多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性研究

張桐，陳華*，鄧楊沖

多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性研究

張桐1,2，陳華1,2*，鄧楊沖1,2

（1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

探究多壁碳納米管的濃度、管徑以及超聲聲強(qiáng)對納米流體的蓄冷特性和換熱性能的影響規(guī)律。將 5～12 nm、10～20 nm、20～30 nm 3種不同管徑的多壁碳納米管和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.2%的多壁碳納米管分別制備成不同的納米流體樣品，并搭建試驗(yàn)臺對樣品進(jìn)行蓄冷實(shí)驗(yàn)。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%變?yōu)?.2%時(shí)，納米流體的平均過冷度減小了0.7 ℃，管徑由20～30 nm變至5～12 nm時(shí)，平均過冷度下降了64.3%；1級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了7.8%。研究表明，多壁碳納米管濃度的增加及管徑的減小，可使納米流體的換熱能力增大，過冷度減小，超聲聲強(qiáng)對多壁碳納米管/水納米流體有強(qiáng)化傳熱作用。

納米流體；相變蓄冷；多壁碳納米管；超聲；過冷度

節(jié)能與環(huán)保是能源利用領(lǐng)域中一項(xiàng)很重要的課題，最近，一種新型的環(huán)保節(jié)能技術(shù)正在受到廣泛關(guān)注，那就是利用相變材料的相變潛熱來儲存能量，實(shí)現(xiàn)蓄冷和蓄熱[1]。冰蓄冷是一種利用相變吸熱來儲存能量的技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的水蓄冷方式，冰蓄冷具有更高的儲能密度，即在相同冷量的情況下，所需的體積只有水蓄冷的幾十分之一。然而，冰蓄冷也存在一些問題，首先，冰蓄冷的過冷度較大，導(dǎo)熱系數(shù)較低，這會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器出口溫度低于常規(guī)系統(tǒng)，從而使得能效比降低3%～4%；此外，冰蓄冷也不適用于小溫差傳熱[2]。為了改善冰蓄冷導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，通過將納米粉體分散到傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)，如水、醇或油中，可以制備出導(dǎo)熱性能更好的納米流體[3-4]。納米流體的傳熱性能優(yōu)越主要是因?yàn)榧{米粒子顯著增加了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，這種納米流體可以在熱傳遞過程中更高效地傳遞熱量。研究人員在這方面開展了大量研究。武衛(wèi)東等[5]將高導(dǎo)熱性的納米材料添加到有機(jī)蓄冷材料中，發(fā)現(xiàn)添加了0.3%的MWNTs、0.4%的Al2O3以及0.8%的Fe2O3后，材料的熱導(dǎo)率分別提高了26.3%、13.1%、32.1%。Kumaresan等[6]對納米流體相變材料（NFPCM）的固化行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中使用了水基碳納米管納米流體，研究結(jié)果表明，這種納米流體顯著降低了過冷度，使蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能效果提高了6%～9%。Patel等[7]研究了將金納米粒子（Au）和銀納米粒子（Ag）添加到水和甲苯中的導(dǎo)熱性能，研究結(jié)果表明，添加Au納米粒子和Ag納米粒子的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有所提高。南京理工大學(xué)熱能工程實(shí)驗(yàn)室也開展了納米流體的研究工作[8-9]，制備了CuO-H2O和Cu-變壓器油等納米流體，運(yùn)用瞬態(tài)熱線法測試了上述納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

隨著對強(qiáng)化傳熱技術(shù)的深入研究，研究人員逐漸認(rèn)識到傳統(tǒng)導(dǎo)熱流體的局限性，例如水、油和乙二醇等，由于其導(dǎo)熱性能相對較低，已經(jīng)成為限制強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展的主要難題，尤其是在能源、化工、微電子和航空航天等領(lǐng)域。因此，開發(fā)具有高導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異換熱性能的高效傳熱流體已成為強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究的焦點(diǎn)。其中碳納米管由于具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)而被廣泛應(yīng)用，Choi等[10]測量了在室溫下碳納米管與油混合形成的納米流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加了體積分?jǐn)?shù)為1%的碳納米管時(shí)，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)增加為原始流體（油）的2.5倍。Xie等[11]將碳納米管分散到蒸餾水、乙二醇和癸烯等介質(zhì)中進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，他們觀察到納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米粒子濃度的增加呈非線性增加的趨勢，并且納米粒子的尺寸和形狀也對導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響。重慶大學(xué)劉玉東[12]針對目前低溫相變蓄冷材料結(jié)晶時(shí)存在的過冷度以及導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，開發(fā)出了一種既能使液體的成核過冷度降低又能提高其導(dǎo)熱系數(shù)的高溫蓄冷材料。通過在BaC12共晶鹽水溶液中加入納米TiO2粉體，配制成TiO2-BaC12-H2O納米流體相變蓄冷材料，并研究其熱物性和蓄冷特性[13]。發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加，并且能大大降低流體的過冷度；相變溫度在8.5 ℃左右，相變潛熱為254.2～279.5 kJ/kg，相當(dāng)于冰蓄冷的72%～80%；經(jīng)過50次的蓄冷實(shí)驗(yàn)后，其相變潛熱和相變溫度基本都很穩(wěn)定，說明其蓄冷材料熱穩(wěn)定性很好。該技術(shù)已被實(shí)驗(yàn)小組運(yùn)用于重慶啤酒有限公司的蓄冷裝置中。

水是蓄冷系統(tǒng)的主要材料之一，由于水具有較高的蓄冷密度、性能穩(wěn)定、相變過程近似恒溫，水在結(jié)冰過程中隨著冰越來越厚，會(huì)越來越依賴導(dǎo)熱，并且由于其自身具有較大的過冷度，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到很大的限制。本文以去離子水為基體，多壁碳納米管作為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑和成核劑，制備不同規(guī)格的多壁碳納米管/水納米流體。開展在不同的碳納米管濃度和直徑下，納米流體復(fù)合相變材料的蓄冷特性實(shí)驗(yàn)研究，分析碳納米管的濃度和直徑對納米流體蓄冷特性的影響規(guī)律；并探究超聲空化對納米流體蓄冷特性的影響規(guī)律，分析不同的超聲聲強(qiáng)對納米流體復(fù)合相變材料蓄冷特性的影響，有助于了解多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性，為提高冰蓄冷的導(dǎo)熱系數(shù)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 多壁碳納米管/水納米流體的制備

制備納米流體前，根據(jù)測試數(shù)據(jù)精度和實(shí)驗(yàn)耗時(shí)等因素，選擇5～12 nm、10～20 nm、20～30 nm管徑的多壁碳納米管，并計(jì)算碳納米管、水、分散劑的比例和用量，納米流體總?cè)莘e定為150 mL，用不同管徑的碳納米管按照0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2% 5組質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行制備，所制備納米流體的樣品各參數(shù)見表1。

表1 納米流體制備參數(shù)

Tab.1 Nanofluid preparation parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)臺及測點(diǎn)

圖1為納米流體蓄冷特性測試實(shí)驗(yàn)臺。低溫恒溫水箱可供提供不同測試溫度工況，容器內(nèi)為已經(jīng)制備完成的水納米流體，溶液初始溫度為20 ℃，試管外的載冷介質(zhì)為?8 ℃的乙二醇溶液，銅-康銅熱電偶用于采集容器內(nèi)不同測點(diǎn)的溫度，MX100數(shù)據(jù)采集儀將熱電偶采集到的數(shù)據(jù)儲存、運(yùn)算、模擬后顯示于計(jì)算機(jī)中，通過安裝專門的軟件，可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了研究不同超聲聲強(qiáng)對水納米流體蓄冷性能的影響，采用探頭式超聲波發(fā)生器，使用變幅桿對液體進(jìn)行攪拌產(chǎn)生超聲震蕩，控制超聲聲強(qiáng)等級為0～4級，控制超聲定時(shí)為180、300、500、900 s 4種。通過高頻的超聲震蕩產(chǎn)生空化氣泡并爆裂來擴(kuò)大溶液擾動(dòng)，各實(shí)驗(yàn)儀器的性能參數(shù)如表2所示。

圖1 超聲場下納米流體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表2 納米流體蓄冷實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)

Tab.2 Parameters of experimental instrument for cold storage of nanofluid

各組不同濃度和管徑的多壁碳納米管/水納米流體溶液均取30 mL進(jìn)行測試。根據(jù)納米流體在試管內(nèi)的容積特征以及實(shí)際體積的大小，將3個(gè)熱電偶溫度測點(diǎn)分別布置在試管底部、試管中部、試管上部，從底端開始3個(gè)測點(diǎn)之間各間隔25 mm。測試不同等級超聲聲強(qiáng)對納米流體蓄冷特性的影響，用燒杯取50 mL的溶液進(jìn)行測試，考慮到納米流體在燒杯內(nèi)的容積特征為圓柱形，中心截面近似正方形，實(shí)際體積不大，并且超聲探頭占用了燒杯口的大部分面積。為方便布置熱電偶，選取燒杯中心處為唯一測點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性

圖2為10～20 nm管徑的多壁碳納米管不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過冷度曲線。從圖2中可以看出，過冷度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%變?yōu)?.2%時(shí)，納米流體的平均過冷度減小了0.7 ℃，且在同一濃度下、、3個(gè)測點(diǎn)的過冷度分別為1.1、4.9、6.2 ℃。在高度方向上，由底部到頂部，過冷度逐漸增大，過冷度最大波動(dòng)值為5.1 ℃，說明去離子水中各處過冷度的大小不均勻。但不同濃度的多壁碳納米管在不同高度測點(diǎn)的過冷度差異不大，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米流體比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的納米流體的過冷度幅度大3.9%，但繼續(xù)提高多壁碳納米管濃度對去離子水各處的過冷度不均勻性改變不明顯。圖3為不同濃度多壁碳納米管的平均過冷速率變化曲線圖。由圖3可知，平均過冷速率隨著多壁碳納米管在納米流體中濃度的增大而增大，平均增幅為25%。這是由于水在過冷狀態(tài)時(shí)，需要吸收冷量用于凝固，而多壁碳納米管比表面積大，能為水分子提供更多成核位點(diǎn)，促進(jìn)液態(tài)水在多壁碳納米管表面生成冰晶，減小凝固驅(qū)動(dòng)力。

圖2 過冷度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖3 平均過冷速率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖4為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的多壁碳納米管不同管徑的過冷度曲線。由圖4可以看出，不同管徑的多壁碳納米管制成的納米流體過冷度各不相同。管徑為5～12 nm的納米流體的平均過冷度為1.5 ℃，管徑為10～20 nm的納米流體的平均過冷度為2.4 ℃，管徑為20～30 nm的納米流體的平均過冷度為4.2 ℃。納米流體的過冷度變化趨勢是隨著多壁碳納米管管徑的減小而降低，當(dāng)管徑由20～30 nm變至5～12 nm時(shí)，平均過冷度下降了64.3%，說明隨著多壁碳納米管管徑的減小，多壁碳納米管成核位點(diǎn)減小，成核驅(qū)動(dòng)力降低，過冷度降低，進(jìn)而納米流體的換熱能力增大，但是管徑不能過小，因?yàn)榧{米粒子粒徑過小會(huì)引起嚴(yán)重的團(tuán)聚效應(yīng)[14]。圖5為不同管徑多壁碳納米管的平均過冷速率變化曲線。由圖5可知，隨著多壁碳納米管管徑的減小，過冷速率提升；管徑為10～20 nm的多壁碳納米管的平均過冷速率比20～30 nm的提升了20%。

圖4 過冷度隨管徑的變化

圖5 平均過冷速率隨管徑的變化

2.2 超聲波聲強(qiáng)對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性影響

為了探究不同等級的超聲波聲強(qiáng)對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性的影響規(guī)律，對管徑10～20 nm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的多壁碳納米管/水納米流體施加1～4級超聲聲強(qiáng)進(jìn)行蓄冷實(shí)驗(yàn)，得到的步冷曲線如圖6所示。由于納米流體的主要成分為水，超聲波的加入并不能顯著改變?nèi)ルx子水的相變溫度。從整體上看，不同超聲聲強(qiáng)等級下的步冷曲線變化規(guī)律相似，整個(gè)圖線對應(yīng)的納米流體凍結(jié)的物理過程為流體溫度降低、發(fā)生過冷、開始結(jié)冰、冰溫度降低等4個(gè)。納米流體在前3 min并未發(fā)生過冷，屬于流體降溫階段，此時(shí)無超聲、1級聲強(qiáng)、4級聲強(qiáng)的降溫速率分別為6.96、7.33、7.5 ℃/min。在流體降溫階段，由于超聲聲強(qiáng)產(chǎn)生的空化作用會(huì)破壞邊界層，引起流體的擾動(dòng)和換熱，所以增大超聲聲強(qiáng)可以加強(qiáng)多壁碳納米管/水納米流體的傳熱。1級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了7.8%。隨著超聲聲強(qiáng)等級的提升，納米流體在流體降溫階段的過冷度不斷降低，傳熱能力不斷加強(qiáng)。在10 min左右時(shí)由于納米流體發(fā)生了過冷現(xiàn)象，因此在圖中有一明顯跳變[15]。當(dāng)多壁碳納米管/水納米流體完成相變過程，進(jìn)入冰溫度降低過程時(shí)，增大超聲聲強(qiáng)，納米流體的過冷度降低，傳熱能力加強(qiáng)，但增加的幅度減弱。

超聲聲強(qiáng)為0～4級下的多碳壁納米管/水納米流體的過冷度和過冷速率的變化情況如圖7～8所示。由圖7可知，過冷度隨超聲聲強(qiáng)等級的增大而減小，超聲聲強(qiáng)等級從1級升至4級時(shí)，納米流體的過冷度分別為3.1、1.6、1.4、1.1 ℃。加了4級超聲聲強(qiáng)的納米流體的過冷度降低程度是1級超聲聲強(qiáng)的2.7倍，這是因?yàn)槌晥鰩淼目栈瘹馀菰谄屏褧r(shí)產(chǎn)生能量，打破了多壁碳納米管的過冷現(xiàn)象，并且隨著超聲聲強(qiáng)等級增大，打破過冷的效果更好。由圖8可知，過冷速率隨著超聲聲強(qiáng)等級的增大而提高，但增大的量逐漸減小，增幅由27.3%降為0.3%。

圖6 不同超聲強(qiáng)度等級下納米流體的步冷曲線

圖7 過冷度隨超聲聲強(qiáng)等級變化的規(guī)律

圖8 過冷速率隨超聲聲強(qiáng)等級變化的規(guī)律

3 結(jié)語

本文通過對制取的不同濃度和管徑的多壁碳納米管/水納米流體進(jìn)行蓄冷特性實(shí)驗(yàn)研究，并探究不同強(qiáng)度的超聲波對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）多壁碳納米管能增大去離子水的換熱能力，隨著多壁碳納米管/水納米流體濃度的增加，納米流體的過冷度逐漸減小。質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.05%增加到0.2%時(shí)，平均過冷度減小了0.7 ℃。加入少量多壁碳納米管可使去離子水各處的過冷度大小分布更加均勻，且0.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體比0.05%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的過冷度幅度大3.9%。

2）隨著多壁碳納米管管徑的減小，納米流體的換熱能力增大，過冷度減小，管徑由20～30 nm變至5～12 nm時(shí)，平均過冷度下降了64.3%。

3）超聲聲強(qiáng)對多壁碳納米管/水納米流體有強(qiáng)化傳熱作用，1級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強(qiáng)使傳熱能力提高了7.8%；多壁碳納米管/水納米流體的過冷度隨著超聲聲強(qiáng)等級的增大而減小，加了4級超聲聲強(qiáng)的納米流體的過冷度降低程度是1級超聲聲強(qiáng)的2.7倍；隨著超聲聲強(qiáng)等級的增加，納米流體的過冷速率增大，但過冷速率增大的量逐漸減小。

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Cold Storage Characteristic of Multi-walled Carbon Nanotubes/Water Nanofluids

ZHANG Tong1,2,CHEN Hua1,2*,DENG Yangchong1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China 2. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin 300134, China;)

The work aims to investigate the effects of the concentration, diameter and ultrasonic intensity of carbon nanotubes on the cold storage characteristics and heat transfer properties of nanofluids. In this paper, multi-walled carbon nanotubes with three different tube diameters of 5-12 nm, 10-20 nm and 20-30 nm and 0.05%-0.2% mass fraction were prepared as different nanofluid samples, and a test rig was set up to conduct cold storage experiments on the samples. When the mass fraction changed from 0.05% to 0.2%, the average supercooling degree of the nanofluid decreased by 0.7 ℃. And when the tube diameter changed from 20-30 nm to 5-12 nm, the average supercooling degree decreased by 64.3%; the first-order ultrasonic intensity increased the heat transfer capacity by 5.3%, and the fourth-order ultrasonic intensity increased the heat transfer capacity by 7.8%. The results show that with the increase of carbon nanotubes mass fraction and the decrease of tube diameter, the heat transfer capacity of the nanofluid increase and the supercooling degree decrease. The ultrasonic intensity can enhance the heat transfer capacity of multi-walled carbon nanotubes/water nanofluids.

nanofluid; phase change cold storage; multi-walled carbon nanotubes; ultrasound; degree of supercooling

TK02

A

1001-3563(2024)01-0034-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.005

2023-07-19