Al2O3-H2O两相流流体强化换热性能研究

王 荣 军

Al2O3-H2O两相流流体强化换热性能研究

王 荣 军

（贵州省煤矿设计研究院， 贵州 贵阳 550025）

将固体颗粒加入到传统换热介质中形成的固-液两相流流体是一种新型的强化换热介质。设计小型卧式直管加热炉试验装置，用粒径为60 nm，150 nm，55 µm质量分数为1%的Al2O3-H2O两相流流体做换热试验，在流量为7，8，9 L/min和炉温为80，100，120，140 ℃情况下使用计算机对加热直管内、外壁温度和进、出口流体温度数据进行采集和分析。研究发现：固-液两相流流体强化对流传热的效果与颗粒的粒径、流体的流速和加热炉炉温有关。

两相流流体；对流换热系数 ；颗粒粒径；流速；加热炉温度

随着科学技术的飞速发展,热交换设备的传热负荷日益增大，对换热系统的效率提出了更高的要求。提高液体换热效率的一种有效方法是在基液中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级,这种添加了固体粒子的两相流流体的导热系数比纯液体大许多[1，2]。但实际应用存在许多问题,主要是粒子颗粒大,易沉降,易产生堵塞和磨损等不良现象。为了解决所产生的上述问题，随着纳米材料科学的迅速发展，有学者[3]提出了一个崭新的概念——纳米流体，指以一定的方式和比例在液体中加入纳米级金属或金属氧化物粒子制备成的均匀、稳定、高导热的新型换热介质。这种纳米流体的高导热性、高稳定性不易沉淀等特性使其比液体中添加毫米或微米级固体粒子在传热性能方面具有更大的优势。

近年来国内外关于纳米流体强化传热的研究试验有很多，但大部分局限于机理和理论的探讨，限于实验室的研究阶段。两相流流体要致力于工业应用中，除了测定纳米流体的导热系数、稳定性等外，研究其在流动状态下的对流换热性能也是十分必要的。基于此，本文设计实验室小型卧式直管加热炉试验，在强制流动情况下研究两相流流体的传热性能，分析影响流体传热的因素，确定最佳传热参数，为两相流流体广泛应用于工业换热系统做铺垫。

1 固-液两相流流体制备方法和装置的设计

两步法[4]是研究最多、应用最为广泛的固-液两相流流体体制备方法，两步法制备工艺简单、工序少,易制备高固相的纳米流体,易于批量化生产。但对于纳米粉体来说,由于其巨大的比表面积及表面活性,在纳米粉体的制备、存储、运输等过程中,颗粒易形成团聚体，制备时应掌握好分散条件。

要使纳米颗粒保持较长时间的有效分散状态，还需在物理分散的同时用化学分散作辅助，即在悬浮系中加入化学分散剂。

分析以上原因，本文利用物理分散和化学分散来制备两相流流体。物理分散采用机械搅拌和超声波振荡，化学分散采用向基液中添加分散剂的方法，为保证纳米流体的持久稳定性，添加分散剂后，需对流体进行pH调节,使流体的pH值在8～9之间。基于以上原因,本文设置了纳米流体制备系统，把制备好的固体粉体(干粉) 通过加入分散剂，并调节流体的pH值，同时利用超声波振荡和机械搅拌的共同作用制备而成两相流流体。

2 换热试验的试验方法和试验装置设计

2.1 换热试验的试验方法

两相流强化换热性能研究，主要测试管内强制流动情况下强化换热能力的变化。流体的流速控制在较高的范围内（雷诺准数Re>8 000）。其中流体的黏度，导热系数，热熔，密度等物性参数可以参考已发表的文献[5]。

利用制备出的不同粒径的两相流体分别在不同炉温和不同流量下，通过试验数据，计算出施加于液体上的总热量Q:

式中：—施加于液体的总热量,J；

OW—外壁面的温度，℃；

IW—内壁面的温度，℃；

1、2—直管的内径和外径，m；

—被加热直管的长度，m；

λ——直管材料的导热系数，W/(m•K)。

然后把公式（1）计算出的施加于液体的总热量带入公式（2）就能得出管内液体的对流换热系数：

式中：L—管内液体的温度，℃；

—对流换热系数，W/(m2•℃)。

对流换热系数的大小在一定程度上可以反应对流换热性能的强弱。根据实验条件，对实验中的各项参数包括加热温度、颗粒粒径、液体流速等参数进行调节试验，分析对影响传热性能的各项参数，从两相流体传热的Nu数随Re数变化情况中分析纳米流体在什么条件下的强化传热能力最强，从而确定最佳传热参数，为工业试验打基础。

2.2 换热试验装置设计

根据工业的实际情况，模拟设计实验室小型卧式直管加热炉试验，研究两相流的强化换热能力。

实验在一个闭路的循环里面进行：所制备的两相流体存放在储液桶内，通过水泵注入实验的闭路循环区内并通过旁路以及三通阀门调节闭路循环内的液体流量，同时用流量计测量进入加热管内的流体流量；流体流过加热管后，考虑到流体温度会有所升高，所以流体流过加热管后需加一个冷却器使之降温，最后流体流回储液桶如此循环。

卧式直管加热炉加热的同时，使用电脑对直管的内、外壁和进出口水的温度数据进行采集。 选用的一根铁管，外管径为50 cm，内径为15 cm。在其表面钻孔至内壁面处，用K型热电偶分别插入内壁，测量出内壁面温度；同时在同一横界面的外壁面处钻孔，用于测量内壁面和外壁面的温度；另两根热电偶分别插入液体的进口区和出口区，分别测量液体进口和出口的温度值。

3 换热试验结果分析

本文利用设计的实验室小型卧式直管加热炉试验研究固-液两相流化换热性能。试验分别测定粒径为60 nm，150 nm，55 µm的质量分数为1% 的Al2O-水两相流流体在流量为7，8，9 L/min和炉温为80，100，120，140 ℃情况下的加热直管内、外壁温度和进、出直管流体温度，从这些试验数据中进一步分析影响两相流流体传热性能的因素。

通过对固-液两相流体换热试验数据的分析得出，在不同的固-液两相流体所含固体颗粒粒径、不同的流体流速以及不同的炉内加热温度条件下，流体的对流换热系数变化比较大。因此，影响固-液两相流体对流换热性能的主要因素包括：固体颗粒粒径、流速以及炉内加热温度。

3.1 固-液两相流固体颗粒粒径对传热性能的影响

根据公式计算对流换热系数，进而得到Nu数随Re数变化的标准曲线。炉内加热温度为140℃条件下，不同固体颗粒粒径的质量分数为1%的Al2O3固-液两相流体Nu数随Re数变化情况如图1所示。

图1 炉温140 ℃时不同粒径两相流流体Nu数随Re数的变化

由图1可以看出，随着Re数增大，不同粒径的两相流体的Nu数都比水的Nu数高，说明固-液两相流体都强化了流体的传热性能；但不同粒径的两相流体的Nu提高值不同，又说明两相流流体中的固体颗粒粒径是影响两相流体传热性能的一个重要因素。总体来看，粒径越小其传热性能越强。其中60 nm的比150 nm粒径的Al2O3-水两相流流体Nu数随Re数变化较大，同时150 nm的又比55 µm的相对高些。

综合以上分析可知，在湍流的情况下，两相流体的传热性能都比纯液体的提高很多，同时也由于所加的固体粒径不同，所提高的幅度就不同，其中粒径越小的两相流体其换热性能越好。

3.2 固-液两相流体流速对传热性能的影响

图2曲线表示的是1%60 nm Al2O3-水两相流流体在炉温为80 ℃下Nu数与Re数的关系和水样对照曲线，因为雷诺准数是对流体流动情况的反映，从图中可以看出，随着雷诺数Re增大，努塞特数Nu增大的比例逐渐提高，60 nm两相流流体的Nu数都比水样对照曲线的Nu数高，说明固-液两相流体强化了流体的传热性能，同时也说明了固-液两相流体的流速对传热有影响，随着流速的增大，流体的传热性能也随着增强。

图2 炉温为80 ℃时流体流动的Re数对Nu数的影响

3.3 炉内加热温度对两相流体传热性能的影响

图3为55 µm粒径，质量分数为1%的Al2O3固-液两相流体在不同加热炉温下Nu数与Re数的关系与水样在80 ℃的对照曲线图。由图3可知，随着Re数增大，不同炉温下的两相流体的传热率增大的幅度不同，说明炉温对两相流体传热能有影响。分析原因，由于炉温不同导致冷却介质即两相流体的温度改变，从而引起流体热特性发生变化，最终使得两相流体传热性能随着炉温不同而不同。随着炉温由80到120 ℃，Nu数随着Re数的增大幅度逐渐增大，其中炉温为120 ℃时流体的Nu数随着Re数的增大幅度最大，说明在80到120 ℃温度范围内，温度炉温越高则更有利于增强流体的换热性能。

图3 55 µm粒径两相流体不同炉温下Re数对Nu数的影响

从以上试验结果可以看出，在强制对流的情况下（Re>10 000）,固-液两相流的对流换热系数都比水的对流换热系数高。换热系数是流体热物性和流体流动的综合体现，在供热或致冷的流体介质中加入固体颗粒制备得到的两相流流体,其换热系数比水的换热系数高，说明流体的换热性能得到显著提升。主要原因可归结为以下几个方面[6]：首先，纳米颗粒的加入, 优化了介质的热物性，增大了导热系数；其次,强化了纳米流体内纳米颗粒、流体以及流道管壁碰撞和相互作用；再者，加强了流体的混合脉动和湍流；最后，纳米颗粒的分散，使得介质内横向温度梯度减小，加大了流道表面和介质间的温度梯度。

4 结论

与传统纯液体冷却介质冷却效果相比，固-液两相流体可以明显提高系统的传热性能，两相流体固体颗粒粒径、介质流速以及炉内加热温度均会对流体的传热性能产生明显影响。

（1）两相流体固体颗粒粒径的越小，粒子的表面积和热容量越大，同时做不规则的布朗运动越剧烈，颗粒与颗粒之间，颗粒与管壁之间的碰撞，破坏了热边界层，从而增强了流体和管壁之间的热交换，也促进了流体内部温度的均匀化，更有利于提高整个系统的传热能力；

（2）随着介质流速增大，固体颗粒的不规则运动加剧，导致流体的边界层减薄，流动湍流强度得到增强,从而使得流体的传热性能增强的幅度随着流速增大而增大；

（3）炉内加热温度的升高，流体平均温度也升高，使得流体的粘度、热扩散系数都有所改变，最终导致随着加热温度升高，两相流体的换热能力逐渐提高。

综上，通过在冷却介质中加入固体颗粒，可以比较明显地提高系统的传热性能，其中粒径较小的纳米流体比微米级的两相流体强化传热性能更强，显示出纳米流体在强化换热领域具有十分广阔的应用前景，同时也为解决各领域的热交换系统的高温元件冷却问题提供导向作用。

［1］Liu K V,Choi U S,Kasza K E.Measurement of pressure drop and heat transfer in turbulent pipe flows of particulate slurrie.Argonne National Laboratory Report[R].1988:88-105.

［2］Ahuja A S.Augmentation of heat transport in laminar flow of polystyrene suspension I: experiments and results[J].Journal Application Physics,1975,46:3408-3416.

［3］Choi S U S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles [J ] . Asum Ped ,1995 ,231 (66) :99-103.

［4］王补宣，李春辉，彭晓峰．纳米颗粒悬浮液稳定性分析[J]．应用基础与工程科学学报，2003，11（2）：167-173.

［5］王厚华，周根明，李新禹.传热学[M].重庆：重庆大学出版社，2006．

［6］谢华清,陈立飞.纳米流体对流换热系数增大机理[J].物理学报,2009(4):2513-2517．

Study on the Enhanced Heat Transfer of Aqueous Al2O3Two-phase Fluid Flow

（Guizhou Coal Mine Design Institute，Guizhou Guiyang 550025，China）

Solid particles are added to the traditional heat transfer medium to form the solid - liquid two-phase fluid which is a new type of enhanced heat transfer medium. In this paper, a small horizontal straight tube heating furnace test device was designed, and aqueous Al2O3two-phase fluid with particle size of 60 nm, 150 nm, 55 µm and mass fraction of 1% was used as the heat transfer medium. Under the flow rate of 7,8,9 L/min and temperature of 80,100,120, 140 ℃, the data of the heating pipe inner-wall and outer-wall temperature,inlet and outlet fluid temperature were collected and analyzed by computer. The results show that: solid-liquid two-phase flow fluid enhanced heat transfer effect can be affected by particle size, fluid flow rate and furnace temperature.

Aqueous Al2O3two-phase fluid; Enhanced heat transfer coefficient; Particle size; Flow velocity; Furnace temperature

TK 172

A

1671-0460（2014）06-0978-03

2014-04-10

王荣军，男，贵州兴义人，助理工程师，硕士，2012年毕业于兰州大学环境科学专业，研究方向：从事环保技术工作。E-mail：wangrj09@lzu.edu.cn。