水基SiO2納米流體沸騰換熱特性

薛淑文，李雨晴，肖卓楠，王亞雄，李科

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

水基SiO2納米流體沸騰換熱特性

薛淑文1，李雨晴1，肖卓楠1，王亞雄2，李科1

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

納米流體作為新型換熱介質(zhì)可廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。現(xiàn)有研究結(jié)果表明導(dǎo)致納米流體沸騰換熱性能變化的因素主要在于納米顆粒在換熱表面的沉積、加熱表面粗糙度、表面張力、內(nèi)部能量傳遞、氣泡形成條件等。對水基SiO2納米流體進(jìn)行池沸騰實驗研究，得到SiO2/水納米流體與純基液-去離子水核態(tài)沸騰換熱特性的區(qū)別，比較不同顆粒粒徑對納米流體換熱特性影響。結(jié)果表明：對于低濃度納米流體，添加納米顆粒后流體的換熱特性與純基液在相同條件下進(jìn)行核態(tài)沸騰時的換熱特性有較大差異，不同粒徑之間換熱特性變化明顯，隨著粒徑的增加呈非線性增長趨勢，隨著熱通量增大納米顆粒粒徑對換熱特性的影響趨勢增大。

水基；納米流體；沸騰；換熱特性；粒徑

引 言

隨著工業(yè)的快速革新，傳統(tǒng)換熱介質(zhì)（如水、礦物油、乙二醇等）已經(jīng)難以滿足某些特殊領(lǐng)域的換熱和冷卻需求，尤其在冶金、化工、熱能等領(lǐng)域。1995年，Choi[1]首次提出納米流體概念，納米流體是按照一定的方式和比例將納米級金屬或非金屬氧化物粒子添加到液體中，形成一種均勻穩(wěn)定且具有高熱導(dǎo)率的新型換熱冷卻工質(zhì)。大量的學(xué)者分別對納米流體熱物性、對流換熱特性、沸騰換熱特性進(jìn)行研究。對于熱物性而言，納米顆粒添加對基液熱導(dǎo)率、黏度、汽化潛熱、表面張力、過冷度等熱物性產(chǎn)生不同程度改變，并將研究重點放在顆粒濃度的改變對熱物性的影響上，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較低（體積分?jǐn)?shù)小于0.1%）時變化均不明顯，可忽略顆粒的添加對熱物性的影響[2-6]。對納米流體進(jìn)行的對流換熱特性研究均表明顆粒的添加不同程度地提高了對流傳熱系數(shù)，影響該變化的因素主要有顆粒濃度、Reynolds數(shù)、Raleigh數(shù)等[7-10]。

對納米流體沸騰特性的研究主要分為換熱特性和CHF（臨界熱通量）的改變兩方面。朱晨等[11]在傾斜朝下加熱面以水基Al2O3納米流體和水基Cu納米流體為工質(zhì)進(jìn)行沸騰換熱特性研究，結(jié)果表明不同納米顆粒的納米流體傳熱系數(shù)均隨著體積濃度增加而增加。Wen等[12]對Al2O3/水納米流體在刨光不銹鋼盤中進(jìn)行池沸騰實驗研究，結(jié)果表明顆粒濃度的增加強化了沸騰換熱特性且隨著熱通量的增加換熱特性呈增加趨勢，但在沸騰換熱表面沒有發(fā)現(xiàn)納米顆粒沉積現(xiàn)象。Park等[13]對多壁碳納米管/水納米流體進(jìn)行池沸騰實驗研究，結(jié)果表明納米流體的沸騰傳熱系數(shù)低于純水，CHF明顯升高，在換熱壁面出現(xiàn)明顯顆粒沉積現(xiàn)象。唐瀟等[14]對δ-Al2O3-R141b納米流體在體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.01%、0.001%時進(jìn)行池沸騰實驗研究，結(jié)果表明δ-Al2O3-R141b納米流體相對于基液傳熱特性的強化倍數(shù)隨著體積分?jǐn)?shù)增加而增大，并認(rèn)為表面沉積是強化換熱的主要因素，接觸角變化對于傳熱的影響可以忽略不計。Liu等[15]提出當(dāng)微液層發(fā)生蒸發(fā)時，納米顆粒會附著在換熱壁面上，導(dǎo)致壁面潤濕性增加，從而改變傳熱傳質(zhì)過程。施明恒等[16]將26 nm的鐵粉和13 nm的三氧化二鋁納米粉末分別與去離子水配成0.1%、1%、2%的懸浮液，從熱物性和加熱面特性兩方面考慮對懸浮液進(jìn)行池沸騰實驗，研究表明納米顆粒加入增加基液導(dǎo)熱性，降低了基液表面張力，強化液體內(nèi)部能量傳遞從而導(dǎo)致沸騰換熱得到強化，但在沸騰過程中納米顆粒的沉積和填充使表面粗糙度減小反而導(dǎo)致沸騰惡化。Kathiravan等[17]在水平不銹鋼管上對多壁碳納米管/水納米流體進(jìn)行了沸騰研究，對不同熱通量（961、611、508 kW·m-2）、不同體積分?jǐn)?shù)（0.25%、0.5%、1.0%）下的多壁碳納米管/水納米流體進(jìn)行探討，沸騰傳熱系數(shù)相對于純水有不同程度的提高，提高程度最高為75%，最低為20%。薛懷生[18]對多壁碳納米管納米流體進(jìn)行池沸騰實驗，結(jié)果表明隨著沸騰時間的延長，納米顆粒的添加會呈現(xiàn)對傳熱不同的影響。初期納米顆粒的沉積和結(jié)垢會增強加熱表面潤濕能力，多孔介質(zhì)也為沸騰提供大量汽化核心，從而增強傳熱；隨著沸騰時間的延長，納米顆粒的沉積和結(jié)垢會使垢層厚度增加、毛細(xì)孔直徑減小、孔隙率減小，從而弱化沸騰。Bang等[19]進(jìn)行了池沸騰換熱性能實驗，結(jié)果表明隨著納米顆粒濃度增加，加熱表面沉積程度加重，換熱表面粗糙度降低，減少了汽化核心數(shù)量，惡化了沸騰換熱性能；在相同熱通量下，不同尺寸加熱管中納米流體沸騰所需要的壁面過熱度增大，核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)降低。施賽燕等[20]對不同充液率、不同顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水基石墨烯（GNP）納米流體振蕩熱管的傳熱性能進(jìn)行分析，研究表明當(dāng)充液率為45%時，水基GNP納米流體可緩解燒干；當(dāng)充液率為55%～70%時，納米流體可不同程度降低熱阻，當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，熱阻最高降低83.33%，認(rèn)為改善振蕩熱管傳熱性能是由于納米流體熱導(dǎo)率高、表面潤濕性好導(dǎo)致的。Narayan等[21]采用524 nm表面粗糙度的壁面和47 nm粒徑的納米顆粒進(jìn)行實驗。實驗表明添加納米顆粒是否增強換熱取決于固體表面粗糙度和納米顆粒粒徑的關(guān)系。劉冉等[22]采用紫外分光光度計和熱物性分析儀對3種不同種類納米流體在三角形微通道內(nèi)的流動和換熱特性進(jìn)行測量，并對通道底面溫度分布進(jìn)行分析。研究表明3種納米顆粒的添加均強化了流體對流換熱且有效改善了均溫性，其中水基TiO2納米流體換熱特性改變最明顯，在實驗過程中納米粒子隨時間延長逐漸團聚。

納米顆粒的添加是否增強基液沸騰換熱特性并未得到一致結(jié)論，但大部分學(xué)者均將納米流體影響換熱特性的因素歸結(jié)為納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的大小和顆粒的沉淀導(dǎo)致的壁面結(jié)構(gòu)的改變上。Li等[28]認(rèn)為納米顆粒的布朗運動應(yīng)該被考慮，而顆粒粒徑是影響布朗運動的因素之一。肖波齊等[29]在考慮納米顆粒布朗運動的基礎(chǔ)上，從分形的角度出發(fā)對納米流體對流換熱的機理進(jìn)行了分析，得到解析解。周樂平等[30]通過研究低濃度非金屬納米顆粒懸浮液有效熱導(dǎo)率的影響，得到納米顆粒的尺寸效應(yīng)和表面吸附是懸浮液熱導(dǎo)率增加的主要因素，而由布朗運動引起的顆粒運輸過程只起很小的作用。為了得到納米流體相對于純基液換熱特性的改變和粒徑的改變對流體沸騰特性的影響，本文分別采用不同粒徑在顆粒體積分?jǐn)?shù)一定（體積分?jǐn)?shù)為0.1%）的條件下進(jìn)行池沸騰實驗。研究結(jié)果為理論分析提供實驗依據(jù)。

1 流體制備

納米流體制備方法主要分為兩種：“一步法”和“兩步法”。“一步法”是指在顆粒制備同時直接將顆粒分散到基液中，省去干燥、儲存、運輸和分散過程，粒子不易團聚且納米流體穩(wěn)定性好，但該方法對設(shè)備要求高且費用高、產(chǎn)量小，不適用于工業(yè)生產(chǎn)；“兩步法”是指將通過氣相沉積法、化學(xué)還原法、機械球磨法或其他方法制備好的納米粒子分散到基液中，然后通過超聲波振蕩、添加分散劑、改變pH的方法，使溶液均勻且提高溶液穩(wěn)定性，但使溶液長期穩(wěn)定的方法尚未開發(fā)。

納米科技的成熟使納米產(chǎn)品的制作已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，本次實驗納米流體配制采用直接購買質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%±2%的二氧化硅納米分散液（納米溶液均采購于安徽宣城晶瑞新材料有限公司），采用去離子水作為基液進(jìn)行稀釋，并用磁力攪拌器對溶液進(jìn)行攪拌直至均勻，實驗納米流體中二氧化硅顆粒所占溶液體積分?jǐn)?shù)均為0.1%，為防止改變流體性質(zhì)，不添加分散劑穩(wěn)定溶液。為了研究顆粒粒徑不同對納米流體換熱特性的影響，本次實驗除了研究純基液（去離子水）與納米流體換熱特性區(qū)別外還采用 6種顆粒粒徑進(jìn)行對比實驗（分別是15、30、50、60、80和90 nm），每組粒徑均為平均粒徑，粒徑誤差為±3 nm。

2 實驗臺搭建

實驗裝置如圖1所示。實驗缸體由有機玻璃制成分內(nèi)外兩部分，內(nèi)缸用于沸騰實驗，為了減少對外熱損失，在外缸中用加熱原件加熱去離子水做恒溫水浴，缸體上部用隔熱板進(jìn)行保溫絕熱。沸騰所需熱量由云母加熱片產(chǎn)生，加熱片可看作純電阻，功率由經(jīng)典電功率公式（P=U2/R）計算，熱量通過高導(dǎo)熱材質(zhì)銅進(jìn)行傳遞，銅塊周圍布置石棉等絕熱材料減少熱損失，在工況穩(wěn)定狀態(tài)下，銅塊下表面與上表面熱通量可看做等量且與云母加熱片功率以及傳熱面積有關(guān)，本次實驗通過變壓器改變電壓來調(diào)節(jié)熱通量。沸騰發(fā)生在面積為3 cm×3 cm的銅塊上表面，為防止有機玻璃高溫融化，用耐高溫且傳熱系數(shù)低的聚四氟乙烯材料進(jìn)行銅塊與缸體的連接。銅塊距頂部等距位置處分別放置3個熱電偶并用數(shù)據(jù)采集器采集溫度，從上到下熱電偶示數(shù)分別為T1、T2、T3，當(dāng)工況穩(wěn)定時，根據(jù)傅里葉定律可求得加熱壁面溫度

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

熱電偶采集誤差為0.1 K，則壁面溫度誤差

實驗開始前先進(jìn)行1 h預(yù)熱，除氣泡且將溶液達(dá)到沸騰，由于低熱流沸騰中溶液溫度略小于飽和溫度（約1～2 K）和云母加熱片功率有限等因素，本次實驗選取熱通量在 60～300 kW·m-2區(qū)間內(nèi)進(jìn)行實驗，在該區(qū)間內(nèi)取9個點進(jìn)行實驗測量。從60 kW·m-2開始實驗測量，每增加30 kW·m-2進(jìn)行一次測量，每次調(diào)節(jié)熱通量與上一次調(diào)節(jié)之間（包括溶液狀態(tài)穩(wěn)定和熱電偶測量穩(wěn)定）間隔20 min。傳熱系數(shù)采用式(3)計算

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 壁面過熱度

圖2為不同粒徑納米流體與純基液（去離子水）壁面過熱度隨熱通量變化曲線。從圖中可以看出純基液與 SiO2納米流體壁面過熱度隨著熱通量增加而增加，符合一般傳熱規(guī)律，在相同熱通量下水基SiO2納米流體壁面過熱度相對于純基液較大，圖中分別列出不同粒徑納米流體沸騰曲線，可以看到不同粒徑之間沸騰曲線變化較大且不是線性增長，但壁面過熱度均高于純基液。

“真是冤死我了。紅頭巾，本是我和老刀結(jié)婚時，團長老婆送的。開始是恨它不肯戴，后來是不舍得用沒戴。去照全家合影時用了一次，所以只洗一水，壓在箱子底。你來了，想著你遲早要有一條頭巾用，不如乘早送給你。我心想，我的日子過得還算幸福，你用了我這紅頭巾，日子也會幸福。哪知今天就這么趕巧，真是人算不如天算?！?/p>

圖2 壁面過熱度隨熱通量的變化Fig.2 Experimental results of wall superheat changed with heat flux

為方便分析粒徑對壁面過熱度的影響，分別取5個熱通量下粒徑與壁面過熱度的實驗數(shù)據(jù)做圖，并對不同熱通量下不同粒徑壁面過熱度做擬合曲線，如圖3所示（圖中，“Expt”表示實驗結(jié)果，“FC”表示擬合曲線，下同）。由圖可以看出，相同粒徑下隨著熱通量增加，壁面過熱度增加，而不同熱通量下，壁面過熱度隨粒徑變化趨勢基本相同。為探索換熱特性影響最大粒徑值，對每條擬合曲線求峰值并將峰值連接，可以看出在本次實驗中，不同熱通量下壁面過熱度相對粒徑變化曲線峰值在 50～60 nm之間，隨熱通量增加峰值由左向右偏移，且隨著熱通量增加偏移趨勢減弱，換熱影響最大的粒徑趨于一個定值。

圖3 壁面過熱度與顆粒粒徑實驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of wall superheat changed with particle size

3.2 傳熱系數(shù)

圖4 為純基液以及不同粒徑納米流體在不同熱通量下傳熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)，可以看出純基液和納米流體傳熱系數(shù)隨著熱通量增加而增加，不同粒徑納米流體傳熱系數(shù)在相同熱通量下傳熱系數(shù)不同，隨粒徑變化傳熱系數(shù)不呈線性變化。

圖4 傳熱系數(shù)隨熱通量的變化Fig.4 Experimental results of heat transfer coefficient changed with heat flux

為得到粒徑變化對傳熱系數(shù)影響，取5組熱通量考察傳熱系數(shù)隨納米顆粒粒徑的變化，并對每組熱通量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，從圖5中可看出隨著粒徑增加，相同熱通量下傳熱系數(shù)先降低再升高，呈凹線狀。這說明隨著納米顆粒粒徑尺寸的增大，汽化核心密度在不斷減小，從而使納米流體傳熱系數(shù)降低。但由于納米顆粒粒徑尺寸的不斷增大更加易于納米顆粒沉積，使得加熱表面粗糙度有所變化，增加了汽化核心密度，使得納米流體傳熱系數(shù)開始升高。當(dāng)熱通量較低時，相同熱通量下傳熱系數(shù)隨粒徑變化趨勢不明顯，隨著熱通量增加，變化趨勢逐漸增大。

圖5 傳熱系數(shù)隨納米顆粒粒徑的變化Fig.5 Experimental results of heat transfer coefficient changed with particle size

為進(jìn)一步分析納米顆粒的添加對基液在沸騰狀態(tài)下傳熱系數(shù)的影響，考察傳熱系數(shù)減少率隨熱通量的變化，并對每組熱通量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖6?？梢钥闯霾煌降募{米流體隨著熱通量增加，傳熱系數(shù)相對于純基液的減少率均呈現(xiàn)增加趨勢，代表隨熱通量增加，納米顆粒添加對純基液換熱特性的影響更加強烈。但隨著熱通量的增加，減少率變化趨勢降低且趨近與一個定值，代表在低熱通量下傳熱系數(shù)減少率會隨著熱通量的變化而變化，當(dāng)達(dá)到一定熱通量時，傳熱系數(shù)隨熱通量變化不明顯。相同熱通量下，不同粒徑納米流體相對于純基液傳熱系數(shù)減少率不同，但不呈現(xiàn)線性增減。

圖6 傳熱系數(shù)減少率隨熱通量的變化Fig.6 Experimental results of heat transfer coefficient reduction rate changed with heat flux

圖7 傳熱系數(shù)減少率隨納米顆粒粒徑的變化Fig.7 Experimental results of heat transfer coefficient reduction rate changed with particle size

為了研究粒徑變化對傳熱系數(shù)影響劇烈程度，取5組熱通量實驗數(shù)據(jù)考察傳熱系數(shù)減少率隨納米顆粒粒徑的變化，并將相同熱通量下不同粒徑實驗點進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果見圖7。如圖所示，隨著熱通量增加，傳熱系數(shù)減少率增加且隨熱通量增加，減少率增加幅度減少。相同熱通量下隨著粒徑的增加，傳熱系數(shù)減少率先增到后減少，結(jié)合圖3、圖5得出，在相同熱通量下，隨著粒徑的變化，納米顆粒的添加不僅對純基液的壁面過熱度和傳熱系數(shù)有影響，而且影響劇烈程度也隨粒徑增加先增加后降低。在圖中，對每條曲線求峰值，得到各熱通量下影響最大的粒徑，并將峰值連接擬合，明顯看出隨著熱通量增加，峰值由左向右偏移，且當(dāng)熱通量超過180 kW·m-2時，峰值趨于穩(wěn)定，峰值所對應(yīng)粒徑大小穩(wěn)定在50～60 nm。

4 結(jié) 論

本文對水基SiO2納米流體進(jìn)行沸騰實驗研究，得到壁面過熱度、傳熱系數(shù)以及傳熱系數(shù)相對于純基液變化率與熱通量和顆粒粒徑的關(guān)聯(lián)曲線，得到以下結(jié)論。

（1）納米顆粒的添加對純基液在核態(tài)沸騰狀態(tài)下?lián)Q熱特性影響顯著。

（2）不同粒徑的納米流體換熱特性變化明顯且并不隨著粒徑的增加而呈線性增長，對換熱特性影響最大的粒徑值會隨著熱通量的改變而改變，但當(dāng)熱通量達(dá)到一定值時影響最大的粒徑值穩(wěn)定在50～60 nm。

（3）本次實驗對水基SiO2納米流體沸騰換熱數(shù)學(xué)模型奠定了實驗基礎(chǔ)。

后期將就沸騰特性參數(shù)測量問題，并對粒徑、濃度等參數(shù)進(jìn)行分析，得到新的水基SiO2納米流體關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)對水基SiO2納米流體換熱特性的精確預(yù)測。

符 號 說 明

CHF ——臨界熱通量，kW·m-2

dw——氣泡脫離直徑，mm

h——傳熱系數(shù)，kW·m-2·K-1

n——汽化核心密度，sites·cm-2

q——熱通量，kW·m-2

Ra——Raleigh 數(shù)

Re——Reynolds數(shù)

Tsup——壁面過熱度，K

Tw——壁面溫度，K

Tw,l——液體溫度，K

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date:2016-12-22.

Prof. LI Ke, kelitsinghua@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51266008) and Inner Mongolia Autonomous Region Outstanding Youth Cultivation Fund (2015JQ05).

Boiling heat transfer characteristics of water-based SiO2nanofluids

XUE Shuwen1, LI Yuqing1, XIAO Zhuonan1, WANG Yaxiong2, LI Ke1
(1School of Energy and Environment,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,Inner Mongolia,China;2School of Chemistry and Chemical Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,Inner Mongolia,China)

Nanofluids have been found to be widely used in many fields as new heat transfer medium. The results indicate that the main factors leading to the change of the heat transfer performance of nanofluids are the deposition of nanoparticles on the heat transfer surface, the change of the surface roughness of the heating surface,the change of the surface tension of the medium, the internal energy transfer and the bubble formation condition.The experimental study on pool boiling of water-based SiO2nanofluids was carried out with different particle size of nanoparticles to obtain the difference of heat transfer characteristics between SiO2/water nanofluids and deionized water in the state of nucleate boiling in the saturated state, and to compare the heat transfer characteristics of nanofluids with different particle diameters. The results show that the heat transfer characteristics of nano-particles are quite different from that of the pure base fluid in the same state. The change of heat transfer characteristics between different particle sizes is obvious and the change of heat transfer characteristics does not increase linearly with the increase of particle size.

water-based; nanofluids; boiling; heat transfer characteristics; particle size

TK 123

A

0438—1157（2017）11—4147—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20161788

2016-12-22收到初稿，2017-07-17收到修改稿。

聯(lián)系人：李科。

薛淑文（1993－），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（51266008）；內(nèi)蒙古自治區(qū)杰出青年培育基金項目（2015JQ05）。