納米流體黏度影響因素的試驗(yàn)研究

武婷婷, 駱仲泱, 倪明江, 魏 葳, 馮釗贊, 王 濤

(浙江大學(xué) 熱能工程研究所,能源清潔利用國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,杭州 310027)

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和能源問題的突出,迫切需要新型換熱流體來提高換熱效率,減少能量消耗.但水、機(jī)油和乙二醇等傳統(tǒng)換熱工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較小,影響了強(qiáng)化傳熱的效果.常溫下大多數(shù)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)比流體材料大,因此,如果將固體顆粒加入流體中,換熱效果將會得到強(qiáng)化,但是毫米或微米級的固體粒子懸浮液會引起管道堵塞、磨損和顆粒沉淀等問題.近年來,納米材料和技術(shù)的快速發(fā)展使固體顆粒強(qiáng)化流體傳熱成為了可能.1995年美國A rgonne國家試驗(yàn)室的Choi[1]在國際上首次提出“納米流體”的概念,這一概念已被廣泛接受[2],即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì),這是納米技術(shù)應(yīng)用于傳熱學(xué)中的創(chuàng)新性研究.

水和乙二醇是納米流體最常用的基液,有各自不同的特性,若將兩者以不同比例混合的混合液作為基液,可以起到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果,制備得到的流體會呈現(xiàn)不同的物性.尤其在一些寒冷的地區(qū),需要換熱流體的冰點(diǎn)較低,乙二醇水溶液可以滿足,并且現(xiàn)在車載防凍液大部分也在使用乙二醇水溶液[3-4].Das[5]研究了體積分?jǐn)?shù)均為 8%,粒徑分別為 20 nm、50 nm 和100 nm的SiO2-乙二醇/水納米流體在不同溫度下的黏度,發(fā)現(xiàn)粒徑為100 nm的SiO2納米流體的黏度最小.

本文的研究目的是探索納米流體黏度的影響因素,即研究以去離子水(DW)、乙二醇(EG)和不同配比的混合液為基液的納米流體的黏度隨粒徑、溫度和濃度的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)介紹

1.1 流體制備

與傳統(tǒng)的固液混合物相比,納米流體較小的顆粒尺寸和在基液中的布朗運(yùn)動可以改善懸浮液的分散均勻性,使其具有良好的穩(wěn)定性.制備納米流體總體上有2種方法[6]:(1)一步法制備納米流體,指在制備納米顆粒的同時將其分散在基液中;(2)兩步法制備納米流體,先制備出納米粒子,然后通過超聲波振動、添加活性劑或分散劑、改變?nèi)芤簆H等方法,將制備得到的納米粒子均勻分散到液體中,最終形成納米流體懸浮液.

筆者采用兩步法制備納米流體,不添加分散劑,即將納米粉體加入到預(yù)先準(zhǔn)備好的基液中,先充分?jǐn)嚢?0 m in使其混合均勻,再超聲振蕩30 min,制備得到穩(wěn)定懸浮的納米流體.制備流程見圖1.

圖1 納米流體制備流程圖Fig.1 Flow chart of nanofluid preparation

1.2 黏度測量

黏度測量選用不同測量范圍的烏氏黏度計,并用精密恒溫槽進(jìn)行控溫(精度為0.01 K)來實(shí)現(xiàn).首先對去離子水的黏度值進(jìn)行標(biāo)定,再測量流體的黏度.同時重復(fù)多次測量,重現(xiàn)性很好.納米流體的粒徑分布由英國M alven激光粒度分析儀(Nano-S90)測得.

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用的試劑和儀器見表1.

表1 試驗(yàn)所采用的試劑和儀器Tab.1 M aterials and apparatus applied in experiment

2 結(jié)果與分析

采用乙二醇和水的混合液作為基液,研究顆粒粒徑和溫度對流體黏度的影響,并指定3種基液,研究納米流體黏度隨流體濃度的變化規(guī)律.

2.1 顆粒粒徑對黏度的影響

圖2 體積分?jǐn)?shù)為0.8%的SiO2納米流體黏度與粒徑的關(guān)系Fig.2 V iscosity of 0.8%SiO2 nanofuild varying with nanoparticle size

圖2給出了基液和3種不同粒徑的納米流體黏度的變化規(guī)律,其中橫坐標(biāo)為基液(水和乙二醇的混合液)中乙二醇的體積分?jǐn)?shù).由圖2可以看出,添加顆粒后的納米流體黏度提高,但其變化趨勢基本與基液一致.在基液相同的情況下,粒徑為7 nm的納米流體的黏度明顯較大,這是因?yàn)榱Ｗ釉叫?相同體積份額情況下粒子數(shù)越多,粒子間距離越近,粒子間的相互作用越大,并且納米流體流動時,顆粒不得不避開其他的顆粒,為克服內(nèi)摩擦阻力需消耗一定的能量,因而粒子數(shù)越多,黏度就越大.相比較,粒徑為30 nm和40 nm的納米流體的黏度差別不是很大.當(dāng)基液為純乙二醇時,3種粒徑納米流體的黏度較接近,在純乙二醇中顆粒分散較穩(wěn)定均勻,因此,相對基液來說,納米流體的黏度增加也都較小,增加率為3.4%左右.

2.2 溫度對黏度的影響

圖3中3條虛線分別表示20℃、25℃和30℃基液的黏度,3條實(shí)線分別表示這3個溫度下顆粒粒徑為7 nm、體積分?jǐn)?shù)為0.8%的SiO2納米流體的黏度.由圖3中虛線可以看出,隨著溫度的升高,基液的黏度逐漸減小,并且乙二醇的體積分?jǐn)?shù)越高,黏度減小的幅度越大,當(dāng)基液為純乙二醇時,黏度受溫度影響最明顯.

圖3 基液和納米流體的黏度隨溫度的變化Fig.3 V iscosity of base fluid and nanofluids varying w ith temperatu re

在同一溫度下,由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng),使得固體顆粒與液體分子之間的相互作用增強(qiáng),流體的黏度有所增大.隨著溫度的升高,納米流體的黏度減小,一方面溫度影響納米顆粒的布朗運(yùn)動,溫度越高,顆粒的運(yùn)動越劇烈,微運(yùn)動對黏度有重要影響;另一方面納米流體的黏度受溫度影響的趨勢基本與基液相同,說明基液是納米流體黏度的重要影響因素.

圖4給出了納米流體的相對黏度隨溫度的變化.由圖4可知,在試驗(yàn)范圍內(nèi),納米流體的相對黏度與溫度的關(guān)系不大,而與基液中乙二醇的體積分?jǐn)?shù)有關(guān).純乙二醇基納米流體的相對黏度增加最小,僅為4%,但是相對黏度并沒有隨基液中乙二醇體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)單調(diào)減小的變化趨勢,這可能與基液為混合液有關(guān),顆粒在混合液中分散的情況較復(fù)雜.

圖4 納米流體的相對黏度隨溫度的變化Fig.4 Relative viscosity of variousnanofluids varying w ith temperatu re

2.3 顆粒體積分?jǐn)?shù)對黏度的影響

圖5給出了3種基液的納米流體黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化.納米顆粒為粒徑7 nm的SiO2,基液分別為DW、EG以及EG/DW(EG的體積分?jǐn)?shù)為50%),用相對黏度表示基液黏度的增加值[7].

圖5 納米流體黏度與顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.5 V iscosity of nanofluid varying w ith volumetric fraction of nanoparticles

由圖5可以看出,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)相同時,SiO2-DW納米流體的相對黏度均高于SiO2-EG納米流體的相對黏度,即相對基液來說,SiO2-EG納米流體的黏度增加較小.這是由于EG基液黏度大,SiO2對于EG的親液程度大于DW,因此在EG中分散性好,容易穩(wěn)定存在,團(tuán)聚程度較小,則黏度增加較小.由圖5還可以看出,以EG、DW 為基液的納米流體的黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性增長,這也符合Einstein[8]提出的針對體積分?jǐn)?shù)較小的納米流體的黏度模型.在低濃度時,以 φ(EG)∶φ(DW)=1∶1混合溶液為基液的納米流體的黏度曲線介于以純EG和以純DW為基液的納米流體的黏度曲線之間,即其相對黏度介于純EG基和純DW基納米流體之間,這是因?yàn)橐约僂G為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性較好,黏度增加最小,以EG和DW的混合溶液為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性次之,以純DW基為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性最差,顆粒團(tuán)聚程度較大,黏度增加也就最大.

2.4 納米顆粒團(tuán)聚對黏度的影響

對于低濃度納米流體,根據(jù)Einstein(1911)假設(shè),在無限稀釋的線性懸浮體中,懸浮顆粒是剛性球,表面無負(fù)載電荷,且顆粒之間無相互作用,相對黏度是懸浮粒子體積分?jǐn)?shù)的簡單函數(shù):

式中:ηr為相對黏度;η為納米流體的動力黏度;ηbf為基液的動力黏度;Υ為顆粒的體積分?jǐn)?shù).

Batchelor(1977)考慮布朗運(yùn)動,提出適用于體積分?jǐn)?shù)不大于10%的納米流體黏度的計算公式:

對于體積分?jǐn)?shù)大于10%的納米流體,涵蓋全部體積分?jǐn)?shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式由K rieger和Dougherty(1959)提出:

式中:Υm為最大顆粒填充分?jǐn)?shù),球狀顆粒取0.605.

對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和 Einstein、Batchelor、K-D[8]公式計算得到的黏度值(圖6)可知,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)很小時,經(jīng)典模型的計算值均小于試驗(yàn)值,這主要是因?yàn)榻?jīng)典相對黏度計算公式僅是基液和體積分?jǐn)?shù)的函數(shù),沒有考慮納米流體中的顆粒團(tuán)聚、顆粒表面的水化膜等因素,而這些因素的客觀存在可增大納米流體的相對黏度[7].

圖6 納米流體相對黏度試驗(yàn)值與計算值的對比Fig.6 Com parison of relative nanofluid viscosity betw een experimental and calculated resu lts

考慮到納米流體中的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,Chen提出修正的K rieger&Dougherty公式[8],用有效體積濃度Υa替代實(shí)際體積濃度 Υ,根據(jù)分形理論得:

則

考慮到納米流體團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對相對黏度的影響,由式(5)得到納米流體相對黏度的計算公式[9]:

式中:aa為團(tuán)聚體半徑;a為顆粒半徑;D為團(tuán)聚體的分形維數(shù),對于納米懸浮液,其值為1.8～2.5.

以EG為基液的納米流體,a a/a=14.57;以DW為基液的納米流體,a a/a=18.42,其中a a由Malvern-Zetasizer NanoS90得到,將其代入修正的K-D公式,計算結(jié)果如圖 6中的 K-D(EG),K-D(DW)所示,與試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)較吻合.當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于1%時,以混合液為基液的納米流體的相對黏度與以EG、DW為基液的納米流體較接近,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于1%時,黏度急劇增大.

以上現(xiàn)象的原因可以從EG和混合液為基液的納米流體的粒徑分布圖(圖7和圖8)得出.由圖7可知,當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.1%時,分別以EG和混合液為基液的納米流體的粒徑分布相近,宏觀表現(xiàn)為兩者的相對黏度基本相同.由圖8可知,當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為1.6%時,以基液為混合液的納米流體的粒徑分布范圍較寬且粒徑較大,團(tuán)聚程度明顯增加,從而導(dǎo)致其黏度增加較大.

圖7 0.1%體積分?jǐn)?shù)的流體中納米顆粒的激光粒度分布Fig.7 Laser particle-size distribution for nanoparticles of 0.1%volumetric fraction

如果團(tuán)聚體的尺寸與納米流體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),結(jié)合式(6),aa/a的比值可由每個流體的體積分?jǐn)?shù)計算得到,計算結(jié)果見圖9.

由圖9可知,基液為純水和純乙二醇的納米流體的團(tuán)聚比變化趨勢相似,均隨體積分?jǐn)?shù)的增加略微增大,但水基的團(tuán)聚程度均高于乙二醇基.然而,隨著體積分?jǐn)?shù)的增大,以混合液為基液的納米流體的團(tuán)聚程度急劇增加.將納米流體黏度提高的原因歸結(jié)于納米顆粒的團(tuán)聚,不同的黏度是由于納米顆粒聚集狀態(tài)(即團(tuán)聚體的微觀結(jié)構(gòu))不同,這種微結(jié)構(gòu)就是顆粒本身和基液相互作用的表現(xiàn),不容忽視基液的影響.

圖8 1.6%體積分?jǐn)?shù)的流體中納米顆粒的激光粒度分布Fig.8 Laser particle-size distribution for nanoparticles of 1.6%volumetric fraction

圖9 納米流體體積分?jǐn)?shù)與團(tuán)聚比的關(guān)系Fig.9 a a/a ratio vs.volumetric fraction of nanoparticles

3 結(jié) 論

(1)兩步法制備納米流體并不能分散顆粒到原始粒徑,顆粒在基液中以團(tuán)聚形式存在,這對黏度有不利影響.

(2)以水、乙二醇或兩者的混合液為基液的納米流體,在相同基液的條件下,顆粒尺寸越小,黏度越大;基液中EG體積分?jǐn)?shù)越大,納米流體黏度受溫度影響越顯著,且流體溫度升高,黏度減小,但相對黏度與溫度無關(guān),僅與基液有關(guān).

(3)以水、乙二醇為基液的納米流體的相對黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性增加,與修正的K-D公式較吻合;而以乙二醇/水(乙二醇體積分?jǐn)?shù)為50%)為基液的納米流體的相對黏度在顆粒體積分?jǐn)?shù)大于1%時急劇增大.

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