SiO₂-乙醇納米流體重力熱管傳熱性能的試驗(yàn)研究

楊文斌 楊峻

摘 ? ? ?要：在Maxwell所提出的關(guān)于懸浮液導(dǎo)熱系數(shù)的模型的基礎(chǔ)上考慮了布朗運(yùn)動、納米顆粒之間的團(tuán)聚和固液界面液膜層內(nèi)液體分子規(guī)則排列對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，研究了SiO2-乙醇納米流體的熱傳導(dǎo)性能，推導(dǎo)出了納米流體導(dǎo)熱公式，在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同充液率以及不同粒徑下對單管傳熱進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：改進(jìn)后的模型導(dǎo)熱系數(shù)比原模型更大;相同粒徑和充液率的納米流體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%時傳熱效果最好;相同粒徑和濃度的納米流體，充液率32%時傳熱效果最好;相同濃度和充液率的納米流體，15～20 nm的SiO2納米流體傳熱效果更高。納米流體的傳熱系數(shù)隨著納米顆粒平均粒徑的減小而增大，這與推導(dǎo)的模型結(jié)果相符合。

關(guān) ?鍵 ?詞：納米粒子;納米流體;傳熱系數(shù);重力熱管;傳熱

中圖分類號：TK124 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）12-2962-05

Abstract： Based on Maxwell's model of thermal conductivity of suspension， considering the effect of Brownian motion， agglomeration of nanoparticles and regular arrangement of liquid molecules in liquid film at solid-liquid interface on thermal conductivity of nanofluids，the thermal conductivity of SiO2-ethanol nanofluids was studied， and the thermal conductivity formula of nanofluids was deduced. The heat transfer of single tube was experimentally studied under different mass fraction， filling rate and particle size. The results showed that，the thermal conductivity of improved model was larger than that of the original model; When the mass fraction of nanofluids with the same particle size and filling rate was 1.5%， the heat transfer effect was the best; The heat transfer efficiency of nanofluids with the same particle size and concentration was the best when the filling rate was 32%; For nanofluids with the same concentration and filling rate， the heat transfer efficiency of SiO2 nanofluids with 15～20 nm was higher. The heat transfer coefficient of nanofluids increased with the decrease of the average particle size， which was consistent with the derived model.

Key words： Nanoparticles;Nanofluids;Gravity heat pipes;Heat transfer coefficient;Heat transfer

重力熱管因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制造方便以及傳熱性能較好、工作穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，在余熱回收[1-3]、空調(diào)制冷[4-5]和電子設(shè)備散熱[6]等傳熱裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和全球能源危機(jī)等問題的出現(xiàn)，傳統(tǒng)重力熱管的傳熱性能需要進(jìn)一步提高。納米流體作為一種傳熱效率較高的介質(zhì)而得到了逐步應(yīng)用，1995年，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Choi等[7]首次提出了納米流體這個概念：即將平均粒徑小于100 nm 的固體顆粒物（金屬或非金屬）均勻分散到液體中（如水、乙醇）所形成的穩(wěn)定的懸浮液。郭廣亮等[8]用2%的納米流體替換了傳統(tǒng)熱管中的水之后，蒸發(fā)段的傳熱性能有了很大程度的提升，同時臨界熱通量也增加了很大幅度。宮玉英等[9]將重力熱管中加入SiO2-水納米流體之后，熱管的傳熱性能比傳統(tǒng)的水重力熱管提高

了1.35～1.7倍。Noie等[10]將體積濃度為1%～3%的Al2O3-水納米流體加入到重力熱管中研究其傳熱性能，其結(jié)果表明添加了Al2O3納米顆粒的重力熱管的傳熱效率比沒加納米顆粒的重力熱管提高了14.7%，并且整個熱管的溫度分布也更加均勻。

本文考慮了納米顆粒的布朗運(yùn)動、固液界面液膜層和顆粒間的團(tuán)聚對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，從微觀角度對納米流體傳熱系數(shù)進(jìn)行了簡單的推導(dǎo)。同時以SiO2-乙醇納米流體為工質(zhì)，研究不同粒徑、不同質(zhì)量濃度以及不同充液率的SiO2-乙醇納米流體對重力熱管傳熱性能的影響，并且與乙醇重力熱管的傳熱性能進(jìn)行比較。

1 ?納米流體導(dǎo)熱研究

1.1 ?納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的理論分析

納米流體不只是基液與納米顆粒間的液固混合，即使不考慮分散劑和表面改性劑對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，也不能忽略布朗運(yùn)動、固液界面液膜層和顆粒間的團(tuán)聚對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1.2 ?導(dǎo)熱系數(shù)

1.3 ?分析討論

影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的因數(shù)較多，研究計(jì)算方法也比較多，本研究在室溫T=300 K情況下進(jìn)行討論，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，取k1=5.15 W·m-2·K-1，k0=0.24 W·m-2·K-1，然后根據(jù)數(shù)據(jù)作出了不同粒徑和不同體積分?jǐn)?shù)下有效導(dǎo)熱系數(shù)和基液導(dǎo)熱系數(shù)比值的曲線圖，并和原Maxwell模型進(jìn)行對比（圖3）。

由圖3可知，改進(jìn)后的模型導(dǎo)熱系數(shù)更大，有效導(dǎo)熱系數(shù)與體積分?jǐn)?shù)幾乎呈線性關(guān)系，SiO2納米顆粒粒徑越小 ，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大，從圖3中可看出，有效導(dǎo)熱系數(shù)比Maxwell模型增加了2.9%～23.8%。

2 ?重力熱管傳熱試驗(yàn)

將SiO2-乙醇納米流體應(yīng)用于重力熱管進(jìn)行試驗(yàn)，分別在一定的充液量和粒徑的情況下研究不同質(zhì)量濃度的SiO2-乙醇納米流體重力熱管傳熱性能，并與普通的乙醇重力熱管經(jīng)行對比，得出最佳的濃度配比。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，測試重力熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)的主體部分是一根長1 250 mm、壁厚為2.5 mm，外徑為25 mm的重力熱管。其外殼材料為20號碳鋼，自上而下 分別為冷凝段、絕熱段以及蒸發(fā)段，其長度分別為600、150、500 mm。將7對熱電偶布置在重力熱管的壁面上用于測量熱管的外壁溫，其中，絕熱段和冷凝段各布置2對，蒸發(fā)段3對，如圖5為所示。在熱管的冷凝段外部連接有有一個內(nèi)徑為40 mm，長度為500 mm，的夾套，在里面通入循環(huán)冷卻水用于熱管傳熱，冷卻水的流量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測量。

試驗(yàn)使用了兩種粒徑的SiO2-乙醇納米流體重力熱管，納米顆粒的粒徑分別為15～20 nm和50 nm，每種粒徑分別配制成0.5%、1%、1.5%、2%的以乙醇為基液的納米流體，并且與乙醇重力熱管的傳熱性能進(jìn)行對比試驗(yàn)。在配制納米流體時，將納米顆粒加入一定量的乙醇中，然后通過超聲振動3 h后，獲得較穩(wěn)定的納米流體懸浮液。超聲振動后以24%、32%、40%的充液率將納米流體加入到重力熱管中，密封熱管后加熱熱管，一定時間后打開熱管上的開關(guān)閥將熱管內(nèi)排成真空從而制成納米流體重力熱管。重力熱管的蒸發(fā)段用電加熱爐進(jìn)行加熱，溫度設(shè)定為120 ℃，冷凝段用常溫下的自來水冷卻，冷卻水流量設(shè)定為1.67×10-6 m3/s。熱管冷凝段和絕熱段用保溫棉進(jìn)行嚴(yán)密包裹以盡量減少熱量散失。待系統(tǒng)穩(wěn)定后分別記錄進(jìn)出水的溫度和熱管管壁熱電偶的讀數(shù)。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在基液中加入納米顆粒后的熱管， 除了充液率和加熱的熱流密度會影響換熱系數(shù)的大小之外，納米顆粒體積濃度的高低也會影響到傳熱系數(shù)的大小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出不同粒徑、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及不同充液率下重力熱管的傳熱系數(shù)曲線。

2.2.1 充液率的影響

圖6中（a）和（b）分別為同一種粒徑和濃度下乙醇重力熱管和SiO2-乙醇納米流體重力熱管的傳熱系數(shù)隨著工質(zhì)充液率的變化而變化的走勢圖。由圖中可以看出，兩種重力熱管的傳熱系數(shù)均隨著工質(zhì)充液率的增加先增加后減小，充液率為32%時熱管傳熱系數(shù)達(dá)到最大。

2.2.2 ?濃度的影響

圖7中質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇納米流體重力熱管的傳熱系數(shù)比乙醇重力熱管的傳熱系數(shù)分別提高了6.25%～20.5%、23.4%～38%、42.1%～55%、31.2%～48.3%。

2.2.3 ?粒徑的影響

在相同濃度和充液率下，兩種粒徑的SiO2-納米流體重力熱管的傳熱系數(shù)變化情況如圖8所示，從圖中可看出，15～20 nm的納米流體重力熱管的傳熱系數(shù)比50 nm的納米流體重力熱管更高。

本試驗(yàn)對一定濃度范圍內(nèi)的納米流體強(qiáng)化重力熱管傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析，當(dāng)加熱蒸發(fā)段時，熱管工質(zhì)處于核沸騰狀態(tài)，SiO2粒子吸附在熱管壁上。當(dāng)液體均質(zhì)成核的臨界半徑小于納米顆粒的粒徑時[20]，納米顆粒的加入就能加速流體內(nèi)的氣泡成核，使其汽化，并且所產(chǎn)生的氣泡密度比乙醇大，由于布朗運(yùn)動的作用是的旗袍會迅速被帶出，從而降低了液膜熱阻進(jìn)而起到強(qiáng)化傳熱的作用。當(dāng)濃度不斷增加超過一定范圍時，由于納米顆粒的團(tuán)聚和工質(zhì)黏度的增加等原因?qū)е虏祭蔬\(yùn)動的作用減弱，流動阻力增大，因此也增加了蒸發(fā)段的熱阻，致使傳熱系數(shù)降低。

3 ?結(jié) 論

（1）在考慮了布朗運(yùn)動、納米顆粒間的團(tuán)聚以及固液界面液膜層內(nèi)液體分子規(guī)則排列的情況下，改進(jìn)后的模型增加了SiO2-乙醇納米流體的導(dǎo)熱系數(shù);一定體積分?jǐn)?shù)下，SiO2納米顆粒的粒徑越小，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大。

（2）相同粒徑和濃度下，充液率為24%時熱管傳輸功率最大，充液率為32%時熱管傳熱系數(shù)最大;在相同粒徑和充液率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇納米流體相對乙醇重力熱管強(qiáng)化了傳熱;在相同濃度和充液率下，顆粒粒徑15～20 nm的納米流體傳熱性能比50 nm更好。

（3）在相同粒徑和充液率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%時傳熱性能最好，和普通乙醇重力熱管相比，傳輸功率增加了26.5%～36.7%，傳熱系數(shù)增加了42.1%～55%。

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