热电制冷液冷服内纳米流体自然循环换热特性

段　炼　韩吉田　霍　冲　曹琳琳

(山东大学能源与动力工程学院, 济南 250061)

高温环境作业人员[1-2]的热防护对于保障其身体健康和提高工作效率具有重要意义．目前对高温作业人员进行热防护的一种有效方法是利用人体热防护系统．现有的人体热防护系统主要包括采用空调系统对局部空间制冷和采用人体冷却系统对人体实施微环境降温[3]．人体冷却系统由于具有结构简单、尺寸小、重量轻、能耗低、降温效果好等优点而受到了青睐．在人体冷却系统中应用最为广泛的是液体冷却服(或叫液冷服)．液冷服具有换热量大、冷却效果好、有效工作时间长等优点[4],已成为人体热防护系统的主要研究方向之一．

为液冷服提供冷源的制冷系统是决定液冷服工作效能的一个关键因素．现有液冷服采用的制冷系统主要有压缩式制冷、吸收式制冷和热电制冷．其中,热电制冷系统具有结构紧凑轻便、无运动部件等优点[5],因此更符合液冷服耐颠簸移动、便于分散布置等性能要求．现有的液冷服主要采用泵作为冷却液强制循环提供动力．这有利于保障冷却液的有效循环,但也增加了泵的能耗和由于泵的故障而导致冷却液不能有效循环等问题．因此,如果能采用冷却液的自然循环代替现有的强制循环,则既可保证冷却液循环的可靠性,又可不配置循环泵．由于常规流体自然循环的流速和换热系数均较低,因而,如何有效强化冷却液自然循环系统的换热能力是提高液冷服冷却效果的关键之一．

近年来纳米流体强化换热技术已成为提高冷却介质换热能力的一种有效方法[4,6]．1995年美国Argonne国家实验室的Choi等[7]首次提出了纳米流体的概念,从此开辟了纳米流体强化换热研究的一个新方向．已有研究结果表明,纳米流体既可以提高基液的导热系数[8-10],也可以有效提高强迫对流的换热系数[11-13]．近二十多年来,国内外已对纳米流体的换热特性与强化机理进行了较系统的研究,但在已有的纳米流体强化换热研究中涉及液冷服和自然循环的相关研究报道却很少．最近王涛等[14]实验研究了TiO2纳米流体对液冷服工作性能的影响,研究结果表明,TiO2纳米流体工质进口温度、质量流量和纳米颗粒体积分数等参数对液冷服的工作性能有很大影响,通过合理匹配相关参数可以提高液冷服的工作性能．Koca等[15]研究了银-水纳米流体在平板太阳能集热器中的自然对流换热特性,研究结果表明,银-水纳米流体可以提高平板太阳能集热器的自然对流换热效率．为了研究液冷服冷却系统内纳米流体自然循环的换热特性,本文基于自行研发的热电制冷的液冷服基础上,搭建液冷服自然循环换热特性实验系统,以去离子水基液中添加不同种类、粒径和体积分数的纳米流体为液冷服的冷却液,对液冷服冷却系统内纳米流体自然循环换热特性进行实验研究,为基于纳米流体的热电制冷液冷服的发展提供依据．

1　实验材料和方法

为了研究人体冷却工况下液冷服冷却系统内纳米流体自然循环的换热特性,设计了如图1所示的实验装置．它主要由散热风扇、热管散热器、热电制冷元件、泡沫金属、液体冷却器、宝塔接头、逆止阀、滴管、循环管路、套管加热器、转子流量计、热水泵、热水管路、恒温水浴箱等组成．

图1　实验系统结构图1—散热风扇; 2—热管散热器;3—热电制冷元件; 4—泡沫金属; 5—液体冷却器; 6—宝塔接头; 7—逆止阀; 8—滴管; 9—循环管路; 10—套管加热器;11—转子流量计;12—热水泵;13—热水管路;14—恒温水浴箱

实验系统采用型号为TEC12710的热电制冷元件,元件的冷端与液体冷却器贴合,热端安装了由6根热管和直流散热风扇构成的散热器以保证其充分散热,其热端和冷端贴合处都均匀涂抹含纳米高分子材料的导热硅脂，以降低接触热阻．

如图2(a)所示,液体冷却器主体由透明亚克力板雕刻成的腔体,并填充有开孔率为110PPI的纯铜泡沫金属,腔体表面覆盖铝板换热表面,铝板与亚克力板之间采用改性丙烯酸脂胶黏剂粘接,用RTV硅橡胶密封和螺栓紧固以保证换热腔体的密封性,并在液体冷却器的非换热面开有通孔，且安装了宝塔接头作为导热液体的进口和出口．

导热介质的循环管路采用管径6 mm、壁厚1 mm的硅胶软管,软管呈U形自然下垂而形成液体下降管段和上升管段2部分．在液体下降管段上设置了用于一次性输液器上的滴管,使用视频拍摄设备记录液滴的滴落过程,并对液滴进行计数从而

(a) 液体冷却器

(b) 套管加热器

图2液体冷却器及套管加热器

计算液体循环的流速．实验前使用限流装置控制液滴速度,收集和称量滴落的纯净水,经多次测试标定,滴落的液滴体积为2 000滴((100±1%)mL)．在液体上升管段设置了套管加热器,套管加热器结构如图2(b)所示．套管加热器利用一根长10 cm、管径10 mm、壁厚1 mm的硅胶软管将部分液体上升管段套于其内部,两管之间通入恒温热水模拟人体散热,对上升管段内的液体进行加热．恒温热水采用恒温水浴箱制取,并用热水泵送入套管加热器．除滴管的部分管段裸露外,其余管路均包裹有15 mm 厚的聚氨酯保温棉．循环管路上设置了多处温度数据采集点,包括液体冷却器进出口温度、套管加热器进出口温度、恒温热水进出口温度等．使用Pt100热电阻连接Solartron 5000IPM数据采集仪,测试和记录采集点的温度数据．同时测量热电制冷片的冷端温度、热端温度、环境温度等,并用转子流量计控制和测量恒温热水的流量．

为了实验研究纳米流体的种类、粒径和体积分数对其自然对流换热特性的影响,首先以去离子水为基液,分别配置平均粒径50 nm、体积分数均为0.5%的TiO2,CuO,Cu颗粒制成3种不同的纳米流体作为实验流体,并与去离子水在多种工况下进行了对比实验．针对不同粒径的TiO2纳米流体,分别配置了平均粒径为20,50和100 nm的水基纳米流体,研究了颗粒粒径对自然循环过程换热产生的影响．最后又使用平均粒径为50 nm的TiO2颗粒配制了体积分数分别为0.2%,0.5%和1.0%的水基纳米流体,针对不同体积分数对循环过程的换热特性产生的影响进行了研究．

目前较为常用的纳米流体制备方法主要有气相沉积法、分散法和共混法[5],本研究采用的是共混法．实验采用去离子水为基液,首先将去离子水和纳米金属粉末进行精确称重,按照所需比例混合,再加入质量分数为1.5%的分散剂SDBS(十二烷基苯磺酸钠)．将混合液搅拌均匀,再使用超声震荡分散3 h以上．用试管取少量制备好的纳米流体垂直静置,其余部分在短时间内即用于实验.实验结束后试管内的纳米流体未出现明显的沉降现象,即证明其稳定性能够满足实验要求．

实验过程中,为消除环境温度的波动对实验系统的影响,将实验装置整体放置于高精度恒温恒湿箱中,保证实验环境温度恒定在(26±0.2)℃,相对湿度范围为40%～50%．

2　数据处理与误差分析

当实验系统达到稳定状态后,可根据输入电压和电流计算热电制冷元件的输入功率,其总制冷量和制冷功率可根据其冷热端温差和输入功率得到．系统通过液体冷却器输出的制冷量和制冷功率计算式为

Qs=cp,nfms,nf(TLC,in-TLC,out)

(1)

qs=cp,nfρnfuA(TLC,in-TLC,out)

(2)

式中,Qs为制冷量,J;cp,nf为工质比热, J/(kg·K);ms,nf为工质质量,kg;TLC,in为液体冷却器入口温度,℃;TLC,out为液体冷却器出口温度,℃;qs为制冷功率,W;ρnf为工质密度,kg/m3;u为循环流速,m/s;A为循环管路截面积,m2．

其中,cp,nf和ρnf的计算公式为

cp,nf=cp,wxm,w+cp,nxm,n+cp,dxm,d

(3)

ρnf=ρwxV,w+ρnxV,n+ρdxV,d

(4)

式中,cp,w为水的比热,J/(kg·K);cp,n为纳米颗粒的比热,J/(kg·K);cp,d为分散剂的比热,J/(kg·K);xm,w为水的质量分数,%;xm,n为纳米颗粒的质量分数,%;xm,d为分散剂的质量分数,%;ρw为水的密度,kg/m3;ρn为纳米颗粒的密度,kg/m3;ρd为分散剂的密度,kg/m3;xV,w为水的体积分数,%;xV,n为纳米颗粒的体积分数,%;xV,d为分散剂的体积分数,%．

实验中对基液和纳米颗粒均采用型号JJ323BC的分析天平称重,该天平最大量程为320 g，分辨率为0.001 g,实验中所称重的材料质量范围在数十至数百克不等,因此所配置的纳米流体浓度误差可忽略．采用Pt100热敏电阻测量液体温度,精度等级A级,采用三线制接法以消除导线电阻的影响．采用Solartron 5000 IPM数据采集仪采集与显示数据．测温系统使用比较法进行了多点温度校验,保证了温度测量的绝对误差小于±0.2 ℃．

管内流量测量采用滴管内液滴滴落速度进行测量．实验前使用限流装置控制液滴速度,对30 min内滴落的去离子水进行了收集和称量,经多次测试标定,在本研究的流量范围内滴落的液滴体积为(0.05±1%)mL．液滴记录采用OV2710高帧率摄像头模组,在分辨率为640×480像素的录制模式下,帧数为120帧,采用视频编辑软件逐帧分析统计滴落时间的误差为1/120 s,实验过程中液滴滴落时间间隔不小于0.5 s,因此相对误差为±1.67%．

体积流量测量的相对误差为

使用精度为0.02 mm的游标卡尺测量实验管径与管长,管径测量的相对误差为±0.5%,管长测量误差可忽略不计．

因此,实验流速测量的相对误差为

在液冷器输出制冷功率的计算中,因在实验初期(TLC,in-TLC,out)的绝对数值由0 ℃开始变化,因此相对误差较大．但进入稳定工作状态后,(TLC,in-TLC,out)数值不小于20 ℃,因此相对误差小于±(0.2+0.2)/20=±2%．

进入稳定工作后,液冷器输出制冷功率的相对误差为

±3.13%

3　实验结果分析

本研究首先配制了平均粒径50 nm、体积分数均为0.5%的TiO2,CuO,Cu颗粒制成的纳米流体,与去离子水在环境温度为(26±0.5)℃的工况下进行了对比实验．为消除因添加分散剂SDBS而改变液体冰点带来的影响,在去离子水中也加入了同样质量分数的SDBS．

实验在热电制冷元件6 V/18 W(固定输入电压/平均输入功率)工况下进行．TiO2,CuO,Cu纳米流体与去离子水在相同工况下的液体冷却器输出制冷功率对比如图3所示.在相同的工况下,使用纳米流体可显著提升装置的输出制冷功率,其中TiO2和CuO纳米流体分别较去离子水提高了10%和13%,Cu纳米流体效果最为显著,提升幅度为25%．这主要是因为纳米颗粒的加入,一方面颗粒本身的导热系数大于基液,在改变基液基础结构的同时提高了基业整体的导热系数;另一方面纳米颗粒在基液中的布朗运动也会增强热扩散和能量迁移等微观效应．此外,从系统进入稳定工况所用的时间来看,去离子水约为1 000 s;TiO2和CuO纳米流体较为接近,约为800 s;而Cu纳米流体用时最短,600 s内即可达到稳定工况,比去离子水快40%以上．这主要是因为纳米流体较去离子水提升了换热能力,而纳米流体比热却比去离子水比热更小,所以实验中纳米流体温度变化的速度快于去离子水．而自然对流工质循环的动力来自于冷热流体的密度差,流体温度变化越快, 密度差变化就越大,循环流速也会相应地加快,从而进一步增大了循环流体的对流换热系数,使纳米流体进入稳定工作状态的速度比去离子水有了较大提高．

图3　液体冷却器输出制冷功率图(6 V/18 W工况)

当进一步增大热电制冷元件的输入功率至8 V/33.6 W工况时,不同工质的液体冷却器输出制冷功率对比如图4所示．由图可见,实验进行到800 s后,去离子水的液体冷却器输出功率迅速下降,在很短时间内就降至0．此时打开保温层,可以观察到液冷器内部出现了明显的结冰现象,结冰阻碍了液体的循环,使得系统无法继续工作．而实验工质分别为TiO2,CuO和Cu的纳米流体均能够正常循环工作．由于去离子水中也添加了相同浓度的

图4　液体冷却器输出制冷功率图(8 V/33.6 W工况)

分散剂SDBS,几种工作液体的冰点无明显差异,则可认为是因为几种纳米流体的导热能力较强,使得冷量能够及时传导出液冷器,避免了结冰现象的发生．其中,Cu纳米流体表现出了较好的导热性能,使得热电制冷元件的冷端温度能够一直维持在0 ℃以上．

当进一步提高热电制冷元件的输入功率至10 V/55 W工况时,TiO2和CuO纳米流体在短时间内即发生了结冰现象,导致循环无法顺利进行,只有Cu纳米流体可在此工况下正常工作．实验在系统进入稳定状态后,对1 200～1 800 s内各测点的输出制冷功率的平均值进行了统计计算,因结冰无法正常工作制冷功率记为0,计算结果如图5所示,其中计算流速采用了1 200～1 800 s内滴管内滴落的总液滴体积除以时间的稳态平均流速．由图5可以看出,在现有的实验条件下,使用纳米流体作为工质均能够大幅提升系统输出冷量的能力,其中Cu纳米流体的最大输出制冷功率达到了12.86 W,较去离子水的最大输出冷功率6.57 W提高了约95%．

图5　不同工质稳态平均输出制冷功率图

本实验还配置了平均粒径分别为20,50和100 nm的TiO2纳米流体,颗粒的体积分数均为0.5%,对不同尺寸的纳米颗粒的换热特性进行了对比实验．以热电制冷元件8 V/33.6 W工况为例,液冷器的输出功率如图6所示．实验数据表明,在体积分数相同的情况下,减小纳米颗粒平均粒径,可以增强纳米流体的换热能力．这主要是因为体积分数相同时,平均粒径越小的纳米流体含有的纳米颗粒数量越多,颗粒的布朗运动也越强烈,这就强化了热量的传递,增强了纳米流体的换热能力．

本实验还配置了体积分数φ分别为0.5%,1.0%和1.5%的TiO2纳米流体,平均粒径均为50 nm,对不同体积分数的纳米颗粒的换热特性进

图6　不同颗粒直径液体冷却器输出制冷功率对比图　(8 V/33.6 W工况)

行了对比实验．同样以热电制冷元件8 V/33.6 W工况为例,液冷器的输出功率如图7所示．实验数据表明,在平均粒径相同的情况下,增大纳米颗粒体积分数,可以增强其换热能力．这主要是因为纳米颗粒体积分数增加,不但增大了纳米流体的静态导热系数,而且流体中更多作为传热载体的粒子也会增大纳米流体的动态导热系数．然而由图7可见,体积分数为1.5%的纳米流体在1 400 s后出现了液冷器输出制冷功率下降的情况．经过观察发现,液冷器内出现了肉眼可观察到的纳米积聚现象,这可能是由于高浓度的纳米流体更容易在泡沫铜的孔径内积聚,从而影响了换热效果．

图7　不同体积分数液冷器输出制冷功率图　(8 V/33.6 W工况)

4　结论

1) 采用纳米流体可显著提高制冷装置在自然循环方式下的冷量输出功率,其中Cu纳米流体效果最好,相同工况下较去离子水提高了25%以上,并且能够满足更大功率的制冷工况要求,最大输出制冷功率较去离子水提高了约95%．

2) 增大纳米颗粒的平均粒径和体积分数均可以增强热电制冷人体冷却装置的换热能力,但体积分数过大容易导致纳米颗粒积聚等现象,影响长期使用的换热效果．

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