納米流體在水平直管內的對流換熱實驗

于廣濱 毛漢成 陳巨輝 高德軍

摘 要：準備了4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體。首先將納米顆粒與乙二醇液體（50%乙二醇和50%水混合液）直接混合，然后在其添加分散劑，經過超聲波振蕩和機械攪拌制備了納米流體。最后再將其注入到實驗循環系統當中，進行換熱特性的實驗測量。結果表明：納米流體與基液相比其換熱效果更加明顯，其換熱系數伴隨著納米流體質量分數的增加而增大。而當以納米流體為冷卻介質時，納米流體質量分數越大其泵功的損失也就越大，而且當納米流體質量分數小于0.50%時其換熱效果的提高并不明顯。當CuO-乙二醇納米流體體積分數為0.50%時，壓降提高了8.23%而換熱系數提高了23.18%，其綜合效益最好。

關鍵詞：納米流體；分散劑；換熱系數；水平直管

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.019

中圖分類號： TB383

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）02-0108-06

Abstract：Four different concentrations of CuO-ethylene glycol nanoparticles were prepared. The first is the nanoparticles with ethylene glycol liquid （50% ethylene glycol and 50% water mixture）is directly mixed， and then on the dispersing agent after ultrasonic vibration and mechanical stirring to prepare nanofluid. Finally， the nanofluid is injected into the experimental cycle system， and the experimental measurement of the heat transfer characteristics is carried out. The results show that the heat transfer effect is more obvious than that of the base fluid， and the heat transfer coefficient increases with the increase of the mass fraction of the nanofluid. When the nanofluid is cooling medium， the greater the mass fraction of nanofluid pump power loss is bigger， and when the mass fraction of nanofluid is less than 0.50% .the heat transfer effect is not obvious. When the volume fraction of CuO-glycol nanofluid is 0.50%， the pressure drop increased 8.23% and the heat transfer coefficient increases by 23.18%， its comprehensive benefit is best.

Keywords：nanofluid； dispersing agent ； heat transfer coefficient； horizontal straight pipe

0 引 言

隨著熱力學和技術的發展，在冶金、能源、運輸、微電子、車輛、航天器熱控制、制造業中、對換熱系統[1]的效率提出了更高的要求。提高液體換熱效率的一種有效方法[2]是在基液中添加金屬、非金屬或聚合物固體顆粒。由于固體粒子的導熱系數相比于液體有明顯的提升，所以這種添加了固體粒子的導熱系數比純水液體大許多。由于大量研究人員的不斷探索，納米流體的傳熱冷卻技術在1995年由美國Argonne國家實驗室的Choi和Eastman [3]首次提出。納米流體是指把金屬或非金屬納米顆粒分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，使其成為均勻穩定新型換熱介質。

在過去的幾年里納米流體作為一種新型的換熱流體已被大量的科研人員廣泛的研究[4-6]。在汽車發動機冷卻系統內納米流體有著大量的研究和報告[7-9]。2002年，李強等[10]研究了Cu-水納米流體的對路換熱特性，研究表明通過比較納米流體對流換熱實驗關聯式的計算結果與實驗數據，關聯式準確地描述了納米流體對流換熱過程，可以用來計算納米流體的對流換熱系數。2005年，李強等[11]將Cu-水納米流體應用到航天器熱控系統中。并發現航天用納米流體的流動阻力系數稍有增加，納米流體的流動阻力系數不隨著納米粒子的體積份額而變化。熊建國等[12]的平板熱管微槽道傳熱面上納米流體沸騰換熱特性發現了沸騰換熱系數和CHF（臨界熱通量）隨濃度曾加而緩慢曾加。1998年Pak和Cho[13]研究了γ-Al2O3-水和TiO2納米流體在管內湍流狀態下的對流換熱特性，發現當納米顆粒的體積分數為3%時，納米流體的傳熱系數相比與純水減小了12%。2006年，Lee將Al2O3-水和Cu-水納米流體應用到微通道散熱器中[14]。 Y. Abbassi等[15]將TiO2-水納米流體在垂直管內進行了換熱實驗；發現該納米流體的傳熱不依賴于壓力和入口溫度。還有大量的實驗及相關研究[16-19]也證明了納米流體的傳熱性能相比與純水、醇，油有更顯著的效果。

雖然目前研究較多，但其實驗的裝置設計和需要改進的地方還有許多，本文通過不同的角度以及改進的實驗裝置來闡述CuO-乙二醇納米流體相比與傳統的冷卻液的優勢。直觀的揭示納米流體強化傳熱機理具有的重要意義。

1 納米流體的參數及傳熱原理

1.1 納米流體參數分析

為了獲得其傳熱參數，納米流體特性例如密度、比熱、粘度和導熱系數應該使用相應的計算公式。

2 鍵合圖模型方程推導

2.1 納米流體的制備

納米流體的制備即使將納米顆粒與基液混合而形成均勻穩定的溶液。由于大量研究人員對納米流體的制備不斷總結，一般在制備納米流體時具有兩種方式，分別是“一步法”和“二步法”。“一步法”指的直接將剛制備好的納米顆粒將其加入到液體當中并添加分散劑。但是這種方法具有很多缺點，比如對于設備要求高，產量小、因此很難達到工業生產。“二步法”就是實驗通常所用的方法，將事先準備好的納米顆粒加入到基液中，通過添加分散劑超聲波振蕩將其均勻的分散到基液中使其形成穩定的納米流體。制備流程如圖1所示。

在此次的實驗中所使用“二步法”配制Cu-乙二醇納米流體其體積分數為（0.25%、0.5%、0.8%、1.2%）。測出一定量的Cu納米顆粒添加到乙二醇基液中，攪拌時間為60min，然后使用超聲波震動裝置進行60min的振蕩得到Cu-乙二醇納米流體。靜放置一段時間后觀察沒有出現渾濁的現象開始使用。

2.2 實驗步驟

將準備好的50～60nm氧化銅納米顆粒，制備出不同濃度的乙二醇-氧化銅納米流體，添加到實驗當中。在分析實驗數據前應有5步：

1）檢查實驗裝置的氣密性。

2）用“二步法”去制備納米流體。先將所測取一定量的納米顆粒溶解在乙二醇-水溶液中，并機械攪拌120min，然后利用超聲波振蕩150min，目的促進其形成均勻穩定的納米流體與此同時在納米所溶入的液體中，最后加入適量的十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）使其均勻穩定性保持長久。通過觀察加入不同體質量分數SDBS的納米流體穩定性，可得知，分散劑適量對促使納米流體均勻穩定起到及其重要的效果，當分散劑的所加入的份額與所制備的納米流體的濃度數接近時，納米流體的穩定效果最佳。

3）將已制備好的納米流體注入到實驗循環裝置當中，先設置一定的入口流速，再利用加熱裝置對紫銅管加熱，然后觀察入口、出口和管壁溫度，當其均已穩定時，再利用溫度傳感器對其進行數據采集。重復上述過程，以測出不同濃度下的納米流體的實驗數據。

4）安裝試驗段的2個精度為1℃和1個精度為0.1℃熱電傳感器分別測量管壁與流體溫度，并且在其上方安裝數字微壓計測量進出口的壓差。

5）對所采集到的數據進行分析。

2.3 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，實驗裝置有3個閉合回路循環裝置。

制備好的納米流體由透明的有機玻璃制成的儲液罐（大約5L）儲存，并裝有精度為1℃的傳感器，流量計記錄著納米流體管中的流速，旁路可用來排液。實驗段是用長度為1500mm，外徑為15mm，內徑為10mm的紫銅管，紫銅管由直徑為50mm套管套住在紫銅管與套筒之間充滿乙二醇液體，最外面包裹硅酸鋁保溫材料和玻璃絲膠帶并且兩端由法蘭盤將其固定且中間加有石棉網，起到絕緣和保溫作用。實驗段中間部分安裝2個精度為1℃熱電傳感器測量管壁的溫度和1個精度為0.1℃的熱電傳感器測量流體的溫度，并且在其上方安裝數字微壓計測量進出口的壓差。通過調節閥來控制液體的流速。第1個循環系統由儲液罐和實驗段組成利用該系統可測量出納米流體的換熱系數；第2個循環系統為熱交換器和冷卻箱，主要作用是用來冷卻被加熱的納米流體使其回到常溫；第3個循環系統為加熱裝置與實驗段，主要作用是給套筒與紫銅管之間的乙二醇加熱使紫銅管壁溫度基本達到恒溫，且在實驗段入口處和出口處各安裝1個精度為0.1℃的熱電傳感器以便測量其進出口溫差。根據雷諾數計算公式，得出當納米流體剛進入紫銅管內時流體狀態比較劇烈為湍流，在進入管內一段時間過后流體狀態比較穩定為層流，在管出口處流動狀態又比較劇烈為湍流。

2.4 實驗系統準確性的校核

為了保證實驗系統的準確性，先測量了在純水下的換熱系數。并且得到的實驗數據與Seider-Tate[20]公式進行比較。

實驗數據與公式中的曲線基本吻合，說明實驗的準確性比較精確。

2.5 實驗不確定度分析

對于一個有價值的測量結果必須進行評價，因此在進行實驗測量時實驗系統的不確定度分析就必不可少的。實驗不確定度的的含義是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度，它是被測量真值在某一范圍內的一個評定。

“不能確定的程度”是通過“量值范圍”和“置信概率”來表達的。如果不確定度為σ，根據它的含義，則表示誤差將以一定的概念被包含在量值范圍（-σ～+σ）之中，或者表示測量值的真值以一定的概率落在量值范圍（-σ）～（+σ）之中。顯然不確定度的范圍是反映了實驗數據與真值之間的靠近程度。不確定度愈小，實驗數據與真實值越靠近，其可靠的程度就越高，即測量的質量越高，其使用價值就越好。本文實驗所測的數據的不確定度分為兩類，直接測量的不確定度和間接測量的不確定度。

直接測量的不確定度：對一組直接得到的實驗數據如本實驗中數據中溫度（測量其數據的次數），剔除差別與其他數據較大差異的溫度，所剩實驗數據Tj，其不確定度Nj可表示為

由上述公式，可得實驗參數的不確定如表1所示。

3 實驗結果與討論

這一節我們將討論不同的質量分數的納米流體，不同的雷諾數與換熱系數的關系曲線。不同質量分數的納米流體，在管內軸向不同位置處于換熱系數的曲線。不同質量分數的納米流體，不同位置處于銅管的溫度曲線。不同雷諾數（Re=ρvd/μ）與不同質量分數的納米流體，在相同位置處紫銅管的溫度關系曲線。不同雷諾數下的不同體積分數納米流體的端口壓降變化。

雷諾數與換熱系數的曲線關系如圖4所示。