微槽內納米流體沸騰傳熱特性實驗

張亞海

摘 要：以Al2O3-水納米流體為工質，進行了納米流體渦旋微槽道的沸騰兩相傳熱性能實驗研究，分析了質量流量、出口干度、Al2O3粒子體積濃度對傳熱系數的影響。結果表明流體的質量流速和粒子濃度都會對納米流體的傳熱特性產生影響，出口干度對傳熱影響甚微。

關鍵詞：納米流體 微槽 沸騰 實驗

中圖分類號：TB131 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0056-02

隨著科技的發展，電子設備產生的局部高熱流成為了電子設備熱控制所面臨的重要問題，納米流體技術為這類問題的解決提供了新思路。納米流體，是將1～100 nm的金屬或非金屬的固體顆粒分散在液體中形成的一種懸浮液。在流動狀態下，固體顆粒可以明顯改變流體的熱量傳輸特性，為強化微細尺度對流換熱創造了條件[1]。納米流體的微尺度傳熱問題已經成為傳熱傳質領域的一個熱點。

國內外對納米流體微槽道兩相流動的換熱特性做了一系列的研究，但目前對渦旋微槽道的研究較少。而渦旋微槽道由于流道是彎曲的，流體在流動過程中產生的“二次流”可有效對抗過載效應。因此深入研究納米流體在渦旋微槽道換熱特性是十分必要的。

1 實驗裝置

1.1 納米流體的制備

此實驗采用的是兩步法制備納米流體，在制備前先在水中加入了一定量的醋酸作為分散劑，然后將13 nm的Al2O3納米粒子分散到水中，制備成Al2O3-水納米流體，配制好再經過超聲波振蕩器進行超聲振蕩，使其能更加穩定。

1.2 試驗件

試驗件如圖1所示，每個實驗件有6個小渦旋微槽，兩個小微槽共用一個液體進口，渦旋微槽的中間是一個液體出口。槽道的具體尺寸規格見表1。

1.3 實驗臺

該實驗是由兩套分系統組成，分別是納米流體循環分系統和加熱與數據采集分系統。實驗系統如圖2所示，納米流體從恒溫水槽內流出，經離心泵進入渦旋微槽預熱器預熱，加熱到60 ℃以上后流入實驗段。經實驗段加熱達到實驗狀態后進入冷凝器進行冷卻，最終流回恒溫水槽。預熱段和實驗段的加熱分別由兩個穩壓電源提供，實驗段的測溫熱電偶和壓力傳感器經接線柱連接到采集卡上，進行溫度和壓力的數據采集。

2 實驗結果與分析

2.1 質量流量對納米流體傳熱特性的影響

納米流體在粒子體積濃度為0.1%、質量流速變化時的沸騰換熱特性如圖3所示。納米流體的沸騰換熱系數隨著質量流量的增加而增加。當流量從3 kg/h提高到6 kg/h時換熱系數有了大幅度提高，平均提高了50%左右。

2.2 干度對納米流體傳熱特性的影響

圖4為在試驗件No.2中，質量流量為5 kg/h、干度變化時的沸騰換熱系數圖。可以看出，在較小的干度條件下，沸騰換熱系數只會出現微小的增加或基本保持不變，這同馬虎根[2]所研究的結論基本是相同的。

2.3 濃度對納米流體傳熱特性的影響

圖5為在試驗件No.2中，質量流量為5 kg/h、納米粒子體積濃度變化時的換熱系數變化情況。納米流體的沸騰換熱系數起先隨著濃度的增加而增加，當濃度到達0.07%時沸騰換熱系數出現了下降的趨勢。在流體單相流動實驗中也同樣有這種現象，不過對應的納米流體濃度要比在兩相實驗的濃度高[3]。這主要是由于隨著納米粒子濃度的提高粒子之間就容易積聚，容易惡化傳熱。

3 結語

Al2O3納米流體在渦旋微槽道沸騰流動中，質量流量升高，流體的換熱系數提高；納米流體濃度升高，換熱系數先升高后降低；干度對流體換熱及摩擦阻力影響不大。在實際應用中，流量、槽道類型的選擇要綜合考慮泵能夠提供的壓頭以及需要滿足條件的散熱能力。

參考文獻

[1] 戴聞亭.細圓管內納米顆粒懸浮液流動和對流換熱的實驗研究[D].清華大學，2002.

[2] 馬虎根，胡自成，羅行，等.微尺度通道內混合物流動沸騰特性研究[J].機械工程學報：2005，41（1）：29-32.

[3] Pak B C，Cho Y I.Hydrodynamic and Heat Transfer Submicron Metallic Oxide Particles [J].Experimental Heat Transfer，1998，11（2）：151-170.