纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度及介穩區

王清清，孫勤，楊阿三，程榕，鄭燕萍（浙江工業大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

孫斌，曲藝，楊迪（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

研究開發

纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度及介穩區

王清清，孫勤，楊阿三，程榕，鄭燕萍
（浙江工業大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

采用靜態平衡法測定纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K的溶解度數據，利用Modified Apelblat、NRTL 和λh方程分別對溶解度數據進行了關聯，并通過van't Hoff分析計算了纈沙坦在溶解過程中的熱力學參數（焓變、熵變和吉布斯自由能）。結果表明，纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度隨著溫度升高而顯著增大，3個模型均具有較好的關聯性，平均相對偏差分別為1.03%、3.87%、1.72%，Modified Apelblat方程對溶解度數據關聯的效果最好；纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解過程為自發吸熱熵驅動過程，焓變在溶解過程中對吉布斯自由能貢獻較大。利用激光法測定了纈沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，研究了不同攪拌速率、降溫速率對結晶介穩區的影響。結果表明，隨飽和溫度的升高，介穩區顯著變寬；攪拌速率越小、降溫速率越快，介穩區越寬，降溫速率的影響相對較小。

纈沙坦；乙酸乙酯；溶解度；超溶解度；介穩區

纈沙坦，白色晶體，化學名為 N-（1-氧戊基）-N-［［2'-（1H-四唑-5-基）［1，1'-聯苯］-4-基］甲基］-L-纈氨酸，分子式 C24H29N5O3，相對分子質量435.53，熔點383.15K。纈沙坦屬于非肽類、口服有效的血管緊張素Ⅱ（AT）受體拮抗劑，選擇性作用于Ⅰ型受體（AT1），用于治療各種類型高血壓，具有療效顯著、耐藥性好和成本效益低的優點，對需要長期治療高血壓的患者來說是一個很好的選擇［1-2］。

乙酸乙酯是纈沙坦工業結晶的首選溶劑，研究結晶體系的介穩區性質對優化結晶過程和結晶器設計起到重要的作用［3］，特別是超溶解度數據對工業化的實際生產有著更為重要的意義。纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度已有文獻報道［4］，但還未發現有關纈沙坦在乙酸乙酯中超溶解度數據的報道。

本文通過激光法測定纈沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，采用靜態平衡法測定纈沙坦在乙酸乙酯溶劑中278.15～323.15K的溶解度，研究攪拌速率和降溫速率對介穩區寬度的影響。利用Modified Apelblat、NRTL和λh方程對溶解度數據進行交叉關聯驗證，并采用van't Hoff分析，計算溶解過程中的熱力學參數（焓變、熵變和吉布斯自由能）。

1　實　驗

1.1原料和儀器

纈沙坦，純度＞99%，浙江華海藥業股份有限公司；乙酸乙酯，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；溴百里香酚藍指示劑，灼燒殘渣＜0.3%，國藥集團化學試劑有限公司；氦氖激光器，SPL-HN1.5P型，工作波長632.8nm，杭州譜鐳光電技術有限公司；低溫恒溫水槽，DC-3010型，寧波天恒儀器廠。

溶解度測定實驗裝置由低溫恒溫水槽、250mL三口燒瓶、精密溫度計和機械攪拌器組成。超溶解度測定實驗裝置由自制夾套冷卻結晶器、低溫恒溫水槽、激光發射器、激光接收器、精密溫度計和機械攪拌器組成。

1.2纈沙坦溶解度測定

纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度采用靜態平衡法測定：置已知量的乙酸乙酯于250mL三口燒瓶中，加入過量纈沙坦，在恒定溫度下，充分攪拌后長時間靜置。移取上層清液精密稱重后加入適量乙醇溶劑，再加入溴百里香酚藍指示劑，用配好的氫氧化鈉滴定液（0.05mol/L）滴定至藍色，并將結果用空白試驗進行校正。1mL氫氧化鈉滴定液（0.1mol/L）相對于21.78mgC24H29N5O3（來源于中國藥典）。依次測定278.15～323.15K下纈沙坦的溶解度。溶液溫度由恒溫水浴控制，每個點重復取樣 3次取平均值。

纈沙坦在溶劑中的摩爾分數x，用式（1）來計算。

式中，mA、mB分別為溶液中纈沙坦和乙酸乙酯的質量；MA、MB分別為纈沙坦和乙酸乙酯相對分子質量。

1.3纈沙坦超溶解度測定

采用激光法測定超溶解度存在一定的滯后性，但由于纈沙坦在乙酸乙酯中的結晶速率快且實驗中控制的降溫速率較小，因此激光法的滯后性對實驗結果的影響較小。

根據溶解度數據，配置成一定溫度下的纈沙坦飽和溶液置于結晶器中。在攪拌速率恒定時，以一定的降溫速率進行冷卻。激光發射器發射激光穿透飽和溶液到達另一端的激光接收器。當接收激光的強度發生突變時，即有晶體產生，記錄下此時的溫度。則所配的飽和溶液濃度即為纈沙坦此溫度下的超溶解度，與初始飽和溶液的溫度差ΔT即為介穩區寬度。

2　結果與討論

2.1纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度

雖然LIU等［4］早期采用激光法測定了纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～313.15K的溶解度數據，但是經實驗發現利用接收器端激光強度達到最大值來判斷實驗終點一般會產生延后，導致加入的溶劑質量偏大，這樣測定的溶解度數據相比實際值會偏小。而且在文中只采用Modified Apelblat對實驗數據進行了擬合，得到的均方根偏差（rmsd）為6.0×10-5，計算其平均相對偏差（MD）為1.21%，單個方程的擬合結果不足以論證實驗的準確性。所以，本文采用靜態平衡法重新測定了纈沙坦在乙酸乙酯溶劑中278.15～323.15K的溶解度。

圖 1是實驗值與文獻值［4］的對比結果。從圖1中可以發現，纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度隨溫度的升高而增大，但增大的幅度不相同，在308.15～323.15K時變化迅速。實驗值基本與文獻值吻合，但略高于文獻值。

圖1　纈沙坦在乙酸乙酯中溶解度實驗值與文獻值比較

2.2溶解度不同模型關聯結果

纈沙坦溶解度分別采用 Modified Apelblat、NRTL和λh方程進行關聯，其擬合效果可以用平均偏差（σ）及平均相對偏差（MD）來表示，其定義如式（2）～式（3）。

式中，xexp、xcal分別代表實驗值和理論值；N為實驗點數。

2.2.1Modified Apelblat 方程

Modified Apelblat 方程廣泛用于溶解度的關聯［5-8］，如式（4）所示。

式中，A、B、C為Apelblat關聯參數；T為熱力學溫度，K。

2.2.2NRTL方程

要研究NRTL方程對溶解度的關聯，首先通過熱力學理論和假設，可以得到式（5）。

式中，溶劑的摩爾分數 x2=1- x1，g12-g22，

g21-g11和α1（2α12=α2）1為NRTL參數。

2.2.3λh方程

λh方程也經常用于溶解度的關聯，方程具體形式如式（9）［12］。

式中，λ和h為方程參數。

表1～表3分別為上述3種方程回歸得到的模型參數及平均相對偏差，表4為實驗值與模型計算值的對比。

從表中可以看出，3個方程平均相對偏差≤3.87%，關聯較好。其中Modified Apelblat方程關聯效果最好，平均相對偏差只有1.03%。

農業技術推廣人員的專業能力將會直接決定我國農業技術推廣的效果，在這樣的情況下，要更好的提升農業技術推廣的作用，對于農業技術推廣人員的專業能力進行提升是非常有必要的。政府的相關部門可以通過定期對農業技術推廣人員進行培訓，組織技術人員下鄉與弄濕實際溝通等方式，提升其專業能力。在此基礎上還可以通過編制調整，更好的引入人才，為農業技術推廣的開展提供充分支持。

表1　Modified Apelblat方程回歸的參數值及平均相對偏差

表2　NRTL方程回歸的參數值及平均相對偏差

表3　λh方程回歸的參數值及平均相對偏差

表4　纈沙坦的溶解度數據及Modified Apelbla、NRTL和λh方程回歸結果

2.3溶解熱力學計算

式中，Tmean為平均熱力學溫度，本研究中Tmean=299.96K。

此外，為了比較溶解過程中焓變和熵變對吉布斯自由能的貢獻大小，引入了ξH和ξS，定義如式（15）、式（16）［15］。

表5　纈沙坦溶解過程中的熱力學參數

溶解過程是一個熵驅動過程。ξH＞0.58，說明溶解過程中焓變對吉布斯自由能的貢獻較大，為焓控制過程。

2.4纈沙坦在乙酸乙酯中結晶介穩區分析

介穩區是介于溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區域。介穩區寬度可以用極限過飽和度 ΔCmax或極限溫度過冷度ΔTmax來表示，本研究采用ΔTmax表示。

對介穩區寬度的影響因素有很多，如降溫速率、攪拌速率、有無晶種、有無外加場及溶液的性質等。實驗中采用控制變量法考察攪拌速率和降溫速率對介穩區寬度的影響。

2.4.1攪拌速率對介穩區的影響

保持降溫速率為0.2K/min恒定，分別設定攪拌速率為100r/min、200r/min和300r/min，考察攪拌速率對介穩區寬度的影響。

從圖2中可以看出，纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩區寬度隨著攪拌速率的增大而變窄，而隨飽和溫度的升高，攪拌速率對介穩區的影響增大。這可能由于攪拌速率的變大使得纈沙坦分子碰撞的機會增多，更利于晶體成核，從而使介穩區變窄。此外，從圖中還知，飽和溫度越高，介穩區越寬。在低溫區（293.15～313.15K）ΔTmax為 3～8K，高溫區（313.15～323.15K）ΔTmax為8～12K。

2.4.2降溫速率對介穩區的影響

保持攪拌速率為200r/min恒定，分別設定降溫速率為0.2K/min、0.3K/min和0.4K/min，考察降溫速率對介穩區寬度的影響。

從圖3可知，纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩區寬度隨著降溫速率的增大而變寬。這是由于降溫速率的增大使得溶質經過成核溫度區域過短，不利于緩慢穩定成核，從而使介穩區有所變寬，但影響并不明顯。

圖2　不同攪拌速率下纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩區

圖3　不同降溫速率下纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩區

3　結　論

（1）纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K下的溶解度隨著溫度的升高而顯著增大，采用Modified Apelblat、NRTL和λh方程進行擬合，均具有良好的關聯性，其中Modified Apelblat方程關聯效果最好，平均相對偏差僅有1.03%。

（2）通過van't Hoff分析得到纈沙坦在乙酸乙酯溶解過程中的熱力學參數：焓變、熵變和吉布斯自由能均為正值，說明此過程為熵驅動自發吸熱過程。而ξH＞0.58說明焓變在溶解過程中對吉布斯自由能貢獻較大。

（3）纈沙坦在乙酸乙酯中的結晶介穩區寬度隨著飽和溫度的升高、降溫速率的增大而變寬，隨著攪拌速率的增大而變窄，其中飽和溫度影響顯著，而降溫速率的影響不太明顯。

T —— 熱力學溫度，K

Tmean—— 熱力學平均溫度，K

Tmi—— 組分i的熔點溫度，K—— 標準摩爾溶解熵，J/（mol·K）

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研究開發

納米流體沖擊射流換熱特性實驗

孫斌，曲藝，楊迪
（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

摘要：以納米流體為工質對沖擊射流冷卻系統的綜合性能進行實驗，主要研究了添加納米顆粒的納米流體與水在不同流速、不同射流高度等條件下沖擊射流的傳熱效率，同時也對不同種類的納米流體的換熱效率進行了對比。結果表明：對于添加了納米顆粒的沖擊射流冷卻系統，傳熱效率得到顯著提高，但當質量分數達到0.5%時，傳熱系數變化不明顯。對于不同種類的納米流體：Cu-水、Al2O3-水和Al-水納米流體，其中Cu-水的換熱效率最高，存在一個特定的射流高度，使傳熱系數達到最大值。研究結果對設計制造輕型緊湊的高效換熱器有實用的工程價值。

關鍵詞：納米粒子；多相流；傳熱；沖擊射流

中圖分類號：TK 121文獻標志碼：A文章編號：1000-6613（2016）08-2334-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.05

Experimental study on heat transfer characteristics of nanofluids impacted jet

SUN Bin，QU Yi，YANG Di
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Abstract：In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimentally studied using nanofluids. The heat transfer efficiencies were compared for nanofluids of different flow rates，jet height and types . The results revealed that heat transfer efficiency significantly increased with the introduction of nanofluids in jet，but，when the mass percentage of nanofluids exceeded of 0.5%，the heat transfer coefficient did not change significantly. For different types of nanofluids：Cu- water，Al2O3-water，Al-water nanofluids，the highest heat transfer efficiency was observed for Cu- water. In addition，there was a particular jet height，where the maximum heat transfer coefficient could be reached. The results would be practically valuable in designing and manufacturing light and efficient heat exchanger.

Key words：nanoparticles；multiphase flow；heat transfer；impinging jet

換熱設備是在航天、電子、化工、原子能、動力等眾多領域中廣泛使用的一種通用設備，其主要作用是實現物料之間的熱量傳遞［1］。沖擊射流是一種極其有效的局部強化換熱方法。由于沖擊射流在換熱面上形成的流動邊界層較薄，沖擊射流的傳熱系數比常規的對流傳熱系數高幾倍甚至一個數量級［2］。

以往的研究主要針對沖擊射流的流速、沖擊距離、射流角度、噴嘴孔徑等的運行參數和結構參數。BARDBURY［3］對單孔自由射流的流動機理進行了探索，研究了單孔自由射流典型的速度分布形式及軸向速度的衰減規律，實驗結果表明，在單孔自由射流的中心區，流體的速度高、波動大，而且湍流度非常高，因此具有極大的強化換熱潛力。

收稿日期：2016-01-11；修改稿日期：2016-03-16。
基金項目：教育部新世紀優秀人才支持計劃項目（NCET-12- 0727）。
第一作者及聯系人：孫斌（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為多相流理論及應用。E-mail sunbin@nedu.edu.cn。

BAONGA等［4］利用激光誘導熒光技術和圖像處理在圓形水平加熱盤上進行自由液體射流沖擊試驗測得的局部溫度和速度曲線，通過求解逆熱傳導問題建立了徑向分布的局部傳熱系數，結果表明該噴嘴到熱交換面間距對換熱影響不大，雷諾數相同的情況下噴嘴直徑的改變使得Nu數發生明顯變化，并且液體流速影響局部傳熱系數。KATTI等［5］研究了圓形直管噴嘴沖擊噴氣到光滑平整表面的局部發熱理論，研究了局部傳熱噴射到板間距和雷諾數的影響。近幾年，冷卻射流被應用到精密元件及微小空間散熱的問題中。NAPHON等［6］進行了關于個人計算機中央處理器沖擊射流強化傳熱的實驗，利用小型矩形翅片板進行噴射液體的冷卻實驗，實驗證明，冷卻效果確實要比常規冷卻方式要好，但是需要較高的能量消耗。GUO等［7］使用微針噴頭進行沖擊射流研究強化流動沸騰換熱過程，結果表明該沸騰傳熱可以通過提高增加的總面積及射流沖擊速度來提高傳熱系數。當噴射速度過高時，對流換熱占主導地位；當沖擊速度過高時，滯流區的熱傳遞與渦擴大了散熱面積并增加了紊流，影響微對流過程，影響換熱。

納米流體是以一定的方式和比例在基液（水、酒精等）中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子，形成的一類具有高熱導率的均勻穩定的新型傳熱工質［8］。納米流體以優異的導熱性與穩定性，為沖擊射流的工質提供了新的選擇［9］。凌智勇等［10］對納米流體的黏度進行了研究；李強等［11］發現，納米流體的熱導率通常比基液高。采用納米流體代替常規的流體對具有高熱量輸出的設備冷卻有特別的效果。

本實驗在一個典型的射流冷卻系統中研究沖擊射流的傳熱特性，通過使用不同的納米顆粒制備的納米流體進行實驗，對不同納米流體的熱導率進行對比，得到的一些相關結果，實驗數據和納米流體的傳熱特性進行討論，具有較高的工程實用意義。

1　實驗系統及流程

1.1納米流體制備

實驗采用Cu、Al和Al2O3納米粒子，其基本物性如表1所示，基液為去離子水，采用十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為分散劑［12］。采用“兩步法”［13］，按照1∶1的比例加入納米流體和分散劑，此時納米流體穩定性最佳［14］。配置質量分數分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體。隨后在超聲波震蕩儀中震蕩60min，得到穩定的納米流體。

表1　納米流體熱物性

1.2納米流體穩定性分析

采用透射比法分別對質量分數 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al-水、Al2O3-水納米流體的穩定性進行分析。透射比法即分光光度計法，又稱濁度法，是將分散體系經過重力沉降或離心沉降等手段處理后，吸取上層清液，在分光光度計上測定其透過率或吸收率。一般來說，穩定分散的懸浮液，其上層清液的透過率較低，吸收率較高［15］。

圖1為重力沉降出來后的納米流體，吸取上層清液，在分光光度計中進行透射率測定，所用儀器為752型分光光度計，所用波長為540nm，每隔12h測量并記錄一次數據，重復3～4次，測定結果如圖2所示。

采用上述實驗方法，實驗范圍內各質量分數的Cu-水、Al-水、Al2O3-水納米流體均具有很強的穩定性，在較長時間內不易沉積，適于后期的實驗研究及應用。

2　實驗系統

實驗系統如圖3所示，由儲液箱、磁力循環泵、預熱段、實驗測試段、冷卻水箱及數據采集部分組成。

實驗流程：將制備好的納米流體放入儲液箱中，由揚程為30m的磁力泵提供循環動力，采用渦輪流量變送器測量流體體積流量。納米流體經預熱段預熱為恒定25℃后進入實驗測試段進行換熱實驗。將4個熱電阻分別布置在射流入口處、射流出口處和紫銅圓柱中心及二分之一半徑處，從而測量流體入口溫度、流體出口溫度以及紫銅圓柱的溫度。兩個功率為 50W 的陶瓷加熱芯對稱放置在紫銅圓柱二分之一半徑處，用來提供熱量。為降低測量誤差，紫銅柱體內部的陶瓷加熱芯以及熱電阻都涂抹導熱膏減小其傳熱熱阻。紫銅柱體外包裹石棉進行保溫，紫銅換熱面進行鏡面打磨處理。Rosemount 3051S電容式差壓變送器連接在進出口位置用來測量流體進出口兩端的壓力差。壓差計、流量計和熱電阻所采集的數據通過 USB-4716數據采集器輸入計算機，進行實時檢測記錄。

圖1　3種納米流體的重力沉降觀測照片

圖4為實驗測試段結構示意圖。實驗段采用法蘭盤與長徑螺栓進行連接固定，橡膠墊圈進行防水密封，易于拆卸組裝。實驗射流距離分別設定為3mm、6mm、9mm進行對比實驗。射流進口管外側加工出螺紋，通過螺紋調整射流距離，既保證了密封性能，也易于實驗參數的變更。實驗段采用有機玻璃設計，可以調整射流距離以及觀察實驗中流體流動情況。

3　數據處理與不確定性分析

采用牛頓（Newton）冷卻公式，流體流動的傳熱系數可寫為式（1）。

流體的平均溫度采用式（2）計算。

式中，Tin是射流實驗段納米流體進口溫度；Tout射流實驗段納米流體出口溫度。由于熱電阻測點與換熱面具有一定距離，可能導致熱電阻測溫面與實際的射流沖擊換熱表面溫度不一致，而且這種溫度不一致性隨著熱流密度的增大而增大。為了減少實驗誤差，應考慮紫銅塊熱阻的影響如式（3）、式（4）。

圖2　3種納米流體的穩定性

圖3　實驗系統結構

圖4　測試段結構示意圖

式中，Tw是換熱面的溫度；T'w是熱紫銅塊的實測溫度的平均值；ΔT是換熱面溫度與納米流體平均溫度的溫差。

努塞爾數Nu定義見式（5）。

本實驗使用的不同濃度的納米流體熱導率 knf均由DRE-Ш型熱導率測定儀測量。雷諾數定義如式（6）。

式中，納米流體的密度ρnf定義如式（7）［16］。）

由于納米流體的體積分數難以精準測定，本實驗由納米流體質量分數進行計算，如式（8）。

為了得到更準確的實驗結果，需要對系統進行誤差分析及不確定度評估［17］，使用儀器的參數及不確定度見表2，變量的不確定度見表3。

4　實驗結果及分析

4.1傳熱特性

在實驗前，對試驗系統進行熱平衡計算，計算輸入功率Q與測試段工質獲得的熱功率Ql的偏差。熱平衡偏差如式（9）［18］。

表2　儀器的參數及不確定度

表3　實驗變量及其不確定度

經計算，熱平衡偏差小于 7%，因此工質能夠獲得的總功率非常接近100W。

4.2納米流體沖擊射流換熱性能分析

實驗中，分別測試了質量分數分別是 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體的射流傳熱系數，分析了納米粒子體積分數、種類、射流速度以及射流高度對沖擊射流換熱性能的影響。

4.2.1質量分數對納米流體換熱的影響

圖5、圖6和圖7分別給出了3種不同種類的納米流體在不同質量分數下的沖擊射流傳熱系數隨Re數的變化情況。從圖中可以看出，沖擊射流的傳熱系數隨著 Re數的增加而增大；另外，在相同的Re數情況下，沖擊射流傳熱系數h隨著濃度的增加而增加。這是因為在液體中添加納米粒子，增加了液體的表面積和熱容量，在液體中添加納米粒子，增加了液體的熱導率，由于粒子與粒子、粒子與液體及粒子與壁面間的相互作用及碰撞，傳熱效果增強。由圖可以發現，3種納米流體在質量分數為0.4%時，傳熱系數提升最為明顯，而質量分數為0.5%時，相對于質量分數 0.4%的納米流體的傳熱系數變化較小。這是因為納米粒子的質量分數過大，會導致納米流體的黏度過大，射流路徑中的能量衰減加快，出口射流速度相同時，沖擊到換熱面的速度減小，對換熱效果起負面作用。另外，當納米流體質量分數過大時，納米顆粒更易發生沉淀現象，會有少部分納米顆粒沉淀到儲液箱底部，導致實際參與換熱的納米流體質量分數下降。另外，在 Re數較小的區域，傳熱系數相差不大，因此低流速下，納米流體對傳熱系數提高的效果不明顯；而在較高的流速下，傳熱系數提升顯著。這是因為在流速較高的情況下，紊流度增加，顯著提升了傳熱系數，所以高速射流應用納米流體更為有利。

實驗中使用了較高比例的分散劑，考慮到分散劑對去離子水換熱性能的影響現作如下實驗分析：將質量分數為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%SDBS分散劑加入去離子水中制備為射流工質，進行沖擊射流實驗，如圖8所示。

圖5　Cu-水納米流體與水傳熱系數隨Re數的變化

圖6　Al2O3-水納米流體與水傳熱系數隨Re數的變化

圖7　Al-水納米流體與水傳熱系數隨Re數的變化

圖8　只添加分散劑SDBS的去離子水的傳熱系數隨Re數的變化

從圖8可以看出，隨著分散劑質量分數的增加，該射流工質的傳熱系數隨之減小；同時，隨著射流流速的增加，傳熱系數呈近似線性增加。對于只加入分散劑的去離子水為射流工質，傳熱系數較去離子水稍有下降，最大降幅 4%。這是因為分散劑的熱導率較低，使得只添加分散劑的去離子水換熱性能略降低。與文獻［19］的研究結果一致。

納米流體作為換熱工質，結合沖擊射流高效冷卻方式，可以顯著提高換熱效率。主要原因如下：懸浮顆粒增加了兩相混合物的熱導率；納米顆粒加快了納米顆粒、去離子水和換熱壁面三者之間能量的傳遞速率；由于流速加快，單個納米顆粒強力沖擊換熱面，使換熱流體更好的接觸換熱壁面，明顯降低了換熱壁面上流體層的厚度。此外，本實驗使用的是圓形漸縮噴嘴，更利于沖擊射流的強化換熱。由于上述原因，導致本實驗中傳熱系數增加較大，質量分數為0.5%的Cu-水納米流體增幅最大，傳熱系數最大增加54%。文獻［20］也給出了相近的結果。

4.2.2不同納米流體對傳熱系數的影響

圖9描述的是質量分數為0.4%的Cu-水、Al2O3-水和 Al-水納米流體在不同 Re數下的射流傳熱系數。由圖9中實驗數據可以看出，添加了納米顆粒的納米流體，傳熱系數明顯高于去離子水。其中，Cu-水納米流體的傳熱系數相對于其他兩種納米流體相對較高，說明 Cu-水納米流體更適宜應用在沖擊射流的實際應用中。這是因為Cu納米顆粒的熱導率比Al納米顆粒以及 Al2O3納米顆粒的熱導率大，另外本實驗使用的Al2O3納米顆粒粒徑較另外兩種納米顆粒粒徑大，對傳熱系數具有一定影響［21］。

圖9　相同質量分數不同種類的納米流體與水傳熱系數隨Re數的變化

4.2.3不同射流參數對傳熱系數的影響

由于3種納米流體中質量分數為0.4%的Cu-水納米流體的換熱效果最好，因此選用Cu-水納米流體進行射流距離對比實驗。圖10給出在3種射流高度下0.4%質量分數的Cu-水納米流體傳熱系數隨Re的變化。從圖10中可以看出，射流高度存在一個特定的使傳熱系數達到最高的值。從實驗結果發現，在射流高度為3mm時，傳熱系數較小。這是因為沖擊射流的流場決定了換熱效果，而射流高度決定了流場的形態。當射流高度很小的時候，沖擊在射流面的流體會有一部分反彈到射流噴嘴處，明顯降低正向射流的流速，使得圖10中射流高度3mm的曲線在高Re數狀態下傳熱系數提升不明顯。隨著射流高度的增加，射流得到充分的發展，紊流度增加，換熱效果增強。另外，當射流高度繼續增大至9mm時，由于射流高度過大，導致了在此過程中一定的能量損失，使得傳熱系數不升反降。

4.3納米流體沖擊射流的流動特性

圖10　不同射流高度下Cu-水納米流體傳熱系數隨Re數的變化

圖11展示了不同納米流體的射流壓力隨Re數的增大而增大，添加了納米顆粒的納米流體的壓降高于去離子水的壓降，這是由于濃度增加而導致黏度增大等原因，使得壓降也相應的有所提高。圖11中，3種納米流體，Al2O3-水納米流體壓降最大，Al-水納米流體和Cu-水納米流體的壓降基本相同，表明添加了 Al2O3顆粒的納米黏度增大較為明顯導致流體流動阻力大，因此壓降較大。

圖12展示了Cu-水納米流體的噴射壓力隨Re數和濃度的變化。由圖12中可以看出，較去離子水的壓降相比，在相同雷諾數下，濃度越大，壓降越大。這是由于納米顆粒濃度的增大，使納米流體的黏度增大，管內流動阻力與噴嘴射流阻力都隨之增大，使壓降增大。

圖11　不同納米流體的射流壓降隨Re數的變化

圖12　不同質量分數下Cu-水納米流體的射流壓降隨Re數的變化

5　結　論

本實驗中，通過利用去離子水、Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體研究了納米流體沖擊射流的傳熱特性。使用不同種類的納米顆粒以及對應其不同的質量分數進行實驗研究，Re數的范圍在 2000～8000，Nu數的范圍在10～70，經實驗測得數據，得出以下結論。

（1）3種納米流體中，Cu-水納米流體的射流冷卻效果要稍強于Al2O3-水納米流體，Al相對較差。但是添加了納米顆粒的納米流體的換熱效果都遠好于去離子水的換熱效果。

（2）在同一種納米顆粒制備的納米流體中，質量分數的增大使傳熱效果有明顯的提升。當質量分數達到0.5%時，由于黏度和懸浮性的影響，傳熱效果的變化明顯減小。以 Cu-水納米流體為例，質量分數分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水納米流體，傳熱系數分別提升 12.6%、34.6%、41%、51.2%、54.5%。

（3）在Re＜3000時，納米流體相對于去離子水的換熱優勢不明顯，所以在實際應用中，應保證有較高的流速。

（4）實驗中測量了不同射流高度對傳熱系數的影響。無論是納米流體還是水，都存在一個特定的高度，即本實驗中高度為6mm時，傳熱系數達到最大值。

符號說明

A—— 換熱面積，m2

D —— 噴嘴直徑，mm

H —— 射流距離，mm

h——傳熱系數，W/（m2·K）

k——熱導率，W/（m·K）

Nu—努塞爾數

Q—輸入功率，W

Ql—工質獲得的功率，W

q—熱量，J

Re——雷諾數

T——溫度，℃

—平均溫度，℃

ΔT —— 溫差，℃

u——

μ——動力黏度，Pa/s

ρ—密度，kg/m3

φ—體積分數，%

下角標

bf—— 基液

in—— 入口

nf—— 納米流體

out——出口

p—納米顆粒

w—— 壁面

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Solubility and metastable zone of valsartan in ethyl acetate

WANG Qingqing，SUN Qin，YANG Asan，CHENG Rong，ZHENG Yanping
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The solubility of valsartan in ethyl acetate was measured by a static equilibrium method at temperatures from 278.15K to 323.15K. The solubility data were correlated by the modified Apelblat equation，the NRTL equation，and the λh equation. In addition，the thermodynamic parameters （including the enthalpy，entropy and Gibbs energy） were calculated by the van't Hoff analysis. The results showed that the solubility of valsartan obviously increased with an increase of temperature. The experimental data were well correlated with the above models because the mean deviation values of these three models were 1.03%，3.87%，and 1.7%，respectively. Therefore，the modified Apelblat equation was the best choice in the correlation of the solubility data of valsartan. The values of thermodynamic parameters proved that the dissolution process of valsartan in ethyl acetate was endothermic，spontaneous and entropy-driven. The main contributor to the standard molar Gibbs energy of solution was the enthalpy change during the dissolution process. Furthermore，the supersolubility of valsartan in ethyl acetate was measured at different stirring rates and cooling rates by the laser method. The results indicated that the metastable zone was wider under the condition of low stirring rate，high temperature and large cooling rate. Meanwhile，the temperature effect was remarkable but the cooling rate had little effect on the metastable zone.

valsartan；ethyl acetate；solubility；correlation；metastable zone

O 795

A

1000-6613（2016）08-2329-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.04

2016-01-11；修改稿日期：2016-01-27。

王清清（1991—），男，碩士研究生，研究方向為結晶動力

學。聯系人：孫勤，副教授，研究內容為結晶與干燥器設計。E-mail qins@zjut.edu.com。