纳米流体在水平直管内的对流换热实验

于广滨 毛汉成 陈巨辉 高德军

摘 要：准备了4种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体。首先将纳米颗粒与乙二醇液体（50%乙二醇和50%水混合液）直接混合，然后在其添加分散剂，经过超声波振荡和机械搅拌制备了纳米流体。最后再将其注入到实验循环系统当中，进行换热特性的实验测量。结果表明：纳米流体与基液相比其换热效果更加明显，其换热系数伴随着纳米流体质量分数的增加而增大。而当以纳米流体为冷却介质时，纳米流体质量分数越大其泵功的损失也就越大，而且当纳米流体质量分数小于0.50%时其换热效果的提高并不明显。当CuO-乙二醇纳米流体体积分数为0.50%时，压降提高了8.23%而换热系数提高了23.18%，其综合效益最好。

关键词：纳米流体；分散剂；换热系数；水平直管

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.019

中图分类号： TB383

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）02-0108-06

Abstract：Four different concentrations of CuO-ethylene glycol nanoparticles were prepared. The first is the nanoparticles with ethylene glycol liquid （50% ethylene glycol and 50% water mixture）is directly mixed， and then on the dispersing agent after ultrasonic vibration and mechanical stirring to prepare nanofluid. Finally， the nanofluid is injected into the experimental cycle system， and the experimental measurement of the heat transfer characteristics is carried out. The results show that the heat transfer effect is more obvious than that of the base fluid， and the heat transfer coefficient increases with the increase of the mass fraction of the nanofluid. When the nanofluid is cooling medium， the greater the mass fraction of nanofluid pump power loss is bigger， and when the mass fraction of nanofluid is less than 0.50% .the heat transfer effect is not obvious. When the volume fraction of CuO-glycol nanofluid is 0.50%， the pressure drop increased 8.23% and the heat transfer coefficient increases by 23.18%， its comprehensive benefit is best.

Keywords：nanofluid； dispersing agent ； heat transfer coefficient； horizontal straight pipe

0 引 言

随着热力学和技术的发展，在冶金、能源、运输、微电子、车辆、航天器热控制、制造业中、对换热系统[1]的效率提出了更高的要求。提高液体换热效率的一种有效方法[2]是在基液中添加金属、非金属或聚合物固体颗粒。由于固体粒子的导热系数相比于液体有明显的提升，所以这种添加了固体粒子的导热系数比纯水液体大许多。由于大量研究人员的不断探索，纳米流体的传热冷却技术在1995年由美国Argonne国家实验室的Choi和Eastman [3]首次提出。纳米流体是指把金属或非金属纳米颗粒分散到水、醇、油等传统换热介质中，使其成为均匀稳定新型换热介质。

在过去的几年里纳米流体作为一种新型的换热流体已被大量的科研人员广泛的研究[4-6]。在汽车发动机冷却系统内纳米流体有着大量的研究和报告[7-9]。2002年，李强等[10]研究了Cu-水纳米流体的对路换热特性，研究表明通过比较纳米流体对流换热实验关联式的计算结果与实验数据，关联式准确地描述了纳米流体对流换热过程，可以用来计算纳米流体的对流换热系数。2005年，李强等[11]将Cu-水纳米流体应用到航天器热控系统中。并發现航天用纳米流体的流动阻力系数稍有增加，纳米流体的流动阻力系数不随着纳米粒子的体积份额而变化。熊建国等[12]的平板热管微槽道传热面上纳米流体沸腾换热特性发现了沸腾换热系数和CHF（临界热通量）随浓度曾加而缓慢曾加。1998年Pak和Cho[13]研究了γ-Al2O3-水和TiO2纳米流体在管内湍流状态下的对流换热特性，发现当纳米颗粒的体积分数为3%时，纳米流体的传热系数相比与纯水减小了12%。2006年，Lee将Al2O3-水和Cu-水纳米流体应用到微通道散热器中[14]。 Y. Abbassi等[15]将TiO2-水纳米流体在垂直管内进行了换热实验；发现该纳米流体的传热不依赖于压力和入口温度。还有大量的实验及相关研究[16-19]也证明了纳米流体的传热性能相比与纯水、醇，油有更显著的效果。

虽然目前研究较多，但其实验的装置设计和需要改进的地方还有许多，本文通过不同的角度以及改进的实验装置来阐述CuO-乙二醇纳米流体相比与传统的冷却液的优势。直观的揭示纳米流体强化传热机理具有的重要意义。

1 纳米流体的参数及传热原理

1.1 纳米流体参数分析

为了获得其传热参数，纳米流体特性例如密度、比热、粘度和导热系数应该使用相应的计算公式。

2 键合图模型方程推导

2.1 纳米流体的制备

纳米流体的制备即使将纳米颗粒与基液混合而形成均匀稳定的溶液。由于大量研究人员对纳米流体的制备不断总结，一般在制备纳米流体时具有两种方式，分别是“一步法”和“二步法”。“一步法”指的直接将刚制备好的纳米颗粒将其加入到液体当中并添加分散剂。但是这种方法具有很多缺点，比如对于设备要求高，产量小、因此很难达到工业生产。“二步法”就是实验通常所用的方法，将事先准备好的纳米颗粒加入到基液中，通过添加分散剂超声波振荡将其均匀的分散到基液中使其形成稳定的纳米流体。制备流程如图1所示。

在此次的实验中所使用“二步法”配制Cu-乙二醇纳米流体其体积分数为（0.25%、0.5%、0.8%、1.2%）。测出一定量的Cu纳米颗粒添加到乙二醇基液中，搅拌时间为60min，然后使用超声波震动装置进行60min的振荡得到Cu-乙二醇纳米流体。静放置一段时间后观察没有出现浑浊的现象开始使用。

2.2 实验步骤

将准备好的50～60nm氧化铜纳米颗粒，制备出不同浓度的乙二醇-氧化铜纳米流体，添加到实验当中。在分析实验数据前应有5步：

1）检查实验装置的气密性。

2）用“二步法”去制备纳米流体。先将所测取一定量的纳米颗粒溶解在乙二醇-水溶液中，并机械搅拌120min，然后利用超声波振荡150min，目的促进其形成均匀稳定的纳米流体与此同时在纳米所溶入的液体中，最后加入适量的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）使其均匀稳定性保持长久。通过观察加入不同体质量分数SDBS的纳米流体稳定性，可得知，分散剂适量对促使纳米流体均匀稳定起到及其重要的效果，当分散剂的所加入的份额与所制备的纳米流体的浓度数接近时，纳米流体的稳定效果最佳。

3）将已制备好的纳米流体注入到实验循环装置当中，先设置一定的入口流速，再利用加热装置对紫铜管加热，然后观察入口、出口和管壁温度，当其均已稳定时，再利用温度传感器对其进行数据采集。重复上述过程，以测出不同浓度下的纳米流体的实验数据。

4）安装试验段的2个精度为1℃和1个精度为0.1℃热电传感器分别测量管壁与流体温度，并且在其上方安装数字微压计测量进出口的压差。

5）对所采集到的数据进行分析。

2.3 实验装置

实验装置如图2所示，实验装置有3个闭合回路循环装置。

制备好的纳米流体由透明的有机玻璃制成的储液罐（大约5L）储存，并装有精度为1℃的传感器，流量计记录着纳米流体管中的流速，旁路可用来排液。实验段是用长度为1500mm，外径为15mm，内径为10mm的紫铜管，紫铜管由直径为50mm套管套住在紫铜管与套筒之间充满乙二醇液体，最外面包裹硅酸铝保温材料和玻璃丝胶带并且两端由法兰盘将其固定且中间加有石棉网，起到绝缘和保温作用。实验段中间部分安装2个精度为1℃热电传感器测量管壁的温度和1个精度为0.1℃的热电传感器测量流体的温度，并且在其上方安装数字微压计测量进出口的压差。通过调节阀来控制液体的流速。第1个循环系统由储液罐和实验段组成利用该系统可测量出纳米流体的换热系数；第2个循环系统为热交换器和冷却箱，主要作用是用来冷却被加热的纳米流体使其回到常温；第3个循环系统为加热装置与实验段，主要作用是给套筒与紫铜管之间的乙二醇加热使紫铜管壁温度基本达到恒温，且在实验段入口处和出口处各安装1个精度为0.1℃的热电传感器以便测量其进出口温差。根据雷诺数计算公式，得出当纳米流体刚进入紫铜管内时流体状态比较剧烈为湍流，在进入管内一段时间过后流体状态比较稳定为层流，在管出口处流动状态又比较剧烈为湍流。

2.4 实验系统准确性的校核

为了保证实验系统的准确性，先测量了在纯水下的换热系数。并且得到的实验数据与Seider-Tate[20]公式进行比较。

实验数据与公式中的曲线基本吻合，说明实验的准确性比较精确。

2.5 实验不确定度分析

对于一个有价值的测量结果必须进行评价，因此在进行实验测量时实验系统的不确定度分析就必不可少的。实验不确定度的的含义是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，它是被测量真值在某一范围内的一个评定。

“不能确定的程度”是通过“量值范围”和“置信概率”来表达的。如果不确定度为σ，根据它的含义，则表示误差将以一定的概念被包含在量值范围（-σ～+σ）之中，或者表示测量值的真值以一定的概率落在量值范围（-σ）～（+σ）之中。显然不确定度的范圍是反映了实验数据与真值之间的靠近程度。不确定度愈小，实验数据与真实值越靠近，其可靠的程度就越高，即测量的质量越高，其使用价值就越好。本文实验所测的数据的不确定度分为两类，直接测量的不确定度和间接测量的不确定度。

直接测量的不确定度：对一组直接得到的实验数据如本实验中数据中温度（测量其数据的次数），剔除差别与其他数据较大差异的温度，所剩实验数据Tj，其不确定度Nj可表示为

由上述公式，可得实验参数的不确定如表1所示。

3 实验结果与讨论

这一节我们将讨论不同的质量分数的纳米流体，不同的雷诺数与换热系数的关系曲线。不同质量分数的纳米流体，在管内轴向不同位置处于换热系数的曲线。不同质量分数的纳米流体，不同位置处于铜管的温度曲线。不同雷诺数（Re=ρvd/μ）与不同质量分数的纳米流体，在相同位置处紫铜管的温度关系曲线。不同雷诺数下的不同体积分数纳米流体的端口压降变化。

雷诺数与换热系数的曲线关系如图4所示。