納米流體在電加熱器中傳熱特性的實驗研究

翟鄭佳 李坦 朱恒宣 楊歷 王進

摘要 對在家用電加熱器中使用的4種納米流體進行對流換熱實驗研究。采用兩步法制備納米流體，研究不同材料（MgO、SiO2、Al2O3和CuO）和不同濃度（質量分數為0.2%～1.0%）的納米流體對電加熱器換熱效率的影響。結果表明，電加熱器翅片溫度對環境溫升影響較大;納米流體濃度相同時，MgO流體的換熱效率最高，SiO2流體的換熱效率最低，且電加熱器的換熱效率隨納米流體濃度的增大而增大;與基液相比，質量分數為1.0%的MgO流體可使環境溫度提升約30%。

關 鍵 詞 納米流體;電加熱器;自然對流;強化傳熱

中圖分類號 TM924.2? ? ?文獻標志碼 A

Abstract This research aims at the natural convection in electric heaters filled with nanofluids. The effect of four nanofluid materials （MgO， SiO2， Al2O3 and CuO） and various nanoparticle concentrations （mass fraction is 0.2% -1.0%） on heating efficiency of electric heater were studied， and results show that temperature of the fin has great effect on environment temperature. At the same nanoparticle concentration， MgO-water nanofluid has the highest heating efficiency， whereas SiO2-water nanofluid is the lowest one. Moreover， the heating efficiency of the electric heater increases with the increase in nanofluid concentration. So it is found that the MgO-water nanofluid with a mass fraction of 1.0% obtains about 30% enhancement of heat transfer on the environment temperature.

Key words nanofluid; electric heater; natural convection; heat transfer enhancement

0 引言

近年來科學技術迅猛發展，能源需求量大幅增加。電加熱器正朝著高效低阻緊湊的方向發展，傳統的換熱工質（去離子水）已經無法滿足使用需求，研制導熱系數高、換熱性能好的新型換熱工質至關重要。納米流體是將金屬或非金屬粉末分散到水、醇、油等傳統換熱工質中，提高流體導熱性能的新型換熱工質。納米流體在強化傳熱的領域有廣泛的應用前景，尤其是在能源、汽車、醫療、化工和微型電子等領域。1995年，美國Argonne國家實驗室的Choi等[1]首先提出納米流體的概念。大量研究表明，在液體中加入納米顆粒后，能顯著提高液體的導熱系數和換熱性能。李強等[2]研究了Cu-水納米流體隨體積分數變化時，對管內對流換熱系數和阻力的影響。結果表明，與純水相比，體積分數為0.5%～2.0%的Cu-水納米流體的對流換熱系數增大的比例為1.037 ～ 1.548。Selvam等[3]研究了石墨烯-水納米流體體積分數為0.1%～0.5%時對汽車散熱器散熱效果的影響。結果表明，當石墨烯-水納米流體體積分數為0.5%、流速為100 g/s、進口溫度從35～45°C變化時，石墨烯-水納米流體的對流換熱系數分別提高了20%和51%。李誠展等[4]研究了SiC-水納米流體體積分數為0.005%、0.01%和0.1%時，在3種不同微翅片扁管中的流動與換熱特性。結果表明，在不同種管道內強化換熱效果隨SiC-水納米流體濃度的增加而較小。Hussein等[5]分別用實驗和數值計算的方法對強制對流下SiO2-水納米流體在汽車散熱器中的換熱特性進行了研究。結果表明，體積分數為1%的SiO2-水納米流體與純水相比可使汽車散熱器的散熱效率提高50%。張冀等[6]研究了TiO2-水、SiO2-水和Cu-水納米流體在小通道平行流扁管中的換熱特性。結果表明，與水相比不同體積分數的納米流體的努塞爾數均增大，體積分數為0.01%的TiO2-水納米流體在Re為6200時努塞爾數增大了43%。Tijani等[7]運用實驗和數值計算的方法研究了水/乙二醇基Al2O3和CuO納米流體作為汽車散熱器冷卻劑的傳熱特性。結果表明，不同濃度的納米流體的傳熱性能均好于基液，且水/乙二醇基CuO納米流體的導熱系數、努塞爾數和傳熱速率均大于水/乙二醇基Al2O3納米流體。

除了上述納米顆粒種類外，國內外學者對其他種類的納米流體也進行了大量研究。本文運用實驗的方法對比研究了4種純水基納米流體在不同濃度下對電加熱器換熱效率的影響，目的是改善電加熱器加熱效率低和能源利用率低的問題。

1 納米流體強化傳熱計算分析

1.1 幾何模型

為了研究電加熱器中納米流體強化傳熱的機理，本文將其加熱棒附近區域簡化成二維圓環封閉腔進行研究，在2個圓環中間充滿納米流體。其中，內圓環邊界溫度為定壁溫高溫[TH]，外圓環邊界為定壁溫低溫[TL（TL

1.2 控制方程和邊界條件

計算過程中使用如下假設：

1） 假設封閉腔內的納米流體為 不可壓縮流體且各向同性;

2） 在封閉腔內納米流體做層流運動;

3） 納米流體為連續性混合物，且納米粒子均勻的分布于基液中。

描述該問題的控制方程如下：

模擬過程中選用納米顆粒為SiO2，基液為去離子水。內壁面溫度為400 K，外壁面溫度為293 K。采用ANSYS ICEM 18.0建立幾何模型和劃分網格，采用ANSYS Fluent 18.0對模型進行計算，模型采用Boussinesq假設，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，采用二階迎風差分格式進行動量和能量方程處理，壓力修正采用PRESTO！算法。計算區域采用了非結構化網格，網格數量為3萬。

1.3 結果與討論

1.3.1 溫度云圖對比

通過對電加熱器模型進行簡化，分別對去離子水和質量分數為1.0% SiO2-水納米流體進行模擬，得到了2種工況下的溫度云圖，如圖2所示。從圖中可以看出，溫度的等值線較為均勻，圓環壁面與內部較為一致，圓環的內外壁之間的換熱主要以導熱為主。由于受重力的影響，溫度等值線均向下方突出，這是由于流體在運動過程中受重力的影響。

通過對比去離子水和質量分數為1.0% SiO2-水納米流體的溫度云圖可以發現，在圓環內壁附近，去離子水的溫度等值線比SiO2-水納米流體的溫度等值線更加突出，納米流體的溫度等值線更加平緩。這說明與去離子水的流動相比納米流體更加劇烈。但在圓環外壁附近，納米流體為工質時的圓環溫度更高，并且靠近管壁處的層流底層厚度增大，產生這一現象的原因為：基液中加入納米顆粒后，在增大導熱系數和強化換熱的同時，納米流體的黏度增大，流體流動變緩。

1.3.2 速度云圖對比

圖3展示了電加熱器內工質為去離子水和質量分數為1.0% SiO2-水納米流體時Y軸的速度云圖。從圖中可以看出，在整個環形速度場中，速度先增后減，速度沿X軸和Y軸方向呈現對稱分布。在近壁面處速度分布變化紊亂，速度變化比較劇烈，且外壁面附近的溫度大于內壁面附近的速度;通過對比納米流體和去離子水的溫度云圖可以發現，在近壁面處，去離子水的溫度變化比納米流體的速度變化更劇烈，這說明加入納米顆粒后流體的黏度增大，流動速度較為緩慢。

1.3.3 壓力云圖對比

圖4展示了電加熱器內工質為去離子水和質量分數為1.0% SiO2-水納米流體時的壓力云圖。從圖中可以看出，壓力云圖沿Y軸呈現出對稱的趨勢，且壓力沿+y方向呈現出先減后增的趨勢;SiO2納米流體的管內壓力大于去離子水的管內壓力，原因主要為去離子水中加入納米顆粒后，流體的黏度增大，在流動過程中，納米流體克服摩擦力所消耗的能量增加，故壓力有一定程度提高。結果表明，納米流體在強化傳熱的同時，黏度和壓力均有不同程度的增大。

2 實驗研究

2.1 納米流體的制備

實驗所用納米顆粒Al2O3、CuO、SiO2、MgO均購置于北京市某有限公司。生產廠家提供的納米顆粒參數如表1所示。采用兩步法[9]制備納米流體，質量分數ω分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。配制過程如下：將納米顆粒與基液（純水）進行混合，機械攪拌1 h，添加分散劑到混合液中，用功率為450 W的超聲波震蕩器震蕩2 h，從而使納米顆粒穩定的分散在基液中。使用的分散劑有六偏磷酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和檸檬酸三鈉，配制好的納米流體靜置7 d之后無明顯沉淀。

2.2 實驗系統

為了研究納米流體在電加熱器中的換熱性能，電加熱器的結構如圖5所示。

圖5中，電加熱器的上下銅管長度為720 mm，上下銅管直徑為30 mm，加熱棒長度為520 mm，翅片厚度為1 mm，翅片高度和寬度分別為480 mm和100 mm，翅片間距為10 mm。電加熱器共有7根直徑為20 mm的立管，其長度為510 mm。分別在電加熱器正反兩面的關鍵溫度變化點上布置了16個高精度熱電偶，熱電偶布置位置如圖6所示，在電加熱器上方1 m處，布置了4個高精度熱電偶來測量電加熱器上方環境的溫度。

實驗裝置由測試段、數據采集系統和保溫裝置組成。為真實準確地反映不同種類納米流體在電加熱器中的換熱性能，實驗采用了仿真房屋大空間，運用絕熱板對實驗環境進行保溫，實驗過程中分別對電加熱器進行加熱、終止加熱和二次加熱，在不同日期的相同時間段進行5次重復實驗，保證了實驗數據的可靠性。

3 結果與討論

3.1 電加熱器翅片區域加熱效果對比

圖7展示了納米流體質量分數為0.2%時，不同種類的納米流體對電加熱器翅片平均溫度的影響。從圖7中可以看出，在加熱段，翅片平均溫度隨時間逐漸上升。在加熱段前期，翅片平均溫度上升速率基本一致，在加熱段中期，MgO-水納米流體為工質的翅片平均溫度上升最快，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質為SiO2-水時，電加熱器翅片平均溫度上升的最慢。相同時間內，MgO-水納米流體在終止加熱段翅片平均溫度下降最快。與基液相比，納米流體為工質時翅片平均溫度的提升速率均有不同程度提高。到達穩定時，MgO-水納米流體為工質時翅片平均溫度比基液高21.5%，且提前10 min達到穩定，CuO-水和Al2O3-水納米流體為工質時，翅片平均溫度分別提高19%和15%，SiO2-水納米流體為工質時翅片平均溫度提高10.7%。

圖8展示了不同種類的納米流體隨質量分數變化時，對電加熱器翅片穩定平均溫度的影響。達到穩定時，翅片的平均溫度隨質量分數的增大呈現出先增后減的趨勢。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體作為工質時，電加熱器翅片穩定溫度出現轉折時納米流體的質量分數為0.8%，MgO納米流體為工質時，電加熱器翅片穩定溫度出現轉折時納米流體的質量分數為0.6%。這是由于納米流體質量分數較大時，黏度增大較明顯，從而使翅片附近溫度出現下降的趨勢。當濃度相同時，工質為MgO-水納米流體時翅片平均溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，SiO2-水納米流體最低。與基液相比，納米流體為工質時翅片的穩定平均溫度均有不同程度提高。工質為CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體時，翅片平均溫度隨濃度的增大提升速率基本一致，MgO-水納米流體隨著質量分數的增大翅片平均溫度的提升速率逐漸增大，且質量分數為0.6%的MgO-水納米流體為工質時，翅片平均溫度比基液提高30.7%。

3.2 電加熱器加熱棒區域加熱效果對比

圖9展示了納米流體質量分數為0.2%時，不同種類納米流體對電加熱器加熱棒區域溫度的影響。從圖中可以看出，在加熱段，電加熱器加熱棒區域的溫度隨時間迅速升高。MgO-水納米流體為工質時加熱棒區域的溫度提升最快，CuO-水納米流體優于Al2O3-水納米流體，SiO2-水納米流體為工質時加熱棒區域的溫度上升最慢。在加熱段中期，MgO-水納米流體為工質時加熱棒區域的溫度出現了較大的越升。與基液相比，納米流體為工質時加熱棒區域的溫度均有不同程度提高，MgO-水納米流體為工質時加熱棒區域的穩定溫度提高約14 ℃，提升率為34.1%。工質為SiO2-水納米流體時加熱棒區域穩定溫度比基液高8 ℃，提升率為13%。

圖10展示了電加熱器加熱棒區域的穩定溫度隨納米流體質量分數的變化。從圖中可以看出，達到穩定時，加熱棒區域的溫度隨質量分數的增大而增大。納米流體質量分數相同時，MgO-水納米流體為工質時，加熱棒區域的穩定溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質為SiO2-水納米流體時，加熱棒區域的穩定溫度最低。與基液相比，納米流體為工質時加熱棒區域的穩定平均溫度均有不同程度提高。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體加熱棒區域溫度隨質量分數的增大提升速率基本一致，MgO-水納米流體質量分數為0.6%-1.0%時，加熱棒區域的穩定溫度隨質量分數的增大提升速率迅速增大。質量分數為1.0%的MgO-水納米流體作為工質時，加熱棒區域的穩定溫度比基液高64%。質量分數為1.0%的SiO2-水納米流體作為工質時，加熱棒區域穩定溫度比基液高16.5%。

3.3 電加熱器上方銅管區域加熱效果對比

圖11展示了納米流體質量分數為0.2%時，不同種類納米流體對電加熱器上方銅管溫度的影響。在加熱段，上方銅管溫度隨時間迅速升高，且溫度升高的速率基本一致。CuO-水納米流體為工質時，上方銅管溫度最先達到穩定，MgO-水和Al2O3-水納米流體次之，SiO2-水納米流體達到穩定所用時間最長。與基液相比，納米流體為工質時上方銅管溫度達到穩定所用時間均減少。CuO-水納米流體為工質時，比基液提前20 min到達穩定。納米流體為工質時，上方銅管的穩定溫度沒有明顯提升，但達到穩定所用時間均明顯減少。

圖12展示了電加熱器上方銅管穩定溫度隨納米流體濃度的變化。當濃度相同時，MgO-水納米流體加熱棒區域的穩定溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質為SiO2-水納米流體時，上方銅管的穩定溫度最低。MgO-水納米流體質量分數為0.8%～1.0%時，上方銅管溫度顯著提高。與基液相比，納米流體為工質時上方銅管的穩定溫度均有不同程度提高，質量分數為1.0%的MgO-水納米流體比基液高32.8%，質量分數為1.0%的SiO2-水納米流體比基液高13.6%。

3.4 電加熱器上方環境溫度對比

圖13展示了納米流體質量分數為0.2%時，不同種類的納米流體對電加熱器上方環境溫度的影響。從圖中可以看出，在加熱段，環境溫度隨時間逐漸上升。在加熱段前期，MgO-水納米流體作為工質環境溫度上升的速率最大，CuO-水和Al2O3-水流體次之，SiO2-水納米流體最差。與基液相比，納米流體為工質時環境溫度均有不同程度提高。達到穩定時MgO-水納米流體作為工質環境溫度高約5 °C，提升率約為20 %。當環境溫度達到設定值52 ℃時，MgO-水納米流體比基液提前30 min達到設定值。工質為SiO2-水納米流體時，環境溫度提升率為8%，且提前12 min達到設定溫度。

4 結語

將MgO、Al2O3、CuO和SiO2納米顆粒加入到去離子水中，通過添加分散劑和超聲震蕩得到穩定均一的納米流體，在電加熱器中進行納米流體對流換熱效率實驗，結果表明：

1）在電加熱器中，相同體積分數的納米流體，MgO-水納米流體的換熱效率大于CuO-水納米流體和Al2O3-水納米流體，SiO2-水納米流體的換熱效率最低;

2）4種納米流體的換熱效率均隨顆粒質量分數的增加而有不同程度的提高;

3）電加熱器翅片溫度和加熱棒區域的溫度對環境溫度影響較大;

4）與基液相比，質量分數為1.0%的MgO-水納米流體使電加熱器上方環境溫度提高30.7%;Al2O3-水、CuO-水和SiO2-水納米流體為工質時，電加熱器上方環境溫度分別提高了23%、27%和19%。

參考文獻：

[1]? ? CHOI S U S，EASTMAN J A. Enhancing thermal conductivity of fluid with nanoparticles[J]. International Mechanical Engineering Congress and Exposition，1995，231（66）：99-103.

[2]? ? 李強，宣益民. 小通道扁管內納米流體流動與傳熱特性[J]. 工程熱物理學報，2004，25（2）：305-307.

[3]? ? SELVAM C，MOHAN LAL D，HARISH S. Enhanced heat transfer performance of an automobile radiator with graphene based suspensions[J]. Applied Thermal Engineering，2017，123：50-60.

[4]? ? 李誠展，刁彥華，張冀，等. 微翅片扁管中納米流體的流動換熱特性研究[J]. 工程熱物理學報，2018，39（6）：1349-1358.

[5]? ? HUSSEIN A M，BAKAR R A，KADIRGAMA K. Study of forced convection nanofluid heat transfer in the automotive cooling system[J]. Case Studies in Thermal Engineering，2014，2：50-61.

[6]? ? 張冀，刁彥華，趙耀華，等. 小通道平行流扁管內納米流體的流動換熱特性研究[J]. 工程熱物理學報，2015，36（5）：1071-1076.

[7]? ? TIJANI A S，SUDIRMAN A S B. Thermos-physical properties and heat transfer characteristics of water/anti-freezing and Al2O3/CuO based nanofluid as a coolant for car radiator[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，118：48-57.

[8]? ? PEYGHAMBARZADEH S M，HASHEMABADI S H，HOSEINI S M，et al. Experimental study of heat transfer enhancement using water/ethylene glycol based nanofluids as a new coolant for car radiators[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2011，38（9）：1283-1290.

[9]? ? MAHBUBUL I M，SAIDUR R，AMALINA M A. Latest developments on the viscosity of nanofluids[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（4）：874-885.