CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性

祝啸，陈威，李林星（上海海事大学商船学院，上海 201306）

研究开发

CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性

祝啸，陈威，李林星
（上海海事大学商船学院，上海 201306）

对CuO-水纳米流体在6mm多孔球层内进行池沸腾实验研究。实验使用了40nm的CuO纳米颗粒，加以不同浓度的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂，配成多种不同配比关系的纳米流体。实验结果表明，当表面活性剂浓度与纳米颗粒浓度在0.01%～0.03%（质量分数，下同）之间变化时，两者浓度相近的纳米流体稳定性较好，沸腾传热效果高。其中表面活性剂浓度略高于CuO浓度时，传热效果较好，在SDBS浓度为0.03%、CuO浓度为0.02%时达到最大，为41670W/（m2·K）；而纳米颗粒浓度增大时，根据其对纳米流体的稳定性和沉降效应的影响，在不同程度上可增强或削弱沸腾传热。同时对纳米流体的池沸腾进行可视化研究，利用气泡脱离特性对实验结果作了诠释。所得结果可为纳米流体在多孔球层的池沸腾传热特性研究提供有益的研究数据。

纳米流体；表面活性剂；池沸腾；多孔介质；传热

纳米流体自1995年［1］问世以来，在热科学及能源科学领域一直受着研究人员的关注。目前研究认为它具有高导热特性［2-5］。而在沸腾传热中，对其是否能增强传热还有一些争论［6-8］。多孔结构的传热研究也是目前热科学技术的前沿领域之一，在其能显著提升汽化核心数的基础上，对沸腾传热的提升效果十分明显［9］，但多孔结构中球形多孔介质的研究不多。王峥［10］和张晓杰［11］等对多孔玻璃球进行了沸腾传热的实验研究，发现多孔球层的角缝区域能形成一个比较稳定沸腾换热区。王记等［12］采用模拟与实验相结合的方法，对多孔球层的沸腾换热机理作了进一步的研究。

纳米流体的稳定性受表面活性剂的影响［13］，由于水基纳米流体在经过较长时间加热之后，会出现吸附沉降现象［7］，沉降颗粒附着在平板上会在一定程度上增加汽化核心，加强沸腾传热；而在多孔介质层中，这种沉降是否有利于传热还有待验证。另外，表面活性剂的浓度也会影响纳米流体的稳定性，而在沸腾传热中，这种影响还有待研究。

为进一步分析纳米流体在多孔介质沸腾传热中的稳定性与传热效果，本文就 CuO-水纳米流体在6mm多孔球层上池沸腾传热效果进行研究，所得的实验结果，可为纳米流体的表面活性剂使用量，以及多孔结构池沸腾强化换热方向的应用提供一些实验依据与指导。

1　实验装置及纳米流体的制备

1.1实验装置与数据处理

沸腾实验台如图1（a）所示，该装置主要由沸腾容器、冷凝器和测量系统组成。在沸腾容器底部铺设有一层直径6 mm的铜珠［图1（d）］，以此模拟球状多孔结构，测试多孔球层的沸腾特性。沸腾产生的水蒸气经螺旋管冷凝器冷凝后回流到容器内，保证沸腾工质的液位恒定。

图1　球状多孔介质池沸腾实验台

加热块内有4根加热棒，如图1（a）所示，在其上部的紫铜块内部有 8根热电偶。此铜块为边长72mm的正方形，从侧面看，插入铜块的两层热电偶分别为 t1、t2、t3、t4和 t5、t6、t7、t8，分布如图1（b）所示；从俯视结构上来看，每层各方向深入铜块内20mm布置有4根热电偶，如图1（c）所示，以此可获取各截面的平均温度。紫铜块与底座外部均包裹有隔热保温材料。容器外部围护结构是以不锈钢为骨架的石英玻璃，以观察沸腾现象，实验工质采用去离子水。通过调整电压控制加热功率，用Agilent 34970A数据采集仪来采集温度数据。

实验初期以较小的功率加热，当温度变化在10min内不超过0.5K时即视为稳定状态，随后以间隔1.5W/cm2调节加热器，增大功率，并记录数据。实验在0.1MPa下进行。本实验使用的T形热电偶推导出流经加热壁面的热通量误差可控制在5%之内。导热段采用玻璃纤维保温棉封装绝热（漏热损失为5%～10%），其传热可视为一维稳态导热，根据傅里叶定律，可获得加热面传输的热流密度、壁面的近似平均温度和传热系数如式（1）～式（4）所示。

热流密度q

壁面的近似平均温度Tw

过热度ΔT

传热系数h

式中的符号位置标注如图1（b）所示。

1.2纳米流体的制备

本实验采用两步法制备纳米流体，将不同质量分数的CuO纳米颗粒和表面活性剂添加到水中，按照表面活性剂浓度不变、CuO浓度改变和CuO浓度不变、表面活性剂浓度改变的原则配制纳米流体。其中表面活性剂质量分数分别取0.01%和0.03%保持不变，CuO质量分数取值分别为0.01%、0.02%、0.03%；以及CuO质量分数分别取0.03%和0.06%保持不变，表面活性剂质量分数取值分别为0.01%、0.02%和0.03%。

实验中CuO纳米颗粒质量分数大于99.5%，粒径为 40nm；表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠（SDBS）。实验过程中以去离子水为基液，经过超声波震荡仪震荡60min左右制备成纳米流体。

2　实验结果与分析

2.1表面活性剂浓度相同，纳米颗粒浓度不同

当表面活性剂质量分数固定为0.01%时，调节纳米颗粒CuO质量分数为0.01%、0.02%和0.03%。其沸腾传热特性如图2所示。

图2　表面活性剂质量分数为0.01%，CuO质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的池沸腾传热特性

随着CuO浓度的升高，纳米流体池沸腾所传输的热流密度经历了一个先下降，再上升的过程。当表面活性剂浓度与CuO质量分数一致，为0.01%时，纳米流体的稳定性较好，沉降现象不明显，能充分发挥纳米流体的高传热效果。当CuO质量分数升高到0.02%时，纳米流体的稳定性变差，虽然沸腾初始时传热系数比较接近，但纳米颗粒浓度的增加反而增加颗粒吸附层的厚度，从而增加传热面热阻，导致换热效果的下降，传热效果反而低于第一组。而CuO质量分数提升到0.03%时，其传热系数在过热度ΔT=5.5～8K之间稍大于第一组，这是由于沉降效果达到最大，此时沉降附着在加热表面的纳米颗粒反而有助于汽化核心的生成；而过热度继续提升时，沉降现象更严重，导致加热面颗粒吸附层厚度增大，继而增加了传热面热阻，致使传热系数逐渐低于第一组。

增大表面活性剂质量分数到0.03%，CuO质量分数仍然取0.01%、0.02%和0.03%。其沸腾传热特性如图3。

图3　表面活性剂质量分数为0.03%，CuO质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的池沸腾传热特性

当表面活性剂浓度与CuO浓度同时增加时，沸腾传热特性产生了新变化：CuO质量分数为0.03%的传热效果反而不如质量分数为0.02%的高。这是由于此时的表面活性剂浓度较CuO浓度高，使得纳米流体的稳定性进一步提升，沉降现象继续减弱，沸腾换热达到了一个较为理想的状态，这也是实验中传热系数所达到的最大值，为41670W/（m2·K）。

然而实验中也发现，继续提高表面活性剂的浓度会造成气泡的生成速率过于剧烈而无法得到有效冷凝，大量气泡充斥在沸腾容器内，导致实验环境恶化，这对体积固定的纳米流体来说是非常不利的，因此本实验中表面活性剂的质量分数上限为0.03%。

2.2纳米颗粒浓度相同，表面活性剂浓度不同

当纳米颗粒质量分数固定为 0.03%时，调节表面活性剂浓度为0.01%、0.02%和0.03%。实验得其沸腾传热特性如图4所示。

图4　CuO质量分数为0.03%，表面活性剂质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的池沸腾传热特性

图4中可以看出，表面活性剂对纳米流体的沸腾传热特性有着较为明显的差异性影响。表面活性剂质量分数为0.01%时，纳米颗粒的沉降现象比较严重，纳米颗粒此时聚团附着在铜珠表面，增加了汽化核心数，沸腾传热效果远远超出了表面活性剂质量分数为0.02%的纳米流体。而表面活性剂质量分数为0.03%时，纳米颗粒在工质中得到了充分混合，稳定性提升，流体沸腾时产生的气泡挟带固体颗粒在加热表面附近运动，强化了流体内部的能量传递，传热系数较表面活性剂质量分数为0.01%的纳米流体高出25%左右。而表面活性剂质量分数为0.02%的纳米流体处于半稳定半沉降状态，一方面，沉降现象不明显，汽化核心产生的数量不如0.01%组；另一方面，流体的稳定性又不如0.03%组，因此沸腾传热效果在三者之中列于末尾。同时也可以看出，纳米流体沸腾时，在沉降作用和稳定性两者之中，流体的稳定性更有助于增强沸腾传热。

图5　CuO质量分数为0.06%，表面活性剂质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的池沸腾传热特性

继续增大纳米颗粒的质量分数到0.06%，表面活性剂质量分数维持在0.01%、0.02%和0.03%，沸腾传热图线如图5。

此时纳米流体中的颗粒沉降是影响沸腾换热的主要因素，CuO质量分数为0.06%的纳米流体的传热特性远低于以上各组。但此时表面活性剂的浓度对传热系数的影响却有着较大的差别，由于纳米颗粒的浓度远大于表面活性剂的浓度，因此整个纳米流体是非常不稳定的。在表面活性剂质量分数为0.01%的情况下，纳米颗粒的沉降现象最为严重，因而较其他组别产生了更多的汽化核心，沸腾传热效果在ΔT＜8K时最好。当提升了表面活性剂质量分数为0.02%后，纳米流体的状态趋于半稳定半沉降，使得沸腾传热效果有所降低。继续提升SDBS质量分数到0.03%，纳米流体的稳定性有所增强，传热系数逐渐上升，在ΔT＞8K后超过其他两组如图5（b）所示。这也是本实验中所观察到的传热系数随过热度上升的现象。

2.3多孔球层池沸腾气泡传输特性

当CuO质量分数为0.03%时，根据表面活性剂SDBS浓度的不同，纳米流体在6mm铜珠上的沸腾气泡特性如表1所示。过热度ΔT=5K时为起始沸腾过程，ΔT=7K为饱和沸腾过程，ΔT=9K为强烈沸腾过程。沸腾起始阶段热流密度相对较小，气泡有序的从铜珠之间的缝隙之间逸出；随着过热度的增大，气泡的生长、脱离变得频繁，并逐渐有形成汽柱的趋势。在高热流密度下，气泡大量生成、融合形成汽柱，整个池沸腾区域由于汽柱的剧烈扰动而使得换热效果有所增强，传热系数趋于平稳，如图4（b）所示。而表1的（b）组在初始阶段气泡的生成频率就低于其他两组，在剧烈沸腾阶段也未能使得汽柱有效成型，导致传热效果远远不如其他两组。

表1中同时可以看到，（a）、（c）两组气泡生成较（b）组剧烈，且（c）组的气泡生成速率明显较（a）组高，沸腾传热效果好。在强烈沸腾阶段，（c）组的沸腾液面已经逼近多孔球层，这也在另一方面体现了（c）组的高沸腾传热特性。

表1　相同过热度下不同种类的纳米流体在6mm铜珠上的沸腾气泡特性

实验中同时也发现，在过热度超过11℃后，纳米流体急剧沸腾而无法得到有效冷凝，产生的气泡充满了整个沸腾池，难以快速消除，沸腾实验难以为继。这可能是由于十二烷基苯磺酸钠是一种发泡剂，易于产生大量气泡。另外也有学者［7］发现，壁温过高时，这种水基纳米流体会出现壁面烧结现象，这对沸腾传热是非常不利的。因此，使用此类纳米流体时，应注意控制加热面的温度。

3　结　论

表面活性剂对纳米流体沸腾换热的影响是多样的。一方面，影响了纳米流体的稳定性；另一方面，也表现在纳米流体沸腾后颗粒沉积的影响。两者相比较而言（图4和图5），纳米流体的稳定性越好，沸腾传热系数越高。而当分散剂浓度略高于 CuO时，如图3所示，纳米流体的稳定性最好，沸腾传热系数最大。另一方面，当纳米颗粒CuO的浓度过高时（如图5所示），由于粒子之间团聚现象增多，沉降程度也随之上升，在过热度ΔT＜8K在一定程度上有助于传热，但ΔT＞8K之后则会恶化沸腾传热。因此，本实验对 CuO纳米颗粒与表面活性剂SDBS的纳米流体配比关系的建议是：两者质量分数在0.01%～0.03%区间内，为保持纳米流体的稳定性，配比比例应维持在1∶1左右，且纳米颗粒的浓度不宜过大，否则沸腾中极易团聚沉降；但若能有效增大气泡的消除速率，表面活性剂的比例可略大一些。

对于表面活性剂SDBS而言，长时间的持续加热将导致工质整体温度过高，气泡的生成速率过快，使得气泡难以消除，整个沸腾池内空腔被气泡占领而难以冷凝，严重影响了沸腾换热效果。因此，应严格控制加热面的过热度不超过 11℃，既可防止气泡生成过多，也可防止壁面烧结，影响沸腾换热。

符号说明

h—— 传热系数，W/（cm2·K）

q—— 热流密度，W/cm2

ti—— 热电偶测得的温度，K

Tsat—— 水在标准大气压下的沸腾温度，K

Tw—— 壁面的近似平均温度，K

δ1—— 铜块内两层热电偶的平面间距，cm

δ2—— 靠近容器侧的热电偶平面与容器上表面的间距，cm

ΔT—— 过热度，K

λ—— 铜的导热系数，W/（cm·K）

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An experimental investigation on heat transfer performance of CuO-H2O nanofluid pool boiling with porous bead-packed structures

ZHU Xiao，CHEN Wei，LI Linxing
（School of Merchant Marine，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Heat transfer performance of nanofluids in nucleate pool boiling was experimentally investigated in 6 mm copper beads. The nanofluid was prepared by dispersing the 40nm CuO nanoparticles in the base fluid water by using sodium dodecyl benzene sulphate（SDBS） as the surfactants，and both the proportion of the mass fraction were different. Experimental results showed that the nanofluid is in stability and has a good heat transfer performance at the same concentration ranges from 0.01% to 0.03% of nanoparticles and surfactants. The nanofluid could transfer heat more effectively at the slightly higher concentration of surfactants. The best heat transfer coefficient from the range above was 41670 W/（m2·K），where the concentration of CuO and SDBS were 0.02% and 0.03%，respectively. The sedimentation occurred obviously at the larger proportion of nanoparticles，which could enhance or weaken the boiling heat transfer at the different grade. The visualization research of nanofluid pool boiling was also investigated. It could interpret experimental results by analyzing the detachment characteristics of boiling bubble. All these results in this paper can be supplied for the research of nanofluid pool boiling on porous bead-packed structures with useful experimental data.

nanofluid；surfactants；pool boiling；porous media；heat transfer

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2381-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.12

2015-12-31；修改稿日期：2016-03-01。

国家自然科学基金（51276107）、交通部应用基础项目（2013319810150）及上海市教委创新科研课题（14ZZ142）。

祝啸（1991—），男，硕士研究生。E-mail zx2362@gmail.com。联系人：陈威，教授，博士生导师，研究方向为传热传质学。E-mail weichen96@163.com。