納米流體強化換熱

王雙飛

摘要：本文通過測量強制對流狀態(tài)下TiO2及MgO納米流體層流、湍流中的對流換熱系數(shù)，證明納米顆粒的加入，起到了強化換熱的作用。納米粒子份額影響著納米流體的傳熱。納米流體對流換熱效果還和納米流體分散程度，穩(wěn)定性有密切關(guān)系。本文旨在進(jìn)一步為納米流體強化傳熱的研究提供實驗依據(jù)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：納米流體;強化換熱;對流換熱;換熱系數(shù)

本文對圓管內(nèi)納米流體的對流換熱進(jìn)行研究，主要工作如下：

采用直接混合并加入少量分散劑和超聲震蕩的方法，制備了不同濃度的納米顆粒懸浮液。

獨自設(shè)計并建立一套納米流體對流傳熱測試裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)的精密性進(jìn)行了測試以滿足實驗要求，其次對去離子水（或其他基液）以及不同種類的納米顆粒懸浮液同樣的操作條件下和同種納米流體在不同條件下（不同濃度、不同流速等）的對流傳熱特性進(jìn)行測量、計算和結(jié)果分析。

通過兩步法配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的二氧化鈦-蒸餾水，1.5%的氧化鎂-蒸餾水納米流體;采用粒徑分步法對配制的納米流體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明所配制的納米流體分散性較好，分散體系中團聚體不多，可以進(jìn)行實驗研究。

溫度25℃情況下，不同配比份額的TiO2與MgO納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，見表1、表2。

本文選用宣益民教授所運用的導(dǎo)熱系數(shù)模型，納米流體中，考慮粒子運動強化傳熱即動態(tài)導(dǎo)熱部分時，只需分析粒子布朗運動的傳熱效果。針對不同種類不同份額的納米流體，給出了導(dǎo)熱系數(shù)計算結(jié)果表，可以看出，納米流體相對基液而言，其導(dǎo)熱系數(shù)增加，說明導(dǎo)熱性能有所提高，在一定的范圍內(nèi)，隨著納米顆粒份額的不斷增加，其導(dǎo)熱系數(shù)基本呈線性增加，由于氧化鎂的熱導(dǎo)率強于二氧化鈦，所以相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩種流體，氧化鎂-蒸餾水納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增加強度大于二氧化鈦-蒸餾水納米流體。

本文的納米流體對流換熱測試系統(tǒng)主要是根據(jù)穩(wěn)態(tài)測試方法設(shè)計的。根據(jù)經(jīng)典對流換熱公式——牛頓冷卻公式，即q=h（Tw-Tf）。

本文采用電阻絲加熱流體的方法，加熱功率通過電流和電壓來控制，通過電加熱器、恒溫水浴等保證加熱前的流體溫度不變。當(dāng)冷流體經(jīng)過熱壁面時，在流體和壁面間有熱量傳遞。整個系統(tǒng)處在一個熱平衡狀態(tài)并且穩(wěn)定，且熱流量一定時，當(dāng)納米流體的對流換熱系數(shù)越大時，冷流體經(jīng)過熱壁面后升高的溫度就越高。

納米流體對流換熱實驗裝置是一個流動循環(huán)系統(tǒng)，其中儲液槽是一個容積15L 的水箱，內(nèi)部焊有W型加熱管，外接智能PID溫控儀，用來儲存納米流體并調(diào)節(jié)實驗中納米流體的溫度。傳熱性能實驗段是整個實驗的核心部分，其主體是一根細(xì)長的圓銅管，管外繞電阻絲，通過調(diào)壓器改變加熱功率，給納米流體加熱。

實驗大概流程為：納米流體經(jīng)恒溫水浴調(diào)節(jié)到一定溫度后，通過循環(huán)壓力泵加壓推動進(jìn)入實驗循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)納米流體流經(jīng)傳熱實驗測試段時，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器，改變加熱絲加熱功率，實現(xiàn)對納米流體的加熱，納米流體流出測試段后出口溫度上升。升溫后的納米流體沿管路流經(jīng)冷卻裝置，流體溫度下降，之后經(jīng)過水箱，由于冷卻后納米流體溫度稍低，水箱中設(shè)置液體加熱器，用于加熱納米流體，最后再流入到恒溫水浴設(shè)備中進(jìn)行溫度穩(wěn)定。

本實驗分別測量了納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的TiO2-蒸餾水納米流體在溫度25℃左右時，雷諾數(shù)300～8000范圍內(nèi)的關(guān)內(nèi)對流換熱系數(shù)。

層流區(qū)域內(nèi)，四種不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的Nu都是隨著Re的不斷增大而增大，而且在相同雷諾數(shù)下要比基液的Nu大。隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，Nu的提高并不是呈線性。質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%到1.0%，Nu相對基液平均提高程度由21%到29.7%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.0%到2.0%，Nu平均提高程度反而降低了，由29.7%到15.8%;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，相同雷諾數(shù)下納米流體的Nu提高的程度最大，層流階段換熱效果是最好的。在湍流區(qū)域內(nèi)，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%到1.0%，Nu相對基液平均提高程度由30%到37%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.5%到2.0%，Nu平均提高程度40.3%到39.5%;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，相同雷諾數(shù)下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。

由于本實驗納米流體用量較大，相應(yīng)的加入的納米粉體非常多，不易分散，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米流體形成沉降的機會越大，尤其在層流階段，較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下就增加了流體與銅管的換熱熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱效果有所下降，而在湍流區(qū)域內(nèi)效果相應(yīng)好些，因為擾動比較大，形成沉淀的機會較小，但是質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定程度時，其換熱效果反而下降。流體的對流換熱系數(shù)隨湍流流動強度的增加呈加速增加趨勢，納米粒子的劇烈無規(guī)則運動是對流換熱系數(shù)加速增加的主要原因，同時納米粒子份額也是影響納米流體強化傳熱的原因之一。

另外，本實驗分別測量了納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%，0.6%，1.1%的氧化鎂-蒸餾水納米流體在溫度25℃左右時，雷諾數(shù)3000～8000范圍內(nèi)的關(guān)內(nèi)對流換熱系數(shù)。

兩種納米流體相對基液而言，其對流換熱系數(shù)h以及Nu都提高很多，但是兩種流體的強化換熱效果并不相同，氧化鎂的導(dǎo)熱系數(shù)高于二氧化鈦，其納米流體對流換熱強化效果經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，卻小于TiO2-DW納米流體，說明納米流體對流換熱效果不完全取決于納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)，和納米流體分散程度，穩(wěn)定性，以及配比份額都有密切關(guān)系，兩種納米流體在幾近相同配比份額情況下，其Nu和h的對比情況下，其中TiO2-DW含納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，而MgO-DW為1.1%。

含納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的TiO2水基納米流體的努塞爾數(shù)Nu和對流換熱系數(shù)h都要高于1.1%的MgO-DW。氧化鎂的導(dǎo)熱系數(shù)高于二氧化鈦，但是其納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，在Re為3000～8000范圍內(nèi)，發(fā)生了變化。究其原因，湍流中，流體邊界層被破壞，傳熱熱阻被減小，但TiO2納米顆粒與MgO納米顆粒相比，其顆粒之間的分散程度要更合理，顆粒與顆粒，顆粒與流道的相互作用及碰撞更加強烈，由此作用引起的納米流體擾動更加強烈，因此，TiO2納米流體的對流換熱情況要優(yōu)于MgO納米流體。同時，納米顆粒的懸浮相對穩(wěn)定，沉降發(fā)生受到抑制，也會使得傳熱系數(shù)有所提升，從而使得強化傳熱更明顯。

本文通過對TiO2納米流體以及MgO納米流體的對流強化換熱實驗，得出以下結(jié)論：

1.納米流體塞爾數(shù)Nu和對流換熱系數(shù)h都比相同雷諾數(shù)Re條件下的基液的努塞爾數(shù)Nu和對流換熱系數(shù)h要大，隨著Re的不斷增大，其效果越明顯，提高的幅度越大。說明納米顆粒的加入，改變了流體內(nèi)部傳熱過程，起到了強化傳熱的作用。

2.對流換熱系數(shù)提高的幅度要大于其導(dǎo)熱系數(shù)提高的程度，納米粒子份額也是影響納米流體強化傳熱的原因之一。隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，Nu的提高并不是呈線性。因此，并不是說納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，換熱效果就越好。例如：納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的TiO2納米流體的Nu相對基液而言提高的平均值分別為30%、37%、40.3%、39.5%。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，相同雷諾數(shù)下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.6%、1.1%的MgO納米流體的Nu相對基液而言提高的平均值分別為6.57%、8.96%、10.83%。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時，相同雷諾數(shù)下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。

納米流體對流換熱效果不完全取決于納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)，和納米流體分散程度，穩(wěn)定性也有密切關(guān)系。不同的納米顆粒配制的納米流體，由于其再流體中的分散程度及穩(wěn)定性不同，即使納米顆粒本身的導(dǎo)熱系數(shù)高，也會出現(xiàn)由其配制的納米流體的換熱系數(shù)低的現(xiàn)象。例如，氧化鎂的導(dǎo)熱系數(shù)高于二氧化鈦，但含納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的TiO2水基納米流體的努塞爾數(shù)Nu和對流換熱系數(shù)h都要高于1.1%的MgO-DW，換熱效果也強于后者。

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