納米流體強化傳熱的試驗研究

潘繼仁+++李國祥

摘 要：采用對照試驗法探索CU水納米流體傳熱的特性。納米流體強化傳熱的主要原因除了在液體中添加納米粒子，增加了液體的熱容量、導熱系數外，粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面間的相互作用及碰撞，也使傳熱增強，而且由于納米粒子的小尺寸效應，其行為接近于液體分子，不會像毫米或微米級粒子易產生磨損或堵塞等不良結果。[1]納米粒子的濃度不同導致流體內粒子數不同，粒子與粒子間相互作用增強，從而使換熱增強。

關鍵詞：納米流體；對比試驗；強化換熱

1 概述

納米流體是指以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或者金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱工質。作為一種高效的熱交換介質，納米流體是一個具有重大研究價值的領域。與在流體中添加毫米或微米級粒子相比，納米流體在強化換熱方面有著更大的前景。

此次實驗是為了驗證Cu水納米流體具有高效導熱性能，證明其在大型空調設備中有應用的可能。在空調系統中，通過制冷機組的運轉，進入蒸發器內的制冷劑蒸發而吸熱，當通入蒸發器內冷水即很快在蒸發器內進行熱量交換，熱量被制冷劑吸收，溫度下降成為冷凍水。然后冷凍水再通過空調設備中的表冷器與被處理的空氣進行熱交換，使空氣溫度降低。而在這一種制冷循環和熱量交換過程中，其冷量的這種遠距離的傳遞而達到空調系統中空氣降溫要求，必須有水和空氣為冷媒。冷媒在冷卻空調系統中，用于傳遞熱量，產生冷凍效果，是一種中間物質。在實際系統之中，冷媒先接受制冷劑冷量而降溫，再去冷卻其他的被冷卻物質，其導熱性能至關重要。[2]

2 納米流體換熱性能實驗模型

圖1所示，納米流體的傳熱換熱對比實驗測試裝置是一個流動的循環系統，它是由熱源水箱、水泵、管路、冷卻水箱、散熱器等實驗要素組成。

本次實驗的目的是驗證Cu水納米流體較水具有更好的導熱性能。

熱源水箱和冷源水箱用來儲放并觀測納米流體在試驗中的懸浮情況；散熱器是一個可調節風扇，用于保持對比實驗時對冷卻水箱持續穩定的風冷；主流路中的兩個小泵浦保證系統處于一個流動循環狀態。

小組成員實驗前搭建了器材，將兩個水箱分別設置為冷卻水箱和熱源水箱，將恒溫加熱器固定于熱源水箱內，且設置好實驗所需溫度（32℃）。

在泵浦上分別連接進水管與出水管，進水管連接熱源水箱，出水管連接冷卻水箱。用一根長水管連接熱源水箱與冷卻水箱。在泵浦出水管與長水管上分別用膠布黏貼固定工業溫度計。

實驗開始前，保持通風狀態，測量環境溫度（12℃）。

對照組：將水倒入兩個水箱之中，并且接通加熱器與泵浦電源。開啟泵浦，讓系統中的水處于穩定流速的流動狀態。開啟恒溫加熱器，讓加熱器加熱使熱源水箱溫度升高直至穩定。將風扇置于冷卻水箱處，開啟風扇實現穩定的風冷。待系統穩定后，觀察兩根工業溫度計的讀數，當溫度計中水銀液位穩定時，讀取示數，記錄實驗數據。

實驗組：將水倒入兩個水箱之中，在熱源水箱中投入相應量的納米Cu粉，配成Cu納米懸浮液，加入一定量分散劑（0.07%SDBS），其余實驗步驟與對照組相同。

3 實驗結果與討論

3.1 導熱效率

實驗中分別測量了0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的水-Cu納米流體在相同的循環系統中，以同樣的流速下的散熱溫差。

冷卻水箱裝水：6L、熱源水箱裝水：6L、環境溫度：12℃、電加熱恒溫器設置溫度：32℃

實驗組1不加入納米銅，為對照組、實驗組2加入了25g納米銅（質量分數為0.2%）、實驗組3加入了50g納米銅（質量分數為0.4%）、實驗組4加入了75g納米銅（質量分數為0.6%）、實驗組5加入了100g納米銅（質量分數為0.8%）。對照組的導熱介質為水，實驗組是加了納米銅的導熱介質。

Cu納米流體與水導熱性能測定實驗數據整理表

在恒溫加熱器的作用下，同一溫度熱源水箱中的水流經冷卻器之后，由于冷卻介質的不同，冷卻效果不一樣。冷卻器進出口的工業溫度計的溫差來反映了冷卻效果的好壞。從實驗數據的表格中可以看出，在液體中添加納米粒子增大了液體的導熱系數，Cu水納米流體具有更好的導熱性能，Cu水納米流體實驗組經過冷卻器后進出口溫度計的溫差更大，即冷卻效率更高。例如，在水中添加了75g的納米銅之后（0.6%納米銅質量分數）與對照組相比，效率提高了。

3.2 質量分數對納米流體導熱系數的影響

圖2展示了Cu-水納米流體實驗溫差隨質量分數的變化。從實驗折線圖中發現，加入納米銅之后流體的導熱系數并不是隨著納米銅質量分數的增加而一直增加。

由圖2可以發現，納米銅水流體在質量分數為0.6%時，導熱效率最佳，提升最為明顯。而質量分數為0.8%的納米流體相對導熱效率較小。可能是因為納米粒子的質量分數過高，導致納米流體的黏度過大，在流速比較低的情況下，導熱效率受限。并且在0.8%濃度下，納米顆粒相對于低濃度的納米流體，更易發生沉淀現象，會有部分納米顆粒沉積到水箱底部。

4 結束語

本實驗中，通過利用水，不同濃度的Cu-水納米流體對比了納米流體的導熱效率。實驗中可能存在一定的誤差，由于小泵浦持續的運行，電能轉為電能和熱能。小泵浦發熱影響到水箱中水的溫度，從而影響溫度計的示數。

經過此次實驗，證明了Cu水納米流體較水而言的確有更好的導熱性能，但在實驗過程中，也發現存在兩個問題。

（1）冷媒在冷凍循環系統中，冷媒應只有物理變化，而無化學變化，不起分解作用。但是Cu水納米流體的化學性質不穩定，納米銅遇氧易氧化。

（2）Cu水納米流體的分散穩定性能。由于實驗時，整個系統并不是完全封閉的，并且系統中的所有的納米銅不是一直在流動的，納米膠體是含有固體粒子的多相體系，存在界面能作用[3]，因而是熱力學不穩定體系；粒子間有相互團聚而降低其界面能作用，因而是熱力學不穩定體系。實驗中發現隨著實驗時間的增加，會有部分的納米銅聚集，沉積在角落。

納米銅的確能提高導熱效率，在大型空調設備中有應用的潛力，但在實際方面運用方面，需進一步驗證。

參考文獻

[1]宣益民，李強.納米流體強化換熱研究[J].工程熱物理學報，

2000，21（4）：466-470.

[2]冷媒水和冷卻系統[EB/OL].互聯網，2012-2-10.

[3]林 ，方利國.納米流體強化換熱技術及其應用新進展[J].化工進展，2008（4）：488-494.