石墨烯納米冷卻液在汽車散熱器中冷卻性能的實驗

楊 旭，田 宇，鄧 偉

（1.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 物理學院，廣西 南寧 530004）

當今社會的發展能源所起的作用日益明顯，對能源的高效利用和對傳統能源的迭代升級已經成為了時代進步不可回避的一個主題。由于工業工藝和經濟效益的影響，對冷卻裝置的結構改進已經進入一個較為成熟的階段，因此尋求熱物性更好的新型冷卻液成為了一種較為合理有效的改進發動機冷卻性能的手段。納米流體這個概念第一次由美國人Choi[1]在1995年提出。相對于毫米和微米級別粒子的流體，納米流體呈現出更好的穩定性，更高的熱導率，在實驗中產生的壓降也更小[2]。本文正是以此思路配置了新型納米粒子冷卻液進行實驗，以期得到更好傳熱性能的穩定冷卻液，從而為發動機輕量化提供一種可能。

1 石墨烯納米冷卻液的制備

常用的制備納米流體方法為一步法和兩步法。兩步法第一道工序是制作納米粒子，第二道工序是利用超聲波震蕩、高速攪拌等方法將粒子粉末分散進入基液中。相比于一步法，制備的粒子有較小的體積和較大的表面積[3]，因此本文采用了兩步法來制備溶液。

配置溶液時，先將配置一定重量的50%乙二醇-水溶液作為基液，然后用電子天平稱出定量的石墨烯粉末加入基液中。添加了十二烷基硫酸鈉（SDS）作為表面活性劑來增加溶液的穩定性，納米顆粒與分散劑的質量比為1∶1.同時添加了少量型號為DA-10的水性快速消泡劑。用分散機以2 000 r/min的高速進行快速攪拌半個小時，然后用超聲波振蕩儀進行一個小時的超聲波震蕩。實驗用溶液均以此法配制，納米顆粒質量分數為 0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%和0.4wt%.

2 實驗裝置和方法

本文所采用的實驗裝置可以分為試驗臺架（循環泵、水箱、流量計、散熱器）、溫度記錄裝置（熱電偶、數據采集卡、數據記錄系統等）、一些配制溶液的準備和輔助裝置及材料（電子天平、分散機、超聲波振蕩儀等）。實驗裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

實驗步驟為（1）配置溶液：將配好的50%乙二醇-水溶液加入用電子天平稱量好的石墨烯粉末和分散劑粉末，滴入少量消泡劑，用分散機將溶液高速攪拌半小時，放入超聲波振蕩儀震蕩一小時，分批存入桶中備用；（2）加熱溶液：將溶液倒入水箱中，利用加熱電阻進行加熱接近所需的入口溫度，打開水泵、風扇，再加熱狀態下調節加熱電阻數量和功率直至管路內循環的溶液能在較長時間內保持所需入口溫度；（3）記錄數據：利用溫度記錄裝置記錄不同特定入口溫度下壁面、出口溫度，從流量計中記錄流量和壓降，再換下一個流量重復進行實驗；（4）重復試驗：確保實驗數據穩定在誤差不大的范圍，多組數據取其平均值。

3 數據處理及結果分析

依據牛頓冷卻定律：

式中，Q代表溶液的傳熱量；A代表換熱器上一根管道的換熱表面積；Tb代表納米粒子冷卻液的平均溫度；Tw代表換熱器壁面的平均溫度。可由下面兩個計算式求得：

傳熱量還可以由定義式得到

式中，m˙代表實驗時通過換熱器的質量流量；Tin代表換熱器進口處流體的溫度；Tout代表換熱器出口處流體的溫度；Cp代表溶液的比熱容。

由于公式（1）和（4）中的傳熱量Q相同可以得到

為了驗證實驗裝置的準確性，用50%的乙二醇溶液，在流量0.6～1.2 m2/h、入口溫度75℃的條件下進行實驗，得到流動管道中溶液的各項數據，利用經驗公式和定義式計算出的數值進行對比如圖2.

圖2 實驗與經驗公式努塞爾數對比

實驗數據與其他學者得到的經驗公式基本吻合，50%乙二醇溶液在0.96的流量下誤差最大達到13.8%，經過多次實驗結果較為穩定，說明實驗裝置有較好的可靠性。

圖3展示了85℃時流速對石墨烯納米流體傳熱系數的影響。需要說明的是由于管徑不變，流量增加流速也相應增加，流量與流速呈線性關系，表達的趨勢相同，所以為了方便做圖橫坐標均采用了流量。

圖3 流速對石墨烯納米流體傳熱系數的影響

如圖中所示流量變大，即納米粒子流體的流速加快，對流換熱系數增大。也可由公式（5）得知隨著流量的變化和對流換熱系數成正相關。隨著流量從0.6 m3/h到1.2 m3/h逐漸增大，在入口溫度85℃的狀態下0.1 wt%的納米粒子溶液對流換熱系數比基液提高了7.2%～14.3%，流量越大提升的幅度也相應的越大。在此溫度下隨著石墨烯濃度由0.1 wt%增大到0.4wt%，對流換熱系數增加的幅度略小于各個濃度對純基液的提高幅度，為4%～9.2%，且增大的幅度隨著流量的增加也越來越大。

圖4顯示了石墨烯質量分數在不同流速、入口溫度的試驗中對對流換熱系數的影響。在入口溫度75℃時，所有流量下對流換熱系數均隨著石墨烯納米粒子濃度的增大而增大。質量濃度0.1wt%溶液的對流換熱系數在0.6～1.2 m3/h的流量變化中，相對基液的對流換熱系數增加了6%～13%.而開始添加入石墨烯納米粒子后，每增加0.1wt%粒子濃度所帶來的傳熱系數增大收益開始變小，比如質量分數0.4wt%的溶液相比0.3wt%的溶液對流傳熱系數的增幅為4.6%～11%.

圖4 粒子質量分數對溶液傳熱系數的影響

圖5比較了流量1.2 m3/h時，對流換熱系數在不同石墨烯納米粒子濃度和不同入口溫度條件下的大小變化。在不同流速下，隨著入口溫度的增大，換熱系數均相應變大。例如在流量1.2 m3/h、粒子質量分數0.1 wt%時，隨著入口溫度的增大傳熱系數相應的增大。80℃相比75℃以及85℃相比80℃，對流傳熱系數分別增加了9%和8.2%，且變化近似成線性關系。在75℃、80℃和85℃條件下，0.1wt%的溶液相比于基液分別提升了11%、16%、24%，說明在高溫條件下，石墨烯粒子對溶液對流換熱系數的提升更大。

圖5 入口溫度對溶液傳熱系數的影響

4 結束語

本文通過實驗研究了不同粒子濃度的石墨烯-50%乙二醇水溶液納米流體在汽車散熱器中的傳熱性能，得到以下結論：

（1）向基液中添加石墨烯納米顆粒能提高冷卻液的傳熱性能。例如在75℃、石墨烯質量分數為0.1wt%、管內流量1.2 m3/h時，溶液的傳熱系數比純基液提高了13%；

（2）隨著溫度升高，溶液的傳熱系數也相應提高。例如1.2 m3/h、粒子質量分數0.1wt%時，85℃納米粒子溶液的傳熱系數比80℃時提高了8.2%.另外溫度越高石墨烯粒子的加入對溶液傳熱性能的提升越大；

（3）隨著流量增大，溶液的對流傳熱系數增大。例如在85℃、0.1wt%的條件下，流量1.2 m3/h溶液的對流傳熱系數比0.6 m3/h提高了14.3%.