多壁碳納米管-水納米流體導熱機理及重力熱管實驗研究

吳晗，楊峻

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多壁碳納米管-水納米流體導熱機理及重力熱管實驗研究

吳晗，楊峻

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京211816）

在考慮了納米層的情況下對原有的Xue導熱模型進行改進，研究多壁碳納米管-水納米流體的熱傳導性能，推導出納米流體導熱公式并將納米流體運用到碳鋼重力熱管中，在不同質量分數下對單管傳熱進行實驗研究。結果表明納米層的存在提高了有效熱導率；在相同條件下質量分數2%的多壁碳納米管-水納米流體重力熱管傳熱性能最好，傳熱系數比普通水重力熱管最大提高了40%。

納米粒子；納米流體；熱傳導；重力熱管；傳熱

引 言

納米流體[1]作為一種新型高導熱介質而得到廣泛應用。納米流體的較高的導熱能力引起研究者的關注并從不同角度探究導熱機理，截至目前研究角度主要為懸浮液的特性[2-4]、納米顆粒布朗運動[5-7]、納米顆粒的團聚[8-9]、納米層[10-12]等，由于納米流體的導熱機理復雜，對其研究者眾多，到目前還沒有確切結論。近些年將納米流體運用于熱管傳熱也成為研究方向之一，其中重力熱管由于制造方便、成本低廉、傳熱良好等優點被廣泛應用于余熱回收[13]、空調制冷[14]、電子散熱[15]等傳熱設備中，且通過在重力熱管中添加納米顆粒，有顯著發現。郭廣亮等[16]使用多壁碳納米管-水納米流體代替水后，熱管臨界熱通量比原來最大提高了120%。宮玉英等[17]使用SiO2-水納米流體改進水重力熱管，發現改進后的熱管傳熱性能比普通水重力熱管提高了1.35～1.70倍。Noie等[18]使用Al2O3-水納米流體在體積濃度為1%～3%時研究重力熱管傳熱性能，發現納米流體重力熱管相對于普通水重力熱管管壁溫度分布更加均勻，傳熱效率提高了14.7%。納米顆粒的加入一定程度上提高了熱管傳熱性能，效果可觀。然而目前將納米流體應用于重力熱管研究報道相對較少，此方面仍處于初級階段[19]。

納米顆粒一般有金屬粒子、氧化物粒子、碳化物粒子、多壁碳納米管等，其中多壁碳納米管由于優越的力學、電學和化學性能及較高的導熱能力而比其他納米顆粒具有更大的強化傳熱潛力[20-21]。

本文選取多壁碳納米管為研究對象，水為基液，模型簡化之后從納米層的角度研究納米流體導熱機理，并運用到重力熱管中進行單管傳熱性能實驗研究，掌握換熱規律，為余熱回收及其應用提供技術支持。

1 納米流體導熱研究

1.1 模型建立和公式推導

考慮到多壁碳納米管的形狀和納米層的存在，為研究方便將多壁碳納米管簡化為半徑p、高度為的細長圓柱，納米層為包裹在圓柱體外的同心圓柱，納米層厚度為（圖1），忽略各壁面間影響。

根據Xue[22]導熱模型，在不考慮納米層時納米流體有效熱導率為

由于納米層的存在引起體積分數和固相熱導率的變化，使用等效體積分數e和等效固相熱導率pe分別代替和p。

等效體積分數e的計算

式中，為單位體積的顆粒數目；=1+/p。

為計算等效固相熱導率pe，作出如下假設：

①納米流體的濃度比較低，顆粒相互之間的作用效果忽略不計；

②溫度場連續；

③溫度場滿足拉普拉斯方程。

為方便求解建立二維平面的柱坐標系，平面任意一點的坐標為(,)，假設溫度場方向如圖2所示。

平面上點溫度的拉普拉斯方程為

利用(,)=(, ?)，(,)=(,+2π)得出該拉普拉斯方程溫度方程的通解為：

當0≤

p=cos(4)

當p≤

其中，、、為常數，在納米層和納米顆粒交界處溫度和熱通量分別對應相等，則

(6)

聯立式(4)～式(7)求得

(8)

將式(8)、式(9)代入到式(4)、式(5)中求出溫度沿方向上的溫度梯度

(10)

式(11)中取同心圓環平均直徑，即

(12)

由熱導率定義得出

式中，〈q〉、〈〉分別為平均熱通量和平均溫度梯度，φ為納米層的體積分數，由式(2)推出φ=(2?1)，將式(10)、式(12)代入式(13)推出

(14)

其中=1，1=+1，2=?1。

對于納米層熱導率的計算，假設納米層隨著半徑呈線性變化，利用等效熱阻法求出k

當考慮納米層存在有效熱導率為

(16)

1.2 分析討論

經研究發現納米層厚度約為1 nm[23-25]，在此基礎上研究納米層對有效熱導率的影響。

影響多壁碳納米管導熱的因素較多，研究計算方法也有很多種[26-29]，本研究在室溫=300 K情況下進行討論，根據研究結果[27]選取p=3000 W·m-1·K-1，f=0.6 W·m?1·K?1，并做出在不同半徑和體積分數下有效熱導率和基液的比值曲線，并和原Xue模型結果對比（圖3）。

由圖3可知改進后的模型增加了有效熱導率，有效熱導率和體積分數大致呈線性關系，多壁碳納米管半徑越小有效熱導率越大，圖中有效熱導率比Xue模型增加了0.3%～5%，由此可知納米層的存在對納米流體導熱性能提高有重要影響。

2 重力熱管傳熱實驗

將多壁碳納米管-水納米流體運用于重力熱管實驗，在一定充液量下研究不同的質量分數的多壁碳納米管-水納米流體重力熱管傳熱性能并和普通水重力熱管對比，得出最佳濃度配比。

2.1 實驗裝置和方法

實驗裝置如圖4所示，重力熱管采用碳鋼制成，外徑25 mm，壁厚2.5 mm，蒸發段、絕熱段、冷凝段分別設定為500、150、600 mm，本實驗采用強制對流冷卻并在冷凝段焊接有長500 mm，外徑45 mm，壁厚2.5 mm的水套，通過冷卻水在水套內的流動來冷卻熱管。溫度測量采用T型熱電偶，其中蒸發段布置3對，絕熱段布置2對，冷凝段布置2 對。熱電偶的測量點分布如圖5所示。

1—three-phase alternating current; 2—distribution box; 3—electric heating furnace; 4—heating wire; 5—insulation; 6—insulation cotton; 7—insulation brick; 8—cooling jacket; 9—exhaust valve; 10,14—sink; 11—rotor flow meter; 12—water pump; 13—thermometer; 15—thermocouple; 16—acquisition system

納米工質使用直接購置的多壁碳納米管，具體規格見表1，分別用兩步法配制質量分數為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的納米流體，并用超聲波破碎儀振蕩3 h，熱管充液量為120 ml并采用加熱排氣法排成真空制成重力熱管，蒸發段用電爐加熱，設定爐膛溫度300℃，進出的冷卻水流量為0.2 L·min?1，為防止冷凝段空氣對流引起的散熱采用保溫棉將冷凝段包裹，同時為增強對比將一定質量分數的多壁碳納米管-水納米流體重力熱管和相同規格與充液量的水重力熱管同時放入爐膛里進行實驗，待系統穩定后分別記錄進出水的溫度和熱管管壁熱電偶讀數。

表1 多壁碳納米管規格

2.2 實驗結果分析

利用傳熱公式得出單管傳熱系數為

其中

=(o-i) (18)

=p(20)

式中，為水的比熱容；為水的質量流量；io為冷卻水進出溫度；、為蒸發段和冷凝段的平均溫度；為熱管外徑；為熱管長度。并作出不同質量分數下重力熱管壁溫分布、傳輸功率、單管傳熱系數曲線，如圖6～圖8所示。

由圖6得出在相同的條件下，多壁碳納米管-水納米流體重力熱管和水重力熱管的絕熱段和冷凝段的溫度基本相等，在蒸發段質量分數0.5%、1%、1.5%、2%的多壁碳納米管-水重力熱管平均壁溫比水重力熱管分別降低了3、8、10、12℃，質量分數2.5%的平均壁溫比水重力熱管升高了2℃；圖7中質量分數0.5%、1%、1.5%、2%多壁碳納米管-水納米流體重力熱管傳輸功率相對水重力熱管分別提高了3%～6%、6%～10%、10%～13%、12%～17%，質量分數2.5%的降低了2%～5.5%；圖8中質量分數0.5%、1%、1.5%、2%多壁碳納米管-水納米流體重力熱管傳熱系數比水重力熱管分別提高了5%～11%、20%～25%、30%～35%、35%～40%，質量分數2.5%的傳熱系數比水重力熱管降低6%～12%。本實驗單管傳熱性能=2%>=1.5%>=1%>=0.5%> 水重力熱管>=2.5%。

本實驗對一定范圍濃度的納米流體強化重力熱管傳熱進行分析，當蒸發段加熱時，熱管工質在管內液池處于核態沸騰，大量的多壁碳納米顆粒吸附在管壁上。當納米顆粒的粒徑大于液體均質成核的臨界半徑時[30]，納米顆粒促進了流體內的氣泡成核，增加了氣化并產生了密度比水大很多的氣泡，又由于布朗運動增加了擾動并迅速帶走氣泡，降低了液膜熱阻從而強化傳熱；當濃度超過一定范圍時，納米顆粒發生團聚降低了擾動程度，過高的濃度又使得流動阻力變大增加了蒸發段熱阻，從而出現傳熱系數迅速降低的現象。

3 結 論

（1）在考慮了納米層情況下，改進后的模型增加了多壁碳納米管-水納米流體的熱導率；一定體積分數下，多壁碳納米管半徑越小，有效熱導率越大。

（2）不同質量分數下的單管實驗中，多壁碳納米管質量分數0.5%、1%、1.5%、2%時的重力熱管相對水重力熱管強化了傳熱，質量分數2.5%時傳熱性能變差。

（3）質量分數2%的多壁碳納米管-水納米流體重力熱管傳熱性能最好，和普通水重力熱管相比蒸發段平均壁溫降低了12℃；傳輸功率提高了12%～17%；單管傳熱系數提高了35%～40%。

符 號 說 明

D——熱管外徑，mm H——多壁碳納米管的高度，mm h——熱管傳熱系數，W·m?2·K?1 k——熱導率，W·m?1·K?1 L——熱管長度，mm Q——熱管傳輸功率，W r——多壁碳納米管半徑，nm T——溫度，K Tw——熱管管壁溫度，℃ t——時間，h δ——納米層厚度，nm φ——納米流體體積分數 ω——納米流體質量分數 下角標 e——等效體積 eff——有效 f——基液 l——納米層 p——納米顆粒 pe——等效固相

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Thermal conduction mechanism of multi-walled carbon nanotubes-deionized water nanofluids and experimental research in gravity heat pipe

WU Han, YANG Jun

(College of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing211816, Jiangsu,China)

An improved model of thermal conduction of multi-walled carbon nanotubes– deionized water(MWCNTs-DW) nanofluids is proposed based on the Xue model by considering interfacial nanolayer, analyzingheat conduction, derivating thermal conductivity of MWCNTs-DW nanofluids and applyingMWCNTs-DW nanofluids to the research of heat transfer in gravity heat pipe. Different mass fraction of nanofluids gravity heat pipe are prepared and investigated using the nanofluid as the work liquid and the carbon steel pipe as material. The result shows that the interface nanolayer increases the effective thermal conductivity and the mass fraction of 2% is best performance under the same conditions, the heat transfer coefficient of nanofluids gravity heat pipe increases by 40% to the max than that of the base fluid water.

nanoparticles; nanofluids; heat conduction; gravity heat pipe; heat transfer

10.11949/j.issn.0438-1157.20161492

TK 124

A

0438—1157（2017）06—2315—06

楊峻。

吳晗（1992—），男，碩士研究生。

2016-10-23收到初稿，2017-02-25收到修改稿。

2016-10-23.

YANG Jun, yangjun@njtech.edu.cn