缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度及介稳区

王清清，孙勤，杨阿三，程榕，郑燕萍（浙江工业大学化学工程学院，浙江 杭州 310014）

孙斌，曲艺，杨迪（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

研究开发

缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度及介稳区

王清清，孙勤，杨阿三，程榕，郑燕萍
（浙江工业大学化学工程学院，浙江 杭州 310014）

采用静态平衡法测定缬沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K的溶解度数据，利用Modified Apelblat、NRTL 和λh方程分别对溶解度数据进行了关联，并通过van't Hoff分析计算了缬沙坦在溶解过程中的热力学参数（焓变、熵变和吉布斯自由能）。结果表明，缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度随着温度升高而显著增大，3个模型均具有较好的关联性，平均相对偏差分别为1.03%、3.87%、1.72%，Modified Apelblat方程对溶解度数据关联的效果最好；缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解过程为自发吸热熵驱动过程，焓变在溶解过程中对吉布斯自由能贡献较大。利用激光法测定了缬沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，研究了不同搅拌速率、降温速率对结晶介稳区的影响。结果表明，随饱和温度的升高，介稳区显著变宽；搅拌速率越小、降温速率越快，介稳区越宽，降温速率的影响相对较小。

缬沙坦；乙酸乙酯；溶解度；超溶解度；介稳区

缬沙坦，白色晶体，化学名为 N-（1-氧戊基）-N-［［2'-（1H-四唑-5-基）［1，1'-联苯］-4-基］甲基］-L-缬氨酸，分子式 C24H29N5O3，相对分子质量435.53，熔点383.15K。缬沙坦属于非肽类、口服有效的血管紧张素Ⅱ（AT）受体拮抗剂，选择性作用于Ⅰ型受体（AT1），用于治疗各种类型高血压，具有疗效显著、耐药性好和成本效益低的优点，对需要长期治疗高血压的患者来说是一个很好的选择［1-2］。

乙酸乙酯是缬沙坦工业结晶的首选溶剂，研究结晶体系的介稳区性质对优化结晶过程和结晶器设计起到重要的作用［3］，特别是超溶解度数据对工业化的实际生产有着更为重要的意义。缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度已有文献报道［4］，但还未发现有关缬沙坦在乙酸乙酯中超溶解度数据的报道。

本文通过激光法测定缬沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，采用静态平衡法测定缬沙坦在乙酸乙酯溶剂中278.15～323.15K的溶解度，研究搅拌速率和降温速率对介稳区宽度的影响。利用Modified Apelblat、NRTL和λh方程对溶解度数据进行交叉关联验证，并采用van't Hoff分析，计算溶解过程中的热力学参数（焓变、熵变和吉布斯自由能）。

1　实　验

1.1原料和仪器

缬沙坦，纯度＞99%，浙江华海药业股份有限公司；乙酸乙酯，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；溴百里香酚蓝指示剂，灼烧残渣＜0.3%，国药集团化学试剂有限公司；氦氖激光器，SPL-HN1.5P型，工作波长632.8nm，杭州谱镭光电技术有限公司；低温恒温水槽，DC-3010型，宁波天恒仪器厂。

溶解度测定实验装置由低温恒温水槽、250mL三口烧瓶、精密温度计和机械搅拌器组成。超溶解度测定实验装置由自制夹套冷却结晶器、低温恒温水槽、激光发射器、激光接收器、精密温度计和机械搅拌器组成。

1.2缬沙坦溶解度测定

缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度采用静态平衡法测定：置已知量的乙酸乙酯于250mL三口烧瓶中，加入过量缬沙坦，在恒定温度下，充分搅拌后长时间静置。移取上层清液精密称重后加入适量乙醇溶剂，再加入溴百里香酚蓝指示剂，用配好的氢氧化钠滴定液（0.05mol/L）滴定至蓝色，并将结果用空白试验进行校正。1mL氢氧化钠滴定液（0.1mol/L）相对于21.78mgC24H29N5O3（来源于中国药典）。依次测定278.15～323.15K下缬沙坦的溶解度。溶液温度由恒温水浴控制，每个点重复取样 3次取平均值。

缬沙坦在溶剂中的摩尔分数x，用式（1）来计算。

式中，mA、mB分别为溶液中缬沙坦和乙酸乙酯的质量；MA、MB分别为缬沙坦和乙酸乙酯相对分子质量。

1.3缬沙坦超溶解度测定

采用激光法测定超溶解度存在一定的滞后性，但由于缬沙坦在乙酸乙酯中的结晶速率快且实验中控制的降温速率较小，因此激光法的滞后性对实验结果的影响较小。

根据溶解度数据，配置成一定温度下的缬沙坦饱和溶液置于结晶器中。在搅拌速率恒定时，以一定的降温速率进行冷却。激光发射器发射激光穿透饱和溶液到达另一端的激光接收器。当接收激光的强度发生突变时，即有晶体产生，记录下此时的温度。则所配的饱和溶液浓度即为缬沙坦此温度下的超溶解度，与初始饱和溶液的温度差ΔT即为介稳区宽度。

2　结果与讨论

2.1缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度

虽然LIU等［4］早期采用激光法测定了缬沙坦在乙酸乙酯中278.15～313.15K的溶解度数据，但是经实验发现利用接收器端激光强度达到最大值来判断实验终点一般会产生延后，导致加入的溶剂质量偏大，这样测定的溶解度数据相比实际值会偏小。而且在文中只采用Modified Apelblat对实验数据进行了拟合，得到的均方根偏差（rmsd）为6.0×10-5，计算其平均相对偏差（MD）为1.21%，单个方程的拟合结果不足以论证实验的准确性。所以，本文采用静态平衡法重新测定了缬沙坦在乙酸乙酯溶剂中278.15～323.15K的溶解度。

图 1是实验值与文献值［4］的对比结果。从图1中可以发现，缬沙坦在乙酸乙酯中的溶解度随温度的升高而增大，但增大的幅度不相同，在308.15～323.15K时变化迅速。实验值基本与文献值吻合，但略高于文献值。

图1　缬沙坦在乙酸乙酯中溶解度实验值与文献值比较

2.2溶解度不同模型关联结果

缬沙坦溶解度分别采用 Modified Apelblat、NRTL和λh方程进行关联，其拟合效果可以用平均偏差（σ）及平均相对偏差（MD）来表示，其定义如式（2）～式（3）。

式中，xexp、xcal分别代表实验值和理论值；N为实验点数。

2.2.1Modified Apelblat 方程

Modified Apelblat 方程广泛用于溶解度的关联［5-8］，如式（4）所示。

式中，A、B、C为Apelblat关联参数；T为热力学温度，K。

2.2.2NRTL方程

要研究NRTL方程对溶解度的关联，首先通过热力学理论和假设，可以得到式（5）。

式中，溶剂的摩尔分数 x2=1- x1，g12-g22，

g21-g11和α1（2α12=α2）1为NRTL参数。

2.2.3λh方程

λh方程也经常用于溶解度的关联，方程具体形式如式（9）［12］。

式中，λ和h为方程参数。

表1～表3分别为上述3种方程回归得到的模型参数及平均相对偏差，表4为实验值与模型计算值的对比。

从表中可以看出，3个方程平均相对偏差≤3.87%，关联较好。其中Modified Apelblat方程关联效果最好，平均相对偏差只有1.03%。

农业技术推广人员的专业能力将会直接决定我国农业技术推广的效果，在这样的情况下，要更好的提升农业技术推广的作用，对于农业技术推广人员的专业能力进行提升是非常有必要的。政府的相关部门可以通过定期对农业技术推广人员进行培训，组织技术人员下乡与弄湿实际沟通等方式，提升其专业能力。在此基础上还可以通过编制调整，更好的引入人才，为农业技术推广的开展提供充分支持。

表1　Modified Apelblat方程回归的参数值及平均相对偏差

表2　NRTL方程回归的参数值及平均相对偏差

表3　λh方程回归的参数值及平均相对偏差

表4　缬沙坦的溶解度数据及Modified Apelbla、NRTL和λh方程回归结果

2.3溶解热力学计算

式中，Tmean为平均热力学温度，本研究中Tmean=299.96K。

此外，为了比较溶解过程中焓变和熵变对吉布斯自由能的贡献大小，引入了ξH和ξS，定义如式（15）、式（16）［15］。

表5　缬沙坦溶解过程中的热力学参数

溶解过程是一个熵驱动过程。ξH＞0.58，说明溶解过程中焓变对吉布斯自由能的贡献较大，为焓控制过程。

2.4缬沙坦在乙酸乙酯中结晶介稳区分析

介稳区是介于溶解度曲线和超溶解度曲线之间的区域。介稳区宽度可以用极限过饱和度 ΔCmax或极限温度过冷度ΔTmax来表示，本研究采用ΔTmax表示。

对介稳区宽度的影响因素有很多，如降温速率、搅拌速率、有无晶种、有无外加场及溶液的性质等。实验中采用控制变量法考察搅拌速率和降温速率对介稳区宽度的影响。

2.4.1搅拌速率对介稳区的影响

保持降温速率为0.2K/min恒定，分别设定搅拌速率为100r/min、200r/min和300r/min，考察搅拌速率对介稳区宽度的影响。

从图2中可以看出，缬沙坦在乙酸乙酯中的介稳区宽度随着搅拌速率的增大而变窄，而随饱和温度的升高，搅拌速率对介稳区的影响增大。这可能由于搅拌速率的变大使得缬沙坦分子碰撞的机会增多，更利于晶体成核，从而使介稳区变窄。此外，从图中还知，饱和温度越高，介稳区越宽。在低温区（293.15～313.15K）ΔTmax为 3～8K，高温区（313.15～323.15K）ΔTmax为8～12K。

2.4.2降温速率对介稳区的影响

保持搅拌速率为200r/min恒定，分别设定降温速率为0.2K/min、0.3K/min和0.4K/min，考察降温速率对介稳区宽度的影响。

从图3可知，缬沙坦在乙酸乙酯中的介稳区宽度随着降温速率的增大而变宽。这是由于降温速率的增大使得溶质经过成核温度区域过短，不利于缓慢稳定成核，从而使介稳区有所变宽，但影响并不明显。

图2　不同搅拌速率下缬沙坦在乙酸乙酯中的介稳区

图3　不同降温速率下缬沙坦在乙酸乙酯中的介稳区

3　结　论

（1）缬沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K下的溶解度随着温度的升高而显著增大，采用Modified Apelblat、NRTL和λh方程进行拟合，均具有良好的关联性，其中Modified Apelblat方程关联效果最好，平均相对偏差仅有1.03%。

（2）通过van't Hoff分析得到缬沙坦在乙酸乙酯溶解过程中的热力学参数：焓变、熵变和吉布斯自由能均为正值，说明此过程为熵驱动自发吸热过程。而ξH＞0.58说明焓变在溶解过程中对吉布斯自由能贡献较大。

（3）缬沙坦在乙酸乙酯中的结晶介稳区宽度随着饱和温度的升高、降温速率的增大而变宽，随着搅拌速率的增大而变窄，其中饱和温度影响显著，而降温速率的影响不太明显。

T —— 热力学温度，K

Tmean—— 热力学平均温度，K

Tmi—— 组分i的熔点温度，K—— 标准摩尔溶解熵，J/（mol·K）

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研究开发

纳米流体冲击射流换热特性实验

孙斌，曲艺，杨迪
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

摘要：以纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行实验，主要研究了添加纳米颗粒的纳米流体与水在不同流速、不同射流高度等条件下冲击射流的传热效率，同时也对不同种类的纳米流体的换热效率进行了对比。结果表明：对于添加了纳米颗粒的冲击射流冷却系统，传热效率得到显著提高，但当质量分数达到0.5%时，传热系数变化不明显。对于不同种类的纳米流体：Cu-水、Al2O3-水和Al-水纳米流体，其中Cu-水的换热效率最高，存在一个特定的射流高度，使传热系数达到最大值。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有实用的工程价值。

关键词：纳米粒子；多相流；传热；冲击射流

中图分类号：TK 121文献标志码：A文章编号：1000-6613（2016）08-2334-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.05

Experimental study on heat transfer characteristics of nanofluids impacted jet

SUN Bin，QU Yi，YANG Di
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Abstract：In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimentally studied using nanofluids. The heat transfer efficiencies were compared for nanofluids of different flow rates，jet height and types . The results revealed that heat transfer efficiency significantly increased with the introduction of nanofluids in jet，but，when the mass percentage of nanofluids exceeded of 0.5%，the heat transfer coefficient did not change significantly. For different types of nanofluids：Cu- water，Al2O3-water，Al-water nanofluids，the highest heat transfer efficiency was observed for Cu- water. In addition，there was a particular jet height，where the maximum heat transfer coefficient could be reached. The results would be practically valuable in designing and manufacturing light and efficient heat exchanger.

Key words：nanoparticles；multiphase flow；heat transfer；impinging jet

换热设备是在航天、电子、化工、原子能、动力等众多领域中广泛使用的一种通用设备，其主要作用是实现物料之间的热量传递［1］。冲击射流是一种极其有效的局部强化换热方法。由于冲击射流在换热面上形成的流动边界层较薄，冲击射流的传热系数比常规的对流传热系数高几倍甚至一个数量级［2］。

以往的研究主要针对冲击射流的流速、冲击距离、射流角度、喷嘴孔径等的运行参数和结构参数。BARDBURY［3］对单孔自由射流的流动机理进行了探索，研究了单孔自由射流典型的速度分布形式及轴向速度的衰减规律，实验结果表明，在单孔自由射流的中心区，流体的速度高、波动大，而且湍流度非常高，因此具有极大的强化换热潜力。

收稿日期：2016-01-11；修改稿日期：2016-03-16。
基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-12- 0727）。
第一作者及联系人：孙斌（1972—），男，博士，教授，主要研究方向为多相流理论及应用。E-mail sunbin@nedu.edu.cn。

BAONGA等［4］利用激光诱导荧光技术和图像处理在圆形水平加热盘上进行自由液体射流冲击试验测得的局部温度和速度曲线，通过求解逆热传导问题建立了径向分布的局部传热系数，结果表明该喷嘴到热交换面间距对换热影响不大，雷诺数相同的情况下喷嘴直径的改变使得Nu数发生明显变化，并且液体流速影响局部传热系数。KATTI等［5］研究了圆形直管喷嘴冲击喷气到光滑平整表面的局部发热理论，研究了局部传热喷射到板间距和雷诺数的影响。近几年，冷却射流被应用到精密元件及微小空间散热的问题中。NAPHON等［6］进行了关于个人计算机中央处理器冲击射流强化传热的实验，利用小型矩形翅片板进行喷射液体的冷却实验，实验证明，冷却效果确实要比常规冷却方式要好，但是需要较高的能量消耗。GUO等［7］使用微针喷头进行冲击射流研究强化流动沸腾换热过程，结果表明该沸腾传热可以通过提高增加的总面积及射流冲击速度来提高传热系数。当喷射速度过高时，对流换热占主导地位；当冲击速度过高时，滞流区的热传递与涡扩大了散热面积并增加了紊流，影响微对流过程，影响换热。

纳米流体是以一定的方式和比例在基液（水、酒精等）中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成的一类具有高热导率的均匀稳定的新型传热工质［8］。纳米流体以优异的导热性与稳定性，为冲击射流的工质提供了新的选择［9］。凌智勇等［10］对纳米流体的黏度进行了研究；李强等［11］发现，纳米流体的热导率通常比基液高。采用纳米流体代替常规的流体对具有高热量输出的设备冷却有特别的效果。

本实验在一个典型的射流冷却系统中研究冲击射流的传热特性，通过使用不同的纳米颗粒制备的纳米流体进行实验，对不同纳米流体的热导率进行对比，得到的一些相关结果，实验数据和纳米流体的传热特性进行讨论，具有较高的工程实用意义。

1　实验系统及流程

1.1纳米流体制备

实验采用Cu、Al和Al2O3纳米粒子，其基本物性如表1所示，基液为去离子水，采用十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为分散剂［12］。采用“两步法”［13］，按照1∶1的比例加入纳米流体和分散剂，此时纳米流体稳定性最佳［14］。配置质量分数分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水纳米流体。随后在超声波震荡仪中震荡60min，得到稳定的纳米流体。

表1　纳米流体热物性

1.2纳米流体稳定性分析

采用透射比法分别对质量分数 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米流体的稳定性进行分析。透射比法即分光光度计法，又称浊度法，是将分散体系经过重力沉降或离心沉降等手段处理后，吸取上层清液，在分光光度计上测定其透过率或吸收率。一般来说，稳定分散的悬浮液，其上层清液的透过率较低，吸收率较高［15］。

图1为重力沉降出来后的纳米流体，吸取上层清液，在分光光度计中进行透射率测定，所用仪器为752型分光光度计，所用波长为540nm，每隔12h测量并记录一次数据，重复3～4次，测定结果如图2所示。

采用上述实验方法，实验范围内各质量分数的Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米流体均具有很强的稳定性，在较长时间内不易沉积，适于后期的实验研究及应用。

2　实验系统

实验系统如图3所示，由储液箱、磁力循环泵、预热段、实验测试段、冷却水箱及数据采集部分组成。

实验流程：将制备好的纳米流体放入储液箱中，由扬程为30m的磁力泵提供循环动力，采用涡轮流量变送器测量流体体积流量。纳米流体经预热段预热为恒定25℃后进入实验测试段进行换热实验。将4个热电阻分别布置在射流入口处、射流出口处和紫铜圆柱中心及二分之一半径处，从而测量流体入口温度、流体出口温度以及紫铜圆柱的温度。两个功率为 50W 的陶瓷加热芯对称放置在紫铜圆柱二分之一半径处，用来提供热量。为降低测量误差，紫铜柱体内部的陶瓷加热芯以及热电阻都涂抹导热膏减小其传热热阻。紫铜柱体外包裹石棉进行保温，紫铜换热面进行镜面打磨处理。Rosemount 3051S电容式差压变送器连接在进出口位置用来测量流体进出口两端的压力差。压差计、流量计和热电阻所采集的数据通过 USB-4716数据采集器输入计算机，进行实时检测记录。

图1　3种纳米流体的重力沉降观测照片

图4为实验测试段结构示意图。实验段采用法兰盘与长径螺栓进行连接固定，橡胶垫圈进行防水密封，易于拆卸组装。实验射流距离分别设定为3mm、6mm、9mm进行对比实验。射流进口管外侧加工出螺纹，通过螺纹调整射流距离，既保证了密封性能，也易于实验参数的变更。实验段采用有机玻璃设计，可以调整射流距离以及观察实验中流体流动情况。

3　数据处理与不确定性分析

采用牛顿（Newton）冷却公式，流体流动的传热系数可写为式（1）。

流体的平均温度采用式（2）计算。

式中，Tin是射流实验段纳米流体进口温度；Tout射流实验段纳米流体出口温度。由于热电阻测点与换热面具有一定距离，可能导致热电阻测温面与实际的射流冲击换热表面温度不一致，而且这种温度不一致性随着热流密度的增大而增大。为了减少实验误差，应考虑紫铜块热阻的影响如式（3）、式（4）。

图2　3种纳米流体的稳定性

图3　实验系统结构

图4　测试段结构示意图

式中，Tw是换热面的温度；T'w是热紫铜块的实测温度的平均值；ΔT是换热面温度与纳米流体平均温度的温差。

努塞尔数Nu定义见式（5）。

本实验使用的不同浓度的纳米流体热导率 knf均由DRE-Ш型热导率测定仪测量。雷诺数定义如式（6）。

式中，纳米流体的密度ρnf定义如式（7）［16］。）

由于纳米流体的体积分数难以精准测定，本实验由纳米流体质量分数进行计算，如式（8）。

为了得到更准确的实验结果，需要对系统进行误差分析及不确定度评估［17］，使用仪器的参数及不确定度见表2，变量的不确定度见表3。

4　实验结果及分析

4.1传热特性

在实验前，对试验系统进行热平衡计算，计算输入功率Q与测试段工质获得的热功率Ql的偏差。热平衡偏差如式（9）［18］。

表2　仪器的参数及不确定度

表3　实验变量及其不确定度

经计算，热平衡偏差小于 7%，因此工质能够获得的总功率非常接近100W。

4.2纳米流体冲击射流换热性能分析

实验中，分别测试了质量分数分别是 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水纳米流体的射流传热系数，分析了纳米粒子体积分数、种类、射流速度以及射流高度对冲击射流换热性能的影响。

4.2.1质量分数对纳米流体换热的影响

图5、图6和图7分别给出了3种不同种类的纳米流体在不同质量分数下的冲击射流传热系数随Re数的变化情况。从图中可以看出，冲击射流的传热系数随着 Re数的增加而增大；另外，在相同的Re数情况下，冲击射流传热系数h随着浓度的增加而增加。这是因为在液体中添加纳米粒子，增加了液体的表面积和热容量，在液体中添加纳米粒子，增加了液体的热导率，由于粒子与粒子、粒子与液体及粒子与壁面间的相互作用及碰撞，传热效果增强。由图可以发现，3种纳米流体在质量分数为0.4%时，传热系数提升最为明显，而质量分数为0.5%时，相对于质量分数 0.4%的纳米流体的传热系数变化较小。这是因为纳米粒子的质量分数过大，会导致纳米流体的黏度过大，射流路径中的能量衰减加快，出口射流速度相同时，冲击到换热面的速度减小，对换热效果起负面作用。另外，当纳米流体质量分数过大时，纳米颗粒更易发生沉淀现象，会有少部分纳米颗粒沉淀到储液箱底部，导致实际参与换热的纳米流体质量分数下降。另外，在 Re数较小的区域，传热系数相差不大，因此低流速下，纳米流体对传热系数提高的效果不明显；而在较高的流速下，传热系数提升显著。这是因为在流速较高的情况下，紊流度增加，显著提升了传热系数，所以高速射流应用纳米流体更为有利。

实验中使用了较高比例的分散剂，考虑到分散剂对去离子水换热性能的影响现作如下实验分析：将质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%SDBS分散剂加入去离子水中制备为射流工质，进行冲击射流实验，如图8所示。

图5　Cu-水纳米流体与水传热系数随Re数的变化

图6　Al2O3-水纳米流体与水传热系数随Re数的变化

图7　Al-水纳米流体与水传热系数随Re数的变化

图8　只添加分散剂SDBS的去离子水的传热系数随Re数的变化

从图8可以看出，随着分散剂质量分数的增加，该射流工质的传热系数随之减小；同时，随着射流流速的增加，传热系数呈近似线性增加。对于只加入分散剂的去离子水为射流工质，传热系数较去离子水稍有下降，最大降幅 4%。这是因为分散剂的热导率较低，使得只添加分散剂的去离子水换热性能略降低。与文献［19］的研究结果一致。

纳米流体作为换热工质，结合冲击射流高效冷却方式，可以显著提高换热效率。主要原因如下：悬浮颗粒增加了两相混合物的热导率；纳米颗粒加快了纳米颗粒、去离子水和换热壁面三者之间能量的传递速率；由于流速加快，单个纳米颗粒强力冲击换热面，使换热流体更好的接触换热壁面，明显降低了换热壁面上流体层的厚度。此外，本实验使用的是圆形渐缩喷嘴，更利于冲击射流的强化换热。由于上述原因，导致本实验中传热系数增加较大，质量分数为0.5%的Cu-水纳米流体增幅最大，传热系数最大增加54%。文献［20］也给出了相近的结果。

4.2.2不同纳米流体对传热系数的影响

图9描述的是质量分数为0.4%的Cu-水、Al2O3-水和 Al-水纳米流体在不同 Re数下的射流传热系数。由图9中实验数据可以看出，添加了纳米颗粒的纳米流体，传热系数明显高于去离子水。其中，Cu-水纳米流体的传热系数相对于其他两种纳米流体相对较高，说明 Cu-水纳米流体更适宜应用在冲击射流的实际应用中。这是因为Cu纳米颗粒的热导率比Al纳米颗粒以及 Al2O3纳米颗粒的热导率大，另外本实验使用的Al2O3纳米颗粒粒径较另外两种纳米颗粒粒径大，对传热系数具有一定影响［21］。

图9　相同质量分数不同种类的纳米流体与水传热系数随Re数的变化

4.2.3不同射流参数对传热系数的影响

由于3种纳米流体中质量分数为0.4%的Cu-水纳米流体的换热效果最好，因此选用Cu-水纳米流体进行射流距离对比实验。图10给出在3种射流高度下0.4%质量分数的Cu-水纳米流体传热系数随Re的变化。从图10中可以看出，射流高度存在一个特定的使传热系数达到最高的值。从实验结果发现，在射流高度为3mm时，传热系数较小。这是因为冲击射流的流场决定了换热效果，而射流高度决定了流场的形态。当射流高度很小的时候，冲击在射流面的流体会有一部分反弹到射流喷嘴处，明显降低正向射流的流速，使得图10中射流高度3mm的曲线在高Re数状态下传热系数提升不明显。随着射流高度的增加，射流得到充分的发展，紊流度增加，换热效果增强。另外，当射流高度继续增大至9mm时，由于射流高度过大，导致了在此过程中一定的能量损失，使得传热系数不升反降。

4.3纳米流体冲击射流的流动特性

图10　不同射流高度下Cu-水纳米流体传热系数随Re数的变化

图11展示了不同纳米流体的射流压力随Re数的增大而增大，添加了纳米颗粒的纳米流体的压降高于去离子水的压降，这是由于浓度增加而导致黏度增大等原因，使得压降也相应的有所提高。图11中，3种纳米流体，Al2O3-水纳米流体压降最大，Al-水纳米流体和Cu-水纳米流体的压降基本相同，表明添加了 Al2O3颗粒的纳米黏度增大较为明显导致流体流动阻力大，因此压降较大。

图12展示了Cu-水纳米流体的喷射压力随Re数和浓度的变化。由图12中可以看出，较去离子水的压降相比，在相同雷诺数下，浓度越大，压降越大。这是由于纳米颗粒浓度的增大，使纳米流体的黏度增大，管内流动阻力与喷嘴射流阻力都随之增大，使压降增大。

图11　不同纳米流体的射流压降随Re数的变化

图12　不同质量分数下Cu-水纳米流体的射流压降随Re数的变化

5　结　论

本实验中，通过利用去离子水、Cu-水、Al2O3-水、Al-水纳米流体研究了纳米流体冲击射流的传热特性。使用不同种类的纳米颗粒以及对应其不同的质量分数进行实验研究，Re数的范围在 2000～8000，Nu数的范围在10～70，经实验测得数据，得出以下结论。

（1）3种纳米流体中，Cu-水纳米流体的射流冷却效果要稍强于Al2O3-水纳米流体，Al相对较差。但是添加了纳米颗粒的纳米流体的换热效果都远好于去离子水的换热效果。

（2）在同一种纳米颗粒制备的纳米流体中，质量分数的增大使传热效果有明显的提升。当质量分数达到0.5%时，由于黏度和悬浮性的影响，传热效果的变化明显减小。以 Cu-水纳米流体为例，质量分数分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水纳米流体，传热系数分别提升 12.6%、34.6%、41%、51.2%、54.5%。

（3）在Re＜3000时，纳米流体相对于去离子水的换热优势不明显，所以在实际应用中，应保证有较高的流速。

（4）实验中测量了不同射流高度对传热系数的影响。无论是纳米流体还是水，都存在一个特定的高度，即本实验中高度为6mm时，传热系数达到最大值。

符号说明

A—— 换热面积，m2

D —— 喷嘴直径，mm

H —— 射流距离，mm

h——传热系数，W/（m2·K）

k——热导率，W/（m·K）

Nu—努塞尔数

Q—输入功率，W

Ql—工质获得的功率，W

q—热量，J

Re——雷诺数

T——温度，℃

—平均温度，℃

ΔT —— 温差，℃

u——

μ——动力黏度，Pa/s

ρ—密度，kg/m3

φ—体积分数，%

下角标

bf—— 基液

in—— 入口

nf—— 纳米流体

out——出口

p—纳米颗粒

w—— 壁面

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Solubility and metastable zone of valsartan in ethyl acetate

WANG Qingqing，SUN Qin，YANG Asan，CHENG Rong，ZHENG Yanping
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The solubility of valsartan in ethyl acetate was measured by a static equilibrium method at temperatures from 278.15K to 323.15K. The solubility data were correlated by the modified Apelblat equation，the NRTL equation，and the λh equation. In addition，the thermodynamic parameters （including the enthalpy，entropy and Gibbs energy） were calculated by the van't Hoff analysis. The results showed that the solubility of valsartan obviously increased with an increase of temperature. The experimental data were well correlated with the above models because the mean deviation values of these three models were 1.03%，3.87%，and 1.7%，respectively. Therefore，the modified Apelblat equation was the best choice in the correlation of the solubility data of valsartan. The values of thermodynamic parameters proved that the dissolution process of valsartan in ethyl acetate was endothermic，spontaneous and entropy-driven. The main contributor to the standard molar Gibbs energy of solution was the enthalpy change during the dissolution process. Furthermore，the supersolubility of valsartan in ethyl acetate was measured at different stirring rates and cooling rates by the laser method. The results indicated that the metastable zone was wider under the condition of low stirring rate，high temperature and large cooling rate. Meanwhile，the temperature effect was remarkable but the cooling rate had little effect on the metastable zone.

valsartan；ethyl acetate；solubility；correlation；metastable zone

O 795

A

1000-6613（2016）08-2329-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.04

2016-01-11；修改稿日期：2016-01-27。

王清清（1991—），男，硕士研究生，研究方向为结晶动力

学。联系人：孙勤，副教授，研究内容为结晶与干燥器设计。E-mail qins@zjut.edu.com。