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SiO2-乙醇纳米流体重力热管传热性能的试验研究

范文

杨文斌杨峻

摘 ? ? ?要：在Maxwell所提出的关于悬浮液导热系数的模型的基础上考虑了布朗运动、纳米颗粒之间的团聚和固液界面液膜层内液体分子规则排列对纳米流体导热系数的影响，研究了SiO2-乙醇纳米流体的热传导性能，推导出了纳米流体导热公式，在不同质量分数、不同充液率以及不同粒径下对单管传热进行试验研究。结果表明：改进后的模型导热系数比原模型更大;相同粒径和充液率的纳米流体，质量分数在1.5%时传热效果最好;相同粒径和浓度的纳米流体，充液率32%时传热效果最好;相同浓度和充液率的纳米流体，15～20 nm的SiO2纳米流体传热效果更高。纳米流体的传热系数随着纳米颗粒平均粒径的减小而增大，这与推导的模型结果相符合。

关 ?键 ?词：纳米粒子;纳米流体;传热系数;重力热管;传热

中图分类号：TK124 ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ?文章编号： 1671-0460（2019）12-2962-05

Abstract： Based on Maxwell's model of thermal conductivity of suspension， considering the effect of Brownian motion， agglomeration of nanoparticles and regular arrangement of liquid molecules in liquid film at solid-liquid interface on thermal conductivity of nanofluids，the thermal conductivity of SiO2-ethanol nanofluids was studied， and the thermal conductivity formula of nanofluids was deduced. The heat transfer of single tube was experimentally studied under different mass fraction， filling rate and particle size. The results showed that，the thermal conductivity of improved model was larger than that of the original model; When the mass fraction of nanofluids with the same particle size and filling rate was 1.5%， the heat transfer effect was the best; The heat transfer efficiency of nanofluids with the same particle size and concentration was the best when the filling rate was 32%; For nanofluids with the same concentration and filling rate， the heat transfer efficiency of SiO2 nanofluids with 15～20 nm was higher. The heat transfer coefficient of nanofluids increased with the decrease of the average particle size， which was consistent with the derived model.

Key words： Nanoparticles;Nanofluids;Gravity heat pipes;Heat transfer coefficient;Heat transfer

重力熱管因其结构简单、成本低廉、制造方便以及传热性能较好、工作稳定性高的优势，在余热回收[1-3]、空调制冷[4-5]和电子设备散热[6]等传热装置中得到了广泛的应用。随着科学技术的快速发展和全球能源危机等问题的出现，传统重力热管的传热性能需要进一步提高。纳米流体作为一种传热效率较高的介质而得到了逐步应用，1995年，美国阿贡国家实验室的Choi等[7]首次提出了纳米流体这个概念：即将平均粒径小于100 nm 的固体颗粒物（金属或非金属）均匀分散到液体中（如水、乙醇）所形成的稳定的悬浮液。郭广亮等[8]用2%的纳米流体替换了传统热管中的水之后，蒸发段的传热性能有了很大程度的提升，同时临界热通量也增加了很大幅度。宫玉英等[9]将重力热管中加入SiO2-水纳米流体之后，热管的传热性能比传统的水重力热管提高

了1.35～1.7倍。Noie等[10]将体积浓度为1%～3%的Al2O3-水纳米流体加入到重力热管中研究其传热性能，其结果表明添加了Al2O3纳米颗粒的重力热管的传热效率比没加纳米颗粒的重力热管提高了14.7%，并且整个热管的温度分布也更加均匀。

本文考虑了纳米颗粒的布朗运动、固液界面液膜层和颗粒间的团聚对纳米流体导热系数的影响，从微观角度对纳米流体传热系数进行了简单的推导。同时以SiO2-乙醇纳米流体为工质，研究不同粒径、不同质量浓度以及不同充液率的SiO2-乙醇纳米流体对重力热管传热性能的影响，并且与乙醇重力热管的传热性能进行比较。

1 ?纳米流体导热研究

1.1 ?纳米流体导热系数的理论分析

纳米流体不只是基液与纳米颗粒间的液固混合，即使不考虑分散剂和表面改性剂对纳米流体导热系数的影响，也不能忽略布朗运动、固液界面液膜层和颗粒间的团聚对纳米流体导热系数的影响。

1.2 ?导热系数

1.3 ?分析讨论

影响纳米流体导热系数的因数较多，研究计算方法也比较多，本研究在室温T=300 K情况下进行讨论，根据文献[13]，取k1=5.15 W·m-2·K-1，k0=0.24 W·m-2·K-1，然后根据数据作出了不同粒径和不同体积分数下有效导热系数和基液导热系数比值的曲线图，并和原Maxwell模型进行对比（图3）。

由图3可知，改进后的模型导热系数更大，有效导热系数与体积分数几乎呈线性关系，SiO2纳米颗粒粒径越小，有效导热系数越大，从图3中可看出，有效导热系数比Maxwell模型增加了2.9%～23.8%。

2 ?重力热管传热试验

将SiO2-乙醇纳米流体应用于重力热管进行试验，分别在一定的充液量和粒径的情况下研究不同质量浓度的SiO2-乙醇纳米流体重力热管传热性能，并与普通的乙醇重力热管经行对比，得出最佳的浓度配比。

2.1 ?实验装置和方法

实验装置如图4所示，测试重力热管传热性能实验的主体部分是一根长1 250 mm、壁厚为2.5 mm，外径为25 mm的重力热管。其外壳材料为20号碳钢，自上而下分别为冷凝段、绝热段以及蒸发段，其长度分别为600、150、500 mm。将7对热电偶布置在重力热管的壁面上用于测量热管的外壁温，其中，绝热段和冷凝段各布置2对，蒸发段3对，如图5为所示。在热管的冷凝段外部连接有有一个内径为40 mm，长度为500 mm，的夹套，在里面通入循环冷却水用于热管传热，冷却水的流量通过转子流量计来测量。

试验使用了两种粒径的SiO2-乙醇纳米流体重力热管，纳米颗粒的粒径分别为15～20 nm和50 nm，每种粒径分别配制成0.5%、1%、1.5%、2%的以乙醇为基液的纳米流体，并且与乙醇重力热管的传热性能进行对比试验。在配制纳米流体时，将纳米颗粒加入一定量的乙醇中，然后通过超声振动3 h后，获得较稳定的纳米流体悬浮液。超声振动后以24%、32%、40%的充液率将纳米流体加入到重力热管中，密封热管后加热热管，一定时间后打开热管上的开关阀将热管内排成真空从而制成纳米流体重力热管。重力热管的蒸发段用电加热炉进行加热，温度设定为120 ℃，冷凝段用常温下的自来水冷却，冷却水流量设定为1.67×10-6 m3/s。热管冷凝段和绝热段用保温棉进行严密包裹以尽量减少热量散失。待系统稳定后分别记录进出水的温度和热管管壁热电偶的读数。

2.2 ?实验结果分析

经过试验发现，在基液中加入纳米颗粒后的热管，除了充液率和加热的热流密度会影响换热系数的大小之外，纳米颗粒体积浓度的高低也会影响到传热系数的大小。根据实验结果作出不同粒径、不同质量分数以及不同充液率下重力热管的传热系数曲线。

2.2.1 充液率的影响

图6中（a）和（b）分别为同一种粒径和浓度下乙醇重力热管和SiO2-乙醇纳米流体重力热管的传热系数随着工质充液率的变化而变化的走势图。由图中可以看出，两种重力热管的传热系数均随着工质充液率的增加先增加后减小，充液率为32%时热管传热系数达到最大。

2.2.2 ?浓度的影响

图7中质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇纳米流体重力热管的传热系数比乙醇重力热管的传热系数分别提高了6.25%～20.5%、23.4%～38%、42.1%～55%、31.2%～48.3%。

2.2.3 ?粒径的影响

在相同浓度和充液率下，两种粒径的SiO2-纳米流体重力热管的传热系数变化情况如图8所示，从图中可看出，15～20 nm的纳米流体重力热管的传热系数比50 nm的纳米流体重力热管更高。

本试验对一定浓度范围内的纳米流体强化重力热管传热性能进行了试验研究分析，当加热蒸发段时，热管工质处于核沸腾状态，SiO2粒子吸附在热管壁上。当液体均质成核的临界半径小于纳米颗粒的粒径时[20]，纳米颗粒的加入就能加速流体内的气泡成核，使其汽化，并且所产生的气泡密度比乙醇大，由于布朗运动的作用是的旗袍会迅速被带出，从而降低了液膜热阻进而起到强化传热的作用。当浓度不断增加超过一定范围时，由于纳米颗粒的团聚和工质黏度的增加等原因导致布朗运动的作用减弱，流动阻力增大，因此也增加了蒸发段的热阻，致使传热系数降低。

3 ?结论

（1）在考虑了布朗运动、纳米颗粒间的团聚以及固液界面液膜层内液体分子规则排列的情况下，改进后的模型增加了SiO2-乙醇纳米流体的导热系数;一定体积分数下，SiO2纳米颗粒的粒径越小，有效导热系数越大。

（2）相同粒径和浓度下，充液率为24%时热管传输功率最大，充液率为32%时热管传热系数最大;在相同粒径和充液率下，质量分数0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-乙醇纳米流体相对乙醇重力热管强化了传热;在相同浓度和充液率下，颗粒粒径15～20 nm的纳米流体传热性能比50 nm更好。

（3）在相同粒徑和充液率下，质量分数1.5%时传热性能最好，和普通乙醇重力热管相比，传输功率增加了26.5%～36.7%，传热系数增加了42.1%～55%。

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