微细通道内纳米制冷剂的流动沸腾传热特性*

罗小平　吴迪　冯振飞,2　涂华营

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640; 2.广西大学 化学化工学院， 广西 南宁 530004)



微细通道内纳米制冷剂的流动沸腾传热特性*

罗小平1吴迪1冯振飞1,2涂华营1

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640; 2.广西大学 化学化工学院， 广西 南宁 530004)

分别以0、0.031%、0.062%、0.155%、0.248%浓度的Al2O3-R141b纳米制冷剂为工质，在水力直径为1.33 mm的矩形铝基微细通道内进行了流动沸腾实验，研究了不同浓度纳米制冷剂实验后槽道表面能的变化情况.结果表明：加入少量纳米颗粒后，壁面形成大量的活化核心，使得沸腾起始点ONB提前，强化了传热；浓度为0.062%纳米制冷剂的强化传热效果最好，传热系数比纯制冷剂最大可提高48.1%；当纳米颗粒浓度超过最佳浓度而继续增大时，颗粒在表面沉积现象越来越严重，使槽道表面能增大，换热热阻也随之增大，强化传热效果反而依次降低.浓度为0.031%、0.062%、0.155%、0.248%纳米制冷剂实验后的槽道表面能，比槽道原始表面能分别增长了0.47、1.39、1.89、2.14倍.

微细通道；纳米制冷剂；强化传热；表面能

微细通道换热器作为一种结构紧凑、轻巧、高效的换热器，在微电机系统、电子制冷、化工过程和生物工程等方面有着广泛的应用[1- 2].随着纳米材料科学的发展，将传热流体工质中加入纳米颗粒制成纳米流体[3]应用于微细通道换热器中，成为强化传热技术研究的一个新领域.纳米制冷剂是纳米流体的一种，是将纳米颗粒与纯制冷剂按照一定的比例配制而成的混合物.

近年来，国内外相关学者对纳米制冷剂在常规尺寸管道内的流动沸腾传热进行了研究.孙斌等[4]以CuO-R141b纳米制冷剂为工质，在长为1 400 mm、内径为10 mm的水平紫铜管内进行了流动沸腾传热实验，研究了干度、纳米颗粒质量分数、流量等因素对传热系数的影响.结果表明：在流率为120 kg/(m2·s)时，质量分数为0.1%、0.2%、0.3%的CuO-R141b纳米制冷剂的传热系数分别提高了7%、10.4%、16.6%.Peng等[5]研究了CuO-R113纳米制冷剂在外径为9.52 mm的水平直光管内的流动沸腾换热特性，发现纳米颗粒的加入使管内制冷剂的流动沸腾换热得到了强化；质量流率为100、150、200 kg/(m2·s)时传热系数最大分别提高了29.7%、22.7%、25.6%.Keepaiboon等[6]在水力直径为0.68 mm的单个矩形微通道内研究了R134a 制冷剂的流动沸腾传热实验，研究表明：微通道内流体流型对传热系数有着重要的影响，在低热流密度下，质量流率对传热系数没有显著的影响，属于核态沸腾传热；在热流密度较大时，传热系数随着热流密度增大而增大，属于对流沸腾传热.目前，针对纳米制冷剂在微细通道内的流动沸腾传热特性的研究相对较少.

文中在上述研究的基础上，以Al2O3-R141b纳米制冷剂为工质，在矩形微细通道内进行流动沸腾传热实验，分析了纳米颗粒的浓度对传热系数的影响，对比了不同浓度纳米制冷剂传热实验后微通道表面能的变化情况，基于表面能特性分析了微细通道内纳米制冷剂的流动沸腾传热特性.

1　实验

1.1实验系统

如图1所示，整个实验系统由3部分构成：主回路系统、旁路回路系统以及数据采集系统.工质由水泵经减震管后分为两条支路，一部分通过主回路系统流经预热水箱、转子流量计、试验段、冷却水箱回到泵；另一部分经旁路回路系统直接回到泵，进而可以通过调节旁路回路系统的控制阀来控制流经主回路中实验段的流量.数据采集系统则采用温度和压力传感器来采集实验段的进出口温度、压力以及壁面温度，通过数据采集卡将采集到的温度和压力数据实时传输到计算机上显示与储存.主回路系统中工质在预热水箱中被加热到设定温度后，通过PID恒温控制仪使其保持恒温状态.该实验系统在泵出口处设有过滤器，以防止较大粒径颗粒进入试验段堵塞通道.

图1　实验装置简图

1.2实验段

实验段主要由铝制微细通道、基底及盖板3部分组成.基底的进出口处分别设有测温、测压孔，侧壁面设有4对测温孔测量壁面温度(t1,t2,…,t8；计算时分别表示为T1,up,T1,dn,…,T4,dn)和进出口压力(pin和pout)，测温孔与测压孔位置如图2所示.测温采用铠装型Pt100热电阻；测压采用压力传感器，量程为0～100 kPa，精度为 ±0.2%.槽道基底与电加热板之间通过导热硅脂相连，通过调压器控制电加热板电压以获得不同的加热量；整个实验段由较厚的保温棉包裹，以减少热量散失.

图2　测温孔与测压孔的位置示意图

实验段中微细通道整体几何尺寸为：长250 mm、宽40 mm、高7.5 mm.中间沿长度方向均匀分布有18条平行的矩形微通道，其中槽道单个通道截面如图3所示，图中，Tup、Tdn分别为上、下测温点的温度值，K，具体参数尺寸见表1.

图3　单个通道横截面示意图

Table 1　Dimensions of single channel cross-section mm

1)Wch为槽道宽度,Hch为槽道深度，Ww为槽道间距，Hp为盖板厚度，Hd为上、下测温点间距，l1为槽道底部到接触面的距离，l2为上测温点到接触面的距离，L为实验段微细通道整体长度.

1.3纳米制冷剂的配置

R141b是一种新型的环保制冷剂，具有良好的热物理性质及分散特性，常温差压下为无色透明液体，便于纳米制冷剂的制备，因此文中选用R141b作为制冷剂.纳米颗粒Al2O3为白色粉末状，颗粒呈球形，实验中采用的Al2O3纳米颗粒的平均直径在20 nm左右.

文中采用两步法制备纳米制冷剂，步骤为：将Al2O3纳米颗粒与R141b制冷剂按照一定的配比在容器内进行混合搅拌形成纳米粒子悬浮液；为使溶液能够分散均匀并保持良好的稳定性，在悬浮液中加入分散剂Span-80，并采用超声波振荡仪等设备对纳米粒子悬浮液进行振荡处理，从而制得均一、稳定的Al2O3-R141b纳米制冷剂.实验中分别制备了体积分数为0.031%、0.062%、0.155%、0.248%的Al2O3-R141b纳米制冷剂.

1.4实验数据处理

1.4.1热流密度

实验采用的铝制基底导热性能良好，热平衡偏差较小，且在通道饱和沸腾区域内壁面温度相对稳定，因而可认为铝制基底内的热量均沿如图3所示方向进行一维稳态传递，忽略通道壁面沿流动方向的热传递[7].根据上、下壁面测温孔温度值，由Fourier导热定律可求得热流密度：

(1)

1.4.2肋效率

热传导过程中，与流体工质接触的还有槽道间壁，文中考虑槽道间壁导热所引起的肋效率影响.肋片效率[8]η为

(2)

式中，m为肋片参数，

(3)

式中，h为沸腾传热系数.

1.4.3两相段长度

实验工质入口温度低于入口压力下工质饱和温度，入口处为单相流状态.由热平衡推得微槽道内单相段长度Lsub[9]，

(4)

工质流沸腾段长度

Lsat=L-Lsub

(5)

上式中：Cp为工质的比定压热容,kJ/(kg·K)；M为工质质量流量,kg/s；Tin为工质入口温度，K；Tsat为工质对应工况下的饱和温度，K.

1.4.4壁面温度

将铝制基底内的热量简化为图3所示方向的一维稳态传递，根据沸腾段上、下测温点的温度值，由Fourier导热定律推算求得沸腾段壁面温度

(6)

1.4.5沸腾传热系数

文中考察的是两相流沸腾平均传热系数，根据Qu[10]关系式对矩形微槽道两相传热特性分析，单元槽道的能量衡算方程为

q(Wch+2Ww)=h(Tw-Tsat)(Wch+2ηHch)

(7)

沸腾传热系数：

(8)

2　实验结果与分析

2.1微细通道内纳米制冷剂流体的沸腾曲线

图4为质量流速等于183 kg/(m2·s) 时，不同体积分数的Al2O3-R141b纳米制冷剂流体的沸腾传热曲线.壁面过热度ΔTsat为壁面温度Tw与流体在对应工况下的饱和温度Tsat之差，即

ΔTsat=Tw-Tsat

(9)

图4　微细通道内纳米制冷剂的流体的沸腾曲线

由图4可看出，虽壁面过热度不同，但随着热流密度的逐渐增加，在q约为13.8～15.3 kW/m2时曲线斜率均发生了突变，表明流体进入了气泡沸腾传热过程，此点称为气泡沸腾起始点ONB .图中纯制冷剂ONB点所需壁面过热度为6.8 K，纳米制冷剂流体的ONB点所需壁面过热度约为3.5～5.9 K；其中浓度为0.062%纳米制冷剂ONB点最小为3.5 K，比纯制冷剂提前3.3 K；当纳米颗粒浓度大于0.062%时，ONB点反而有所增大.这是因为纳米颗粒浓度较低时，流动沸腾换热时微量纳米颗粒在槽道壁面上沉积[11]，换热壁面形成了大量的活化核心，气泡生长所需的能量较低，ONB点在较低的壁面过热度下即可形成，纳米流体传热得到提升.当纳米颗粒浓度超过最佳浓度0.062% 继续增大时，纳米颗粒在槽道表面的沉积越来越严重，颗粒的沉积改变了槽道表面特性[12]，使得换热壁面的热阻增大，形成ONB点所需壁面过热度逐渐升高，浓度为0.155%和0.248%的ONB点壁面过热度分别为4.2和5.9 K，纳米流体强化传热效果有所下降，此结论将在纳米颗粒强化传热因子得到体现.这与文献[11]实验中ONB点所需过热度为3.2～7.2 K的范围基本吻合.

随着核态沸腾机理占据主导作用，流体的传热性能迅速提高.但当热流密度继续增大时，图中曲线的斜率均呈现出减小的趋势，表明纳米流体在微通道内的传热性能在高热流密度下有所降低.这可能是因为部分受热面上的气泡脱离受阻，出现部分的气膜阻隔，致使壁温升高，壁面过热度增长迅速，使流体传热性能有所下降.

2.2纳米颗粒体积分数对传热系数的影响

为了定量研究纳米颗粒存在对传热系数影响，定义纳米颗粒影响因子FHT如下:

FHT=hr,n/hr

(10)

式中：hr,n为纳米制冷剂流体的流动沸腾传热系数，kW/(m2·K)；hr为纯制冷剂流体的流动沸腾传热系数,kW/(m2·K).

图5(a)、5(b)分别给出了不同浓度纳米流体在不同过冷度和质量流率工况下纳米颗粒影响因子FHT的变化.图5(a)中入口过冷度在6～12 K变化时，FHT在1.100～1.481之间；图5(b)中热流密度为19 kW/m2，雷诺数在500～900范围内，纳米流体影响因子FHT在1.15～1.47之间；说明4种不同体积分数的纳米流体均起到了一定强化传热作用.这是由于纳米颗粒的加入会增加流体的导热系数，同时颗粒之间、颗粒与基液以及颗粒与壁面之间的相互作用及碰撞会增加流体分子之间的动量和能量的交换，从而强化了传热[13].但不同浓度纳米制冷剂强化传热效果有所不同，从图5(a)、5(b)中均可观察到纳米颗粒浓度为0.062%的Al2O3-R141b纳米流体的FHT最大，强化效果最好；当纳米颗粒浓度增大为0.155%和0.248%时，强化传热因子反而依次下降.与文中前述浓度为0.062%的Al2O3-R141b纳米流体的ONB点壁面过热度最小，当纳米颗粒浓度依次增大，ONB点壁面过热度呈现增大趋势，传热效果有所下降相一致.

图5　纳米颗粒影响因子FHT随纳米颗粒体积分数的变化

Fig.5Nanoparticle impact factorFHTversus volume fraction of nanoparticles

2.3微细通道换热面实验前后的表面能对比

为了探究纳米颗粒沉积对槽道表面特性的影响，文中通过计算槽道表面能大小来表征不同浓度纳米制冷剂实验后槽道表面能特性.采用Young方程[14]和Van Oss提出的LW-AB法[15- 16]来计算实验后微通道的表面能大小；实验中选取去离子水、乙二醇和甲酰胺作为标准测试液.

为了减小手工测量的误差，实验中利用JY-82A视频接触角测定仪，分别测量了槽道原始表面能及体积分数为0、0.031%、0.062%、0.155%、0.248%的Al2O3-R141b纳米制冷剂流动沸腾换热实验后微通道换热壁面的表面接触角.接触角测试过程中所拍摄的测试标准液滴在换热面上的附着状态如图6所示.实验中，槽道竖直放置，因而纳米颗粒在流动过程中对槽道3个壁面的影响效果相同.表2给出的是通过JY-82A视频接触角测定仪测量的各阶段标准液在槽道表面附着的接触角大小，是同一壁面多次实验测量后结果的平均值，图6仅为其中的一组图片.

图6　液滴在槽道表面的附着

根据表2中测得的换热壁面的表面接触角，由LW-AB法和Young方程计算得出微槽道壁面相应的表面能，如表3所示.

表2实验段表面接触角测量结果

Table 2Measurement results of surface contact angle in the test section

测量阶段表面接触角/(°)去离子水乙二醇甲酰胺实验段安装前99.9281.7385.15纯R141b制冷剂实验后95.6579.8784.180.031%纳米制冷剂实验后85.3173.1475.910.062%纳米制冷剂实验后82.8349.0854.930.155%纳米制冷剂实验后70.2432.4040.730.248%纳米制冷剂实验后58.3414.9229.02

表3流动沸腾实验前、后微槽道的表面能情况

Table 3Surface energy of micro channel before and after the experiment

微槽道换热面所处的阶段表面能/(mN·m-1)比原始表面能增长量/(mN·m-1)实验段安装前19.28—纯R141b制冷剂实验后20.140.860.031%纳米制冷剂实验后28.379.090.062%纳米制冷剂实验后46.1226.840.124%纳米制冷剂实验后55.8836.600.248%纳米制冷剂实验后60.6841.40

实验所用的铝基微槽道原始表面的表面能为19.28 mN/m，属于低表面能特性表面，在采用纯R141b制冷剂进行沸腾换热实验后，槽道的表面能与实验前的表面能基本相等(约增加4.4%)，没有发生明显变化.在体积分数为0.031%、0.062%、0.155%、0.248%的Al2O3-R141b纳米制冷剂流体进行微通道流动沸腾换热实验后，槽道的表面能逐渐升高，分别为28.37、46.12、55.88、60.68 mN/m，比槽道原始表面能分别增长了0.47、1.39、1.89、2.14倍.

对比实验前后换热面表面能的变化情况可知，槽道表面能升高是由于纳米制冷剂工质进行实验过程中纳米颗粒在换热壁面上发生了沉积现象[17- 18]，并且随着浓度的逐步增加，沉积现象也越严重.由于Al2O3纳米颗粒具有相对较高的亲水性，沉积在槽道表面时，引起了槽道表面能的升高.

3　结论

文中在水力直径为1.33 mm的矩形铝基微通道内进行了Al2O3-R141b纳米制冷剂的流动沸腾换热实验，分析了纳米颗粒浓度对流动沸腾传热系数的影响，对比了不同浓度纳米制冷剂传热实验后微通道表面能变化情况.结果表明：

(1)微通道内少量纳米颗粒的加入，引起沸腾起始点ONB提前，使其在较低的壁面过热度下形成；沸腾起始ONB点处，纯制冷剂壁面过热度约6.8 K，纳米制冷剂流体所需壁面过热度约为3.5～5.9 K；其中0.062%的纳米流体ONB点壁面过热度最小为3.5 K，比纯R141b制冷剂提前了3.3 K以上，当纳米颗粒浓度超过最佳浓度时，ONB点所需壁面过热度反而增大.

(2)4种不同浓度的纳米制冷剂的强化传热效果均十分明显，比纯R141b制冷剂的换热效果可提升10.0%～48.1%；浓度为0.062%的纳米制冷剂强化传热效果最好，沸腾传热系数最大可提升48.1%，当纳米颗粒浓度大于0.062%时，随着纳米颗粒浓度增大，强化效果反而依次降低.

(3)实验所用的铝基微槽道原始表面的表面能为19.28 mN/m；体积分数分别为0.031%、0.062%、0.155%、0.248%的Al2O3-R141b纳米制冷剂流体进行微通道流动沸腾换热实验后，槽道的表面能逐渐升高，比槽道原始表面能分别增长了0.47、1.39、1.89、2.14倍.

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Supported by the National Natural Science Foundation of China(21276090)

Heat Transfer Characteristics of Flow Boiling Nano-Refrigerant in Rectangular Microchannel

LUOXiao-ping1WUDi1FENGZhen-fei1,2TUHua-ying1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University,Nanning 530004, Guangxi, China)

The nano-refrigerants respectively of 0, 0.031%, 0.062%, 0.155% and 0.248% (volume fraction) Al2O3-R141b particles, were taken as the working fluids to perform flow boiling experiments in the aluminum-based rectangular microchannels of a hydraulic diameter of 1.33 mm, so as to reveal the influence of the nanoparticle concentrations on the surface energy of the microchannels after the experiments. The results show that (1) after adding a small amount of nanoparticles, a massive amount of activation nucleuses form on the wall surface, which brings forward the onset of nucleation boiling (ONB) and then enhances the heat transfer; (2) the nanorefrigerant of 0.062% Al2O3-R141b achieves the best effect in enhancing the heat transfer, and its heat transfer coefficient can be increased by a maximum of 48.1% in comparison with that of pure R141b refrigerant; (3) when the nanoparticle concentration is greater than the optimal concentration of 0.062%, the particle deposition on the surface becomes serious with the increase of the nanoparticle concentration, which causes the surface energy and heat flow resistance of microchannels to increase, but with a decrease in the heat transfer enhancement; and (4) the surface energy of the microchannels treated with the nano-refrigerants respectively of 0.031%, 0.062%, 0.155%, 0.248% Al2O3-R141b particles, increases respectively by 0.47, 1.39, 1.89 and 2.14 times, in comparison with that of the original microchannels before the experiments.

microchannels; nano-refrigerant; heat transfer enhancement; surface energy

2016- 01- 04

国家自然科学基金资助项目(21276090)

罗小平(1967-)，男，教授，博士生导师，主要从事微尺度相变强化传热机理以及微尺度热物理系统的拓扑学、分子动力学模拟等的研究.E-mail：mmxpluo@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)08- 0001- 07

TK 124

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.001