三維石墨烯納米流體傳熱性能的實驗研究

梅倩，蒙小聰，楊旭，鄧偉，莫春蘭

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

材料工程

三維石墨烯納米流體傳熱性能的實驗研究

梅倩1，蒙小聰2，楊旭1，鄧偉1，莫春蘭1

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

以SX-LY型號汽車散熱器為實驗載體，在50%乙二醇水溶液中摻入0.025wt%、0.1wt%質量比的三維多級孔石墨烯納米粒子配置成混合納米流體，通過實驗研究新型納米冷卻液對汽車散熱器冷卻性能的影響。結果表明：添加三維石墨烯納米粒子能極大提高基液的傳熱性能，且隨著納米粒子質量濃度的升高，流體傳熱特性加強；入口溫度、流速也影響著冷卻液傳熱性能，隨著入口溫度、流速的升高，換熱量與傳熱系數均增大。

散熱器；三維多級孔石墨烯；納米流體；傳熱性能

優質冷卻液不但要滿足導熱傳熱效果優異，還需滿足無毒無害，抗沸抗凍，防蝕防垢等性能要求。納米流體已被成功地應用于熱傳遞：加強建筑加熱和冷卻系統，余熱回收等等[1]。通過大量的實驗證明，即使在納米顆粒物濃度極低的情況下，這些新的液體相比于基液也顯示出更好的傳熱性能。沈培康教授發明了離子交換樹脂一步法批量制備三維多級孔石墨烯材料，此方法合成的石墨烯材料具有其它碳材料包括商用石墨烯不具備的性質，如高比表面積、高導電性、自摻雜、多級孔結構[2]。研究其傳熱性能，對改善發動機高效化、緊湊化、輕型化具有重要意義。故本文以石墨烯三維構造粉體為主要材料，以質量分數0.025wt%、0.1wt%分別添加到乙二醇分析純，形成一種新型納米冷卻液。通過實驗研究這種新型納米冷卻液在汽車散熱器中的傳熱特性。

1 三維石墨烯納米流體制備

本文中研究的納米流體是用兩步法制成的，即將制備好的納米粒子分散到目標基液。實驗所用到的三維多級孔石墨烯主要由三維石墨烯，碳納米管組成，含有極少量雜質，具體性能在表1中給出。由于石墨烯不溶于乙二醇水溶液，所以在制備納米流體的過程中通過添加SDS（十二烷基磺酸鈉）作為顆粒表面活性劑，增強納米流體的穩定性。首先，將納米顆粒與基液混合，再按照納米顆粒與分散劑質量比為1∶5的比例將SDS添加到混合液中，持續攪拌2 h后消除流體中的任何結塊，然后進行2 h的超聲波震蕩，保持粒子在基液中處于完好的懸浮狀態。

表1 三維構造石墨烯納米顆粒的性能

2 實驗裝置和方法

實驗裝置中包含汽車散熱器、水泵、流量計、加熱器、水箱、散熱器風扇、溫度控制器以及溫度測量儀，圖1為實驗原理結構示意圖。其中散熱器型號規格如表2所示，水泵采用的是自吸泵，出水流量范圍為5~40 LPM，流量計型號為LZT-25G，測量范圍5 ~35 LPM.加熱器用于對樣品的加熱并保溫，風扇以轉速1 000 r/min穩定運行，用于散熱器的冷卻降溫。溫度控制器用來觀察并控制加熱器對冷卻液的加熱情況。溫度傳感器采用的是熱電偶式傳感器，精度達到±0.1℃.整個實驗在室內進行，實驗環境由溫濕度計實時監測，實驗過程中保證環境恒定。此外，實驗裝置中用的管道均為隔熱管。

實際發動機冷卻液大循環出口溫度為85~90℃左右，由于本實驗條件的限制，當冷卻液加熱到60℃以上時，難以保證其溫度恒定，故本文只研究40 ~55℃時的納米流體的傳熱性能，以此來說明添加三維石墨烯納米材料對基礎液體的傳熱系數是否有提高這一效果。

圖1 實驗原理結構示意圖

表2 散熱器規格型號

3 數據處理及結果分析

根據牛頓冷卻定律：

式中，Q表示傳熱量；h表示納米流體的傳熱系數；A表示散熱器管道換熱表面積；Tb、Ts分別表示納米流體的平均溫度和壁面平均溫度，由下面兩個計算式求得：

式中，Tin、Tout分別表示納米流體的入口溫度、出口溫度；Tw1、Tw2為散熱器壁面兩處溫度（見圖1），該四個參數均可由溫度測量儀測得。

同時，換熱量還可以由另一公式求得：

式中，表示納米流體的質量流量。

聯合式（1）~（4），即可計算其在散熱器中的冷卻性能參數如傳熱系數h：

為了確保該實驗數據的有效性，選用純水作為預試驗工質，對實驗裝置進行可靠性和穩定性驗證，將試驗測得的努塞爾數與理論努塞爾數[3]作比對，如圖2所示。可見試驗結果與理論公式的計算結果基本吻合，純水在流速為16 LPM時（Re=55 000），最大誤差為4.26%.經過反復多次預實驗，實驗結果依然穩定，說明該裝置穩定可靠。

圖2 理論努塞爾數與實驗結果對比

圖3 為純基液及兩種不同質量分數三維石墨烯納米流體冷卻液出口溫度隨流速的變化情況。可以看出，隨著流速增大，出口溫度升高；納米冷卻液出口溫度均低于純基液的出口溫度，且隨著石墨烯質量分數的增加，出口溫度急劇下降。這是因為，增加流速，散熱器的傳熱時間即散熱片管道表面與周圍空氣的傳熱時間縮短，導致出口溫度升高。含有納米顆粒物的冷卻液相比于純基液，由于導熱系數的增加，從而可以更快的傳熱，減小壁面溫度與納米流體的溫度差。從圖3還可以看出，提高冷卻液的入口溫度，冷卻液經過散熱器后平均出口溫度也隨之升高。

圖3 不同入口溫度時汽車散熱器出口溫度隨流速的變化

圖4 給出了不同質量分數石墨烯納米流體與純基液的傳熱系數隨流速的變化關系。很明顯的觀察到添加石墨烯納米粒子對冷卻液的傳熱系數的影響大大地超過導熱系數。隨著流速的增加，傳熱系數增大。在入口溫度為45℃和流速為14 LPM時，傳熱系數相比于6 LPM增加最大達75%.傳熱系數是一個宏觀的參數，可以用一個近似的公式表示，其中指熱邊界層厚度[4]。由于本實驗在基液中添加石墨烯的量極少，配制的石墨烯納米流體導熱系數與純基液相對增幅不大，對提高納米流體傳熱系數的貢獻值較小，所以傳熱系數增大的最主要原因可以歸結于熱邊界層厚度的降低。通過添加石墨烯納米粒子，散熱片管道內流體運動時剪切力作用加強，粘度梯度減小，使得熱邊界層厚度減小；同時由于納米顆粒的加入，液體之間的換熱表面積也增大，散熱更快，使得傳熱性能更好。

圖4 不同入口溫度下流量和石墨烯質量分數對傳熱系數的影響

圖5 顯示了不同入口溫度對納米冷卻液傳熱系數的影響。隨著入口溫度的升高，傳熱系數增大；石墨烯質量分數為0.1wt%時，傳熱系數隨入口溫度增加的幅度更大。這是因為，溫度升高，導熱系數增大，液體粘度減小和雷諾數增加，導致散熱片管道內湍流狀態更明顯，更加有利于熱量傳遞；同時，由于溫度的提升，冷卻液中納米顆粒的布朗運動更加劇烈，使得納米流體的傳熱性能加強。在55℃時，純乙二醇水溶液、0.025wt%、0.1wt%的納米流體的傳熱系數相比于40℃時分別提高了18.3%、13.8%、37.3%.由于納米流體均有較高的沸點，且其傳熱系數隨溫度升高而增大，故納米流體冷卻液更適用于高溫工況。

圖5 入口溫度和石墨烯質量分數對納米冷卻液傳熱系數的影響

4 結束語

本文通過實驗研究了石墨烯-50%乙二醇水溶液納米流體在汽車散熱器中的傳熱性能，分析之后得到以下結論：

（1）向乙二醇水溶液中添加三維多級孔石墨烯納米顆粒能有效提高冷卻液的傳熱性能。石墨烯質量分數為0.1wt%時，最大傳熱系數達12 173 W/m2K，比純基液提高了29%.

（2）隨著流體的初始溫度升高，流體的導熱系數、比熱均增大且粘度減小，使得傳熱系數大幅度提高。12 LPM下，55℃的0.025wt%、0.1wt%石墨烯乙二醇納米流體的傳熱系數比40℃時分別提高了13.8%、37.3%.對于高溫工況，納米流體有更好的應用前景。

（3）增大流體的流量能明顯提高冷卻液傳熱系數，14 LPM時石墨烯納米流體傳熱系數比6 LPM時提高了24.1%.

（4）相比于基液，納米流體對傳熱系數的大幅度提高，使納米流體作為汽車散熱器的冷卻液的應用前景十分可觀。相同散熱量的情況下，傳熱系數的提高，使得發動機冷卻系統高效化、緊湊化、輕型化指日可待。

[1]趙聰穎，閆素英，田瑞，等.SiO2納米流體在太陽能集熱管中的傳熱特性[J].農業工程學報，2014，30（20）：236-243.

[2]張勤偉，李運勇，沈培康.三維多級孔類石墨烯載三氧化二鐵鋰離子電池負極材料[J].電化學，2015，21（1）：66-71.

[3]Dittus F W，Boelter L M K.Heat transfer in automobile radi ator of the tubular type[J].International Communications in Heat&Mass Transfer，1985，12（1）：3-22.

[4]Ding Y，Alias H，Wen D，et al.Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes（CNT nanofluids）[J].Inter national Journal of Heat&Mass Transfer，2006，49（1-2）：240-250.

Experimental Study of Three-dimensional Graphene Nanofluid Heat Transfer Performance

MEI Qian1，MENG Xiao-cong2，YANG Xu1，DENG Wei1，MO Chun-lan1
（1.College of Mechanical Engineering，Nanning Guangxi 530004；2.China Guangxi Yuchai Machinery Limited by Share Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005）

Based on SX-LY type automobile radiator as the experimental carrier，The three-dimensional hierarchical porous graphene nanoparticles with the mass fraction of 0.025wt%，0.1wt%were added to 50%ethylene glycol aqueous solution，which formedmixed nanofluid.The effect of the new type of nano cooling liquidon the cooling performance of automobile radiator was studied through experimental.The results showed that the addition of three-dimensional graphene nanoparticles can greatly improve the heat transfer performance of the base fluid.And with the increase of mass concentration of nanoparticles，the fluid heat transfer characteristics of graphene strengthen；Entrance temperature and velocity also affect the heat transfer performance of the cooling liquid，with the increase of the entrance temperature，flow rate，the heat transfer and heat transfer coefficient increased.

radiator；three-dimensional graphene；nanofluid；heat transfer performance

TK124

A

1672-545X（2017）06-0208-03

2017-03-29

廣西科學研究與技術開發計劃（桂科攻1598007-44，桂科攻1598007-45）；廣西自然科學基金資助項目（2014GXNSF GA118005）

梅倩（1992-），女，湖北黃岡人，碩士生，研究方向：發動機冷卻性能研究；莫春蘭（1975-），女，廣西貴港人，副教授，博士；研究方向：內燃機熱管理。