更高.前者可以降低泵耗,后者能夠提高熱舒適性；溫控能力大意味著人服系統(tǒng)溫度更加穩(wěn)定,不易受到外界環(huán)境的干擾,液冷服管網(wǎng)間的溫差和人體同一部位皮膚溫差小,整個人服系統(tǒng)溫度分布更加均勻,而且服裝能夠更好地緩解人體突發(fā)代謝產(chǎn)熱的沖擊,減小系統(tǒng)各部位溫度波動的速率與峰值.通過以上參數(shù)的對比分析可以建立服裝散熱、能耗和抗擊熱負荷能力的評價方法.

穩(wěn)態(tài)試驗是將暖體假人核心溫度設(shè)置為37 ℃,在某一組參數(shù)工況(如顆粒濃度、工質(zhì)流量和液冷服進口溫度)下,當系統(tǒng)達到熱平衡時,記錄假人發(fā)熱量、工質(zhì)流量和各測點溫度,分析比較納米流體和傳統(tǒng)工質(zhì)水在換熱、功耗和溫度控制上的工作性能,得到各試驗參數(shù)對服裝換熱性能的影響情況.試驗中TiO2納米流體的體積分數(shù)為1%和2%.試驗設(shè)置條件的設(shè)計依據(jù)工質(zhì)質(zhì)量流量qm和液冷服進口溫度tin(見表2)的不同共有12種.為了敘述方便,用阿拉伯數(shù)字1～12指代表2中對應(yīng)的進口溫度和工質(zhì)流量的實驗狀態(tài).

表2 液冷服性能測試試驗設(shè)置條件

為了盡量消除外部環(huán)境對系統(tǒng)換熱的影響,在試驗過程中液冷服外套有隔熱服.隔熱服在不同工況下的漏熱量是在系統(tǒng)達到熱平衡時,用暖體假人產(chǎn)熱量減去工質(zhì)水在液冷服中的散熱量近似得到.詳見下式：

QL=QM-QLCG,

(1)

QLCG=qm,wcpwΔt.

(2)

式中：QL為隔熱服漏熱,QM為暖體假人加熱量,QLCG為工質(zhì)水在液冷服中散熱量,qm,w為工質(zhì)水質(zhì)量流量,cpw為工質(zhì)水比定壓熱容,Δt為液冷服進、出口溫差.

工質(zhì)的有效比熱容用下式計算：

(3)

式中：cp,eff為流體有效比定壓熱容,qm為工質(zhì)質(zhì)量流量.

表3給出液冷服管網(wǎng)幾何參數(shù)和流體在液冷服管網(wǎng)中的流動參數(shù).表中,D為管網(wǎng)直徑,L為管網(wǎng)長度,下標m指平均值,v為流體流速,Re為雷諾數(shù).3種工質(zhì)的最大雷諾數(shù)發(fā)生在液冷服的干流中,分別為2 170.9、801.5和562.7,均小于臨界雷諾數(shù)(2 320),因此在各試驗工況下,工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中的流動為層流.

在穩(wěn)態(tài)試驗?zāi)芎姆治鲋?可以利用圓管內(nèi)流體層流流動時克服沿程阻力的輸送功率計算公式來計算泵的功耗：

. (4)

瞬態(tài)試驗是在給定流量、進口溫度和暖體假人各部位發(fā)熱量的條件下,當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時,改變假人的加熱量,觀察各溫度點的響應(yīng)情況,以評價冷卻工質(zhì)對突發(fā)熱負荷的熱緩沖能力.在試驗中,暖體假人加熱量的變化如下：在人服系統(tǒng)達到熱穩(wěn)態(tài)后,先給暖體假人增加150 W散熱量,維持1 500 s；隨后恢復(fù)到原加熱量,維持1 500 s.

2.3 系統(tǒng)誤差

在試驗中,測量與控制參數(shù)包括熱電偶讀數(shù)、工質(zhì)流量、液冷服進、出口溫度和暖體假人加熱量及溫度.其中用于溫度測量Omega T型熱電偶的測溫精度為±0.2 ℃；工質(zhì)流量控制和監(jiān)測是通過YP30001N(Ⅲ)型電子稱稱量1 min的流體質(zhì)量流量,該稱的精度為±1 g；液冷服進口溫度的控制是通過調(diào)節(jié)恒溫冷源溫度實現(xiàn)的,可以將其控制在設(shè)定值的±0.1 ℃以內(nèi)；暖體假人系統(tǒng)的加熱量和溫度控制精度不低于±1 W和±0.2 ℃.

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 穩(wěn)態(tài)試驗

穩(wěn)態(tài)實驗設(shè)計是在相同工況下,從散熱能力、能耗和溫控3個方面考慮液冷服的工作性能,分析散熱量分別隨液冷服進口溫度和流量的變化關(guān)系.

3.1.1 散熱能力 如圖7～9所示為工質(zhì)水、體積分數(shù)為1%和2%的TiO2納米流體在液冷服不同進口溫度下,散熱量隨流量變化的關(guān)系曲線.可知,3種工質(zhì)散熱量隨流量的增大而增加；體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體散熱量最大；體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體的散熱量有低于水的工況,這些工況主要集中在600～1 000 g/min流量處,并且隨進口溫度的下降,散熱量低于水的幅度越大.由此可見,TiO2納米流體的散熱量與顆粒濃度、工質(zhì)流量和液冷服進口溫度直接相關(guān)；在工況9下,體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體散熱量相對水的增幅達到最大值3%,體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體相對水的增幅最大值為6%.

圖7 當進口溫度為11 ℃時假人散熱量隨工質(zhì)流量的變化曲線Fig.7 Curves of manikin heat loss vs. working medium flow at tin=11 ℃

圖8 當進口溫度為13 ℃時假人散熱量隨工質(zhì)流量的變化曲線Fig.8 Curves of manikin heat loss vs. working medium flow at tin=13 ℃

圖9 進口溫度15 ℃時假人散熱量隨工質(zhì)流量變化曲線Fig.9 Curves of manikin heat loss vs. working medium flow at tin=15 ℃

TiO2納米流體在圖7～9中換熱能力的強弱變化可作以下分析理解：流體工質(zhì)在管內(nèi)的換熱形式主要包括導(dǎo)熱和對流.在不同工況下,工質(zhì)導(dǎo)熱和對流換熱的主導(dǎo)地位不同,這取決于以下3個方面的相互影響結(jié)果：1)在小流量下,總換熱量中的導(dǎo)熱換熱量比重較對流換熱大,反之??；2)進口溫度升高可以增加納米流體熱導(dǎo)率[12, 17]；3)納米顆粒濃度大可以增強溶液的導(dǎo)熱能力,但同時也會增加流體黏度,使得流體的對流換熱能力下降.在圖7～9中的小流量工況下導(dǎo)熱換熱占主導(dǎo),而納米顆粒比水的導(dǎo)熱系數(shù)高,所以在小流量下納米流體的換熱能力高于水,并隨顆粒濃度的增加而增強.當質(zhì)量增加時,導(dǎo)熱換熱比重下降,對流換熱增強.當質(zhì)量流量增加到600～1 000 g/min工況附近時,由于體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體的黏度高,對流換熱系數(shù)低于水,出現(xiàn)了圖7和8中換熱量小于水的現(xiàn)象.體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體雖然黏度最大,但顆粒濃度較高,溶液自身的導(dǎo)熱能力強,因此換熱量大于水.隨著流量進一步增加到1 000～1 400 g/min時,納米流體與工質(zhì)水相比由于以下3個正面因素的作用使得體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體的換熱能力超出了工質(zhì)水.這3個正面因素是納米流體導(dǎo)熱系數(shù)大于水,流層間顆粒交換與碰撞機率增加和顆粒周邊微對流現(xiàn)象加劇.液冷服進口溫度的升高會進一步加強上述正面因素的作用.這是圖8和9中體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體隨進口溫度的升高在質(zhì)量流量大于600 g/min后,換熱量逼近并超越工質(zhì)水的內(nèi)在原因.

圖10、11分別給出體積分數(shù)為1%和2%的TiO2納米流體在各試驗工況下有效比熱容的分布情況.有效比熱容分布圖反映了納米流體在管道換熱中導(dǎo)熱和對流兩種換熱形式在不同工況條件下的相對強弱變化情況和有效比熱容在流量、進口溫度2個參數(shù)搭配下的變化規(guī)律.圖10和11中信息說明TiO2納米流體的有效比熱容隨流量、進口溫度和體積分數(shù)3個參數(shù)的變化而不同.體積分數(shù)為1%和2%的TiO2納米流體有效比熱容最大值都出現(xiàn)在工況9和工況11附近,并近似等于水的比熱容,其余工況下的有效比熱容小于水.工況9是小流量和高進口溫度,工況11是較高流量和高進口溫度.在小流量下,流體導(dǎo)熱換熱占總換熱量的主導(dǎo)地位,再加上高進口溫度會進一步提高溶液的熱導(dǎo)率,所以在工況9附近達到了有效比熱容的一個極大值點；在較高流量下,流體對流換熱占據(jù)了主導(dǎo)地位,在3個主要正面因素影響以及高進口溫度的正面促進下,流體有效比熱容在工況11附近出現(xiàn)了一個極大值；在600～1 000 g/min的中等流量和低進口溫度工況附近,有效比熱容達到極小值.這是因為納米流體黏度降低流體對流換熱系數(shù)加上進口溫度越低流體導(dǎo)熱系數(shù)越小的緣故.

圖10 不同工況下,體積分數(shù)為1%的 TiO2納米流體有效比定壓熱容分布圖Fig.10 Effective specific heat distribution for 1% TiO2 nanofluid under experimental conditions

圖11 不同工況下,體積分數(shù)為2% 的TiO2納米流體有效比定壓熱容分布圖Fig.11 Effective specific heat distribution for 2% TiO2 nanofluid under experimental conditions

3.1.2 散熱量隨流量和進口溫度的變化關(guān)系 從圖7～9可以得出以下結(jié)論：液冷服散熱量隨流量的增大而增加,但增幅隨流量的增加而降低；當qm<600 g/min時,3種工質(zhì)的曲線斜率較大；當qm>600 g/min時,曲線斜率較小.這說明當質(zhì)量流量<600 g/min時,液冷服散熱量對工質(zhì)流量的變化敏感；當質(zhì)量流量>600 g/min時,不敏感.當質(zhì)量流量>600 g/min時,通過增加流量提高液冷服散熱量,效果不明顯.

圖12 當工質(zhì)流量為200 g/min時,暖體假人散熱量隨液冷服進口溫度的變化曲線Fig.12 Curves of manikin heat loss vs. inlet temperature for LCG at qm=200 g/min

圖13 當工質(zhì)流量為600 g/min時,暖體假人散熱量隨液冷服進口溫度的變化曲線Fig.13 Curves of manikin heat loss vs. inlet temperature for LCG at qm=600 g/min

圖14 當工質(zhì)流量為1 000 g/min時,暖體假人散熱量隨液冷服進口溫度的變化曲線Fig.14 Curves of manikin heat loss vs. inlet temperature for LCG at qm=1 000 g/min

圖15 當工質(zhì)流量為1 400 g/min時,暖體假人散熱量隨液冷服進口溫度的變化曲線Fig.15 Curves of manikin heat loss vs. inlet temperature for LCG at qm=1 400 g/min

體積分數(shù)為1%、2%的TiO2納米流體和水的散熱量隨液冷服進口溫度的變化曲線詳見圖12～15.圖中,曲線及斜率的變化信息反映出以下結(jié)論：進口溫度的增加使得液冷服散熱量下降；流量越大,散熱量隨溫度的變化斜率越高；各工質(zhì)在不同流量下,散熱量與液冷服進口溫度呈線性變化.以上信息說明在較大流量下,通過改變液冷服進口溫度可以有效地控制液冷服散熱量.

圖16 體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體與水能耗比等值圖Fig.16 Energy consumption ratio contour map for 1% TiO2 nanofluid vs. water

圖17 體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體與水能耗比等值圖Fig.17 Energy consumption ratio contour map for 2% TiO2 nanofluid vs. water

3.1.3 能耗分析 工質(zhì)流經(jīng)液冷服所需能耗的計算由式(4)給出.如圖16所示為在不同進口溫度和散熱量下對應(yīng)的體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體與水能耗的比值分布圖.可以得出以下結(jié)論：體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體的功耗不一定比水高,這取決于工況條件；在高流量、高進口溫度或小流量、高進口溫度的工況下,能耗比小于1.如圖17所示為體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體與水能耗比值分布圖.可以得到以下結(jié)果：體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體的功耗在大部分工況下小于水,在某些工況下略大于水；在中等流量600～1 000 g/min和低進口溫度工況下,功耗比大于1,其余工況小于1.圖16和17說明TiO2納米流體所需的能耗與液冷服進口溫度、系統(tǒng)流量和顆粒體積分數(shù)有關(guān).

圖18 TiO2納米流體與水各部位平均溫度比較Fig.18 Mean temperature comparison of segmentsbetween applying water and TiO2 nanofluids

圖19 TiO2納米流體與水各部位溫差比較Fig.19 Different temperature comparison of segments between applying water and TiO2 nanofluids

3.1.4 溫控效果分析 選擇TiO2納米流體在暖體假人散熱量q=384 W,液冷服進口溫度tin=13 ℃,系統(tǒng)流量qm=1 000 g/min工況下與水進行溫控性能的比較.圖18、19給出TiO2納米流體和水在液冷服平均溫度、進出口溫差和暖體假人上臂、軀干、大腿等部位的平均皮膚溫度及溫差上的比較結(jié)果.圖中，tm為平均溫度，tdif為溫差.數(shù)據(jù)顯示在液冷服上應(yīng)用TiO2納米流體時,液冷服平均溫度、進出口溫差和暖體假人各部位平均溫度及溫差與工質(zhì)水相比基本一致.

3.2 動態(tài)試驗

動態(tài)試驗的目的是檢驗冷卻工質(zhì)對人體引發(fā)的熱量階躍的緩沖能力.流體工質(zhì)和人體各部位皮膚溫度受熱量的階躍波動越小,說明工質(zhì)抗擊熱載荷的能力越強,動態(tài)溫控能力越好.

動態(tài)試驗工況設(shè)計如下：當q=384 W,tin=13 ℃,qm=1 000 g/min時,系統(tǒng)達到平衡后,使暖體假人的熱量增加150 W,維持1 500 s,再回復(fù)到原產(chǎn)熱量,并維持1 500 s.

動態(tài)試驗的比較參數(shù)是平均溫度隨熱量階躍的響應(yīng).圖20、21分別給出液冷服平均溫度和暖體假人軀干部位平均溫度響應(yīng)情況.圖中,平均溫度動態(tài)響應(yīng)趨勢一致：加熱量增加150 W后,在1 500 s內(nèi),溫度呈上升趨勢；加熱量恢復(fù)到初始態(tài)后,在1 500 s內(nèi),溫度呈下降趨勢,并逐漸趨于初始值.當采用體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體時,液冷服和軀干部位的平均溫度上升與下降速率略小于水,體積分數(shù)為1%的TiO2納米流體略高于水.可以看出,體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體的動態(tài)溫控性能略優(yōu)于水.

圖20 TiO2納米流體和水的液冷服平均溫度動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.20 Dynamic response curves of mean temperature in LCG for TiO2 nanafluids and water

圖21 TiO2納米流體和水的軀干平均溫度動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.21 Dynamic response curves of mean temperature in trunk for TiO2 nanafluids and water

4 結(jié) 論

(1) 應(yīng)用TiO2納米流體的液冷服散熱性能受液冷服工質(zhì)進口溫度、工質(zhì)流量和顆粒體積分數(shù)3個參數(shù)的共同影響.上述參數(shù)的合理匹配能夠最大程度地發(fā)揮TiO2納米流體在強化傳熱上的優(yōu)勢.若上述3個參數(shù)匹配不當,則會造成系統(tǒng)散熱性能的降低、惡化,甚至低于應(yīng)用傳統(tǒng)工質(zhì)水的散熱性能.在本項實驗中,體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體的散熱性能最好,與水相比,散熱量增幅最高達6%.

(2) TiO2納米流體的有效比熱容、能耗均受到液冷服進口溫度、系統(tǒng)流量和顆粒體積分數(shù)的影響.工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)存在一個合適的進口溫度和系統(tǒng)流量,使得懸浮液的有效比熱容達到最大,能耗最小.在該試驗工況下,該進口溫度是15 ℃,系統(tǒng)流量為1 000～1 400 g/min,此時體積分數(shù)1%和2%TiO2納米流體的最大有效比熱容近似等于水的比熱容,能耗分別約為水的1.0和0.70～0.80倍.

(3) TiO2納米流體對服裝溫控能力的加強作用效果不大.體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體的溫控能力在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)上略好于水.

(4) 液冷服散熱量隨系統(tǒng)流量的增大而增加.當qm<600 g/min時,液冷服散熱量對工質(zhì)流量的變化較敏感；當qm>600 g/min時,液冷服散熱量對工質(zhì)流量的變化不敏感.

(5) 液冷服散熱量隨液冷服進口溫度的升高而下降.流量越大,液冷服散熱量隨進口溫度的變化響應(yīng)越快.

本文系統(tǒng)研究工質(zhì)入口溫度、工質(zhì)流量和顆粒體積分數(shù)3個參數(shù)對應(yīng)用TiO2納米流體的液冷服的工作性能如散熱能力、泵耗和熱控能力的影響,得出一些重要的結(jié)論,對于指導(dǎo)應(yīng)用該新型工質(zhì)的液冷服的設(shè)計具有重要意義.

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Experimental study on performance of liquid cooling garment with application of titanium dioxide nanofluids

WANG Tao1,2, WANG Liang3, LIN Gui-ping1, BAI Li-zhan1,4, LIU Xiang-yang2,BU Xue-qin1, XIE Guang-hui2

(1.LaboratoryofFundamentalScienceonErgonomicsandEnvironmentControl,BeihangUniversity,Beijing100191,China; 2.ChinaAstronautResearchandTrainingCenter,Beijing100094,China;3.InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;4.SchoolofChemicalandProcessEngineering,UniversityofLeeds,LeedsLS2 9JT,UK)

The experimental study for the performance of liquid cooling garment (LCG) with the application of TiO2nanofluids was conducted in order to better understand and utilize the characteristics of enhancing heat transfer for nanofluids applied in LCG. A thermal manikin system was employed to simulate heating from a human body. The performance of the LCG with TiO2nanofluids as the working fluid was compared with water by a variety of aspects such as heat dissipation, temperature control and pump power consumption under both steady state and transient conditions. Experimental results show that the inlet temperature, mass flow rate and volume fraction of TiO2nanofluids are three key parameters affecting the performance of the LCG, which can be significantly enhanced by a proper combination of these parameters. If the parameters not matching, the performance of the LCG will deteriorate or even be worse than that using water as the working fluid. When the inlet temperature, mass flow rate and volume fraction of TiO2nanofluids were selected as 15 ℃, 1 000～1 400 g/min and 2% respectively, the heat dissipation of the LCG was enhanced by up to 6% compared with using water. The pump power declined about 0.70～0.80 times of water. Both the temperature distribution in the thermal manikin-LCG system and the capability for adapting abrupt heat load change were improved.

nanofluid; titanium dioxide; liquid cooling garment (LCG)

2015-09-25. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

國家自然科學(xué)基金資助項目(50436020)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(20100470187).

王濤(1978—)，男，博士生，從事制冷與低溫和環(huán)境控制等研究.ORCID:0000-0002-7912-8204. E-mail: wangjiyuanwpt@126.com 通信聯(lián)系人：林貴平，男，教授. ORCID:0000-0002-7972-994X. E-mail: gplin@buaa.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.04.012

TK 124

A

1008-973X(2016)04-0681-10