納米流體換熱特性實驗研究

李九如　楊獻(xiàn)亮　陳巨輝

摘 要：為了研究納米流體的換熱特性，依據(jù)納米流體換熱理論，研制了納米流體換熱特性實驗臺，介紹了該實驗臺的設(shè)計方案和主要構(gòu)成。對實驗臺的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實驗驗證，并進(jìn)行了納米流體的換熱特性測定的實驗。繪制了實驗結(jié)果的圖表，進(jìn)行了相關(guān)的分析，得出相應(yīng)結(jié)論與理論實際相符合，證明了實驗結(jié)果的正確性，可為納米流體換熱特性的研究提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：實驗臺；納米流體；換熱特性

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.009

中圖分類號： TK124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0051-04

Abstract：In order to study the heat transfer characteristics of nanofluids， an experimental platform is built based on the theory of nanafluids heat exchange. This paper is an attempt to introduce a design plan and major structure of the experimental platform. The accuracy of the experimental platform has been proved and some experiments related to heat transfer characteristics of nanofluids were carried out. The charts of the experimental results are drawn， and relevant analysis is made to draw the corresponding conclusions. The conclusions are in good agreement with the theoretical results and prove the correctness of the experimental results， which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluids.

Keywords：experiment platform；nanofluids；heat transfer characteristics

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，隨著納米科學(xué)和技術(shù)的大力發(fā)展，納米材料的變革為高效強(qiáng)化傳熱帶來了新的機(jī)遇，使得液-固兩相強(qiáng)化傳熱再次成為工程熱物理領(lǐng)域的發(fā)展方向[1-2]。納米流體作為一種新型的換熱工質(zhì)，目前被越來越多的應(yīng)用到強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域[3]。近些年的實驗研究表明在其他條件相同的前提下，液體中納米粒子的添加明顯的增強(qiáng)了能量的擴(kuò)散過程，進(jìn)一步證明了納米流體作為強(qiáng)化傳熱工質(zhì)是可行的[4-5]。納米流體作為一種新興的換熱工質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)非常高，在換熱領(lǐng)域具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿6-8]。

為了研究納米流體的換熱特性，自行設(shè)計并搭建了納米流體換熱特性實驗臺[9-10]。并分別介紹了實驗臺原理、實驗臺系統(tǒng)的組成與實驗步驟。同時還對實驗臺進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗證，并對四種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進(jìn)行了換熱特性測定的相關(guān)實驗，將得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖并分析得出結(jié)論[11-12]。

1 實驗臺的設(shè)計與搭建

1.1 實驗臺原理

本實驗臺參考其它簡易納米流體實驗臺，結(jié)合實際情況進(jìn)行設(shè)計、修改和完善，來達(dá)到預(yù)期設(shè)計目的，并自主進(jìn)行搭建。實驗臺原理如圖1所示。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

實驗臺搭建所需的設(shè)備如表1所示。

1.3 實驗臺組成及優(yōu)點

整個實驗臺主要由3部分構(gòu)成。首先將制備好的成品納米流體溶液儲存在儲液罐中，并與截止閥，泵和熱電偶相連構(gòu)成第1部分。第2部分為實驗段，這一部分作用是測量納米流體的換熱系數(shù)，也是本實驗裝置中最為重要的環(huán)節(jié)。實驗段為長度1500mm，外徑15mm，內(nèi)徑10mm的紫銅管，紫銅管外部為直徑50mm的套管，并在兩管之間充滿乙二醇液體，套管被絕熱材料包裹且兩端由法蘭盤固定（中間有石棉網(wǎng)）。電源與加熱裝置相連用來加熱實驗段，并且在實驗段添加了一個旁路。在實驗段還裝有2個精度為1℃和1個精度為0.1℃的熱電傳感器分別用來測量管壁和流體的溫度，在實驗段的上方還裝有數(shù)字微壓計以便測量進(jìn)出口的壓差。在第1部分和第2部分之間，我們裝有調(diào)節(jié)閥和流量計來控制和觀察流體的流速。第3部分則是由熱交換器和冷卻箱構(gòu)成，主要是用來冷卻被加熱的納米流體來使其溫度恢復(fù)到常溫。

本實驗臺與傳統(tǒng)實驗臺相比的優(yōu)點如下：

1）在第1部分與第2部分之間添加了流量計，可以直接觀測出流量的大小。

2）在實驗段的兩端安裝了數(shù)字微壓計來測量進(jìn)出口壓差。

3）加熱部分由傳統(tǒng)實驗裝置的電阻絲改為套管，使得加熱部分的受熱更加均勻，也更加貼近于實際工況。

4）閥門1以及閥門2的存在可以更加方便的測量管壁的溫度變化情況。

5）旁路的添加有助于實驗后的液體排放及回收。

1.4 實驗步驟

1）用兩步法制備所需濃度的納米流體，分散劑采用十二烷基本磺酸鈉（SDBS）。

2）在冷卻箱中加滿淡水。

3）在中間層液體儲存槽中加入水直至溢口。

4）加熱中間管層液體至80℃。

5）打開納米流體循環(huán)水泵與中間層加熱液體水泵。

6）待實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，觀察并記錄數(shù)據(jù)。

2 實驗臺準(zhǔn)確性驗證

為確保實驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，先對純水的努塞爾數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的測量。并將得到的實驗數(shù)據(jù)與SeiderTate公式比較并進(jìn)行校核。

通過將實驗數(shù)據(jù)與公式中的曲線進(jìn)行比較，可知二者偏差在±3%以內(nèi)，實驗臺精度較高，實驗數(shù)據(jù)可靠。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本文用兩步法制備了4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體用于實驗。得到不同雷諾數(shù)下的換熱系數(shù)曲線關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，在雷諾數(shù)相同的情況下，當(dāng)納米流體濃度較低時，其換熱系數(shù)較基液相比并沒有顯著提升。但隨著雷諾數(shù)的增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的納米流體的換熱系數(shù)增加的幅度也較大。實驗段納米流體的進(jìn)出口壓差如圖5所示。

在常溫下，隨著納米流體濃度的增大，壓差也隨之增大。1.5%、0.80%、0.50%、0.25%濃度的納米流體壓降與基液相比，壓差分別增加了大概21.5%、18.3%、8.23%以及3.04%，而傳熱系數(shù)則分別增大了31.67%、27.60%、23.18%和4.56%。由于納米流體濃度的增大導(dǎo)致壓差的增大，代表沿程阻力也進(jìn)一步增大，而濃度過低的納米流體又無法達(dá)到理想的換熱效果。綜上所述，可知在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時的綜合效果最佳。

根據(jù)不同雷諾數(shù)和濃度的納米流體與管壁溫度關(guān)系可得圖6。

雖然在納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低時，對管壁的溫度影響不明顯。但是當(dāng)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，對管壁溫度的影響還是十分顯著的。

進(jìn)一步研究納米流體的換熱特性（Re=2000），得出了實驗段管內(nèi)不同位置處的換熱系數(shù)。結(jié)果如圖7所示。

由上圖可知，當(dāng)Re=2000時，隨著位置的深入納米流體的換熱系數(shù)逐漸減小。并且由于布朗運動的作用，納米流體在實驗段入口處的換熱系數(shù)要比其他區(qū)域大很多。

同時還制作了實驗段位置與努塞爾數(shù)的曲線關(guān)系圖，如圖8所示。

由圖8可見，常溫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的納米流體對換熱系數(shù)的影響并不明顯，但隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大努塞爾數(shù)也逐漸增大。

4 結(jié) 論

本文針對如何研究納米流體的換熱特性，自主搭建了納米流體換熱特性實驗臺，介紹了實驗臺的設(shè)計組成及優(yōu)點。 通過對純水的努塞爾數(shù)的實驗測定并與經(jīng)驗公式相比較，實驗臺誤差小于±3%，完全符合研究納米流體換熱特性的要求。對4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進(jìn)行了換熱特性測定實驗，綜合分析并得出了以下結(jié)論。

1）在基液中添加CuO納米顆粒可使流體的換熱效果得到顯著提升，而且隨著雷諾數(shù)的增大，納米流體的換熱系數(shù)也隨之增大；

2）CuO-乙二醇納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大使得管壁溫度降低幅度愈發(fā)明顯，同時換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也有明顯增加；

3）相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體，壓降隨著雷諾數(shù)的增大而增大。

上述結(jié)論與理論分析相符，具有十分重要的現(xiàn)實意義，并可為納米流體換熱特性的研究提供重要的依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）