液體除濕空調的傳熱強化研究

高文忠柳建華鄔志敏張 青

(1上海海事大學商船學院 上海 201306；2上海理工大學能動學院 上海 200093；3上海海洋大學食品學院 上海 201306)

1995 年美國Argonne 國家實驗室的Choi等[1]提出了納米流體的概念，即將1～100nm的金屬或者非金屬粒子懸浮放在基液中形成的穩定懸浮液。諸多學者[2-6]研究成果表明，在液體中添加納米流體的應用也日趨廣泛，應用過程也反饋了其納米粒子可以顯著增加液體的導熱系數，提高熱交換系統的傳熱性能，因其在提高流體傳熱效率和導熱系數、減小與壁面的摩擦阻力等方面的優點，納熱性能的優異性，比如:傳熱性能和濃度之間存在非線性關系；比傳統的固/液懸浮物的傳熱性能好；導熱系數的提高存在很強的溫度依賴關系；池內沸騰換熱中臨界熱流量顯著增加等。

液體除濕是傳熱和傳質相互耦合的過程，除濕過程產生的凝結潛熱被溶液吸收后，無法及時傳出，氣液接觸表面溫度升高，減弱了其除濕能力；再生過程因吸收汽化潛熱，溶液表面溫度降低，熱量無法及時補充，減弱了溶液的再生能力[7]。故因熱質交換造成液膜表面和液膜底層存在一定的溫差，限制了其傳質能力的發揮，除濕內冷過程和再生內熱過程更需要加強傳熱以減弱因熱質交換而降低的氣液傳質勢。這里借鑒納米流體的強化傳熱的思路，將除濕溶液加入納米粒子以強化與空氣之間熱質傳遞的傳熱效率，以達到提高液體除濕空調的熱質傳遞性能。

納米粒子在溶液中分散性的優劣是影響其強化傳熱能力的重要因素，因為納米流體不是簡單的固液混合物，固體顆粒表面的活性使它們比較容易凝聚，形成若干具有連接界面的聚集團，因此獲得分散性較好的納米流體是制備過程關鍵一步，為了減弱納米顆粒的凝聚，一般采用三種方法來解決顆粒物的穩定性:1)改變懸浮液的PH值；2)超聲振動處理；3)添加表面活性劑。

目前常用的制備方法有單步法和兩步法[8]，單步法把納米粒子的制備與納米流體的制備結合在一起，所制得的納米顆粒粒徑小，納米顆粒在流體中分散性好，無需加入分散劑或改性處理就能得到穩定懸浮的納米流體。兩步法則用惰性氣體凝聚或者化學蒸氣分解等方法制備納米粒子，然后通過適當的分散手段，分散到液體介質中，獲得懸浮穩定的懸浮液。該方法制備過程比較簡單。

室溫下銅的導熱系數是水的700倍，將納米銅粒子加入溶液中制成納米流體，可以提高流體的導熱性能。Eastman等[9]用單步物理法制得銅/乙二醇納米流體，實驗結果表明:體積分數0.3%銅納米顆粒(小于10nm)，能提高導熱系數40%。Liu等[11]采用化學還原法合成Cu納米流體，乙酸銅水溶液和還原劑肼反應制得Cu納米流體，體積分數為0.1%時，采用瞬態熱線法測得熱傳導提高23.8%。鑒于銅納米流體在化工領域的突出傳熱性能，這里委托上海理工大學納米流體研究所制作氯化鋰納米流體，并實驗測試了納米銅粒子對氯化鋰溶液傳熱性能的影響。

1 納米流體的熱導率

學者們通過納米流體的傳熱性能實驗，證明了其對傳熱效果的影響，然而到目前為止，還沒有可靠的理論用于計算納米流體的熱傳導，原因在于，實驗研究發現納米流體的導熱系數受諸多因素的影響，難于用同一的理論來分析，影響因素主要包括[10]:

1)納米流體中納米粒子的體積分數；

2)表面活性劑或分散劑的影響；

3)納米流體的懸浮穩定性；

4)納米粒子的團聚程度；

5)納米粒子的表面特性，如比表面積、比表面能；

6)納米顆粒的形狀，如規則的圓形顆粒或不規則形態等；

7)基液的影響；

8)納米粒子的粒徑大小；

9)納米流體的黏度；

10)納米粒子本身的導熱系數；

11)固液界面的特性，如界面阻抗，界面層液體的狀態等；

12)納米粒子的布朗運動。

從目前化工領域的研究成果來看，在其它條件相同的情況下，納米流體導熱系數的提高程度與添加納米顆粒的導熱系數、體積分數成正比，而與基液的關系尚沒有統一的結論。

雙組分混合物的導熱計算多采用半經驗公式，基本以式(1)的雙組分混合物的有效導熱系數keff的定義為基礎，根據具體情況推理演化。

Maxwell[11]在此基礎上建立了球形大顆粒、低濃度的納米流體導熱計算模型，即Maxwell模型。

式(1)和(2)中，ks、kf分別為純溶液和納米粒子的導熱系數；φs、φf分別為純溶液和納米粒子所占的質量分數。

納米顆粒的質量分數可由式(3)計算。

式中，N為單位容積的納米粒子數；df為納米粒子的平均粒徑。

Maxwell模型適合較低體積分數納米粒子的流體，納米粒子含量較高時，計算結果和實驗結果相差較明顯，而Bruggeman[12]提出的如式(4)的隨機分布粒子模型不僅能適合低濃度，還適合高濃度范圍。

和球形顆粒相比，非球形納米顆粒的棱角同樣影響其傳熱效果，因此引入棱角因子來表征其影響，那么有效導熱系數的表達式為(kf/ ks＞100) :

式中，n為棱角因子，n=ω/3，ω為非球形粒子的表面積與和它等體積的球形粒子的表面積之比。

2 納米溶液強化傳熱實驗及結果分析

將納米銅粒子直接加入到氯化鋰溶液中，會在溶液底部和表面形成大量的聚集，而通過在溶液中加入十二烷基硫酸鈉(SDS)表面活性劑，采用單步法則可獲得分散性較好的納米除濕溶液。添加納米粒子前后溶液傳熱性能的變化采用對比實驗的方法進行，實驗裝置如圖1所示。

圖1 傳熱性能實驗裝置Fig.1 Experimental device of heat transfer performance

圖2 純溶液和納米溶液加熱過程表面溫度對比Fig.2 Surface temperature Comparison of two solutions under heating condition

2.1 加熱傳熱過程

兩個量杯中分別加入100mL的氯化鋰濃度為0.34的純溶液和納米銅粒子質量分數為0.03的氯化鋰溶液，液面距底部高6cm，兩溶液初始溫度均為30℃。設定恒溫水浴鍋溫度為70℃，待溫度穩定后，將兩量杯同時放入恒溫水浴內的平板上，左側為純氯化鋰溶液，右側為納米溶液。為了減少熱量在量杯內的橫向傳遞，僅量杯底面浸入熱水中。量杯放入后即開始計時，使用SC600紅外成像儀拍攝圖1(a)的正面紅外成像，圖像記錄溶液的表面溫度，分別取60s、120s和200s三個時刻的圖象進行對比，結果如圖2所示。

由于實驗過程，除量杯底部加熱部分外，均暴露在恒溫水浴內的空氣中，與空氣之間的溫差也在一定程度上影響其內部傳熱，由于空氣的熱容量較小，且恒溫水浴內空氣流動較小，因此忽略其影響，實驗結果只做比較、定性分析。

圖2(a)顯示，60s時，純氯化鋰溶液的表面溫度L101沒有變化，為30℃，而此時納米溶液表面溫度L102已經有所升高，約32℃，兩者溫差約2℃；120s時，兩表面溫度均升高，溫差也拉大到約3.5℃；200s時，兩表面溫差繼續升高，約5℃。以上現象說明，相同條件下，氯化鋰納米溶液的傳熱能力明顯高于純氯化鋰溶液，納米銅粒子因其較高的導熱系數，能有效促進溶液的內部熱量傳遞。

2.2 冷卻傳熱過程

溶液底部加熱實驗過程，整個量杯內形成由底部到表面的溫度梯度，易引發溶液內部對流，強化了內部的換熱，使溶液表面溫度升高較快，熱量傳遞為對流和銅粒子同時作用的結果。為了規避熱對流影響，測試了兩種溶液的冷卻過程，冷卻過程因底部溫度較低、密度較大，傳熱基本以導熱形式進行，這里不考慮因納米銅粒子引起的布朗運動、溶液黏度變化等影響。實驗過程同加熱過程類似，溶液初始溫度為66℃，恒溫水浴溫度30℃。實驗結果如圖3所示。

圖3中，60s時兩表面溫度基本一致，約等于初始溫度，說明冷量還基本沒有傳到液體表面；120s時，兩平面出現溫差，平均約1.2℃；200s時，表面溫差繼續擴大，平均約2.2℃。納米溶液的溫度降低速度快于純氯化鋰溶液，納米銅粒子強化了純導熱過程的熱量傳遞。與圖2相比，相同實驗時間內，兩液面溫差較小，雖然純導熱過程銅粒子對傳熱能力的提高低于對流熱交換過程，但其強化傳熱的效果依然比較明顯。

圖3 純溶液和納米溶液冷卻過程表面溫度對比Fig.3 Surface temperature Comparison of two solutions under cooling condition

2.3 導熱系數受體積分數的影響

氯化鋰溶液中銅粒子的質量分數也是影響其熱量傳遞的重要因素，測試計算了不同納米銅粒子體積分數下的導熱系數與純溶液的導熱系數之比，結果見圖4。隨著銅粒子體積分數的增加，納米溶液的導熱系數隨之增加，體積分數小于0.03時，實驗結果和Maxwell計算值比較接近，體積分數大于0.03后，銅粒子含量越高，兩者偏差越大。證明Maxwell模型應用范圍的局限性。

圖4 納米流體的導熱性能和體積分數的關系Fig.4 Relationship between nano-fluid thermal conductivity and volume fraction

圖4還比較了納米銅粒子在不同基液(油、水)以及不同粒徑時的導熱性能，相同粒徑的納米銅粒子(100nm)對氯化鋰溶液和水的導熱能力的提高相差不大，而對油的導熱性能的提高則明顯小于前兩者，且粒子體積分數越大，差距越大。而粒徑大小的影響，在小體積分數時，導熱性能差別較小。對于大體積分數的情況，沒有找到相關文獻數據，這里不作結論。

液體除濕(再生)過程，液膜流動不僅存在層流導熱過程，更多的是湍流流動，湍流熱質交換過程中，納米銅粒子對換熱的強化作用更為明顯，文獻[13-16]分析了Al2O3、CuO和TiO2等納米粒子對水溶液對流傳熱性能的影響，結果顯示納米粒子對換熱無量綱數Nu有15%～40%的提高。納米銅粒子對氯化鋰溶液對流換熱過程換熱能力的強化作用是該研究方向的重點，將在后續研究中單獨分析。

3 結論

文章分析了納米流體強化傳熱的機理，并分別實驗并對比了在加熱和冷卻條件下，純氯化鋰溶液與納米氯化鋰溶液的(傳)導熱性能；測試了納米銅粒子質量分數的影響，得到主要結論如下:

1)加熱條件下，在納米銅粒子和對流作用下，納米溶液的傳熱性能明顯高于純氯化鋰溶液，納米銅粒子因其遠遠大于溶液的導熱系數，促進了溶液的內部熱量交換，對流作用更進一步促進了其傳熱強化作用的發揮；

2)冷卻條件下，純導熱過程，納米溶液的導熱性能仍明顯優于純氯化鋰溶液，但傳熱效果明顯不如加熱過程；

3)納米氯化鋰溶液的導熱系數隨著銅粒子在溶液中體積分數的增加而增大，體積分數小于0.03時，實驗結果和Maxwell模型計算值比較接近，體積分數大于0.03后，銅粒子含量越高，兩者偏差越大。

4)納米銅粒子對于液體傳熱性能的改變受基液類型影響較大，有一定的選擇性。

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