納米流體在電加熱器中傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

翟鄭佳 李坦 朱恒宣 楊歷 王進(jìn)

摘要 對(duì)在家用電加熱器中使用的4種納米流體進(jìn)行對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究。采用兩步法制備納米流體，研究不同材料（MgO、SiO2、Al2O3和CuO）和不同濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.0%）的納米流體對(duì)電加熱器換熱效率的影響。結(jié)果表明，電加熱器翅片溫度對(duì)環(huán)境溫升影響較大;納米流體濃度相同時(shí)，MgO流體的換熱效率最高，SiO2流體的換熱效率最低，且電加熱器的換熱效率隨納米流體濃度的增大而增大;與基液相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的MgO流體可使環(huán)境溫度提升約30%。

關(guān) 鍵 詞 納米流體;電加熱器;自然對(duì)流;強(qiáng)化傳熱

中圖分類號(hào) TM924.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract This research aims at the natural convection in electric heaters filled with nanofluids. The effect of four nanofluid materials （MgO， SiO2， Al2O3 and CuO） and various nanoparticle concentrations （mass fraction is 0.2% -1.0%） on heating efficiency of electric heater were studied， and results show that temperature of the fin has great effect on environment temperature. At the same nanoparticle concentration， MgO-water nanofluid has the highest heating efficiency， whereas SiO2-water nanofluid is the lowest one. Moreover， the heating efficiency of the electric heater increases with the increase in nanofluid concentration. So it is found that the MgO-water nanofluid with a mass fraction of 1.0% obtains about 30% enhancement of heat transfer on the environment temperature.

Key words nanofluid; electric heater; natural convection; heat transfer enhancement

0 引言

近年來科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，能源需求量大幅增加。電加熱器正朝著高效低阻緊湊的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)（去離子水）已經(jīng)無法滿足使用需求，研制導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱性能好的新型換熱工質(zhì)至關(guān)重要。納米流體是將金屬或非金屬粉末分散到水、醇、油等傳統(tǒng)換熱工質(zhì)中，提高流體導(dǎo)熱性能的新型換熱工質(zhì)。納米流體在強(qiáng)化傳熱的領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在能源、汽車、醫(yī)療、化工和微型電子等領(lǐng)域。1995年，美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Choi等[1]首先提出納米流體的概念。大量研究表明，在液體中加入納米顆粒后，能顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱性能。李強(qiáng)等[2]研究了Cu-水納米流體隨體積分?jǐn)?shù)變化時(shí)，對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)和阻力的影響。結(jié)果表明，與純水相比，體積分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%的Cu-水納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)增大的比例為1.037 ～ 1.548。Selvam等[3]研究了石墨烯-水納米流體體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.5%時(shí)對(duì)汽車散熱器散熱效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)石墨烯-水納米流體體積分?jǐn)?shù)為0.5%、流速為100 g/s、進(jìn)口溫度從35～45°C變化時(shí)，石墨烯-水納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)分別提高了20%和51%。李誠展等[4]研究了SiC-水納米流體體積分?jǐn)?shù)為0.005%、0.01%和0.1%時(shí)，在3種不同微翅片扁管中的流動(dòng)與換熱特性。結(jié)果表明，在不同種管道內(nèi)強(qiáng)化換熱效果隨SiC-水納米流體濃度的增加而較小。Hussein等[5]分別用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)強(qiáng)制對(duì)流下SiO2-水納米流體在汽車散熱器中的換熱特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)為1%的SiO2-水納米流體與純水相比可使汽車散熱器的散熱效率提高50%。張冀等[6]研究了TiO2-水、SiO2-水和Cu-水納米流體在小通道平行流扁管中的換熱特性。結(jié)果表明，與水相比不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體的努塞爾數(shù)均增大，體積分?jǐn)?shù)為0.01%的TiO2-水納米流體在Re為6200時(shí)努塞爾數(shù)增大了43%。Tijani等[7]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法研究了水/乙二醇基Al2O3和CuO納米流體作為汽車散熱器冷卻劑的傳熱特性。結(jié)果表明，不同濃度的納米流體的傳熱性能均好于基液，且水/乙二醇基CuO納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、努塞爾數(shù)和傳熱速率均大于水/乙二醇基Al2O3納米流體。

除了上述納米顆粒種類外，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其他種類的納米流體也進(jìn)行了大量研究。本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比研究了4種純水基納米流體在不同濃度下對(duì)電加熱器換熱效率的影響，目的是改善電加熱器加熱效率低和能源利用率低的問題。

1 納米流體強(qiáng)化傳熱計(jì)算分析

1.1 幾何模型

為了研究電加熱器中納米流體強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，本文將其加熱棒附近區(qū)域簡(jiǎn)化成二維圓環(huán)封閉腔進(jìn)行研究，在2個(gè)圓環(huán)中間充滿納米流體。其中，內(nèi)圓環(huán)邊界溫度為定壁溫高溫[TH]，外圓環(huán)邊界為定壁溫低溫[TL（TL

1.2 控制方程和邊界條件

計(jì)算過程中使用如下假設(shè)：

1） 假設(shè)封閉腔內(nèi)的納米流體為 不可壓縮流體且各向同性;

2） 在封閉腔內(nèi)納米流體做層流運(yùn)動(dòng);

3） 納米流體為連續(xù)性混合物，且納米粒子均勻的分布于基液中。

描述該問題的控制方程如下：

模擬過程中選用納米顆粒為SiO2，基液為去離子水。內(nèi)壁面溫度為400 K，外壁面溫度為293 K。采用ANSYS ICEM 18.0建立幾何模型和劃分網(wǎng)格，采用ANSYS Fluent 18.0對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，模型采用Boussinesq假設(shè)，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行動(dòng)量和能量方程處理，壓力修正采用PRESTO！算法。計(jì)算區(qū)域采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為3萬。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 溫度云圖對(duì)比

通過對(duì)電加熱器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別對(duì)去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% SiO2-水納米流體進(jìn)行模擬，得到了2種工況下的溫度云圖，如圖2所示。從圖中可以看出，溫度的等值線較為均勻，圓環(huán)壁面與內(nèi)部較為一致，圓環(huán)的內(nèi)外壁之間的換熱主要以導(dǎo)熱為主。由于受重力的影響，溫度等值線均向下方突出，這是由于流體在運(yùn)動(dòng)過程中受重力的影響。

通過對(duì)比去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% SiO2-水納米流體的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在圓環(huán)內(nèi)壁附近，去離子水的溫度等值線比SiO2-水納米流體的溫度等值線更加突出，納米流體的溫度等值線更加平緩。這說明與去離子水的流動(dòng)相比納米流體更加劇烈。但在圓環(huán)外壁附近，納米流體為工質(zhì)時(shí)的圓環(huán)溫度更高，并且靠近管壁處的層流底層厚度增大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋夯褐屑尤爰{米顆粒后，在增大導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)化換熱的同時(shí)，納米流體的黏度增大，流體流動(dòng)變緩。

1.3.2 速度云圖對(duì)比

圖3展示了電加熱器內(nèi)工質(zhì)為去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% SiO2-水納米流體時(shí)Y軸的速度云圖。從圖中可以看出，在整個(gè)環(huán)形速度場(chǎng)中，速度先增后減，速度沿X軸和Y軸方向呈現(xiàn)對(duì)稱分布。在近壁面處速度分布變化紊亂，速度變化比較劇烈，且外壁面附近的溫度大于內(nèi)壁面附近的速度;通過對(duì)比納米流體和去離子水的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在近壁面處，去離子水的溫度變化比納米流體的速度變化更劇烈，這說明加入納米顆粒后流體的黏度增大，流動(dòng)速度較為緩慢。

1.3.3 壓力云圖對(duì)比

圖4展示了電加熱器內(nèi)工質(zhì)為去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% SiO2-水納米流體時(shí)的壓力云圖。從圖中可以看出，壓力云圖沿Y軸呈現(xiàn)出對(duì)稱的趨勢(shì)，且壓力沿+y方向呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì);SiO2納米流體的管內(nèi)壓力大于去離子水的管內(nèi)壓力，原因主要為去離子水中加入納米顆粒后，流體的黏度增大，在流動(dòng)過程中，納米流體克服摩擦力所消耗的能量增加，故壓力有一定程度提高。結(jié)果表明，納米流體在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，黏度和壓力均有不同程度的增大。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 納米流體的制備

實(shí)驗(yàn)所用納米顆粒Al2O3、CuO、SiO2、MgO均購置于北京市某有限公司。生產(chǎn)廠家提供的納米顆粒參數(shù)如表1所示。采用兩步法[9]制備納米流體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。配制過程如下：將納米顆粒與基液（純水）進(jìn)行混合，機(jī)械攪拌1 h，添加分散劑到混合液中，用功率為450 W的超聲波震蕩器震蕩2 h，從而使納米顆粒穩(wěn)定的分散在基液中。使用的分散劑有六偏磷酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和檸檬酸三鈉，配制好的納米流體靜置7 d之后無明顯沉淀。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究納米流體在電加熱器中的換熱性能，電加熱器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，電加熱器的上下銅管長度為720 mm，上下銅管直徑為30 mm，加熱棒長度為520 mm，翅片厚度為1 mm，翅片高度和寬度分別為480 mm和100 mm，翅片間距為10 mm。電加熱器共有7根直徑為20 mm的立管，其長度為510 mm。分別在電加熱器正反兩面的關(guān)鍵溫度變化點(diǎn)上布置了16個(gè)高精度熱電偶，熱電偶布置位置如圖6所示，在電加熱器上方1 m處，布置了4個(gè)高精度熱電偶來測(cè)量電加熱器上方環(huán)境的溫度。

實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和保溫裝置組成。為真實(shí)準(zhǔn)確地反映不同種類納米流體在電加熱器中的換熱性能，實(shí)驗(yàn)采用了仿真房屋大空間，運(yùn)用絕熱板對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行保溫，實(shí)驗(yàn)過程中分別對(duì)電加熱器進(jìn)行加熱、終止加熱和二次加熱，在不同日期的相同時(shí)間段進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié)果與討論

3.1 電加熱器翅片區(qū)域加熱效果對(duì)比

圖7展示了納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，不同種類的納米流體對(duì)電加熱器翅片平均溫度的影響。從圖7中可以看出，在加熱段，翅片平均溫度隨時(shí)間逐漸上升。在加熱段前期，翅片平均溫度上升速率基本一致，在加熱段中期，MgO-水納米流體為工質(zhì)的翅片平均溫度上升最快，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質(zhì)為SiO2-水時(shí)，電加熱器翅片平均溫度上升的最慢。相同時(shí)間內(nèi)，MgO-水納米流體在終止加熱段翅片平均溫度下降最快。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)翅片平均溫度的提升速率均有不同程度提高。到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)翅片平均溫度比基液高21.5%，且提前10 min達(dá)到穩(wěn)定，CuO-水和Al2O3-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，翅片平均溫度分別提高19%和15%，SiO2-水納米流體為工質(zhì)時(shí)翅片平均溫度提高10.7%。

圖8展示了不同種類的納米流體隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，對(duì)電加熱器翅片穩(wěn)定平均溫度的影響。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，翅片的平均溫度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體作為工質(zhì)時(shí)，電加熱器翅片穩(wěn)定溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，MgO納米流體為工質(zhì)時(shí)，電加熱器翅片穩(wěn)定溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。這是由于納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，黏度增大較明顯，從而使翅片附近溫度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)濃度相同時(shí)，工質(zhì)為MgO-水納米流體時(shí)翅片平均溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，SiO2-水納米流體最低。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)翅片的穩(wěn)定平均溫度均有不同程度提高。工質(zhì)為CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體時(shí)，翅片平均溫度隨濃度的增大提升速率基本一致，MgO-水納米流體隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大翅片平均溫度的提升速率逐漸增大，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，翅片平均溫度比基液提高30.7%。

3.2 電加熱器加熱棒區(qū)域加熱效果對(duì)比

圖9展示了納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，不同種類納米流體對(duì)電加熱器加熱棒區(qū)域溫度的影響。從圖中可以看出，在加熱段，電加熱器加熱棒區(qū)域的溫度隨時(shí)間迅速升高。MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的溫度提升最快，CuO-水納米流體優(yōu)于Al2O3-水納米流體，SiO2-水納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的溫度上升最慢。在加熱段中期，MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的溫度出現(xiàn)了較大的越升。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的溫度均有不同程度提高，MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度提高約14 ℃，提升率為34.1%。工質(zhì)為SiO2-水納米流體時(shí)加熱棒區(qū)域穩(wěn)定溫度比基液高8 ℃，提升率為13%。

圖10展示了電加熱器加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。從圖中可以看出，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，加熱棒區(qū)域的溫度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，MgO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質(zhì)為SiO2-水納米流體時(shí)，加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度最低。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定平均溫度均有不同程度提高。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水納米流體加熱棒區(qū)域溫度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大提升速率基本一致，MgO-水納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%-1.0%時(shí)，加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大提升速率迅速增大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的MgO-水納米流體作為工質(zhì)時(shí)，加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度比基液高64%。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的SiO2-水納米流體作為工質(zhì)時(shí)，加熱棒區(qū)域穩(wěn)定溫度比基液高16.5%。

3.3 電加熱器上方銅管區(qū)域加熱效果對(duì)比

圖11展示了納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，不同種類納米流體對(duì)電加熱器上方銅管溫度的影響。在加熱段，上方銅管溫度隨時(shí)間迅速升高，且溫度升高的速率基本一致。CuO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，上方銅管溫度最先達(dá)到穩(wěn)定，MgO-水和Al2O3-水納米流體次之，SiO2-水納米流體達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間最長。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)上方銅管溫度達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間均減少。CuO-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，比基液提前20 min到達(dá)穩(wěn)定。納米流體為工質(zhì)時(shí)，上方銅管的穩(wěn)定溫度沒有明顯提升，但達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間均明顯減少。

圖12展示了電加熱器上方銅管穩(wěn)定溫度隨納米流體濃度的變化。當(dāng)濃度相同時(shí)，MgO-水納米流體加熱棒區(qū)域的穩(wěn)定溫度最高，CuO-水和Al2O3-水納米流體次之，工質(zhì)為SiO2-水納米流體時(shí)，上方銅管的穩(wěn)定溫度最低。MgO-水納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%時(shí)，上方銅管溫度顯著提高。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)上方銅管的穩(wěn)定溫度均有不同程度提高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的MgO-水納米流體比基液高32.8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的SiO2-水納米流體比基液高13.6%。

3.4 電加熱器上方環(huán)境溫度對(duì)比

圖13展示了納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，不同種類的納米流體對(duì)電加熱器上方環(huán)境溫度的影響。從圖中可以看出，在加熱段，環(huán)境溫度隨時(shí)間逐漸上升。在加熱段前期，MgO-水納米流體作為工質(zhì)環(huán)境溫度上升的速率最大，CuO-水和Al2O3-水流體次之，SiO2-水納米流體最差。與基液相比，納米流體為工質(zhì)時(shí)環(huán)境溫度均有不同程度提高。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)MgO-水納米流體作為工質(zhì)環(huán)境溫度高約5 °C，提升率約為20 %。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值52 ℃時(shí)，MgO-水納米流體比基液提前30 min達(dá)到設(shè)定值。工質(zhì)為SiO2-水納米流體時(shí)，環(huán)境溫度提升率為8%，且提前12 min達(dá)到設(shè)定溫度。

4 結(jié)語

將MgO、Al2O3、CuO和SiO2納米顆粒加入到去離子水中，通過添加分散劑和超聲震蕩得到穩(wěn)定均一的納米流體，在電加熱器中進(jìn)行納米流體對(duì)流換熱效率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）在電加熱器中，相同體積分?jǐn)?shù)的納米流體，MgO-水納米流體的換熱效率大于CuO-水納米流體和Al2O3-水納米流體，SiO2-水納米流體的換熱效率最低;

2）4種納米流體的換熱效率均隨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而有不同程度的提高;

3）電加熱器翅片溫度和加熱棒區(qū)域的溫度對(duì)環(huán)境溫度影響較大;

4）與基液相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的MgO-水納米流體使電加熱器上方環(huán)境溫度提高30.7%;Al2O3-水、CuO-水和SiO2-水納米流體為工質(zhì)時(shí)，電加熱器上方環(huán)境溫度分別提高了23%、27%和19%。

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