CuO-ZnO混合納米流體導熱系數影響分析

李 龍，王 江，翟玉玲，王 華

（昆明理工大學冶金與能源工程學院省部共建復雜有色金屬重點實驗室，云南昆明650093）

在工業生產中，會產生大量余熱，對許多機器和儀器有著負面的影響。因此，對于大多數工業領域來說傳熱非常重要，例如發電，太陽能集熱器，空調和汽車等行業[1-4]。用于換熱器的常見流體是水（W），乙二醇（EG）等，在過去的幾十年里，很多學者做了改善傳統流體性能的研究。其中，納米流體作為一種新型高效的傳熱工質，使傳熱速率得以強化。納米流體是指在液體工質中加入1～100 nm 大小的固體顆粒而形成的懸浮液[3]。

提高傳熱效率的關鍵是增大導熱系數[5-7]。Murshed[8]等人研究了體積分數為5.0%的二氧化鈦（TiO2）納米流體和鋁（Al）納米流體的導熱系數，發現TiO2-EG 納米流體的導熱系數比基液增大18%，Al-EG 納米流體的導熱系數增大45%。Lee[9]等對Al2O3-水納米流體和CuO-水納米流體進行了研究，觀察到體積分數為4.0%的CuO-水納米流體導熱系數增幅為20%。Pang[10]等分別把Al2O3納米顆粒與SiO2納米顆粒和甲醇混合制備體積分數為0.5%的納米流體，表明導熱系數增大10.74%與14.29%。

混合納米流體是納米流體研究的改進，混合納米流體可以被定義為兩種或更多不同納米顆粒或者基液混合懸浮在一起，組合成一種穩定的均勻混合物[11]。Vajjha 和Das[12]首次使用乙二醇和水混合物作為基礎液，制備了基液比例φv為60：40 的Al2O3，CuO 和ZnO 納米流體，發現CuO納米流體比Al2O3和ZnO納米流體具有更高的熱導。Sundar[13]等闡述了Fe3O4-EG/W 納米流體在φv=20：80 情況下，2.0%的流體在60 ℃時導熱系數增大了46%。

綜上所述，大部分學者報道了單種粒子與單種或兩種基液混合的納米流體成果，但是兩種粒子與兩種基液混合的研究仍然很少。因此，旨在研究兩種粒子等比例混合，探究溫度、質量分數和兩種不同基液比例（水：乙二醇）對CuO-ZnO混合納米流體導熱系數的影響。

1 CuO-ZnO混合納米流體的制備

實驗采用純度為99.99%，平均粒徑分別為30 nm和40 nm 的氧化鋅與氧化銅納米粒子，其微觀結構如圖1所示，均近似球狀顆粒。基液選用純度為99%的乙二醇與去離子水。采用“兩步法”制備質量分數為1.0%、2.0%、3.0%、5.0%的CuO-ZnO混合納米流體。將2種納米顆粒等比例混合到不同比例的乙二醇與去離子水（φv為20：80，40：60，50：50，60：40 和80：20）中，磁力攪拌15 min 后放入超聲振蕩器中振蕩2h 得到混合納米流體，制備流程圖如圖2所示。為了避免對黏度的影響，制備過程中不添加任何表面活性劑。

圖1 納米顆粒透射電鏡圖

圖2 CuO-ZnO混合納米流體制備流程圖

2 實驗結果與分析

2.1 溫度與質量分數對混合納米流體導熱系數的影響

圖3 為基液比例為EG：DW=20：80 的CuO-ZnO 混合納米流體導熱系數隨溫度和質量分數的變化情況。可以看到，導熱系數均隨溫度和質量分數的增加而增加。當溫度為20 ℃時，質量分數為1.0%的CuOZnO 納米流體，其導熱系數比基液（20：80EG/DW）增大了12.1%。質量分數為5.0%的CuO-ZnO 納米流體，當溫度從25 ℃增加到60 ℃時，相應的導熱系數增幅為10.4%，當溫度達到60 ℃時，導熱系數比基液增大26.1%。圖4 為基液比例為40：60 的混合納米流體導熱系數隨溫度和質量分數的變化情況。圖4 可以看出，導熱系數隨著溫度和質量分數的趨勢與圖3 相似。質量分數為5.0%的納米流體，當溫度從25 ℃增加到60 ℃時，相應的導熱系從15.6%增加到22.9%。

圖3 φv=20：80 基液比例下溫度對導熱系數的影響

圖4 φv=40：60基液比例下溫度對導熱系數的影響

圖5 為基液比例為50：50 的CuO-ZnO 納米流體導熱系數隨溫度的變化情況。在溫度為25 ℃時，質量分數為1.0%的混合納米流體導熱系數增幅為10%。質量分數為5.0%的CuO-ZnO混合納米流體，當溫度從25 ℃增加到60 ℃時，相應的導熱系數相應的導熱系從14.9%增加到19.3%。圖6 為基液比例為60：40 的CuOZnO 混合納米流體導熱系數隨溫度的變化情況。在溫度為25 ℃時，質量分數為1.0%的納米流體導熱系數增幅為9.6%。質量分數為5.0%的混合納米流體，當溫度從25 ℃增加到60 ℃時，相應的導熱系數增幅為5.8%，當溫度達到60 ℃時，導熱系數比基液增大16.3%。

圖7 為基液比例為80：20 的CuO-ZnO 混合納米流體導熱系數隨溫度的變化情況。在溫度為25 ℃時，質量分數為1.0%的混合納米流體導熱系數增幅為7%。質量分數為5.0%的CuO-ZnO混合納米流體，當溫度從25 ℃增加到60 ℃時，相應的導熱系數增幅為4%，當溫度達到60 ℃時，導熱系數比基液增大14%。

圖5 φv=50：50基液比例下溫度對導熱系數的影響

圖6 φv=60：40基液比例下溫度對導熱系數的影響

圖7 φv=80：20基液比例下溫度對導熱系數的影響

從圖3～圖7可以看出，基液比例為20：80的混合納米流體導熱系數增幅最大，導熱系數隨溫度和質量分數的變化趨勢都相同。這與Sundar 等[13]觀察得到的結果一致。這是因為在常溫條件下，納米粒子熱運動緩慢，因此導熱系數增幅小。當溫度開始升高，納米顆粒的布朗運動加劇，粒子的無序運動加強，增加了粒子間的接觸，增大了熱量的傳遞。更為重要的時，由于混合納米流體體系溫度的升高，懸浮的納米顆粒受到周圍液體分子的轟擊作用加強，納米顆粒微運動的強度加劇，能量傳遞的頻率與強度加大，因而宏觀上表現為混合納米流體的導熱性能提高。混合納米流體質量分數越高，單位體積內流體內含有的粒子越多，比表面積大，能夠用來傳遞熱量的換熱面積越大，粒子間碰撞幾率增大，表現為混合納米流體導熱系數變大。

2.2 基液比例對混合納米流體導熱系數的影響

圖8 是不同基液比例對導熱系數的影響。導熱系數隨著乙二醇比例的增加而降低。導熱系數的增加不僅與溫度與質量分數有關，而且基液比例對導熱系數也有影響。基液比例為20：80的混合納米流體導熱系數明顯高于其他基液比例的流體。這是因為當去離子水的比例比較高時，混合基液中去離子水起主要作用，添加乙二醇會降低混合基液的導熱系數。乙二醇比去離子水的導熱系數低，高比例的乙二醇會抑制混合納米流體的導熱系數。如圖8所示，基液比例對導熱系數的影響明顯大于溫度對導熱系數的影響。

圖8 同一質量分數（5%）下不同基液比例對導熱系數的影響

3 結 論

實驗研究了質量分數為1.0%、2.0%、3.0%和5%的CuO-ZnO 混合納米流體的導熱系數隨基液比例、溫度和質量分數的關系。其主要結論如下：

（1）CuO-ZnO 混合納米流體的導熱系數隨溫度和質量分數的增大而增大。在60 ℃，質量分數為5%的CuO-ZnO 混合納米流體φv為20：80，40：60，50：50，60：40和80：20 時，相應的導熱系數增大26.1%、22.9%、19.3%、16.3%和14%。

（2）CuO-ZnO混合納米流體的導熱系數不僅與溫度和質量分數有關而且隨著乙二醇比例的增加而降低。

（3）CuO-ZnO 混合納米流體的導熱系數隨著去離子水比例的增加呈一個線性關系。