納米流體在太陽能集熱器熱管中的應(yīng)用研究

摘 要：大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)明顯地高于其基液的導(dǎo)熱系數(shù)，在強(qiáng)化傳熱方面和沸騰傳熱方面都有巨大的潛能。作為一種新型傳熱冷卻工質(zhì)，納米流體已成功應(yīng)用于熱管強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域。從目前的研究情況來看，需要從熱管的使用壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面對納米流體熱管及其傳熱機(jī)理和傳熱性能進(jìn)行深入研究與完善。

關(guān)鍵詞：納米流體；太陽能；應(yīng)用

如何提高太陽輻射能的轉(zhuǎn)換效率一直是科研人員研究的重點(diǎn)，雖然我國的真空管集熱技術(shù)擁有國際領(lǐng)先水平，但限于玻璃真空管本身易炸管、承載能力低、熱啟動(dòng)速度慢等缺陷，國外一直較少采用。近十幾年來，隨著熱管技術(shù)的出現(xiàn)及對納米流體研究的深入，將納米流體和熱管技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于太陽能集熱器成了一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域。

1 納米流體介質(zhì)的提出

在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的高效傳熱元件之一，它依靠自身內(nèi)部工作液體相變來傳遞熱量，可將大量熱量通過其很小的截面積遠(yuǎn)距離地輸送而無需外加動(dòng)力。經(jīng)過幾十年研究，熱管技術(shù)已從最初的滿足空間需要，到現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用冶金、石油、化工及電子等各個(gè)領(lǐng)域。在太陽能熱利用方面，熱管的應(yīng)用克服了玻璃管易炸管、承載能力低、熱啟動(dòng)速度慢等缺陷[1]，因此受到了太陽能企業(yè)的歡迎。

1995年，美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室[2]首次提出納米流體的概念：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，形成一類新的高效傳熱工質(zhì)。目前，基于納米流體普通熱管的集熱器研究還比較少[3]，因此，我們通過實(shí)驗(yàn)研究了TiC/H2O納米流體的傳熱性能，為集熱器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱管管壁材料選取

根據(jù)我國管材的規(guī)定（GB/T 1527-1997），選用壁厚S=0.7mm、外徑為9.5mm的銅管，長度為750mm，熱管蒸發(fā)段長度Le=300mm，冷凝段長度Lc=450mm。

2.2 納米流體的選擇

納米顆粒方面，常用的納米顆粒包括金屬粒子如Au，Ag，Cu，F(xiàn)e；氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，F(xiàn)e3O4；碳化物如SiC，TiC；氮化物如AlN，SiN以及碳納米管等[4]?；悍矫?，常用的有水，乙二醇，機(jī)油，以及各類制冷劑溶液等。目前，國內(nèi)應(yīng)用廣泛的是銅-水熱管、無機(jī)工質(zhì)熱管[5]，而國外，研究較多的是把熱管的工質(zhì)用有機(jī)物代替。綜合分析不同顆粒的化學(xué)性能特點(diǎn)，結(jié)合與熱管管壁材質(zhì)的相容性，我們最終以TiO2/H2O納米流體為工質(zhì)為研究對象，對不同濃度和不同充液率的多根TiO2/H2O納米流體重力熱管的啟動(dòng)性能和傳熱性能進(jìn)行測試。

2.3 納米流體的制備方法

納米流體的制備方法有兩種：一步法和兩步法。一步法是將納米顆粒的制備過程和納米顆粒在基液中的分散過程同時(shí)完成。兩步法是將制備好的納米顆粒通過某種手段分散到基液中，制備和分散過程分兩步進(jìn)行。一步法制備的納米流體中納米顆粒分散均勻，懸浮液具有較高的分散性。但是由于一步法制備工藝復(fù)雜，所需設(shè)備昂貴，不具備大批量生產(chǎn)的能力，所以現(xiàn)階段主要采用兩步法制備納米流體。

兩步法制備納米流體具有操作簡便，易于控制懸浮液的納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)的特點(diǎn)，但流體穩(wěn)定性不足，可以通過采用高壓微射流分散儀制備形成穩(wěn)定的納米流體[6]。

2.4 納米流體充液率設(shè)計(jì)

現(xiàn)有研究成果表明，以Ag/H2O納米流體熱管在充液率為60%時(shí)傳熱性能較好，F(xiàn)e3O4/H2O的最佳充液率為40%，CuO/H2O納米流體脈動(dòng)熱管充液率采用55%時(shí)傳熱性能較好[7]。多數(shù)研究表明，納米流體較佳的充液率為50%～60%。所以，我們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：質(zhì)量百分比為0.2%～1%，充液率為50%～70%，如表1所示。

表1 重力熱管沖液參數(shù)設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)方法

將熱管豎直放置，納米流體熱管采用恒溫水浴加熱方法加熱，蒸發(fā)段加熱溫度取90℃，冷凝段完全暴露在25℃的空氣中，通過自然對流和輻射換熱進(jìn)行冷卻。熱管的管壁溫度通過均布在外壁上的四對鎳鉻-鎳銅熱電偶測量，熱電阻連接至Agilent數(shù)據(jù)采集儀，通過RS232/RS485信號轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)的COM端口，在計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集和記錄測量結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

熱管的換熱系數(shù)與納米顆粒的種類、粒徑的大小、加入量的比例等因素都有關(guān)系，熱管的穩(wěn)定性也與加入微米級顆粒有關(guān)。在選定納米粒子的種類和大小后，我們通過測試實(shí)驗(yàn)測試了納米粒子熱管的傳熱性能，得出了粒子濃度和沖液比對傳熱性能的影響趨勢。

表2 重力熱管沖液傳熱性能測試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）質(zhì)量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動(dòng)時(shí)間比去離子水熱管明顯縮短。

（2）隨著納米流體粒子濃度的增加，熱管的啟動(dòng)時(shí)間呈降低趨勢，但當(dāng)粒子濃度大于一定程度時(shí)，隨著濃度的增加，熱管的啟動(dòng)時(shí)間反而會增加。

（3）相同條件下納米流體熱管的等溫性比水熱管好，傳熱能力顯著提升。

另外，我們將一定濃度和沖液比的熱管傾斜不同角度驚醒的傳熱測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱管傾斜角度為70°～90°時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間變化不大；當(dāng)傾斜角度減小到40°時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間明顯增加，這說明：重力熱管的傳熱效果與熱管安裝角度有較大的關(guān)系。

5 結(jié)束語

加入納米粉后熱管的換熱性能得到了明顯的改善，可以認(rèn)為： 因?yàn)榧{米材料的比表面積很大而具有大的比表面能，當(dāng)工作流體加熱時(shí)，納米粉的布朗運(yùn)動(dòng)速度很大，促使氣泡很快地脫離壁面，在蒸發(fā)段既加強(qiáng)了液體的擾動(dòng)，又增加了有效蒸發(fā)面積，從而使沸騰換熱得以強(qiáng)化。納米粉的布朗運(yùn)動(dòng)使顆粒間頻繁碰撞，加速了熱量在懸浮液內(nèi)的傳遞，增大有效導(dǎo)熱系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周小波，蔣富林，等.熱管式真空太陽能集熱管及其應(yīng)用[J].太陽能，2011.

[2]Choi S U S. Enhancing Therm al Conductiv ity of Fluids with Nanoparticles.Developm ents and Applications of Non-Newtonian Flows[J].New York：SAME，1995.

[3]趙蔚琳，劉宗明，等.基于納米流體熱管的研究綜述[J].化工機(jī)械，2009.

[4]張于峰，謝慧，李德英，等.碳鋼水熱虹吸管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

[5]南照東，譚志誠.高效熱管傳熱工質(zhì)的熱力學(xué)研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19，883～885.

[6]王輝，駱仲泱，等.SiO2納米流體透射率影響因素實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.

[7]紀(jì)玉龍，徐陳，等.納米流體對脈動(dòng)熱管最佳充液率的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012.

作者簡介：王萬新（1971-），男，山東平原人，講師，碩士，主要從事機(jī)械制造自動(dòng)化研究。