納米流體在板式換熱器中傳熱特性的實驗研究

孫 斌 左瑞良 楊 迪

(東北電力大學能源與動力工程學院)

納米流體在板式換熱器中傳熱特性的實驗研究

孫 斌*左瑞良 楊 迪

(東北電力大學能源與動力工程學院)

實驗使用平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3和Al2O3納米顆粒制備質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，通過測量不同納米流體的溫度、流量及壓力等相關參數(shù)，計算各流體在不同雷諾數(shù)下的對流換熱系數(shù)和相應的熵產(chǎn)。實驗結果表明：Cu-水納米流體的對流換熱系數(shù)相比去離子水增加的最多，F(xiàn)e2O3-水次之， Al2O3-水最少；系統(tǒng)熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關系類似拋物線，存在最小熵產(chǎn)。

板式換熱器 納米流體 對流換熱系數(shù) 熵產(chǎn)

隨著科學技術的發(fā)展和能源問題的日益突出，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已很難滿足高傳熱強度、微系統(tǒng)散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求。眾所周知，懸浮有固體顆粒的兩相流體的換熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單相流體，然而兩相流體缺乏穩(wěn)定性，容易發(fā)生沉積、堵塞及磨損等不良現(xiàn)象，限制了它在實際生產(chǎn)中的應用。1995年，Choi S提出納米流體的概念，這種流體是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顆粒，形成的一類新型傳熱介質(zhì)[1]。

近些年，國內(nèi)外很多學者研究納米流體在換熱器中的傳熱特性，如朱建軍等測量了水平微細圓管內(nèi)蒸餾水和不同質(zhì)量濃度的多壁碳納米管納米流體在低雷諾數(shù)下的強制對流換熱特性[2]。李金凱等采用瞬態(tài)熱線法測量了SiO2和SiO2-乙二醇兩種納米流體在不同體積分數(shù)和溫度下的導熱系數(shù)，分析研究了納米SiO2體積含量、溫度和懸浮穩(wěn)定性對納米流體導熱系數(shù)的影響[3]。研究發(fā)現(xiàn)將碳納米管(CNT)[4]、A12O3[5]及CuO[6]等納米顆粒加入水、醇、油之后，傳熱系數(shù)較原基液有了明顯提高。宮玉英等利用兩步法制備了體積分數(shù)為0.2%～2.0%的SiO2-水納米流體，實驗結果表明：SiO2-水納米流體在熱管內(nèi)具有良好的等溫性能[7]。韓建荒等在對大型翅片管式換熱器結構合理簡化的基礎上，應用CFD和數(shù)值傳熱學方法建立了翅片管式換熱器內(nèi)部流動與傳熱的數(shù)學模型，得到了其內(nèi)部流場和溫度場的分布規(guī)律[8]。倪振偉等提出以換熱器的總熵增率作為換熱器的經(jīng)濟性指標[9,10]。余敏等分析了換熱器特性參數(shù)與熱力性能熵產(chǎn)[11]。林紅良等揭示了換熱器能耗產(chǎn)生的原因，確定了最佳的熱力參數(shù)匹配[12]。柳雄斌等以“僅以傳遞熱量為目的”和“參與不可逆布雷頓循環(huán)”的逆流換熱器為例，比較了熵產(chǎn)極值準則和火積耗散極值準則在換熱器參數(shù)優(yōu)化問題中的適用性[13]。對參與熱功轉(zhuǎn)換的換熱器，換熱器的熱力學優(yōu)化準則取為熵產(chǎn)極值較好。

本課題組將高效傳熱工質(zhì)——納米流體和高效傳熱設備——板式換熱器整合到一個傳熱實驗系統(tǒng)中，對流體的對流換熱特性進行研究并計算板式換熱器的熵產(chǎn)，希望能找到納米流體最經(jīng)濟適用的應用途徑，獲得換熱器能效最高的工況，促進我國節(jié)能減排事業(yè)的深入開展。

1 實驗系統(tǒng)

納米流體流動與對流換熱性能的測試一般采用穩(wěn)態(tài)法，實驗裝置是一個流動循環(huán)系統(tǒng)，主要由儲液裝置、循環(huán)動力系統(tǒng)、加熱裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、冷卻系統(tǒng)及換熱器等組成(圖1)。實驗主要由兩條循環(huán)回路完成，冷水回路：儲液罐中的納米流體→泵1→流量控制閥→板式換熱器→流量計→冷卻水箱→儲液罐。熱水回路：熱水箱→泵2→板式換熱器→熱水箱。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

1.1實驗裝置

儲液罐由有機玻璃制成，用來儲存納米流體，同時方便觀察實驗中納米顆粒的懸浮狀態(tài)。從冷卻水箱進口流入冷卻用水，并將冷卻銅管呈蛇形布置，以便充分冷卻，維持恒定的納米流體入口溫度。主流路中的閘閥用作總開關。流量控制閥用于控制實驗系統(tǒng)中納米流體的流量。實驗系統(tǒng)中的連接管路均為內(nèi)徑10mm、壁厚1mm的紫銅管。為了消除沿管壁軸向的傳導熱損失，銅管進出端皆用塑料套管與管路相連，并在連接處用密封膠密封；為了消除熱量向環(huán)境擴散，銅管外套黑色橡膠保溫管并包裹鋁箔膠帶。為了消除入口效應的影響，使實驗管內(nèi)納米流體處于充分發(fā)展區(qū)，在換熱器冷進入口前300mm處增設一個長200mm的預熱段，預熱段管壁外以螺旋狀均勻纏繞帶有絕緣瓷碗的鎳鉻電阻絲，電阻絲直徑為1.2mm，通直流電對管內(nèi)納米流體進行加熱。為防止高溫發(fā)生意外，在電阻絲外包裹耐火材料；在管壁外層包裹硅酸鋁保溫材料和鋁箔膠帶，防止熱量散失并起保溫、絕緣作用。預熱段中，緊貼管壁安裝溫控器，實驗時設定溫度的上、下限，實現(xiàn)智能溫度控制，預熱段剖面圖如圖2所示。

圖2 預熱段剖面圖

實驗段安裝8個Pt100熱電阻，分別測量換熱器冷進、冷出、熱進、熱出和管壁溫度。熱水箱內(nèi)有電加熱棒，為實驗提供穩(wěn)定的熱源；冷卻水箱內(nèi)有循環(huán)冷卻水，用于保持納米流體入口溫度恒定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關設備參數(shù)見表1。

表1 實驗設備參數(shù)

釬焊板式換熱器購于廣州熱爾熱工設備有限公司，型號為BRQ035-20，參數(shù)如下：

換熱面積 0.7m2

換熱片數(shù) 20

板片材料 304不銹鋼

質(zhì)量 4.2kg

板片厚度 0.6mm

工作壓力 3.0MPa

板間距 2mm

1.2實驗流程

組建實驗臺，集備平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3、Al2O3納米顆粒和去離子水，并對系統(tǒng)進行氣密性檢測與校核；用兩步法制備質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，攪拌30min，超聲波震蕩60min；為熱水箱中的加熱棒通電，同時打開與之相連的溫控器，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測水箱溫度；待熱水升至設定溫度后，啟動冷卻水系統(tǒng)，檢查各管道閥門；實驗階段，啟動泵1、2，同時啟動預熱裝置，待監(jiān)測點的溫度、壓力及流量等穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)，然后改變流量，測量同一質(zhì)量分數(shù)的流體在不同流量下的實驗數(shù)據(jù)，重復此過程；為將實驗誤差控制在允許范圍內(nèi)，避免各組實驗相互影響，在更換不同質(zhì)量分數(shù)的納米流體進行實驗前，應使用去離子水沖洗實驗系統(tǒng)，再用打氣筒將去離子水打出，多次操作，并再次檢查氣密性；最終進行數(shù)據(jù)處理。

1.3實驗裝置校核

在實驗開始之前，應對實驗裝置進行檢測，驗證裝置的精確度。裝置校核方法是測量去離子水在湍流狀態(tài)下的管內(nèi)對流換熱系數(shù)，將實驗結果與Dittus-Boelter實驗關聯(lián)式進行比較。將去離子水在湍流狀態(tài)下所得的實驗結果與運用理論公式(Nu=0.38Re0.8Pr0.3)所得的結果進行比較，由圖3可知，實驗結果與計算結果有較好的吻合度，誤差較小，總體誤差基本控制在4%左右，實驗裝置精度要求合格。

圖3 純水實驗值與Dittus-Boelter公式計算值比較

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1對流換熱系數(shù)

實驗采用對流傳熱的基本計算式即牛頓冷卻公式：

q=h×(tw-tnf)

式中h——對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

q——實驗段的平均熱流密度，W/m2；

tw——管壁溫度，℃；

tnf——納米流體溫度，℃。

其中：

q=Q/S

Q=Cnf×qm×ΔT

ΔT=Th,in-Th,out

式中Cp——納米顆粒的比熱容，J/(kg·℃)；

Cbf——基液的比熱容，J/(kg·℃)；

Cnf——納米流體的比熱容，J/(kg·℃)；

Q——實驗段的加熱平均熱流量，W；

S——實驗段有效換熱面積，m2；

Th，in——換熱器熱進溫度，℃；

Th，out——換熱器熱出溫度，℃；

ρp——納米顆粒的密度，kg/m3；

ρbf——基液的密度，kg/m3；

φ——納米流體的濃度。

水的比熱容比納米顆粒的比熱容大，隨著納米顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，納米流體整體的比熱容呈減小趨勢。納米流體的平均質(zhì)量流量qm為：

qm=qv×ρnf

ρnf=(1-φ)ρbf+φρp

式中qv——納米流體的體積流量，m3/h；

ρnf——納米流體的密度，kg/m3。

由于納米顆粒的體積通常難以精確測定，因此納米流體中的粒子體積份額可根據(jù)粒子的質(zhì)量百分比計算，即：

式中ω——納米流體的質(zhì)量分數(shù)。

式中Tc，in——換熱器冷進溫度，℃；

Tc，out——換熱器冷出溫度，℃。

一定尺寸的納米流體，其導熱系數(shù)的計算式為：

式中CB——Boltzmann常數(shù)，取1.38066×10-23J/K；

dp——納米顆粒的平均粒徑，m；

Kbf——基液的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

Knf——納米流體的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

Kp——納米顆粒的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

Pr——基液的普朗特數(shù)；

Red——納米顆粒的雷諾數(shù)；

vb——納米顆粒的布朗速度，m/s；

μbf——基液的運動粘度，Pa·s。

2.2熵產(chǎn)

換熱器中的總熵產(chǎn)Sgen，T由兩部分組成：

Sgen,T=Sgen,t+Sgen,f

其中：

f=[0.79·ln(Re)-1.64]-2

式中f——系統(tǒng)的摩擦因子；

Sgen，t——由溫差引起的熵產(chǎn)，W/K；

Sgen，f——由流動阻力引起的熵產(chǎn)，W/K；

Tave——換熱器進口與入口的平均溫度，℃；

Nu——納米流體的努塞爾數(shù)。

3 實驗結果分析與討論

3.1對流換熱系數(shù)

流體的對流換熱系數(shù)是一個宏觀的物理量，用來描述流體在流過溫度不同的固體表面時的換熱能力。以一組去離子水實驗作為對比實驗，分析不同質(zhì)量分數(shù)相同納米流體的對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關系(圖4)和相同質(zhì)量分數(shù)不同納米流體的對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關系(圖5)。

由圖4、5可知，與去離子水相比，加入納米顆粒后流體的對流換熱系數(shù)有所提高，比較同種納米顆粒流體，對流換熱系數(shù)隨納米顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而增加；比較不同納米顆粒流體，就對流換熱系數(shù)而言，Cu-水納米流體增加的最多，F(xiàn)e2O3-水次之，Al2O3-水最少。表2列出了納米流體對流換熱系數(shù)的增長情況。

圖4 不同質(zhì)量分數(shù)相同納米流體的對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關系

圖5 相同質(zhì)量分數(shù)不同納米流體的對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關系

表2 納米流體對流換熱系數(shù)增長率

3.2熵產(chǎn)

根據(jù)相關實驗數(shù)據(jù)計算換熱器的總熵產(chǎn)，得到換熱器總熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關系如圖6所示。由圖6可知換熱器對流換熱過程的總熵產(chǎn)隨管內(nèi)納米流體雷諾數(shù)Re的變化關系：換熱器的熵產(chǎn)圖總體類似拋物線，且總熵產(chǎn)隨著Re的增大，先減小后增大，都存在一個Re對應著最小的熵產(chǎn)，即最小的不可逆損失。究其原因可知，在低Re下，溫差引起的熵產(chǎn)的影響大于流動阻力引起的熵產(chǎn)；而在高Re下，則是流動阻力引起的熵產(chǎn)占主導地位。換熱器是不可逆損失較為集中的熱力系統(tǒng)，強化傳熱的過程能使傳熱效能提高，減小溫差引起的熵產(chǎn)，同時會使流動阻力引起的熵產(chǎn)增加，因此應考慮系統(tǒng)的總熵產(chǎn)，比較強化傳熱前后的總熵產(chǎn)，如果強化傳熱后總熵產(chǎn)減小，則才算達到強化傳熱的目的。

圖6 換熱器總熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關系

4 結束語

筆者用兩步法制備3種納米流體，通過實驗研究了納米顆粒種類、濃度對納米流體在板式換熱器中對流換熱特性的影響。研究結果表明：當納米顆粒種類相同時，納米顆粒的濃度對納米流體的對流換熱系數(shù)影響較大，隨著濃度的增加，不同種類的納米流體的傳熱系數(shù)均有增加；當納米顆粒的濃度相同時，相比去離子水來說，Cu-水納米流體的傳熱系數(shù)增加最多，F(xiàn)e2O3-水次之，Al2O3-水最少。通過對納米流體在板式換熱器中的熵產(chǎn)的研究發(fā)現(xiàn)：在低Re下，溫差引起的熵產(chǎn)的影響大于流動阻力引起的熵產(chǎn)；而在高Re下，則是流動阻力引起的熵產(chǎn)占主導地位。

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ExperimentalStudyonHeat-transferCharacteristicsofNanofluidsinPlateHeatExchangers

SUN Bin, ZUO Rui-liang, YANG Di
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

In experiments, the 50nm-sized nanoparticles (Cu, Fe2O3and Al2O3) were adopted to prepare the nanofluid which boasting of 0.1%, 0.3% and 0.5% mass fractions respectively; and through measuring related parameters like the temperature, flow rate and the pressure of different nanofluids, their convective heat transfer coefficient and corresponding entropy production under different Reynolds numbers were calculated. The experimental results show that, as compared to the deionized water, the Cu-water nanofluid has the highest convective heat transfer coefficient, then comes to Fe2O3- water nanofluid and Al2O3- water nanofluid in turn; and the system entropy production behaves in a parabola with the change of Reynolds numbers.A minimum entropy production can be seen there.

plate heat exchanger, nanofluid, convective heat transfer coefficient, entropy production

* 孫 斌，男，1972年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)02-0148-06

2015-03-16，

2016-03-10)