納米流體在太陽(yáng)能集熱器熱管中的應(yīng)用研究

摘 要：大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)明顯地高于其基液的導(dǎo)熱系數(shù)，在強(qiáng)化傳熱方面和沸騰傳熱方面都有巨大的潛能。作為一種新型傳熱冷卻工質(zhì)，納米流體已成功應(yīng)用于熱管強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域。從目前的研究情況來(lái)看，需要從熱管的使用壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)納米流體熱管及其傳熱機(jī)理和傳熱性能進(jìn)行深入研究與完善。

關(guān)鍵詞：納米流體；太陽(yáng)能；應(yīng)用

如何提高太陽(yáng)輻射能的轉(zhuǎn)換效率一直是科研人員研究的重點(diǎn)，雖然我國(guó)的真空管集熱技術(shù)擁有國(guó)際領(lǐng)先水平，但限于玻璃真空管本身易炸管、承載能力低、熱啟動(dòng)速度慢等缺陷，國(guó)外一直較少采用。近十幾年來(lái)，隨著熱管技術(shù)的出現(xiàn)及對(duì)納米流體研究的深入，將納米流體和熱管技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器成了一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域。

1 納米流體介質(zhì)的提出

在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的高效傳熱元件之一，它依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)傳遞熱量，可將大量熱量通過(guò)其很小的截面積遠(yuǎn)距離地輸送而無(wú)需外加動(dòng)力。經(jīng)過(guò)幾十年研究，熱管技術(shù)已從最初的滿足空間需要，到現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用冶金、石油、化工及電子等各個(gè)領(lǐng)域。在太陽(yáng)能熱利用方面，熱管的應(yīng)用克服了玻璃管易炸管、承載能力低、熱啟動(dòng)速度慢等缺陷[1]，因此受到了太陽(yáng)能企業(yè)的歡迎。

1995年，美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[2]首次提出納米流體的概念：即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的高效傳熱工質(zhì)。目前，基于納米流體普通熱管的集熱器研究還比較少[3]，因此，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了TiC/H2O納米流體的傳熱性能，為集熱器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱管管壁材料選取

根據(jù)我國(guó)管材的規(guī)定（GB/T 1527-1997），選用壁厚S=0.7mm、外徑為9.5mm的銅管，長(zhǎng)度為750mm，熱管蒸發(fā)段長(zhǎng)度Le=300mm，冷凝段長(zhǎng)度Lc=450mm。

2.2 納米流體的選擇

納米顆粒方面，常用的納米顆粒包括金屬粒子如Au，Ag，Cu，F(xiàn)e；氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，F(xiàn)e3O4；碳化物如SiC，TiC；氮化物如AlN，SiN以及碳納米管等[4]。基液方面，常用的有水，乙二醇，機(jī)油，以及各類制冷劑溶液等。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的是銅-水熱管、無(wú)機(jī)工質(zhì)熱管[5]，而國(guó)外，研究較多的是把熱管的工質(zhì)用有機(jī)物代替。綜合分析不同顆粒的化學(xué)性能特點(diǎn)，結(jié)合與熱管管壁材質(zhì)的相容性，我們最終以TiO2/H2O納米流體為工質(zhì)為研究對(duì)象，對(duì)不同濃度和不同充液率的多根TiO2/H2O納米流體重力熱管的啟動(dòng)性能和傳熱性能進(jìn)行測(cè)試。

2.3 納米流體的制備方法

納米流體的制備方法有兩種：一步法和兩步法。一步法是將納米顆粒的制備過(guò)程和納米顆粒在基液中的分散過(guò)程同時(shí)完成。兩步法是將制備好的納米顆粒通過(guò)某種手段分散到基液中，制備和分散過(guò)程分兩步進(jìn)行。一步法制備的納米流體中納米顆粒分散均勻，懸浮液具有較高的分散性。但是由于一步法制備工藝復(fù)雜，所需設(shè)備昂貴，不具備大批量生產(chǎn)的能力，所以現(xiàn)階段主要采用兩步法制備納米流體。

兩步法制備納米流體具有操作簡(jiǎn)便，易于控制懸浮液的納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)的特點(diǎn)，但流體穩(wěn)定性不足，可以通過(guò)采用高壓微射流分散儀制備形成穩(wěn)定的納米流體[6]。

2.4 納米流體充液率設(shè)計(jì)

現(xiàn)有研究成果表明，以Ag/H2O納米流體熱管在充液率為60%時(shí)傳熱性能較好，F(xiàn)e3O4/H2O的最佳充液率為40%，CuO/H2O納米流體脈動(dòng)熱管充液率采用55%時(shí)傳熱性能較好[7]。多數(shù)研究表明，納米流體較佳的充液率為50%～60%。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：質(zhì)量百分比為0.2%～1%，充液率為50%～70%，如表1所示。

表1 重力熱管沖液參數(shù)設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)方法

將熱管豎直放置，納米流體熱管采用恒溫水浴加熱方法加熱，蒸發(fā)段加熱溫度取90℃，冷凝段完全暴露在25℃的空氣中，通過(guò)自然對(duì)流和輻射換熱進(jìn)行冷卻。熱管的管壁溫度通過(guò)均布在外壁上的四對(duì)鎳鉻-鎳銅熱電偶測(cè)量，熱電阻連接至Agilent數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)RS232/RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)的COM端口，在計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集和記錄測(cè)量結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

熱管的換熱系數(shù)與納米顆粒的種類、粒徑的大小、加入量的比例等因素都有關(guān)系，熱管的穩(wěn)定性也與加入微米級(jí)顆粒有關(guān)。在選定納米粒子的種類和大小后，我們通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試了納米粒子熱管的傳熱性能，得出了粒子濃度和沖液比對(duì)傳熱性能的影響趨勢(shì)。

表2 重力熱管沖液傳熱性能測(cè)試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）質(zhì)量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間比去離子水熱管明顯縮短。

（2）隨著納米流體粒子濃度的增加，熱管的啟動(dòng)時(shí)間呈降低趨勢(shì)，但當(dāng)粒子濃度大于一定程度時(shí)，隨著濃度的增加，熱管的啟動(dòng)時(shí)間反而會(huì)增加。

（3）相同條件下納米流體熱管的等溫性比水熱管好，傳熱能力顯著提升。

另外，我們將一定濃度和沖液比的熱管傾斜不同角度驚醒的傳熱測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱管傾斜角度為70°～90°時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間變化不大；當(dāng)傾斜角度減小到40°時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間明顯增加，這說(shuō)明：重力熱管的傳熱效果與熱管安裝角度有較大的關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

加入納米粉后熱管的換熱性能得到了明顯的改善，可以認(rèn)為： 因?yàn)榧{米材料的比表面積很大而具有大的比表面能，當(dāng)工作流體加熱時(shí)，納米粉的布朗運(yùn)動(dòng)速度很大，促使氣泡很快地脫離壁面，在蒸發(fā)段既加強(qiáng)了液體的擾動(dòng)，又增加了有效蒸發(fā)面積，從而使沸騰換熱得以強(qiáng)化。納米粉的布朗運(yùn)動(dòng)使顆粒間頻繁碰撞，加速了熱量在懸浮液內(nèi)的傳遞，增大有效導(dǎo)熱系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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[7]紀(jì)玉龍，徐陳，等.納米流體對(duì)脈動(dòng)熱管最佳充液率的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012.

作者簡(jiǎn)介：王萬(wàn)新（1971-），男，山東平原人，講師，碩士，主要從事機(jī)械制造自動(dòng)化研究。