CuO-ZnO混合纳米流体导热系数影响分析

2019-07-18翟玉玲

工业加热 2019年3期

李龙，王江，翟玉玲，王华

（昆明理工大学冶金与能源工程学院省部共建复杂有色金属重点实验室，云南昆明650093）

在工业生产中，会产生大量余热，对许多机器和仪器有着负面的影响。因此，对于大多数工业领域来说传热非常重要，例如发电，太阳能集热器，空调和汽车等行业[1-4]。用于换热器的常见流体是水（W），乙二醇（EG）等，在过去的几十年里，很多学者做了改善传统流体性能的研究。其中，纳米流体作为一种新型高效的传热工质，使传热速率得以强化。纳米流体是指在液体工质中加入1～100 nm 大小的固体颗粒而形成的悬浮液[3]。

提高传热效率的关键是增大导热系数[5-7]。Murshed[8]等人研究了体积分数为5.0%的二氧化钛（TiO2）纳米流体和铝（Al）纳米流体的导热系数，发现TiO2-EG 纳米流体的导热系数比基液增大18%，Al-EG 纳米流体的导热系数增大45%。Lee[9]等对Al2O3-水纳米流体和CuO-水纳米流体进行了研究，观察到体积分数为4.0%的CuO-水纳米流体导热系数增幅为20%。Pang[10]等分别把Al2O3纳米颗粒与SiO2纳米颗粒和甲醇混合制备体积分数为0.5%的纳米流体，表明导热系数增大10.74%与14.29%。

混合纳米流体是纳米流体研究的改进，混合纳米流体可以被定义为两种或更多不同纳米颗粒或者基液混合悬浮在一起，组合成一种稳定的均匀混合物[11]。Vajjha 和Das[12]首次使用乙二醇和水混合物作为基础液，制备了基液比例φv为60：40 的Al2O3，CuO 和ZnO 纳米流体，发现CuO纳米流体比Al2O3和ZnO纳米流体具有更高的热导。Sundar[13]等阐述了Fe3O4-EG/W 纳米流体在φv=20：80 情况下，2.0%的流体在60 ℃时导热系数增大了46%。

综上所述，大部分学者报道了单种粒子与单种或两种基液混合的纳米流体成果，但是两种粒子与两种基液混合的研究仍然很少。因此，旨在研究两种粒子等比例混合，探究温度、质量分数和两种不同基液比例（水：乙二醇）对CuO-ZnO混合纳米流体导热系数的影响。

1 CuO-ZnO混合纳米流体的制备

实验采用纯度为99.99%，平均粒径分别为30 nm和40 nm 的氧化锌与氧化铜纳米粒子，其微观结构如图1所示，均近似球状颗粒。基液选用纯度为99%的乙二醇与去离子水。采用“两步法”制备质量分数为1.0%、2.0%、3.0%、5.0%的CuO-ZnO混合纳米流体。将2种纳米颗粒等比例混合到不同比例的乙二醇与去离子水（φv为20：80，40：60，50：50，60：40 和80：20）中，磁力搅拌15 min 后放入超声振荡器中振荡2h 得到混合纳米流体，制备流程图如图2所示。为了避免对黏度的影响，制备过程中不添加任何表面活性剂。

图1 纳米颗粒透射电镜图

图2 CuO-ZnO混合纳米流体制备流程图

2 实验结果与分析

2.1 温度与质量分数对混合纳米流体导热系数的影响

图3 为基液比例为EG：DW=20：80 的CuO-ZnO 混合纳米流体导热系数随温度和质量分数的变化情况。可以看到，导热系数均随温度和质量分数的增加而增加。当温度为20 ℃时，质量分数为1.0%的CuOZnO 纳米流体，其导热系数比基液（20：80EG/DW）增大了12.1%。质量分数为5.0%的CuO-ZnO 纳米流体，当温度从25 ℃增加到60 ℃时，相应的导热系数增幅为10.4%，当温度达到60 ℃时，导热系数比基液增大26.1%。图4 为基液比例为40：60 的混合纳米流体导热系数随温度和质量分数的变化情况。图4 可以看出，导热系数随着温度和质量分数的趋势与图3 相似。质量分数为5.0%的纳米流体，当温度从25 ℃增加到60 ℃时，相应的导热系从15.6%增加到22.9%。

图3 φv=20：80 基液比例下温度对导热系数的影响

图4 φv=40：60基液比例下温度对导热系数的影响

图5 为基液比例为50：50 的CuO-ZnO 纳米流体导热系数随温度的变化情况。在温度为25 ℃时，质量分数为1.0%的混合纳米流体导热系数增幅为10%。质量分数为5.0%的CuO-ZnO混合纳米流体，当温度从25 ℃增加到60 ℃时，相应的导热系数相应的导热系从14.9%增加到19.3%。图6 为基液比例为60：40 的CuOZnO 混合纳米流体导热系数随温度的变化情况。在温度为25 ℃时，质量分数为1.0%的纳米流体导热系数增幅为9.6%。质量分数为5.0%的混合纳米流体，当温度从25 ℃增加到60 ℃时，相应的导热系数增幅为5.8%，当温度达到60 ℃时，导热系数比基液增大16.3%。

图7 为基液比例为80：20 的CuO-ZnO 混合纳米流体导热系数随温度的变化情况。在温度为25 ℃时，质量分数为1.0%的混合纳米流体导热系数增幅为7%。质量分数为5.0%的CuO-ZnO混合纳米流体，当温度从25 ℃增加到60 ℃时，相应的导热系数增幅为4%，当温度达到60 ℃时，导热系数比基液增大14%。

图5 φv=50：50基液比例下温度对导热系数的影响

图6 φv=60：40基液比例下温度对导热系数的影响

图7 φv=80：20基液比例下温度对导热系数的影响

从图3～图7可以看出，基液比例为20：80的混合纳米流体导热系数增幅最大，导热系数随温度和质量分数的变化趋势都相同。这与Sundar 等[13]观察得到的结果一致。这是因为在常温条件下，纳米粒子热运动缓慢，因此导热系数增幅小。当温度开始升高，纳米颗粒的布朗运动加剧，粒子的无序运动加强，增加了粒子间的接触，增大了热量的传递。更为重要的时，由于混合纳米流体体系温度的升高，悬浮的纳米颗粒受到周围液体分子的轰击作用加强，纳米颗粒微运动的强度加剧，能量传递的频率与强度加大，因而宏观上表现为混合纳米流体的导热性能提高。混合纳米流体质量分数越高，单位体积内流体内含有的粒子越多，比表面积大，能够用来传递热量的换热面积越大，粒子间碰撞几率增大，表现为混合纳米流体导热系数变大。

2.2 基液比例对混合纳米流体导热系数的影响

图8 是不同基液比例对导热系数的影响。导热系数随着乙二醇比例的增加而降低。导热系数的增加不仅与温度与质量分数有关，而且基液比例对导热系数也有影响。基液比例为20：80的混合纳米流体导热系数明显高于其他基液比例的流体。这是因为当去离子水的比例比较高时，混合基液中去离子水起主要作用，添加乙二醇会降低混合基液的导热系数。乙二醇比去离子水的导热系数低，高比例的乙二醇会抑制混合纳米流体的导热系数。如图8所示，基液比例对导热系数的影响明显大于温度对导热系数的影响。