纳米流体强化换热

王双飞

摘要：本文通过测量强制对流状态下TiO2及MgO纳米流体层流、湍流中的对流换热系数，证明纳米颗粒的加入，起到了强化换热的作用。纳米粒子份额影响着纳米流体的传热。纳米流体对流换热效果还和纳米流体分散程度，稳定性有密切关系。本文旨在进一步为纳米流体强化传热的研究提供实验依据和理论依据。

关键词：纳米流体;强化换热;对流换热;换热系数

本文对圆管内纳米流体的对流换热进行研究，主要工作如下：

采用直接混合并加入少量分散剂和超声震荡的方法，制备了不同浓度的纳米颗粒悬浮液。

独自设计并建立一套纳米流体对流传热测试装置及数据采集系统。首先对系统的精密性进行了测试以满足实验要求，其次对去离子水（或其他基液）以及不同种类的纳米颗粒悬浮液同样的操作条件下和同种纳米流体在不同条件下（不同浓度、不同流速等）的对流传热特性进行测量、计算和结果分析。

通过两步法配制了质量分数为2.0%的二氧化钛-蒸馏水，1.5%的氧化镁-蒸馏水纳米流体;采用粒径分步法对配制的纳米流体进行稳定性分析，分析结果表明所配制的纳米流体分散性较好，分散体系中团聚体不多，可以进行实验研究。

温度25℃情况下，不同配比份额的TiO2与MgO纳米流体的导热系数，见表1、表2。

本文选用宣益民教授所运用的导热系数模型，纳米流体中，考虑粒子运动强化传热即动态导热部分时，只需分析粒子布朗运动的传热效果。针对不同种类不同份额的纳米流体，给出了导热系数计算结果表，可以看出，纳米流体相对基液而言，其导热系数增加，说明导热性能有所提高，在一定的范围内，随着纳米颗粒份额的不断增加，其导热系数基本呈线性增加，由于氧化镁的热导率强于二氧化钛，所以相同质量分数的两种流体，氧化镁-蒸馏水纳米流体导热系数增加强度大于二氧化钛-蒸馏水纳米流体。

本文的纳米流体对流换热测试系统主要是根据稳态测试方法设计的。根据经典对流换热公式——牛顿冷却公式，即q=h（Tw-Tf）。

本文采用电阻丝加热流体的方法，加热功率通过电流和电压来控制，通过电加热器、恒温水浴等保证加热前的流体温度不变。当冷流体经过热壁面时，在流体和壁面间有热量传递。整个系统处在一个热平衡状态并且稳定，且热流量一定时，当纳米流体的对流换热系数越大时，冷流体经过热壁面后升高的温度就越高。

纳米流体对流换热实验装置是一个流动循环系统，其中储液槽是一个容积15L 的水箱，内部焊有W型加热管，外接智能PID温控仪，用来储存纳米流体并调节实验中纳米流体的温度。传热性能实验段是整个实验的核心部分，其主体是一根细长的圆铜管，管外绕电阻丝，通过调压器改变加热功率，给纳米流体加热。

实验大概流程为：纳米流体经恒温水浴调节到一定温度后，通过循环压力泵加压推动进入实验循环系统，当纳米流体流经传热实验测试段时，通过调节调压器，改变加热丝加热功率，实现对纳米流体的加热，纳米流体流出测试段后出口温度上升。升温后的纳米流体沿管路流经冷却装置，流体温度下降，之后经过水箱，由于冷却后纳米流体温度稍低，水箱中设置液体加热器，用于加热纳米流体，最后再流入到恒温水浴设备中进行温度稳定。

本实验分别测量了纳米粒子质量分数分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的TiO2-蒸馏水纳米流体在温度25℃左右时，雷诺数300～8000范围内的关内对流换热系数。

层流区域内，四种不同纳米颗粒质量分数的纳米流体的Nu都是随着Re的不断增大而增大，而且在相同雷诺数下要比基液的Nu大。随着纳米颗粒质量分数的不断增加，Nu的提高并不是呈线性。质量分数由0.5%到1.0%，Nu相对基液平均提高程度由21%到29.7%;质量分数由1.0%到2.0%，Nu平均提高程度反而降低了，由29.7%到15.8%;当质量分数为1.0%时，相同雷诺数下纳米流体的Nu提高的程度最大，层流阶段换热效果是最好的。在湍流区域内，随着纳米颗粒质量分数的不断增加，质量分数由0.5%到1.0%，Nu相对基液平均提高程度由30%到37%;质量分数由1.5%到2.0%，Nu平均提高程度40.3%到39.5%;当质量分数为1.5%时，相同雷诺数下纳米流体的Nu提高的程度最大，换热效果最好。

由于本实验纳米流体用量较大，相应的加入的纳米粉体非常多，不易分散，随着纳米颗粒质量分数的增加，纳米流体形成沉降的机会越大，尤其在层流阶段，较低质量分数的情况下就增加了流体与铜管的换热热阻，导致换热效果有所下降，而在湍流区域内效果相应好些，因为扰动比较大，形成沉淀的机会较小，但是质量分数增加到一定程度时，其换热效果反而下降。流体的对流换热系数随湍流流动强度的增加呈加速增加趋势，纳米粒子的剧烈无规则运动是对流换热系数加速增加的主要原因，同时纳米粒子份额也是影响纳米流体强化传热的原因之一。

另外，本实验分别测量了纳米粒子质量分数分别为0.4%，0.6%，1.1%的氧化镁-蒸馏水纳米流体在温度25℃左右时，雷诺数3000～8000范围内的关内对流换热系数。

两种纳米流体相对基液而言，其对流换热系数h以及Nu都提高很多，但是两种流体的强化换热效果并不相同，氧化镁的导热系数高于二氧化钛，其纳米流体对流换热强化效果经过实验发现，却小于TiO2-DW纳米流体，说明纳米流体对流换热效果不完全取决于纳米颗粒的导热系数，和纳米流体分散程度，稳定性，以及配比份额都有密切关系，两种纳米流体在几近相同配比份额情况下，其Nu和h的对比情况下，其中TiO2-DW含纳米颗粒质量分数为1.0%，而MgO-DW為1.1%。

含纳米颗粒质量分数1.0%的TiO2水基纳米流体的努塞尔数Nu和对流换热系数h都要高于1.1%的MgO-DW。氧化镁的导热系数高于二氧化钛，但是其纳米流体的导热系数，在Re为3000～8000范围内，发生了变化。究其原因，湍流中，流体边界层被破坏，传热热阻被减小，但TiO2纳米颗粒与MgO纳米颗粒相比，其颗粒之间的分散程度要更合理，颗粒与颗粒，颗粒与流道的相互作用及碰撞更加强烈，由此作用引起的纳米流体扰动更加强烈，因此，TiO2纳米流体的对流换热情况要优于MgO纳米流体。同时，纳米颗粒的悬浮相对稳定，沉降发生受到抑制，也会使得传热系数有所提升，从而使得强化传热更明显。

本文通过对TiO2纳米流体以及MgO纳米流体的对流强化换热实验，得出以下结论：

1.纳米流体塞尔数Nu和对流换热系数h都比相同雷诺数Re条件下的基液的努塞尔数Nu和对流换热系数h要大，随着Re的不断增大，其效果越明显，提高的幅度越大。说明纳米颗粒的加入，改变了流体内部传热过程，起到了强化传热的作用。

2.对流换热系数提高的幅度要大于其导热系数提高的程度，纳米粒子份额也是影响纳米流体强化传热的原因之一。随着纳米颗粒质量分数的不断增加，Nu的提高并不是呈线性。因此，并不是说纳米颗粒的质量分数越大，换热效果就越好。例如：纳米颗粒质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的TiO2纳米流体的Nu相对基液而言提高的平均值分别为30%、37%、40.3%、39.5%。当质量分数为1.5%时，相同雷诺数下纳米流体的Nu提高的程度最大，换热效果最好。纳米颗粒质量分数为0.4%、0.6%、1.1%的MgO纳米流体的Nu相对基液而言提高的平均值分别为6.57%、8.96%、10.83%。当质量分数为1.1%时，相同雷诺数下纳米流体的Nu提高的程度最大，换热效果最好。

纳米流体对流换热效果不完全取决于纳米颗粒的导热系数，和纳米流体分散程度，稳定性也有密切关系。不同的纳米颗粒配制的纳米流体，由于其再流体中的分散程度及稳定性不同，即使纳米颗粒本身的导热系数高，也会出现由其配制的纳米流体的换热系数低的现象。例如，氧化镁的导热系数高于二氧化钛，但含纳米颗粒质量分数1.0%的TiO2水基纳米流体的努塞尔数Nu和对流换热系数h都要高于1.1%的MgO-DW，换热效果也强于后者。

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