三维石墨烯纳米流体传热性能的实验研究

梅倩，蒙小聪，杨旭，邓伟，莫春兰

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005）

材料工程

三维石墨烯纳米流体传热性能的实验研究

梅倩1，蒙小聪2，杨旭1，邓伟1，莫春兰1

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005）

以SX-LY型号汽车散热器为实验载体，在50%乙二醇水溶液中掺入0.025wt%、0.1wt%质量比的三维多级孔石墨烯纳米粒子配置成混合纳米流体，通过实验研究新型纳米冷却液对汽车散热器冷却性能的影响。结果表明：添加三维石墨烯纳米粒子能极大提高基液的传热性能，且随着纳米粒子质量浓度的升高，流体传热特性加强；入口温度、流速也影响着冷却液传热性能，随着入口温度、流速的升高，换热量与传热系数均增大。

散热器；三维多级孔石墨烯；纳米流体；传热性能

优质冷却液不但要满足导热传热效果优异，还需满足无毒无害，抗沸抗冻，防蚀防垢等性能要求。纳米流体已被成功地应用于热传递：加强建筑加热和冷却系统，余热回收等等[1]。通过大量的实验证明，即使在纳米颗粒物浓度极低的情况下，这些新的液体相比于基液也显示出更好的传热性能。沈培康教授发明了离子交换树脂一步法批量制备三维多级孔石墨烯材料，此方法合成的石墨烯材料具有其它碳材料包括商用石墨烯不具备的性质，如高比表面积、高导电性、自掺杂、多级孔结构[2]。研究其传热性能，对改善发动机高效化、紧凑化、轻型化具有重要意义。故本文以石墨烯三维构造粉体为主要材料，以质量分数0.025wt%、0.1wt%分别添加到乙二醇分析纯，形成一种新型纳米冷却液。通过实验研究这种新型纳米冷却液在汽车散热器中的传热特性。

1 三维石墨烯纳米流体制备

本文中研究的纳米流体是用两步法制成的，即将制备好的纳米粒子分散到目标基液。实验所用到的三维多级孔石墨烯主要由三维石墨烯，碳纳米管组成，含有极少量杂质，具体性能在表1中给出。由于石墨烯不溶于乙二醇水溶液，所以在制备纳米流体的过程中通过添加SDS（十二烷基磺酸钠）作为颗粒表面活性剂，增强纳米流体的稳定性。首先，将纳米颗粒与基液混合，再按照纳米颗粒与分散剂质量比为1∶5的比例将SDS添加到混合液中，持续搅拌2 h后消除流体中的任何结块，然后进行2 h的超声波震荡，保持粒子在基液中处于完好的悬浮状态。

表1 三维构造石墨烯纳米颗粒的性能

2 实验装置和方法

实验装置中包含汽车散热器、水泵、流量计、加热器、水箱、散热器风扇、温度控制器以及温度测量仪，图1为实验原理结构示意图。其中散热器型号规格如表2所示，水泵采用的是自吸泵，出水流量范围为5~40 LPM，流量计型号为LZT-25G，测量范围5 ~35 LPM.加热器用于对样品的加热并保温，风扇以转速1 000 r/min稳定运行，用于散热器的冷却降温。温度控制器用来观察并控制加热器对冷却液的加热情况。温度传感器采用的是热电偶式传感器，精度达到±0.1℃.整个实验在室内进行，实验环境由温湿度计实时监测，实验过程中保证环境恒定。此外，实验装置中用的管道均为隔热管。

实际发动机冷却液大循环出口温度为85~90℃左右，由于本实验条件的限制，当冷却液加热到60℃以上时，难以保证其温度恒定，故本文只研究40 ~55℃时的纳米流体的传热性能，以此来说明添加三维石墨烯纳米材料对基础液体的传热系数是否有提高这一效果。

图1 实验原理结构示意图

表2 散热器规格型号

3 数据处理及结果分析

根据牛顿冷却定律：

式中，Q表示传热量；h表示纳米流体的传热系数；A表示散热器管道换热表面积；Tb、Ts分别表示纳米流体的平均温度和壁面平均温度，由下面两个计算式求得：

式中，Tin、Tout分别表示纳米流体的入口温度、出口温度；Tw1、Tw2为散热器壁面两处温度（见图1），该四个参数均可由温度测量仪测得。

同时，换热量还可以由另一公式求得：

式中，表示纳米流体的质量流量。

联合式（1）~（4），即可计算其在散热器中的冷却性能参数如传热系数h：

为了确保该实验数据的有效性，选用纯水作为预试验工质，对实验装置进行可靠性和稳定性验证，将试验测得的努塞尔数与理论努塞尔数[3]作比对，如图2所示。可见试验结果与理论公式的计算结果基本吻合，纯水在流速为16 LPM时（Re=55 000），最大误差为4.26%.经过反复多次预实验，实验结果依然稳定，说明该装置稳定可靠。

图2 理论努塞尔数与实验结果对比

图3 为纯基液及两种不同质量分数三维石墨烯纳米流体冷却液出口温度随流速的变化情况。可以看出，随着流速增大，出口温度升高；纳米冷却液出口温度均低于纯基液的出口温度，且随着石墨烯质量分数的增加，出口温度急剧下降。这是因为，增加流速，散热器的传热时间即散热片管道表面与周围空气的传热时间缩短，导致出口温度升高。含有纳米颗粒物的冷却液相比于纯基液，由于导热系数的增加，从而可以更快的传热，减小壁面温度与纳米流体的温度差。从图3还可以看出，提高冷却液的入口温度，冷却液经过散热器后平均出口温度也随之升高。

图3 不同入口温度时汽车散热器出口温度随流速的变化

图4 给出了不同质量分数石墨烯纳米流体与纯基液的传热系数随流速的变化关系。很明显的观察到添加石墨烯纳米粒子对冷却液的传热系数的影响大大地超过导热系数。随着流速的增加，传热系数增大。在入口温度为45℃和流速为14 LPM时，传热系数相比于6 LPM增加最大达75%.传热系数是一个宏观的参数，可以用一个近似的公式表示，其中指热边界层厚度[4]。由于本实验在基液中添加石墨烯的量极少，配制的石墨烯纳米流体导热系数与纯基液相对增幅不大，对提高纳米流体传热系数的贡献值较小，所以传热系数增大的最主要原因可以归结于热边界层厚度的降低。通过添加石墨烯纳米粒子，散热片管道内流体运动时剪切力作用加强，粘度梯度减小，使得热边界层厚度减小；同时由于纳米颗粒的加入，液体之间的换热表面积也增大，散热更快，使得传热性能更好。

图4 不同入口温度下流量和石墨烯质量分数对传热系数的影响

图5 显示了不同入口温度对纳米冷却液传热系数的影响。随着入口温度的升高，传热系数增大；石墨烯质量分数为0.1wt%时，传热系数随入口温度增加的幅度更大。这是因为，温度升高，导热系数增大，液体粘度减小和雷诺数增加，导致散热片管道内湍流状态更明显，更加有利于热量传递；同时，由于温度的提升，冷却液中纳米颗粒的布朗运动更加剧烈，使得纳米流体的传热性能加强。在55℃时，纯乙二醇水溶液、0.025wt%、0.1wt%的纳米流体的传热系数相比于40℃时分别提高了18.3%、13.8%、37.3%.由于纳米流体均有较高的沸点，且其传热系数随温度升高而增大，故纳米流体冷却液更适用于高温工况。

图5 入口温度和石墨烯质量分数对纳米冷却液传热系数的影响

4 结束语

本文通过实验研究了石墨烯-50%乙二醇水溶液纳米流体在汽车散热器中的传热性能，分析之后得到以下结论：

（1）向乙二醇水溶液中添加三维多级孔石墨烯纳米颗粒能有效提高冷却液的传热性能。石墨烯质量分数为0.1wt%时，最大传热系数达12 173 W/m2K，比纯基液提高了29%.

（2）随着流体的初始温度升高，流体的导热系数、比热均增大且粘度减小，使得传热系数大幅度提高。12 LPM下，55℃的0.025wt%、0.1wt%石墨烯乙二醇纳米流体的传热系数比40℃时分别提高了13.8%、37.3%.对于高温工况，纳米流体有更好的应用前景。

（3）增大流体的流量能明显提高冷却液传热系数，14 LPM时石墨烯纳米流体传热系数比6 LPM时提高了24.1%.

（4）相比于基液，纳米流体对传热系数的大幅度提高，使纳米流体作为汽车散热器的冷却液的应用前景十分可观。相同散热量的情况下，传热系数的提高，使得发动机冷却系统高效化、紧凑化、轻型化指日可待。

[1]赵聪颖，闫素英，田瑞，等.SiO2纳米流体在太阳能集热管中的传热特性[J].农业工程学报，2014，30（20）：236-243.

[2]张勤伟，李运勇，沈培康.三维多级孔类石墨烯载三氧化二铁锂离子电池负极材料[J].电化学，2015，21（1）：66-71.

[3]Dittus F W，Boelter L M K.Heat transfer in automobile radi ator of the tubular type[J].International Communications in Heat&Mass Transfer，1985，12（1）：3-22.

[4]Ding Y，Alias H，Wen D，et al.Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes（CNT nanofluids）[J].Inter national Journal of Heat&Mass Transfer，2006，49（1-2）：240-250.

Experimental Study of Three-dimensional Graphene Nanofluid Heat Transfer Performance

MEI Qian1，MENG Xiao-cong2，YANG Xu1，DENG Wei1，MO Chun-lan1
（1.College of Mechanical Engineering，Nanning Guangxi 530004；2.China Guangxi Yuchai Machinery Limited by Share Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005）

Based on SX-LY type automobile radiator as the experimental carrier，The three-dimensional hierarchical porous graphene nanoparticles with the mass fraction of 0.025wt%，0.1wt%were added to 50%ethylene glycol aqueous solution，which formedmixed nanofluid.The effect of the new type of nano cooling liquidon the cooling performance of automobile radiator was studied through experimental.The results showed that the addition of three-dimensional graphene nanoparticles can greatly improve the heat transfer performance of the base fluid.And with the increase of mass concentration of nanoparticles，the fluid heat transfer characteristics of graphene strengthen；Entrance temperature and velocity also affect the heat transfer performance of the cooling liquid，with the increase of the entrance temperature，flow rate，the heat transfer and heat transfer coefficient increased.

radiator；three-dimensional graphene；nanofluid；heat transfer performance

TK124

A

1672-545X（2017）06-0208-03

2017-03-29

广西科学研究与技术开发计划（桂科攻1598007-44，桂科攻1598007-45）；广西自然科学基金资助项目（2014GXNSF GA118005）

梅倩（1992-），女，湖北黄冈人，硕士生，研究方向：发动机冷却性能研究；莫春兰（1975-），女，广西贵港人，副教授，博士；研究方向：内燃机热管理。