纳米流体对倾斜朝下加热面沸腾换热特性的影响

朱 晨，匡 波，孙 伟，范云良，张 志，唐超力

（上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240）

熔融物堆内滞留（IVR）是一个有效的严重事故缓解措施，已被应用于先进核电厂，例如韩国的APR1400、美国西屋公司的AP600 和AP1000。压力容器外部冷却（ERVC）是IVR的一种措施，通过灌水淹没压力容器下封头从外部冷却压力容器，维持压力容器的完整性。但随着反应堆容量的增大，ERVC 的能力与有效性受到了挑战，有学者提出工质内添加纳米颗粒对沸腾换热有强化作用［1-10］。

在纳米流体沸腾传热性能的研究中，对于纳米流体能否强化溶液传热系数的问题仍有争论，而大多实验已证明，纳米流体能显著改善沸腾传热特性。对于纳米流体对倾斜朝下加热面沸腾换热影响规律的研究尚不够深入，还需进一步研究。

本文通过倾斜下表面池沸腾实验模拟压力容器球形外表面的沸腾换热，对不同种类的纳米流体以及去离子水作为介质时的实验数据及实验现象进行比较分析，得出纳米颗粒种类、体积浓度以及粒径大小对改善传热的影响。

1 试验系统和试验方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，由水箱、蒸汽排出导管、玻璃视窗、冷却铜管、铜加热本体和紧固压条等结构组成。水箱用来盛装试验工质，铜加热本体通过紧固压条固定在水箱上表面，加热本体下表面为沸腾换热面，试验中淹没在试验工质中。

试验在常压下装满试验工质的水箱内进行。铜加热本体加热方式为间接加热，通过34根额定功率为2.1kW 的加热棒对铜块进行加热，从而加热沸腾换热面；加热棒安插在铜块内，通过电源控制系统对加热棒进行调压控制加热，可实现对加热棒电功率的连续调节；两侧距离加热面10 mm 和14 mm 处布置有16 个监测热电偶，用来测量铜加热本体内关键位置的温度；加热本体的监测温度、加热棒的电流和电压等信号通过NI数据采集系统进行实时测量、监控和存储，其中温度信号采集频率为5Hz，电流、电压信号采集频率为10 Hz；试验中，利用高速摄像系统等对沸腾换热面的池沸腾现象进行可视化研究。

1.2 纳米流体的制备

包括纳米颗粒分别选取了金属、金属氧化物材料：纳米铜（20nm 和100nm）、纳米氧化铝（20nm），基液为去离子水。实验选取的纳米流体规格列于表1。本文采用两步法（即先制备纳米颗粒，再将纳米颗粒均匀分散于基液中制备成纳米流体）制备纳米流体，并采用超声波震荡等方法有效改善纳米流体的悬浮稳定性。

1.3 试验方法

图1 试验装置Fig.1 Experimental apparatus

试验中使试验工质完全淹没沸腾换热面；通过加热棒加热去离子水至饱和温度；同时用冷却铜管循环冷却，维持水温饱和，并维持水箱内压力为常压。在不同功率水平下，当试验调节至稳态时，用数据采集系统实时采集铜加热本体16个热电偶的温度，利用高速摄像系统对不同功率水平下沸腾过程中汽泡的运动进行记录。重复上述操作完成以去离子水、Al2O3纳米流体、Cu-20纳米流体和Cu-100纳米流体为试验工质的试验。

表1 实验选取的纳米流体规格Table 1 Nanofluids for experiments

由实验中所测得的温度数据，利用傅里叶定律以及壁面温度的线性外推，可求得热流密度和铜加热本体加热面的壁温。热流密度q=-λ，为铜加热本体由上表面指向沸腾换热面方向的温度变化率，q 为沿方向传递的热流密度。铜加热本体下凸台处温度梯度稳定，根据线性关系可求出铜块冷却面壁面温度tw，过热度Δt=tw-tf（tf为试验工质温度），由此可得沸腾换热系数α=。

2 试验结果与分析

2.1 倾斜角影响规律

图2示出去离子水试验工质下不同倾斜角换热系数随热流密度的关系。可看到：在倾斜角为0°时，随热流密度的增大，沸腾换热系数变小；而倾斜角为15°、30°时，沸腾换热系数随热流密度的增大而增大，其中倾斜角为30°时，增长趋势很慢。

图2 去离子水试验工质不同倾斜角下的q-α 关系Fig.2 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different inclined angles in deionized water

图3为不同热流密度下0°时汽泡的行为。可看到，随热流密度的增加，汽泡生长十分剧烈，汽泡间的合并吞噬也极其快速，形成几乎覆盖整个朝下壁面的大汽泡，阻隔了流体与加热面间的换热，导致沸腾换热性能下降。在角度为15°、30°时，汽泡不再附着在加热面上，而是开始沿着壁面滑移，并在滑移过程中不断合并而生长。在这种过程下，加热面基本无小汽泡附着，铜块与液体的换热十分充分，换热性能较0°时的明显变好。

2.2 纳米流体影响规律

图3 不同热流密度下0°时的气泡形态Fig.3 Bubble movement for 0°under different heat fluxes

图4 不同纳米流体工况下的q-α 关系Fig.4 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different nanofluids

图4为不同纳米流体工况下q-α 关系。所有纳米流体试验均在倾斜角30°下进行。通过对体积浓度为0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20纳米流体，0.01%的Cu-100纳米流体，以及体积浓度为0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3纳米流体进行试验，发现在30°时，相较于去离子水，纳米流体均会增加沸腾换热系数。由于本试验采用的纳米流体均不透明，高速摄影无法进行拍摄，故无法采集图像数据。

通过对体积浓度为0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20纳米流体（图4a），以及体积浓度为0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3纳米流体（图4b）进行实验，发现在30°时，纳米粒子浓度的增大均会增加相同功率密度下的换热系数。体积浓度为0.01%的Al2O3纳米流体在本试验最大热流密度条件下的换热系数相较于去离子水的增加了23.1%。

Cu-20纳米流体对于换热性能的增强较Al2O3纳米流体大得多，换热系数相较于去离子水的增加了42.5%。随热流密度的不断升高，Cu-20纳米流体工况下的换热系数有显著的上升，且其换热系数随浓度的增大而增大的规律与Al2O3纳米流体的相同。

不同浓度的氧化铝纳米流体和Cu-20纳米流体，在相同倾斜角、相同热流密度下，随浓度的增加，改善传热效果越来越好。

对于相同浓度、相同粒径、不同材料的纳米流体（图4c），可发现体积浓度为0.01%的Al2O3纳米流体和体积浓度为0.01%的Cu-20纳米流体对沸腾换热特性均有改善，Al2O3纳米流体在低热流时的改善效果较好，而Cu-20纳米流体在高热流密度时有十分显著的改善效果。

对相同材料、相同浓度、不同粒径的纳米流体（图4d），在相同浓度下，Cu-100纳米流体较Cu-20纳米流体更能改善沸腾传热，在相同热流密度条件和本试验的最大热流密度下，Cu-20纳米流体换热系数增大了42.5%，而Cu-100纳米流体的换热系数则增大了92.9%。较大粒径的纳米材料对于改善沸腾换热特性体现出更大的优势。

3 结论

本文通过对倾斜朝下加热面的池沸腾进行试验，研究了不同纳米流体对于沸腾换热特性的影响，得到以下结论：

1）倾角30°时，相较于去离子水，Al2O3纳米流体和Cu-20纳米流体均会增强沸腾换热。对体积浓度同为0.01%的不同纳米流体，Al2O3纳米流体换热系数增加了23.1%，而Cu-20 纳米流体的换热系数增加了42.5%，Cu-100纳米流体的换热系数则增加了92.9%。

2）对于Al2O3纳米流体和Cu-20纳米流体，随着浓度的增加，沸腾换热性能得到明显改善。

3）不同种类、相同粒径、相同浓度的纳米流体作为介质时，Cu纳米流体的总体效果好于Al2O3纳米流体。

由于试验装置设计与试验条件的限制，未能进行大倾斜角下的倾斜下表面换热实验，且未能进行池沸腾的临界热流密度测量试验，这些都将在后续试验中进行探索。

［1］ BANG I C，BUONGIORNO J，HU L W，et al.Measurement of key pool boiling parameters in nanofluids for nuclear applications［J］.Journal of Power and Energy Systems，2008，2：340-351.

［2］ CHOI S U S，EASTMAN J A.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles［R］.US：Argonne National Laboratory，1995.

［3］ 刘辉，李茂德.纳米流体传热强化技术［J］.应用能源技术，2007（10）：32-36.LI Hui，LI Maode.The heat transfer enhancement techniques of nanofluids［J］.Applied Ener-gy Technology，2007（10）：32-36（in Chinese）.

［4］ 林璟，方利国.纳米流体强化传热技术及其应用新进展［J］.化工进展，2008，27（4）：488-494.LIN Jing，FANG Liguo.Recent progress of technology and application of heat transfer enhancement of nanofuilds［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2008，27（4）：488-494（in Chinese）.

［5］ 宣益民，李强.纳米流体强化传热研究［J］.工程热物理学报，2000，21（4）：466-470.XUAN Yimin，LI Qiang.Heat transfer enhancement of nanofluids［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2000，21（4）：466-470（in Chinese）.

［6］ 李艳娇，赵凯，罗志峰，等.纳米流体的研究进展［J］.材料导报，2008（11）：87-91.LI Yanjiao，ZHAO Kai，LUO Zhifeng，et al.A review on research development of nanofluids［J］.Materials Review，2008（11）：87-91（in Chinese）.

［7］ BUONGIORNO J，HU L W，APOSTOLAKIS G，et al.A feasibility assessment of the use of nanofluids to enhance the in-vessel retention capability in light-water reactors［J］.Nuclear Engineering and Design，2009，239（5）：941-948.

［8］ 唐潇，刁彦华，赵耀华，等.δ-Al2O3-R141b 纳米流体的池内核态沸腾传热特性［J］.化工学报，2012，63（1）：64-70.TANG Xiao，DIAO Yanhua，ZHAO Yaohua，et al.Nucleate pool boiling heat transfer of δ-Al2O3-R141bnanofluid on horizontal plate［J］.CIESC Journal，2012，63（1）：64-70（in Chinese）.