（化学工程专业论文）纳米颗粒悬浮液强化对流传热的研究.pdf

中文摘要 为了适应工业过程强化和发展高效传热设备的需要，近几十年来研究者提 出了多种强化传热技术。随着纳米技术的飞速发展，一些学者开始尝试将纳米 颗粒与流体混合，制成纳米颗粒悬浮液，强化对流传热，给强化传热技术带来 了蓬勃生机。本文的研究主要是围绕纳米流体对流传热方面展开，以期为纳米 流体对流传热的深层次研究奠定基础。 将纳米颗粒和液体介质直接混合，并添加分散剂和超声振动悬浮液，制备 了稳定的氧化铜纳米颗粒悬浮液。采用沉降实验、z e t a 电位测量、粒度分布测定 及红外光谱等手段对悬浮液的稳定性进行了分析。分析了分散剂的种类、加入 量及介质的p h 等因素对纳米颗粒悬浮液稳定性的影响。 自行设计并建立了一套纳米流体传热性能测试实验装置，测量了不同粒子 体积分数的水c u o 纳米流体在不同流速下的管内对流传热系数并与水和分散剂 溶液进行了对比。实验结果表明，在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对 流传热系数，粒子的体积分数是影响纳米流体对流传热系数的主要因素之一， 在相同雷诺准数下，纳米流体的对流传热系数随粒子体积分数的增加而增大。 根据纳米颗粒强化流体对流传热的机理，应用有效连续介质理论，假设流 体和颗粒相具有相等的运动速度，仅考虑颗粒质量通量的变化，建立了纳米流 体对流传热微分方程组颗粒迁移模型。颗粒迁移通量包括由剪切速率梯度 和黏度梯度诱导、颗粒布朗运动及热泳引起的颗粒迁移通量。通过对模型进行 参数分析发现：颗粒尺寸、砖k ，及颗粒平均浓度的大小影响颗粒在管道截面 上的分布以及导热系数和黏度等物性的分布。随着颗粒的迁移，流体的速度分 布变得更加平坦，影响了壁面附近的温度梯度，强化了传热。模拟结果与实验 数据比较表明：模拟结果能够正确反映实验数据的变化趋势，且高于导热系数 均匀分布时的模拟值。考虑热泳引起的颗粒迁移后，模拟结果改善了。颗粒迁 移模型正确考虑了影响纳米流体对流传热的主要因素，具有一定的合理性。 关键词：纳米颗粒悬浮液，稳定性，对流传热，强化，颗粒迁移模型 a b s t r a c t r e s p o n d i n gt ot h en e e df o ri n d u s t r yp r o c e s si n t e n s i f i c a t i o na n dm o r ee f f i c i e n t h e a tt r a n s f e rs y s t e m s ，m a n ye f f o r t sh a v eb e e nd e v o t e dt oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t e c h n i q u e si nt h ep a s tf e wd e c a d e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g y ， s o m es c h o l a r sa t t e m p t e dt oe n f o r c eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sw i t hn a n o p a r t i c l e s ，w h i c h i n t r o d u c e dan e wm e t h o di n t oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri s t od e m o n s t r a t e e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fn a n o f l u i d s ，s oa st ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef a r t h e ri n v e s t i g a t i o no n h e a tt r a n s f e ro fn a n o f l u i d s c u o n a n o p a r t i c l es u s p e n s i o nh a sb e e np r e p a r e db yd i r e c t l ym i x i n gn a n o p a r t i c l e s a n db a s ef l u i d s s o m ea u x i l i a r yd i s p e r s a n t sa n du l t r a s o n i co s c i l l a t i o nw e r en e c e s s a r yt o o b t a i ne v e nd i s t r i b u t e da n ds t a b i l i z e ds u s p e n s i o n s s e d i m e n t a t i o ne x p e r i m e n t ，z e t a p o t e n t i a l ，g r a n u l a r i t yt e s ta n d i n f r a r e ds p e c t r u mw e r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h es t a b i l i t yo f s u s p e n s i o n s s o m ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a b i l i t ya n de v e n n e s so fs u s p e n s i o n ，s u c ha s t h ep r o p e r t ya n dc o n c e n t r a t i o no fd i s p e r s a n t s ，p ho fb a s ef l u i d w e r ed i s c u s s e d a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sd e s i g n e da n db u i l tu pt oi n v e s t i g a t ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc u on a n o f l u i d sf l o w i n gi nat u b e t h ee f f e c t so fs u c hf a c t o r s a st h ev o l u m ef r a c t i o no fs u s p e n d e dn a n o p a r t i c l e sa n dt h er e y n o l d sn u m b e ro nh e a t t r a n s f e rw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fw a t e r a n dd i s p e r s a n ts o l u t i o nw e r ea l s ot e s t e dt oc o m p a r ew i t hn a n o f l u i d s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tn a n o p a r t i c l e sr e m a r k a b l yi n c r e a s et h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fb a s ef l u i d t h eh e a tt r a n s f e rf e a t u r eo fn a n o f l u i d si n c r e a s e sw i t ht h e v o l u m ef r a c t i o no f n a n o p a r t i c l e s b yc o n s i d e r i n gf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fn a n o f l u i d s ，a c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rm o d e lf o rn a n o f l u i d su n d e r1 a m i n a rf l o ww a se s t a b l i s h e d i ti s a c c o r d i n gt oe f f e c t i v ec o n t i n u u mt h e o r y , w h i c hs u p p o s e sac o m m o nv e l o c i t yf o rt w o p h a s e sa n dm e r e l yc o n s i d e r st h em a s sf l u xo fp a r t i c l e sm i g r a t i o n t h et a t a lf l u xo f p a r t i c l em i g r a t i o n t a k e si n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fs h e a r - i n d u c e da n d i i v i s c o s i t y g r a d i e n t - i n d u c e d , b r o w n i a nm o t i o n ，a sw e l l a st h e r m o p h o r e s i s i n d u c e d p a r t i c l em i g r a t i o n w i t ht h em o d e lt h ee f f e c t so fp a r t i c l es i z e ，k pa n dm e a n c o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l eo nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d t h em i g r a t i o no f p a r t i c l e sl e a d st on o n - u n i f o r mv i s c o s i t ya n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yd i s t r i b u t i o no f s u s p e n s i o n i n c r e a s e si nb l u n t i n go fv e l o c i t yp r o f i l ei n f l u e n c e st h ef l u i dt e m p e r a t u r e g r a d sc l o s et ot h ew a l la n dt h u si n t e n s i f i e sh e a tt r a n s f e ro fn a n o f l u i d s c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dc a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e m o d e ld e s c r i b e sc o r r e c t l yt h et r e n do fe x p e r i m e n t a lv a l u ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r e h i g h e rt h a nt h o s eo fe v e nt h e r m a lc o n d u c t i v i t yd i s t r i b u t i o n t h ec a p a b i l i t yo fm o d e li s i m p r o v e da f t e rc o n s i d e r i n gt h em i g r a t i o no ft h e r m o p h o r e s i s t h ep a r t i c l em i g r a t i o n m o d e li sr e a s o n a b l ef o re n e r g yt r a n s p o r to fn a n o p a r t i c l es u s p e n s i o n k e y w o r d s ：n a n o p a r t i c l es u s p e n s i o n ，s t a b i l i t y ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r , e n h a n c e m e n t ， p a r t i c l em i g r a t i o nm o d e l 天津大学博士学位论文 符号说明 颗粒直径，1 1 1 布朗扩散系数，m 2 s 热泳扩散系数，m 2 s 由布朗运动引起的纳米颗粒体积通量，m s 由剪切速率引起的纳米颗粒体积通量，m s 纳米颗粒总质量通量，k g m 2 s 纳米颗粒总体积通量，m s 由热泳引起的纳米颗粒体积通量，m s 由黏度梯度引起的纳米颗粒体积通量，m s 导热系数，w ( m ) b o l t z m a n n 常数 比例常数( 见1 = 2 7 ) 分散热导数，w m 比例常数( 见1 - 2 6 ) 加热管的长度，m 努赛尔特准数，掣 庀 彼克列数，坐 口 普兰德数，三兰 庀 加热平均热流密度，w m 2 流体单位时间内所吸收的热量，j s 雷诺准数，d u p 加热管的内径，m 加热管的外径，m 流体的截面平均温度，k 流体进口的温度， 流体出口的温度， 加热管内壁面的温度， 以岛珥以以厶以七疋巧巧三m r 丹 g q 胎 如瓦乙乙 符号说明 乙 晦 w 希腊字母 加热管外壁面的温度， 热泳速度，t w s 颗粒质量分数 热扩散系数，m 2 s 热泳系数 剪切速率，s 以 热量涡流扩散，m 2 s 动量涡流扩散，m 2 s 颗粒涡流扩散，m 2 s 无因次边界层厚度 应力，n m 2 颗粒体积分数 能量耗散速率，j m 3 s 主体相 流体相 混合物 纳米流体 颗粒相 层流边界层内 口y。劈f矽垂 体 6厂m矿p v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文算者签名：；数签字日期：参。7 年f 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：红镪 导师签名： 签字目期：a 。d 7 年月为日 签字日期：柳年月文言日 -上_-jl- 刖吾 热量传递几乎渗透到了工业生产中的各个领域，包括动力、冶金、石油、 化工、材料等传统主体工业以及航空、电子、核能等高技术工业领域。由于工 业生产和科学技术发展的需要，强化传热技术在近几十年获得了广泛重视和长 足发展。强化传热不仅可以提高传热速率，而且可以降低传热设备和热量输送 系统的尺寸和投资，同时可大大降低输运过程中的能耗，对我国的节能和环保 意义重大。 随着科学技术的发展和能源问题的日益突出，热交换系统的传热负荷和传 热强度日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，对热交 换系统的高效、低阻、紧凑性能指标的要求也越来越高，对强化传热技术提出 了新的更高的要求。以往的强化传热技术的研究多从强化传热表面、制造工艺 以及外力辅助等入手，要进一步提高热交换系统的传热性能，此时传热工质的 传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素；另外，由于一些 热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求，传统的纯液体传热工质 ( 如水、油、醇等) 已经很难满足一些特殊条件下的传热和冷却要求，也就是 说，低导热系数的传热工质已经成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。 要进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备，必须从 工质本身入手研制导热系数高、传热性能好的高效新型传热工质。 在流体中添加固体颗粒是提高流体导热系数的经典方法之一f l 】。由于固体颗 粒的导热系数比液体大，提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金 属、非金属或聚合物固体粒子。室温下铜的导热系数是水的7 0 0 倍，是机油的 3 0 0 0 倍，金属氧化物如a 1 2 0 3 的导热系数也比单一液体大许多倍。因此，悬浮 有固体粒子的两相流体的导热系数要比纯液体大许多。因此，固体颗粒的加入， 可以显著提高流体的导热系数从而强化传热。过去，由于技术水平的限制，多 采用毫米和微米尺度的颗粒，此种颗粒悬浮液容易沉淀、堵塞和磨损设备，因 而制约了这项技术的推广使用【2 。3 】。 二十世纪九十年代以来，纳米材料科学的迅速发展使纳米材料在传统领域 的应用成为现实。一些学者开始尝试将纳米颗粒与流体混合，制成纳米颗粒悬 浮液，强化对流传热 4 - s 。与纯流体和大颗粒悬浮液相比，在低导热系数的工质 中加入纳米颗粒材料，可以使流体的导热系数得到大幅度提高；由于纳米颗粒 比表面积大，表面能高，可以使流体的比热容增加；流动过程中颗粒之间以及 颗粒与流道间的碰撞、掺混以及由此引起的扰动，可显著增强对流传热；同时， 由于纳米颗粒粒径小，颗粒的布朗运动更容易使悬浮液保持稳定，在流动状态 下，具有优异的流体跟随特性。这使得固体颗粒的加入不会对流体的泵送性能 产生特别严重的负面影响，同时可以明显地改善流体的动量与热量传输特性。 由此可见，由于纳米悬浮液出色的热力性能，将其用于对流传热，有可能明显 地提高传热效果，以适应现代高新技术中传热部件结构愈来愈紧凑，单位面积 加热、冷却功率愈来愈高的趋势。 。目前，关于纳米颗粒悬浮液强化传热的研究，已有一些理论和实验方面的 报道，但主要是围绕纳米颗粒悬浮液的热物性方面开展的工作，如纳米颗粒悬 浮液的有效导热系数和黏度等。近几年来，有关纳米颗粒悬浮液的对流传热性 能的理论和实验方面的工作，已逐步地开展了起来，但仍处于起步阶段，仍然 存在着许多问题：不同研究者实验结果的不一致性，悬浮液的稳定性能较差以 及缺乏对强化传热机理的理论解释等，因此需要进一步的实验和理论研究工作， 积累详尽的第一手资料。 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 现代纳米技术的飞速发展使得将纳米材料应用于工业实际成为可能。自从 上世纪九十年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域。 1 9 9 5 年，美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 等 6 1 首次在国际上提出了“纳米流体 的概念，即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子， 形成的一类新型传热冷却工质。纳米颗粒由于具有较高的导热系数和良好的流 体跟随性能，将其应用于强化传热，有可能明显地提高传热效果，以适应传热 设备单位面积加热、冷却功率愈来愈高的趋势。将此种新型传热工质应用于传 热研究表明，纳米流体显著提高了传统传热介质的导热系数。但是，作为一种 新型的强化传热工质，要将其成功的应用于工业实际，除了测定其导热系数以 外，研究纳米流体在流动状态以及其它形式下的传热性能，探索其强化传热的 机理和本质也是非常必要的。 1 2 纳米颗粒悬浮液强化传热的实验研究进展 1 2 1 纳米颗粒悬浮液导热系数的测量方法 目前，关于纳米流体导热系数的测量方法基本可分为两类：稳态法和非稳 态法。所谓稳态法，就是待流体温度场稳定后，测定其参数，故测定时间较长； 非稳态法则没有此限制，所以测定时间较短。 ( 1 ) 准稳态法 准稳态法测量原理：初始温度为z 、厚度为z 、水平放置的无限大平板进行 导热。当导热处于准稳态阶段时，测量平板两侧表面温差为丁，表面温度的变 化率为d r d r ，则流体的导热系数为： k = q l 2 a t ( 1 1 ) 导热模型及初始和边界条件为： 第一章文献综述 一o t ：口堡 ( 1 - 一2 )= 口- llj 研i 觑 t = 0 ，t = z 忙吣：0 ，娶：o f ：o 。x ：，塑：旦 a xk 如图1 1 所示，测量系统主要由液体试样及容器、加热系统、测温系统和数 据采集系统等组成。采用薄膜式加热片由顶部进行加热。使用有机玻璃容器和1 0 1 1 1 】m 厚硬铝形成密闭容器。实验前，通过贮液器和连通软管注入液体，同时打开 滞止阀以排出气体；液体注满且无气体时关闭滞止阀。使用硬质聚氨酯泡沫材 料保温，以尽可能实现一维导热。在绝热层和待测液体之间添加隔热层并设置 辅助热电偶，以便对z = 0 处的绝热条件进行修正。温度测量采用自制并经过标 定的直径为0 1l n l n 的铜康铜热电偶 7 1 。 1 滞止阀2 连通软管3 绝热垫层4 硬铝薄片 5 待测溶液6 平面加热片7 、9 渭热测量层 8 ，1 0 绝热层1 1 贮液器 图1 1 准稳态法测试件示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po fq u a s i s t e a d ys t a t et e s t i n gd e v i c e ( 2 ) 稳态平板法 天津大学博士学位论文 加热嚣i o 形环 加热瞽3 熟通量方向 v 垫 图1 - 2 稳态平板法实验装置图 f i g 1 - 2t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fs t e a d ys t a t ep a r a l l e lp l a t em e t h o d 如图1 - 2 所示，液体试样放在两个平行铜板之间，上板的横截面积为9 5 5 2 c m 2 ，两个铜板用三个厚度为0 9 6 5 2m m 的玻璃垫隔开，玻璃垫总面积为1 3 7 6 m m 2 。为了维持液体池的温度，液体池放在_ 个大的铝槽内。e 型热电偶插入铝 槽和铜板的钻孔中测量温度。加热器1 提供从上铜板到下铜板的热通量，加热器 4 用来维持下铜板的温度均一，加热器2 和3 用来给铝槽升温以达到上铜板的温 度，消除由于对流和辐射造成的热损失 8 】o 导热系数的计算公式： k = q l , l s a t ( 1 - 3 ) b = 等等 c 4 ， 式中：k 为通过液体和玻璃片的总导热系数，j j 。为玻璃片的导热系数。 ( 3 ) 瞬态热线法 精确测量液体导热系数的主要困难在于如何将导热从其它传热过程中隔离 出来。这是因为，对处于重力场中的可压缩流体，只要流体内部存在温度梯度， 就将不可避免地引起自然对流，所以在液体中实现纯导热过程是很困难的。采 用瞬态热线法测量纳米流体的热导率，其理论基础在于液体通过浮升力加速的 特征时间远远大于由于液体内部存在温度梯度而产生温度波的传播时间。 将一根无限长的、垂直的、热导率无限大和热容量为零的线源竖直插入液 体中，液体和线源在初始时刻处于热平衡，平衡温度为r o ，当突然给线源加恒 定的热流口时，热量完全从线源传递给液体。如果定义距离线源r 处的液体温升 第一章文献综述 为a t ( r ，t ) ，c a r s l a w 等给出了如下的表达式： 训噼南h ( 翱 5 ， 丁一温度； f 一时间； k 一液体的导热系数； r o 一线源的半径； c e x p y = 1 7 8 1 ，y 一欧拉常数； 口一热扩散系数； 假定线源表面与液体具有相同的温度丁( ，z ) ，且芎4 , z t c c 。 ) 。 甲甲 m 奶出 2 6 本章小结 通过将纳米颗粒和液体介质直接混合的方法，制备了不同浓度的氧化铜纳 米颗粒悬浮液。为了解决纳米颗粒的分散和悬浮稳定性问题，采用添加分散剂、 超声振动等方法，获得了悬浮稳定的纳米流体。 摹v口。一ss召iis【】舀 第二章纳米颗粒悬浮液的制备及稳定性分析 实验结果表明，直接共混法可以用来制备纳米流体；纳米流体的稳定性与 纳米颗粒的种类、浓度有关，同时，分散剂的性质和浓度以及介质的p h 等也是 影响纳米颗粒分散均匀性和稳定性的因素。 天津大学博士学位论文 第三章纳米流体对流传热的实验系统和实验方法 为了研究纳米颗粒悬浮液在圆管内的对流传热特性，本文设计并建立了一 套纳米流体传热性能测试及数据采集系统，包括流动循环系统、电加热系统、 冷却系统、控制系统和数据采集系统等。实验工质为去离子水、分散剂溶液和 不同浓度的氧化铜纳米颗粒悬浮液。实验研究了不同传热介质在不同操作参数 下的传热特性。 3 1 实验装置和流程 如图3 1 所示，纳米流体传热性能测试装置是一个流动及传热循环系统，它 主要包括恒温槽、循环泵、旁路、传热性能实验段、散热器及流体收集装置、 数据采集系统等部分。传热性能实验段为铜管，管路其它部分均采用透明软管 连接。 1 恒温槽；2 泵；3 , 4 调节阀；5 液体收集器；6 数据采集系统，七支热电偶测量流体进出口及管 壁温度；7 电加热系统；8 试验段；9 一散热器；t 热电偶 l - c o n s t a n tt e m p e r a t u r et a n k ；2 - p u m p ；3 , 4 - v a l v e ；5 - c o l l e c t i o nt a n k ；6 - d a t aa c q u i s i t i o n ；7 - p o w e r s u p p l y ；8 - t e s ts e c t i o n ；9 - c o o l e r ；t - t h e r m o e o u p l e 图3 - 1 实验装置及流程示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e ma n df l o w 第三章纳米流体对流换热的实验系统和实验方法 3 1 1 主要装置说明 3 1 1 1 传热性能实验段 传热性能试验段是整个测试系统的核心部分，它是由一根长0 9 6 8m 、外径 为8m m ，壁厚为2i 砌的铜管制成。5 对热电偶沿管子轴向焊在铜管外壁上， 用于测量管壁温度沿轴向的变化。另外，还有2 对热电偶分别放置在铜管进出口 处用来测量纳米流体在实验段的进出口温度。为了消除热量沿管壁的轴向热传 导损失，铜管进出端皆用塑料套管与管路相连。为了防止系统向环境散热，铜 管外及进出口测温处均缠绕了保温材料。另外，为了消除入口效应的影响，实 验段入口前加装了一段长径比为5 0 的管子作为稳定段，以使实验管内纳米流体 处于充分发展区。 3 1 1 2 电加热系统 通过电加热方式给流经实验段的管内纳米流体进行加热，以获得恒定热流 边界条件。实验段铜管外缠绕的电阻丝的最大输出功率为2 0k w ，实验中可以 通过调压器调节输入电压，从而对加热功率进行控制。输入电压和电流由精度 为2 5 级的电压表和电流表测量。 3 1 1 3 恒温槽 恒温槽中内置铝制储液槽，容积为5 0l ，用来储存纳米流体并观测实验中 纳米粒子的悬浮情况。实验中通过恒温槽来调节悬浮液的进口温度，以使传热 测试段的进口温度保持恒定。使用电磁搅拌器对储液槽内的悬浮液进行搅拌， 一方面可以使得流体内部的温度场保持均匀，另一方面，可以使流体内部的颗 粒与流体充分混合，这有助于流体内部的颗粒保持其悬浮状态。 3 1 1 4 散热器 散热器用于冷却传热性能测试段输送给纳米流体的热量，其最大散热能力 可达2 0k w 。实验时应将纳米流体冷却到进口温度以下，以保证恒温槽对其进 行控温的稳定性。 3 1 1 5 调节阀 主流路中的出口阀和旁路调节阀用于调节实验中纳米流体的流量。 天津大学博士学位论文 3 1 1 6 数据采集系统 热电偶的读数由a i 7 0 6 m 型多路循检测温仪测量并显示，然后经数据线输 入电脑，由a i d c s 数据采集系统自动采集记录。 3 1 2 实验流程 实验流程为：混合均匀的悬浮液在恒温水浴中被调节到一定温度后，经循 环泵加压推动进入循环系统，当纳米流体流经传热实验测试段时，流体在管内 被加热，出口温度上升。升温后的流体沿管路流经散热器被冷却降温后，又流 回到恒温槽中。 3 1 3 操作步骤 操作步骤如下： ( 1 ) 在冷态下开启液体循环泵，启动实验系统，排除系统中的气泡； ( 2 ) 待流动达到稳定以后，对测试段通电加热； ( 3 ) 开启散热器电源并设定适当的制冷温度； ( 4 ) 调节加热电压大小，实验中保持加热功率恒定。待系统达到热平衡后( 大 约】h ) ，测量工质的进出口温度、流量和圆管的壁面温度。实验过程中，根据 温度和电压的显示值判断系统是否处于热平衡状态。当系统处于热平衡状态时， 各参数的显示值均处于恒定状态，其波动值非常小，实验中当各项参数的波动 值小于2 时即认为系统已经达到稳定状态； ( 5 ) 调节出口阀和旁通阀的大小，改变工质流量，在不同流速下记录工质的进 出口温度、流量和圆管的壁面温度； ( 6 ) 实验结束时，先停止加热，待温度显示已经降到室温时，再停止循环泵。 3 2 实验数据处理 3 2 1 基本参数的测量与计算 由于管子的尺度小，给测量带来了一定的困难，因此只能测定整体性的参 数。实验需要测量的主要参数有：实验段的壁面温度，液体进出口处的温度和 第三章纳米流体对流换热的实验系统和实验方法 液体的流量，加热电压和电流。 ( 1 ) 温度 温度测量包括流体温度和壁面温度测量。测量温度所用的热电偶采用直径 为1r l l i 1 的e 型热电偶。测量壁面温度的热电偶的安装方法如图3 2 所示：在欲 测壁面温度处的管壁上开出一个槽，然后用焊锡将热电偶焊接于槽内。所有热 电偶在实验前都用恒温水浴进行了单独标定与校核，并采用标准温度计计量准 确温度。标定后用最小二乘法将每根热电偶的准确温度与测量温度的关系回归 成表达式供以后计算使用。经验证在实验温度范围内，准确温度与测量温度的 线性关系很好，线性相关系数在0 9 9 9 以上，测量不确定度为0 1 。温度冷端 补偿采用冰水混合物，这更增加了温度测量的准确度和稳定性。 外 焊锡管壁管内 图3 2 热电偶安装图 f i g 3 - 2i n s t a l l a t i o nd i a g r a mo ft h e r m o c o u p l e s 流体温度巧采用流体进出，口温度的算术平均温度，即 p ：互戋 ( 3 1 ) 。 2 式中：毛和乙为流体的进出口温度。 实验中圆管壁面安装的热电偶测量的数值为圆管外壁的温度，为了得到液 测的内壁面温度，必须修正圆管壁面导热的温度降。通过傅立叶定律可以通过 外壁温度求出相应位置的铜管内壁温度： z 。：z j 一q i n ( r o t r , ) ( 3 - 2 )”1 ” 2 f o l k 。 式中：q 一流经加热管的流体单位时间内所吸收的热量，w ； 瓦、乙一加热管内、外壁面的温度，； 兄吃一加热管的外径和内径，m m ； 天津大学博士学位论文 l - ；o n 热管的长度，m ； k 一铜的导热系数，w m ； 实验中将五对热电偶测定的壁面温度值，经过修正后，取它们的平均值作 为壁面的平均温度。 ( 2 ) 流量 工质的流量采用容积法测量，即用秒表测量流过一定体积流体所需要的时 间，换算为体积流量后，在已知的管径下，就可以得到流体的流速。为了减小 流量测量误差，实验中测量纳米流体的流量时，直接将出口软管置于液体收集 桶中，记录收集一定体积的纳米流体所需要的时间。 ( 3 ) 对流传热系数 根据牛顿冷却公式，实验中测出实验段的加热平均热流密度、实验管的平均 壁温、流体的进出口温度及流体流动速度，可得出纳米流体在不同流动速度时 的管内充分发展的平均对流传热系数k 和m 矿： 2 表 ( 3 - 3 ) m 矿= 等 协4 ) 式中，口为加热平均热流密度，w m 2 ； 实际计算中取流体流经加热管实际吸收的热量，即q = c p m ( r 。, 一死) 。经实 验验证电加热功率和实际热流率之差不超过6 。 3 2 2 流体的物性参数 流体物性参数包括工质的黏度，导热系数k ，密度p 等。对于水，其物性 值可以根据定性温度按下列各式计算获得，计算结果与查表值非常接近，误差 可忽略。对于纳米颗粒悬浮液，由于没有相应的公式和物性表可供参考，可以 通过纳米颗粒和基液的性质计算或由实验确定。 3 2 2 1 水的物性参数 ( 1 ) 密度( k g m 3 ) , o z = 9 9 9 9 8 5 3 1 + 0 0 1 9 0 8 木弓一0 0 0 5 9 水巧+ 1 5 5 2 0 6 宰1 0 。掌雩 ( 3 - 5 ) 第三章纳米流体对流换热的实验系统和实验方法 适用范围：l 在0 2 0 0 ( 2 ) 黏度( m p a s ) ，= 1 7 8 6 6 1 0 0 5 5 8 2 幸乃+ 0 0 0 1 0 1 水 叫 ( 3 6 ) 一9 4 6 7 4 * 1 0 6 宰碍+ 3 4 6 7 3 7 幸1 0 _ 8 z 适用范围：乃= 0 - - 2 0 0 。c ( 3 ) 导热系数( w m ) = o 5 5 0 6 7 + 0 0 0 2 6 9 书弓一1 6 3 1 1 2 木1 0 。5 木巧+ 2 6 2 2 3 8 水1 0 书搴雩 ( 3 7 ) 适用范围：l = 0 - 2 0 0 。c ( 4 ) 定压比热( k j k g ) ，2 4 2 1 0 9 9 0 0 0 2 1 母弓+ 3 6 1 1 3 1 木1 一雩 ( 3 8 ) - 2 2 8 0 5 宰1 0 - 7 木z + 8 7 4 1 2 6 * 1 0 。1 0 木力 适用范围：乃= 0 2 0 0 其中密度和比热的定性温度取进出口流体的平均温度，黏度和导热系数取 流体和壁面的平均温度。 3 2 2 2 氧化铜纳米颗粒悬浮液的物性参数 ( 1 ) 密度 忽略颗粒和分散剂加入后混合物的体积改变，则可以直接通过分散剂和纳 米颗粒的质量分数计算悬浮液的密度。悬浮液的密度( 分散剂质量分数为颗粒 的0 4 ) 与水的比值如图3 3 所示： 奄 、 3 宣 磊 口 兰 焉 蛊 图3 3 悬浮液的相对密度 f i g 3 3r e l a t i v ed e n s i t yo fc u os u s p e n s i o n 5 4 天津大学博士学位论文 ( 2 ) 黏度 悬浮液的黏度与悬浮液的温度，分散剂的组分和性质，颗粒的性质和组分 等因素有关。目前对于纳米颗粒悬浮液的黏度值还没有精确的计算值，必须通 过实验直接测量。本文测量了不同浓度下的纳米颗粒悬浮液的黏度，并与用 b a c h e l o r 公式估算的结果进行了对比。 图3 4 黏度测量值与公式计算值的比较 f i g l 3 - 4c o m p a r i s o no fr e l a t i v ev i s c o s i t yo fe x p e r i m e n t a lv a l u ew i t hf o r m u l ac a l c u l a t i o n s 如图3 4 所示，实验结果与计算值基本相同。低浓度下( 5v 0 1 ) ，纳米流 体的黏度与颗粒浓度成正比，为了便于计算，本文采用b a c h e l o r 公式对悬浮液 的黏度进行计算。 b a c h e l o r 公式： 晰= 竹( 1 + 2 5 4 + 6 2 2 ) ( 3 9 ) ( 3 ) 导热系数： 目前用一般理论的方法精确地描述纳米颗粒悬浮液的导热系数是不可能 的，必须通过实验来确定。对于纳米颗粒悬浮液的导热系数，已有的大量研究 表明：纳米颗粒悬浮液的导热系数受纳米粒子的属性、份额、形状和尺度，分 散介质的性质等因素的影响。在纳米颗粒含量较低的情况下，纳米颗粒悬浮液 的导热系数与纳米颗粒的含量成正比。在缺少实验数据的条件下，可以采用传 统固液混合物的导热系数公式对纳米流体的导热系数进行保守估计。本文中未 测量纳米颗粒悬浮液的导热系数，而选用文献【1 2 】中的实验结果。文献中悬浮液 第三章纳米流体对流换热的实验系统和实验方法 中氧化铜纳米颗粒的平均粒径为2 3 6 n m ，小于本实验中使用的纳米颗粒( 5 0 h m ) 。 现有研究表明，小粒径纳米颗粒组成的悬浮液的导热系数高于相同条件下大粒 径纳米颗粒组成的悬浮液。图3 5 为文献中氧化铜纳米颗粒悬浮液的相对导热系 数与浓度的关系图。从图中可以看出，较低浓度下，纳米颗粒悬浮液的导热系 数与浓度近似成直线关系。 图3 5 纳米悬浮液的相对导热系数 f i g 3 5r e l a t i v et h e r m a le o n d u c t i v i 够o f n a n o p a r t i c l es u s p e n s i o n ( 4 ) 定压比热 悬浮液的定压比热按固液混合物计算，如下式： c p ，矿= ( 1 一矽) c p ，+ 矽勺。c 。以 ( 3 1 0 ) 矽：一一! ! 生一木1 0 0 ( 3 。1 1 ) l 1 , o ，七w | p ， 由于分散剂的加入量极小，此处忽略了分散剂对悬浮液定压比热的影响， 纳米氧化铜颗粒的比热按氧化铜材料的比热计算。氧化铜的定压比热按下式计 笪 1 2 2 ；卜r 勺，。= ( 4 8 5 9 7 + 7 4 2 7 幸1 0 3 宰弓- 0 7 6 1 牛1 0 6 木乃之) 7 9 5 ( 3 - 1 2 ) 适用范围：2 5 - 1 0 9 1 ，单位为j g k 天津大学博士学位论文 3 3 实验数据的准确度分析 3 3 1 热平衡计算 为保证实验数据具有较高的可信度和实验数据的不确定度分析的需要，在 对工质进行传热性能实验时，必须对实验进行热平衡计算和校验，校验条件如 下： ( 1 ) 3 2 质流经实验段所带走的热量为： q ，= c p 聊( 乙，一咒) ( 3 - 1 3 ) ( 2 ) 实验中加热功率为： q = u ( 3 1 4 ) ( 3 ) 热平衡偏差为： 占= 网i q - q , i = 甓销爿【q + 9 ) 丝生! ! ! 盘二! ( 3 一1 5 ) 2 2 实验结果校核计算表明，热平衡偏差控制在6 以内。这个热平衡偏差，实 际上也包括了忽略绝热层的热损失所引起的偏差。实验过程中发现当流量很小 或者加热功率很小的时候，由于测量的相对误差增大，导致热平衡偏差非常大， 因此在实验过程中，应避免流量很小或者加热功率很小的情况。实验所得的数 据的热平衡偏差均控制在6 以内，因此可以认为实验数据是可靠的。 3 3 2 实验数据的不确定度分析 实验系统的不确定性主要由参数的测量误差引起，比如热流、温度、流量 ， 昝【1 2 3 】 吖 o ( 1 ) 温度及传热温差测量的不确定度 用于测量工质进出口温度及壁面温度的热电偶， 测量的精度达到0 1 。实验中实测温差不小于2 c ， s ( a t ) 5 ? ( 2 ) 流量测定的不确定度 其值经标准温度计标定， 因而温差的不确定度为： ( 3 1 6 ) 第三章纳米流体对流换热的实验系统和实验方法 流体体积测定的不确定度不大于0 4 ，测量时间用的秒表的精度为0 0 1 秒， 实验范围内偏差不大于0 2 ，则流量的不确定度： 8 聊r n ：丽 ( 3 ) 热量由流体实际吸收的热 百8 q ：厢 ( 4 ) 传热面积的不确定度 长度的相对误差为： 翌0 1 ， 直径的相对误差为 一6 d 2 5 d s = n - d 传热面积的不确定度为 6 s s 0 4 ( 3 1 7 ) 量计算，测定的不确定度为： 5 2 5 ( 5 ) 对流传热系数的不确定度 办：旦 ，丁 万办 办 ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 _ 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 7 5 ( 3 - 2 4 ) t 以上分析表明：实验得到的对流传热系数的不确定度不超过7 5 。 3 4 本章小结 为了研究纳米流体的对流传热特性，本文自行设计并建立了一套纳米流体 传热性能测试及数据采集实验装置。本章详细介绍了实验装