螺旋管內(nèi)水包油乳液的傳熱性能實(shí)驗(yàn)

陳 強(qiáng), 劉 方, 姜未汀, 張冬翔, 田海棟

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

近些年來,隨著工業(yè)的快速發(fā)展,對換熱器散熱負(fù)荷和散熱效率的要求也越來越高,開發(fā)新的換熱器和提高換熱器的傳熱效率愈發(fā)迫切。當(dāng)前提高換熱器換熱性能的主要手段是優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)[1-2]和使用高效傳熱工質(zhì)[3]。納米流體便是一種高效傳熱工質(zhì),受到了多個(gè)領(lǐng)域的青睞,目前已經(jīng)取得了一系列研究進(jìn)展。

當(dāng)前的納米流體主要是將納米級金屬顆?；蚱渌麑?dǎo)熱系數(shù)高的固體基質(zhì)顆粒分散到基液中[3],以提高傳熱流體工質(zhì)的熱導(dǎo)率,從而在一定程度上增強(qiáng)換熱效果。然而這類納米流體都有一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn),即容易發(fā)生沉降而引起管路堵塞及傳熱惡化,使得納米流體的廣泛應(yīng)用受到了限制。因此,少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了用液體基質(zhì)制備納米流體的相關(guān)研究,例如水包油乳液就是其中之一。

水包油乳液是將油、水、乳化劑的混合物通過高速乳化剪切和超聲波處理等乳化方法,將油滴分散成微米級或納米級的小顆粒,在表面活性劑和助表面活性劑的作用下,形成一個(gè)相對穩(wěn)定的乳液體系。部分研究結(jié)果表明,水包油乳液具有比較好的穩(wěn)定性,在傳熱性能上有一定的應(yīng)用潛質(zhì)。盡管有部分研究人員對水包油乳液的熱性能進(jìn)行了相關(guān)研究,但大多針對水包油乳液的制備方法和熱穩(wěn)定性方面的研究,關(guān)于傳熱性能方面的研究則很少[4-6]。

目前,水包油乳液的制備方法主要有相變轉(zhuǎn)化法、自乳化法等低能乳化法和高壓勻質(zhì)法、超聲波處理等高能乳化法。研究表明,高能乳化法能在較短的時(shí)間內(nèi)提供所需要的乳化能量,并形成油滴顆粒最小的乳液,很適合小批量快速生產(chǎn)[5-8]。本文采用超聲波高能乳化的處理方法,以十六烷基三甲基溴化氨為乳化劑,采用兩步法制備了導(dǎo)熱油的水包油乳液,對乳液的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測量,然后進(jìn)行螺旋管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn),用以研究其流動(dòng)及傳熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水包油乳液的制備

本文選用二甲基導(dǎo)熱硅油(美國道康寧化學(xué)公司)作為油相,十六烷基三甲基溴化銨(上海埃皮化學(xué)試劑有限公司)作為乳化劑,去離子水作為基液,油和乳化劑按照質(zhì)量比為2∶1的比例制備導(dǎo)熱油水包油乳液[7-8]。表1為油相和基液的基本物性參數(shù)。

表1 二甲基導(dǎo)熱硅油和去離子水基本物性參數(shù)

首先,按比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的油、去離子水和乳化劑放入燒杯中,再將燒杯置于磁力攪拌器(上海雷磁科學(xué)儀器公司)上,設(shè)置磁力攪拌器的加熱溫度為30 ℃,攪拌轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為800～1 000 r/min,將混合物在此條件下攪拌處理8 min。然后,將其放入超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(上海比朗儀器制造有限公司)進(jìn)行間歇式超聲波處理,超聲波處理器設(shè)定為60%功率輸出(額定功率為1 200 W),以開2.5 s和停2.5 s的間歇式處理模式處理8 min后得到粗乳液;再將粗乳液按上述步驟重復(fù)處理一次,即可完成水包油乳液的制備。

1.2 乳液穩(wěn)定性考察

為了考察水包油乳液的穩(wěn)定性,在實(shí)驗(yàn)過程中定期觀察拍照以記錄乳液在靜置狀態(tài)下的狀況,觀察其是否出現(xiàn)分層等穩(wěn)定性下降的情況。

1.3 乳液導(dǎo)熱系數(shù)的測量

測量熱導(dǎo)率的方法主要有穩(wěn)態(tài)平板法、瞬時(shí)熱線法和3ω法等方法。其中,瞬時(shí)熱線法具有測量速度快、精度高、使用方便等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用TC3000L高精度液體導(dǎo)熱系數(shù)儀(西安夏溪電子科技公司)對乳液的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測量,儀器具有較高的測量精度,測量誤差小于2%。實(shí)驗(yàn)過程中,不同類型乳液的導(dǎo)熱系數(shù)均測量3次。

1.4 乳液黏度和密度的測量

關(guān)于水包油乳液的黏度公式尚不明確,因此實(shí)驗(yàn)采用奧地利Anton Pear MCR102型旋轉(zhuǎn)流變儀對乳液的黏度進(jìn)行測量。該儀器具有較高的測量精度,扭矩分辨率可達(dá)0.2 nNm,法向力分辨率可達(dá)1 mN。對于乳液的密度,以往的文獻(xiàn)多以經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。為進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)采用JN-300SL型電子密度儀(上海崢嵐實(shí)業(yè)有限公司)對乳液的密度進(jìn)行測量。該儀器的測量精度可達(dá)0.001 g/cm3。

1.5 乳液對流換熱實(shí)驗(yàn)

1.5.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由膨脹水箱、水泵、流量計(jì)、壓力變送器、制冷機(jī)組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,如圖1所示。從膨脹水箱流出的工質(zhì)經(jīng)水泵、流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,制冷機(jī)組用于控制實(shí)驗(yàn)段的工質(zhì)保持恒定的入口溫度,實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流量的改變則通過調(diào)節(jié)閥門和水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

圖1 對流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)段采用內(nèi)徑為10 mm、外徑為12 mm、螺距為30 mm、螺旋外徑為120 mm、總長度為3 000 mm的紫銅螺旋管制成。在螺旋管實(shí)驗(yàn)段前預(yù)留了一段800 mm直管段作為過渡段,用于消除入口效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)段螺旋管外壁上沿軸向均勻布置了8個(gè)測溫?zé)犭娮?并連接安捷倫數(shù)據(jù)采集器以獲取實(shí)驗(yàn)段螺旋管壁面溫度數(shù)據(jù);銅管外纏繞電加熱絲,通過控制電加熱絲工作電壓來為實(shí)驗(yàn)段提供穩(wěn)定的加熱熱流密度,進(jìn)行定熱流密度對流換熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的入口溫度和出口溫度采用鉑電阻溫度傳感器測量,實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口、出口壓力則由相應(yīng)的壓力變送器測量。此外,為減少實(shí)驗(yàn)段的加熱熱量損失,在螺旋管外包有一定厚度的保溫層。

在進(jìn)行對流換熱實(shí)驗(yàn)時(shí),選取不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液以及去離子水將入口溫度恒定在30 ℃,加熱熱流密度控制在5 000 W/m2,雷諾數(shù)在900～3 800。通過調(diào)節(jié)閥門控制實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的流量來改變雷諾數(shù),每次調(diào)節(jié)后間隔10～15 min再開始實(shí)驗(yàn),以保證實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:u——管道內(nèi)液體的流動(dòng)速度;

d——螺旋管當(dāng)量直徑;

ν——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度;

μ——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的動(dòng)力黏度;

ρ——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的密度。

水包油乳液的密度ρ和比熱容Cp[9]可以根據(jù)各組分的比例計(jì)算。

(3)

(4)

式中:ρw,mw——去離子水的密度和質(zhì)量分?jǐn)?shù);

ρo,mo——導(dǎo)熱油的密度和質(zhì)量分?jǐn)?shù);

Cpw——去離子水的密度;

Cpo——導(dǎo)熱油的比熱容。

電加熱絲為實(shí)驗(yàn)段提供的加熱量Qin和工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)段吸收的熱量之間的平衡關(guān)系[10]為

Qin=UI-Qloss=qwAw

(5)

qwAw=mCp(Tout-Tin)

(6)

式中:U——加熱電壓;

I——加熱電流;

Qloss——熱量損失;

qw——加熱熱流密度;

Aw——實(shí)驗(yàn)段傳熱面積;

m——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的質(zhì)量流量;

Tin,Tout——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的進(jìn)出口溫度。

實(shí)驗(yàn)段流體的平均溫度Tf的計(jì)算公式為

(7)

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的平均對流換熱系數(shù)h和努塞爾數(shù)Nu的計(jì)算公式為

(8)

(9)

(10)

式中:Tw——實(shí)驗(yàn)段平均壁面溫度;

Ti——實(shí)驗(yàn)段第i支熱電阻測得的壁面溫度;

n—— 實(shí)驗(yàn)段壁面測溫?zé)犭娮钄?shù)量,n=8;

k—— 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.5.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的主要來源為實(shí)驗(yàn)儀器的測量誤差以及人為操作誤差,后者可以通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)來消除,但前者很難消除。表2為對流換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用到的儀器設(shè)備型號、測量范圍和相應(yīng)誤差。

表2 對流換熱實(shí)驗(yàn)相關(guān)測量儀器的測量范圍及誤差

此外,根據(jù)式(5)和式(6)得出實(shí)驗(yàn)段通過保溫層等向外散失的熱量約為電加熱絲提供的總加熱量的5.2%～11.6%。說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體的保溫效果較好。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性考察結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中記錄的新制備的乳液和靜置3天后的乳液分別如圖2和圖3所示。

圖2 新乳液

圖3 靜置3天后的乳液

由圖2和圖3可以看出,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油乳液均未有明顯的分層,表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,但經(jīng)過更長時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)乳液出現(xiàn)分層等穩(wěn)定性變差的情況,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的乳液分層更明顯。這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的乳液中油滴顆粒更容易發(fā)生聚并,導(dǎo)致穩(wěn)定性變差的緣故。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果

首先對制備水包油乳液的基液(去離子水)和基質(zhì)(導(dǎo)熱油)的導(dǎo)熱系數(shù)k進(jìn)行了測量,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下水和導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱系數(shù)變化情況

由圖4可以看出,去離子水的導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度升高而增大,且實(shí)驗(yàn)所用去離子的導(dǎo)熱系數(shù)與文獻(xiàn)[11]中水的導(dǎo)熱系數(shù)最大相差2%,表明實(shí)驗(yàn)所用儀器具有較高的測量精度和可靠性。相比之下,導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱系數(shù)k比水低很多,盡管油的導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度升高略有減小,但變化的幅度較小。

實(shí)驗(yàn)測得乳液的導(dǎo)熱系數(shù)kc如圖5所示。

圖5 不同溫度下kc隨導(dǎo)熱油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況

由圖5可以看出,隨著溫度的升高,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液的有效導(dǎo)熱系數(shù)(定義有效導(dǎo)熱系數(shù)ke=kf/kw,其中kf為乳液的導(dǎo)熱系數(shù),kw為基液的導(dǎo)熱系數(shù))總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢;在相同的溫度條件下,導(dǎo)熱油水包油乳液的有效熱導(dǎo)率總體呈現(xiàn)出隨導(dǎo)熱油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸減小的趨勢,相比基液而言,0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的導(dǎo)熱系數(shù)在溫度為20 ℃時(shí)最大增加了5%。

出現(xiàn)上述情況的原因可能是:在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下,隨著溫度的升高,水包油乳液中油滴的布朗運(yùn)動(dòng)加劇,油滴顆粒相互碰撞促進(jìn)了乳液導(dǎo)熱系數(shù)的增加。這與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果比較一致[10]。在溫度一定的情況下,隨著油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,而油本身較低的導(dǎo)熱系數(shù)不利于乳液熱導(dǎo)率的增加,同時(shí)乳化劑含量的增加也可能使得作為混合物的乳液的導(dǎo)熱系數(shù)隨之降低;油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得乳液的黏度也隨之增加,可能會(huì)增加乳液中油滴顆粒的聚集,使得水包油溶液中油滴顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)減弱,進(jìn)而對乳液導(dǎo)熱系數(shù)的增加產(chǎn)生不利影響[10]。

為了研究乳化劑對乳液的導(dǎo)熱系數(shù)的影響,測量了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化劑水溶液在20 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),得到其有效導(dǎo)熱系數(shù)kc如圖6所示。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳化劑的有效導(dǎo)熱系數(shù)

由圖6可以看出,乳化劑乳液的有效導(dǎo)熱系數(shù)kc最大為1.023。

由于實(shí)驗(yàn)的乳化劑是由3種溶于水的表面活性劑按比例組成的,考慮到測量誤差等原因,乳化劑對水包油乳液的導(dǎo)熱系數(shù)影響比較有限,因此乳化劑對乳液系數(shù)的影響會(huì)很小;水包油乳液導(dǎo)熱系數(shù)kc的增加主要是由諸如布朗運(yùn)動(dòng)等其他因素引起的。

總而言之,盡管低濃度的導(dǎo)熱油水包油乳液的熱導(dǎo)率比基液有所增加,但要使乳液具有更好的導(dǎo)熱性能,仍需要進(jìn)一步研究其增強(qiáng)機(jī)理,使用其他手段進(jìn)行強(qiáng)化。

2.3 黏度和密度測量結(jié)果

由于采用旋轉(zhuǎn)流變儀測定黏度需要保持被測介質(zhì)處于層流狀態(tài),因此實(shí)驗(yàn)將流變儀剪切速率控制在8.7 s-1。用去離子水對流變儀的測量準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同溫度下去離子水的黏度

由圖7可以看出,實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值非常接近,表明實(shí)驗(yàn)所用流變儀具有較好的測量可靠性。

在保持剪切速率相同的情況下,得到導(dǎo)熱油在30℃時(shí)的黏度為869 mPa·s。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液在30 ℃時(shí)的黏度如表3所示。由于導(dǎo)熱油的黏度比基液大得多,隨著乳液中導(dǎo)熱油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,乳液的黏度也隨之增大。

表3 30 ℃時(shí)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液的黏度

實(shí)驗(yàn)測得去離子水和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液在室溫下的密度如圖8所示。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液的密度

由圖8可以看出,實(shí)驗(yàn)值與采用式(3)計(jì)算的理論值很接近,兩者最大偏差為0.35%,表明式(3)可以很好地適用于導(dǎo)熱油乳液的密度計(jì)算。

2.4 對流換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在30 ℃的入口溫度條件下,通過對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水包油乳液和去離子水進(jìn)行從層流狀態(tài)到湍流狀態(tài)(900

圖9 30 ℃入口溫度條件下h隨Re變化情況

由圖9可以看出,在Re<1 800的層流區(qū),不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油乳液的平均換熱系數(shù)與基液比較接近或者比基液小;在Re>1 800的區(qū)域,較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的平均換熱系數(shù)與基液相比有所增加,且隨著Re的增大,乳液的平均換熱系數(shù)相比基液增加的幅度更加明顯;在Re>2 300的區(qū)域,1.5%以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的平均換熱系數(shù)均高于基液,2%以上質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的換熱效果則比基液差一些,隨著導(dǎo)熱油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,乳液平均換熱系數(shù)相比基液基本呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,0.1%和0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油乳液的平均換熱系數(shù)在Re接近3 600時(shí)相比基液最大增加了約5%。

圖10是螺旋管內(nèi)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的壓降ΔP隨雷諾數(shù)的變化情況。

圖10 30 ℃入口溫度條件下ΔP隨Re變化情況

由圖10可以看出,水和乳液在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)流動(dòng)的的壓降均隨雷諾數(shù)增大而增大,隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,在Re<2 400時(shí),較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的壓降與水接近或略低于水。這主要是由于隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,乳液的黏度增大,管內(nèi)流動(dòng)阻力也隨之增加,導(dǎo)致壓降最大;在雷諾數(shù)較小的區(qū)域,由于流量較小,在熱流密度一定的情況下,管內(nèi)工質(zhì)溫度升高導(dǎo)致乳液黏度有所降低,流動(dòng)阻力也會(huì)有所減小。有相關(guān)研究表明,乳化劑具有一定的降粘減阻作用[12-13],這也可能促進(jìn)乳液壓降的減小,以至于出現(xiàn)和基液接近或略低的情況,因此,對于乳化劑的減阻作用有待進(jìn)一步的研究。

為了同時(shí)研究換熱系數(shù)和壓降隨雷諾數(shù)及乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況,引入熱力性能系數(shù)對螺旋管內(nèi)傳熱和壓降的共同作用進(jìn)行了評價(jià)。根據(jù)文獻(xiàn)[3,14]將熱力性能系數(shù)定義為

(11)

式中:Nuf,Nuw——乳液和基液的努塞爾數(shù);

ΔPf,ΔPw——乳液和基液的壓降。

在30 ℃入口溫度條件下,η隨Re的變化情況如圖11所示。

圖11 30 ℃入口溫度條件下η隨Re變化情況

由圖11可以看出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2%的乳液的熱力性能系數(shù)η大多小于1,而低質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液的熱力性能系數(shù)η大多大于1,尤其是在Re>2 000的區(qū)域,0.1%和0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液的熱力性能系數(shù)η最大可達(dá)1.044。表明在Re較大的情況下,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液具有更好的傳熱和流動(dòng)效果。

在Re較大的區(qū)域,低濃度水包油乳液的對流換熱系數(shù)相比基液有所增加的原因可能有:一方面,乳液的導(dǎo)熱系數(shù)相比基液有所增加,這促進(jìn)了水包油乳液的傳熱性能的增強(qiáng);另一方面,在Re較大的情況下,由于螺旋管內(nèi)存在較強(qiáng)的二次流作用,水包油乳液中油滴顆粒布朗運(yùn)動(dòng)加劇,顆粒間的相互碰撞加劇,促進(jìn)了水包油乳液的傳熱性能的增強(qiáng)[15-16],使得導(dǎo)熱油乳液的換熱性能相比基液有所增強(qiáng)。此外,在Re較大的情況下,水包油乳液中油滴粒徑可能發(fā)生了變化,粒徑的改變對乳液的傳熱性能的增強(qiáng)或有促進(jìn)作用[9,17],但這仍需作進(jìn)一步的研究。

3 結(jié) 論

(1) 隨著溫度的升高,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水包油乳液的導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)出增大的趨勢;在相同的溫度下,隨著導(dǎo)熱油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加,導(dǎo)熱油乳液的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小,乳化劑對乳液導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小。

(2) 在入口溫度為30 ℃的條件下,隨著Re的增加,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水包油乳液的平均換熱系數(shù)和壓降均逐漸增大,較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油乳液在高Re時(shí)呈現(xiàn)出比基液更好的換熱效果;在Re接近3 600時(shí),0.1%和0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油乳液的熱力性能系數(shù)最大可達(dá)1.044。