微槽内纳米流体沸腾传热特性实验

张亚海

摘 要：以Al2O3-水纳米流体为工质，进行了纳米流体涡旋微槽道的沸腾两相传热性能实验研究，分析了质量流量、出口干度、Al2O3粒子体积浓度对传热系数的影响。结果表明流体的质量流速和粒子浓度都会对纳米流体的传热特性产生影响，出口干度对传热影响甚微。

关键词：纳米流体 微槽 沸腾 实验

中图分类号：TB131 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0056-02

随着科技的发展，电子设备产生的局部高热流成为了电子设备热控制所面临的重要问题，纳米流体技术为这类问题的解决提供了新思路。纳米流体，是将1～100 nm的金属或非金属的固体颗粒分散在液体中形成的一种悬浮液。在流动状态下，固体颗粒可以明显改变流体的热量传输特性，为强化微细尺度对流换热创造了条件[1]。纳米流体的微尺度传热问题已经成为传热传质领域的一个热点。

国内外对纳米流体微槽道两相流动的换热特性做了一系列的研究，但目前对涡旋微槽道的研究较少。而涡旋微槽道由于流道是弯曲的，流体在流动过程中产生的“二次流”可有效对抗过载效应。因此深入研究纳米流体在涡旋微槽道换热特性是十分必要的。

1 实验装置

1.1 纳米流体的制备

此实验采用的是两步法制备纳米流体，在制备前先在水中加入了一定量的醋酸作为分散剂，然后将13 nm的Al2O3纳米粒子分散到水中，制备成Al2O3-水纳米流体，配制好再经过超声波振荡器进行超声振荡，使其能更加稳定。

1.2 试验件

试验件如图1所示，每个实验件有6个小涡旋微槽，两个小微槽共用一个液体进口，涡旋微槽的中间是一个液体出口。槽道的具体尺寸规格见表1。

1.3 实验台

该实验是由两套分系统组成，分别是纳米流体循环分系统和加热与数据采集分系统。实验系统如图2所示，纳米流体从恒温水槽内流出，经离心泵进入涡旋微槽预热器预热，加热到60 ℃以上后流入实验段。经实验段加热达到实验状态后进入冷凝器进行冷却，最终流回恒温水槽。预热段和实验段的加热分别由两个稳压电源提供，实验段的测温热电偶和压力传感器经接线柱连接到采集卡上，进行温度和压力的数据采集。

2 实验结果与分析

2.1 质量流量对纳米流体传热特性的影响

纳米流体在粒子体积浓度为0.1%、质量流速变化时的沸腾换热特性如图3所示。纳米流体的沸腾换热系数随着质量流量的增加而增加。当流量从3 kg/h提高到6 kg/h时换热系数有了大幅度提高，平均提高了50%左右。

2.2 干度对纳米流体传热特性的影响

图4为在试验件No.2中，质量流量为5 kg/h、干度变化时的沸腾换热系数图。可以看出，在较小的干度条件下，沸腾换热系数只会出现微小的增加或基本保持不变，这同马虎根[2]所研究的结论基本是相同的。

2.3 浓度对纳米流体传热特性的影响

图5为在试验件No.2中，质量流量为5 kg/h、纳米粒子体积浓度变化时的换热系数变化情况。纳米流体的沸腾换热系数起先随着浓度的增加而增加，当浓度到达0.07%时沸腾换热系数出现了下降的趋势。在流体单相流动实验中也同样有这种现象，不过对应的纳米流体浓度要比在两相实验的浓度高[3]。这主要是由于随着纳米粒子浓度的提高粒子之间就容易积聚，容易恶化传热。

3 结语

Al2O3纳米流体在涡旋微槽道沸腾流动中，质量流量升高，流体的换热系数提高；纳米流体浓度升高，换热系数先升高后降低；干度对流体换热及摩擦阻力影响不大。在实际应用中，流量、槽道类型的选择要综合考虑泵能够提供的压头以及需要满足条件的散热能力。

参考文献

[1] 戴闻亭.细圆管内纳米颗粒悬浮液流动和对流换热的实验研究[D].清华大学，2002.

[2] 马虎根，胡自成，罗行，等.微尺度通道内混合物流动沸腾特性研究[J].机械工程学报：2005，41（1）：29-32.

[3] Pak B C，Cho Y I.Hydrodynamic and Heat Transfer Submicron Metallic Oxide Particles [J].Experimental Heat Transfer，1998，11（2）：151-170.