納米流體強化換熱

王雙飛

摘要：本文通過測量強制對流狀態下TiO2及MgO納米流體層流、湍流中的對流換熱系數，證明納米顆粒的加入，起到了強化換熱的作用。納米粒子份額影響著納米流體的傳熱。納米流體對流換熱效果還和納米流體分散程度，穩定性有密切關系。本文旨在進一步為納米流體強化傳熱的研究提供實驗依據和理論依據。

關鍵詞：納米流體;強化換熱;對流換熱;換熱系數

本文對圓管內納米流體的對流換熱進行研究，主要工作如下：

采用直接混合并加入少量分散劑和超聲震蕩的方法，制備了不同濃度的納米顆粒懸浮液。

獨自設計并建立一套納米流體對流傳熱測試裝置及數據采集系統。首先對系統的精密性進行了測試以滿足實驗要求，其次對去離子水（或其他基液）以及不同種類的納米顆粒懸浮液同樣的操作條件下和同種納米流體在不同條件下（不同濃度、不同流速等）的對流傳熱特性進行測量、計算和結果分析。

通過兩步法配制了質量分數為2.0%的二氧化鈦-蒸餾水，1.5%的氧化鎂-蒸餾水納米流體;采用粒徑分步法對配制的納米流體進行穩定性分析，分析結果表明所配制的納米流體分散性較好，分散體系中團聚體不多，可以進行實驗研究。

溫度25℃情況下，不同配比份額的TiO2與MgO納米流體的導熱系數，見表1、表2。

本文選用宣益民教授所運用的導熱系數模型，納米流體中，考慮粒子運動強化傳熱即動態導熱部分時，只需分析粒子布朗運動的傳熱效果。針對不同種類不同份額的納米流體，給出了導熱系數計算結果表，可以看出，納米流體相對基液而言，其導熱系數增加，說明導熱性能有所提高，在一定的范圍內，隨著納米顆粒份額的不斷增加，其導熱系數基本呈線性增加，由于氧化鎂的熱導率強于二氧化鈦，所以相同質量分數的兩種流體，氧化鎂-蒸餾水納米流體導熱系數增加強度大于二氧化鈦-蒸餾水納米流體。

本文的納米流體對流換熱測試系統主要是根據穩態測試方法設計的。根據經典對流換熱公式——牛頓冷卻公式，即q=h（Tw-Tf）。

本文采用電阻絲加熱流體的方法，加熱功率通過電流和電壓來控制，通過電加熱器、恒溫水浴等保證加熱前的流體溫度不變。當冷流體經過熱壁面時，在流體和壁面間有熱量傳遞。整個系統處在一個熱平衡狀態并且穩定，且熱流量一定時，當納米流體的對流換熱系數越大時，冷流體經過熱壁面后升高的溫度就越高。

納米流體對流換熱實驗裝置是一個流動循環系統，其中儲液槽是一個容積15L 的水箱，內部焊有W型加熱管，外接智能PID溫控儀，用來儲存納米流體并調節實驗中納米流體的溫度。傳熱性能實驗段是整個實驗的核心部分，其主體是一根細長的圓銅管，管外繞電阻絲，通過調壓器改變加熱功率，給納米流體加熱。

實驗大概流程為：納米流體經恒溫水浴調節到一定溫度后，通過循環壓力泵加壓推動進入實驗循環系統，當納米流體流經傳熱實驗測試段時，通過調節調壓器，改變加熱絲加熱功率，實現對納米流體的加熱，納米流體流出測試段后出口溫度上升。升溫后的納米流體沿管路流經冷卻裝置，流體溫度下降，之后經過水箱，由于冷卻后納米流體溫度稍低，水箱中設置液體加熱器，用于加熱納米流體，最后再流入到恒溫水浴設備中進行溫度穩定。

本實驗分別測量了納米粒子質量分數分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的TiO2-蒸餾水納米流體在溫度25℃左右時，雷諾數300～8000范圍內的關內對流換熱系數。

層流區域內，四種不同納米顆粒質量分數的納米流體的Nu都是隨著Re的不斷增大而增大，而且在相同雷諾數下要比基液的Nu大。隨著納米顆粒質量分數的不斷增加，Nu的提高并不是呈線性。質量分數由0.5%到1.0%，Nu相對基液平均提高程度由21%到29.7%;質量分數由1.0%到2.0%，Nu平均提高程度反而降低了，由29.7%到15.8%;當質量分數為1.0%時，相同雷諾數下納米流體的Nu提高的程度最大，層流階段換熱效果是最好的。在湍流區域內，隨著納米顆粒質量分數的不斷增加，質量分數由0.5%到1.0%，Nu相對基液平均提高程度由30%到37%;質量分數由1.5%到2.0%，Nu平均提高程度40.3%到39.5%;當質量分數為1.5%時，相同雷諾數下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。

由于本實驗納米流體用量較大，相應的加入的納米粉體非常多，不易分散，隨著納米顆粒質量分數的增加，納米流體形成沉降的機會越大，尤其在層流階段，較低質量分數的情況下就增加了流體與銅管的換熱熱阻，導致換熱效果有所下降，而在湍流區域內效果相應好些，因為擾動比較大，形成沉淀的機會較小，但是質量分數增加到一定程度時，其換熱效果反而下降。流體的對流換熱系數隨湍流流動強度的增加呈加速增加趨勢，納米粒子的劇烈無規則運動是對流換熱系數加速增加的主要原因，同時納米粒子份額也是影響納米流體強化傳熱的原因之一。

另外，本實驗分別測量了納米粒子質量分數分別為0.4%，0.6%，1.1%的氧化鎂-蒸餾水納米流體在溫度25℃左右時，雷諾數3000～8000范圍內的關內對流換熱系數。

兩種納米流體相對基液而言，其對流換熱系數h以及Nu都提高很多，但是兩種流體的強化換熱效果并不相同，氧化鎂的導熱系數高于二氧化鈦，其納米流體對流換熱強化效果經過實驗發現，卻小于TiO2-DW納米流體，說明納米流體對流換熱效果不完全取決于納米顆粒的導熱系數，和納米流體分散程度，穩定性，以及配比份額都有密切關系，兩種納米流體在幾近相同配比份額情況下，其Nu和h的對比情況下，其中TiO2-DW含納米顆粒質量分數為1.0%，而MgO-DW為1.1%。

含納米顆粒質量分數1.0%的TiO2水基納米流體的努塞爾數Nu和對流換熱系數h都要高于1.1%的MgO-DW。氧化鎂的導熱系數高于二氧化鈦，但是其納米流體的導熱系數，在Re為3000～8000范圍內，發生了變化。究其原因，湍流中，流體邊界層被破壞，傳熱熱阻被減小，但TiO2納米顆粒與MgO納米顆粒相比，其顆粒之間的分散程度要更合理，顆粒與顆粒，顆粒與流道的相互作用及碰撞更加強烈，由此作用引起的納米流體擾動更加強烈，因此，TiO2納米流體的對流換熱情況要優于MgO納米流體。同時，納米顆粒的懸浮相對穩定，沉降發生受到抑制，也會使得傳熱系數有所提升，從而使得強化傳熱更明顯。

本文通過對TiO2納米流體以及MgO納米流體的對流強化換熱實驗，得出以下結論：

1.納米流體塞爾數Nu和對流換熱系數h都比相同雷諾數Re條件下的基液的努塞爾數Nu和對流換熱系數h要大，隨著Re的不斷增大，其效果越明顯，提高的幅度越大。說明納米顆粒的加入，改變了流體內部傳熱過程，起到了強化傳熱的作用。

2.對流換熱系數提高的幅度要大于其導熱系數提高的程度，納米粒子份額也是影響納米流體強化傳熱的原因之一。隨著納米顆粒質量分數的不斷增加，Nu的提高并不是呈線性。因此，并不是說納米顆粒的質量分數越大，換熱效果就越好。例如：納米顆粒質量分數為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的TiO2納米流體的Nu相對基液而言提高的平均值分別為30%、37%、40.3%、39.5%。當質量分數為1.5%時，相同雷諾數下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。納米顆粒質量分數為0.4%、0.6%、1.1%的MgO納米流體的Nu相對基液而言提高的平均值分別為6.57%、8.96%、10.83%。當質量分數為1.1%時，相同雷諾數下納米流體的Nu提高的程度最大，換熱效果最好。

納米流體對流換熱效果不完全取決于納米顆粒的導熱系數，和納米流體分散程度，穩定性也有密切關系。不同的納米顆粒配制的納米流體，由于其再流體中的分散程度及穩定性不同，即使納米顆粒本身的導熱系數高，也會出現由其配制的納米流體的換熱系數低的現象。例如，氧化鎂的導熱系數高于二氧化鈦，但含納米顆粒質量分數1.0%的TiO2水基納米流體的努塞爾數Nu和對流換熱系數h都要高于1.1%的MgO-DW，換熱效果也強于后者。

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