SiO₂-乙醇納米流體重力熱管傳熱性能的試驗研究

楊文斌 楊峻

摘 ? ? ?要：在Maxwell所提出的關于懸浮液導熱系數的模型的基礎上考慮了布朗運動、納米顆粒之間的團聚和固液界面液膜層內液體分子規則排列對納米流體導熱系數的影響，研究了SiO2-乙醇納米流體的熱傳導性能，推導出了納米流體導熱公式，在不同質量分數、不同充液率以及不同粒徑下對單管傳熱進行試驗研究。結果表明：改進后的模型導熱系數比原模型更大;相同粒徑和充液率的納米流體，質量分數在1.5%時傳熱效果最好;相同粒徑和濃度的納米流體，充液率32%時傳熱效果最好;相同濃度和充液率的納米流體，15～20 nm的SiO2納米流體傳熱效果更高。納米流體的傳熱系數隨著納米顆粒平均粒徑的減小而增大，這與推導的模型結果相符合。

關 ?鍵 ?詞：納米粒子;納米流體;傳熱系數;重力熱管;傳熱

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）12-2962-05

Abstract： Based on Maxwell's model of thermal conductivity of suspension， considering the effect of Brownian motion， agglomeration of nanoparticles and regular arrangement of liquid molecules in liquid film at solid-liquid interface on thermal conductivity of nanofluids，the thermal conductivity of SiO2-ethanol nanofluids was studied， and the thermal conductivity formula of nanofluids was deduced. The heat transfer of single tube was experimentally studied under different mass fraction， filling rate and particle size. The results showed that，the thermal conductivity of improved model was larger than that of the original model; When the mass fraction of nanofluids with the same particle size and filling rate was 1.5%， the heat transfer effect was the best; The heat transfer efficiency of nanofluids with the same particle size and concentration was the best when the filling rate was 32%; For nanofluids with the same concentration and filling rate， the heat transfer efficiency of SiO2 nanofluids with 15～20 nm was higher. The heat transfer coefficient of nanofluids increased with the decrease of the average particle size， which was consistent with the derived model.

Key words： Nanoparticles;Nanofluids;Gravity heat pipes;Heat transfer coefficient;Heat transfer

重力熱管因其結構簡單、成本低廉、制造方便以及傳熱性能較好、工作穩定性高的優勢，在余熱回收[1-3]、空調制冷[4-5]和電子設備散熱[6]等傳熱裝置中得到了廣泛的應用。隨著科學技術的快速發展和全球能源危機等問題的出現，傳統重力熱管的傳熱性能需要進一步提高。納米流體作為一種傳熱效率較高的介質而得到了逐步應用，1995年，美國阿貢國家實驗室的Choi等[7]首次提出了納米流體這個概念：即將平均粒徑小于100 nm 的固體顆粒物（金屬或非金屬）均勻分散到液體中（如水、乙醇）所形成的穩定的懸浮液。郭廣亮等[8]用2%的納米流體替換了傳統熱管中的水之后，蒸發段的傳熱性能有了很大程度的提升，同時臨界熱通量也增加了很大幅度。宮玉英等[9]將重力熱管中加入SiO2-水納米流體之后，熱管的傳熱性能比傳統的水重力熱管提高

了1.35～1.7倍。Noie等[10]將體積濃度為1%～3%的Al2O3-水納米流體加入到重力熱管中研究其傳熱性能，其結果表明添加了Al2O3納米顆粒的重力熱管的傳熱效率比沒加納米顆粒的重力熱管提高了14.7%，并且整個熱管的溫度分布也更加均勻。

本文考慮了納米顆粒的布朗運動、固液界面液膜層和顆粒間的團聚對納米流體導熱系數的影響，從微觀角度對納米流體傳熱系數進行了簡單的推導。同時以SiO2-乙醇納米流體為工質，研究不同粒徑、不同質量濃度以及不同充液率的SiO2-乙醇納米流體對重力熱管傳熱性能的影響，并且與乙醇重力熱管的傳熱性能進行比較。

1 ?納米流體導熱研究

1.1 ?納米流體導熱系數的理論分析

納米流體不只是基液與納米顆粒間的液固混合，即使不考慮分散劑和表面改性劑對納米流體導熱系數的影響，也不能忽略布朗運動、固液界面液膜層和顆粒間的團聚對納米流體導熱系數的影響。

1.2 ?導熱系數

1.3 ?分析討論

影響納米流體導熱系數的因數較多，研究計算方法也比較多，本研究在室溫T=300 K情況下進行討論，根據文獻[13]，取k1=5.15 W·m-2·K-1，k0=0.24 W·m-2·K-1，然后根據數據作出了不同粒徑和不同體積分數下有效導熱系數和基液導熱系數比值的曲線圖，并和原Maxwell模型進行對比（圖3）。

由圖3可知，改進后的模型導熱系數更大，有效導熱系數與體積分數幾乎呈線性關系，SiO2納米顆粒粒徑越小 ，有效導熱系數越大，從圖3中可看出，有效導熱系數比Maxwell模型增加了2.9%～23.8%。

2 ?重力熱管傳熱試驗

將SiO2-乙醇納米流體應用于重力熱管進行試驗，分別在一定的充液量和粒徑的情況下研究不同質量濃度的SiO2-乙醇納米流體重力熱管傳熱性能，并與普通的乙醇重力熱管經行對比，得出最佳的濃度配比。

2.1 ?實驗裝置和方法

實驗裝置如圖4所示，測試重力熱管傳熱性能實驗的主體部分是一根長1 250 mm、壁厚為2.5 mm，外徑為25 mm的重力熱管。其外殼材料為20號碳鋼，自上而下 分別為冷凝段、絕熱段以及蒸發段，其長度分別為600、150、500 mm。將7對熱電偶布置在重力熱管的壁面上用于測量熱管的外壁溫，其中，絕熱段和冷凝段各布置2對，蒸發段3對，如圖5為所示。在熱管的冷凝段外部連接有有一個內徑為40 mm，長度為500 mm，的夾套，在里面通入循環冷卻水用于熱管傳熱，冷卻水的流量通過轉子流量計來測量。

試驗使用了兩種粒徑的SiO2-乙醇納米流體重力熱管，納米顆粒的粒徑分別為15～20 nm和50 nm，每種粒徑分別配制成0.5%、1%、1.5%、2%的以乙醇為基液的納米流體，并且與乙醇重力熱管的傳熱性能進行對比試驗。在配制納米流體時，將納米顆粒加入一定量的乙醇中，然后通過超聲振動3 h后，獲得較穩定的納米流體懸浮液。超聲振動后以24%、32%、40%的充液率將納米流體加入到重力熱管中，密封熱管后加熱熱管，一定時間后打開熱管上的開關閥將熱管內排成真空從而制成納米流體重力熱管。重力熱管的蒸發段用電加熱爐進行加熱，溫度設定為120 ℃，冷凝段用常溫下的自來水冷卻，冷卻水流量設定為1.67×10-6 m3/s。熱管冷凝段和絕熱段用保溫棉進行嚴密包裹以盡量減少熱量散失。待系統穩定后分別記錄進出水的溫度和熱管管壁熱電偶的讀數。

2.2 ?實驗結果分析

經過試驗發現， 在基液中加入納米顆粒后的熱管， 除了充液率和加熱的熱流密度會影響換熱系數的大小之外，納米顆粒體積濃度的高低也會影響到傳熱系數的大小。根據實驗結果作出不同粒徑、不同質量分數以及不同充液率下重力熱管的傳熱系數曲線。

2.2.1 充液率的影響

圖6中（a）和（b）分別為同一種粒徑和濃度下乙醇重力熱管和SiO2-乙醇納米流體重力熱管的傳熱系數隨著工質充液率的變化而變化的走勢圖。由圖中可以看出，兩種重力熱管的傳熱系數均隨著工質充液率的增加先增加后減小，充液率為32%時熱管傳熱系數達到最大。

2.2.2 ?濃度的影響

圖7中質量分數分別為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇納米流體重力熱管的傳熱系數比乙醇重力熱管的傳熱系數分別提高了6.25%～20.5%、23.4%～38%、42.1%～55%、31.2%～48.3%。

2.2.3 ?粒徑的影響

在相同濃度和充液率下，兩種粒徑的SiO2-納米流體重力熱管的傳熱系數變化情況如圖8所示，從圖中可看出，15～20 nm的納米流體重力熱管的傳熱系數比50 nm的納米流體重力熱管更高。

本試驗對一定濃度范圍內的納米流體強化重力熱管傳熱性能進行了試驗研究分析，當加熱蒸發段時，熱管工質處于核沸騰狀態，SiO2粒子吸附在熱管壁上。當液體均質成核的臨界半徑小于納米顆粒的粒徑時[20]，納米顆粒的加入就能加速流體內的氣泡成核，使其汽化，并且所產生的氣泡密度比乙醇大，由于布朗運動的作用是的旗袍會迅速被帶出，從而降低了液膜熱阻進而起到強化傳熱的作用。當濃度不斷增加超過一定范圍時，由于納米顆粒的團聚和工質黏度的增加等原因導致布朗運動的作用減弱，流動阻力增大，因此也增加了蒸發段的熱阻，致使傳熱系數降低。

3 ?結 論

（1）在考慮了布朗運動、納米顆粒間的團聚以及固液界面液膜層內液體分子規則排列的情況下，改進后的模型增加了SiO2-乙醇納米流體的導熱系數;一定體積分數下，SiO2納米顆粒的粒徑越小，有效導熱系數越大。

（2）相同粒徑和濃度下，充液率為24%時熱管傳輸功率最大，充液率為32%時熱管傳熱系數最大;在相同粒徑和充液率下，質量分數0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇納米流體相對乙醇重力熱管強化了傳熱;在相同濃度和充液率下，顆粒粒徑15～20 nm的納米流體傳熱性能比50 nm更好。

（3）在相同粒徑和充液率下，質量分數1.5%時傳熱性能最好，和普通乙醇重力熱管相比，傳輸功率增加了26.5%～36.7%，傳熱系數增加了42.1%～55%。

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