武婷婷, 駱仲泱, 倪明江, 魏 葳, 馮釗贊, 王 濤

(浙江大學(xué) 熱能工程研究所,能源清潔利用國家重點試驗室,杭州 310027)

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和能源問題的突出,迫切需要新型換熱流體來提高換熱效率,減少能量消耗.但水、機油和乙二醇等傳統(tǒng)換熱工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較小,影響了強化傳熱的效果.常溫下大多數(shù)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)比流體材料大,因此,如果將固體顆粒加入流體中,換熱效果將會得到強化,但是毫米或微米級的固體粒子懸浮液會引起管道堵塞、磨損和顆粒沉淀等問題.近年來,納米材料和技術(shù)的快速發(fā)展使固體顆粒強化流體傳熱成為了可能.1995年美國A rgonne國家試驗室的Choi[1]在國際上首次提出“納米流體”的概念,這一概念已被廣泛接受[2],即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì),這是納米技術(shù)應(yīng)用于傳熱學(xué)中的創(chuàng)新性研究.

水和乙二醇是納米流體最常用的基液,有各自不同的特性,若將兩者以不同比例混合的混合液作為基液,可以起到優(yōu)勢互補的效果,制備得到的流體會呈現(xiàn)不同的物性.尤其在一些寒冷的地區(qū),需要換熱流體的冰點較低,乙二醇水溶液可以滿足,并且現(xiàn)在車載防凍液大部分也在使用乙二醇水溶液[3-4].Das[5]研究了體積分?jǐn)?shù)均為 8%,粒徑分別為 20 nm、50 nm 和100 nm的SiO2-乙二醇/水納米流體在不同溫度下的黏度,發(fā)現(xiàn)粒徑為100 nm的SiO2納米流體的黏度最小.

本文的研究目的是探索納米流體黏度的影響因素,即研究以去離子水(DW)、乙二醇(EG)和不同配比的混合液為基液的納米流體的黏度隨粒徑、溫度和濃度的變化規(guī)律.

1 試驗介紹

1.1 流體制備

與傳統(tǒng)的固液混合物相比,納米流體較小的顆粒尺寸和在基液中的布朗運動可以改善懸浮液的分散均勻性,使其具有良好的穩(wěn)定性.制備納米流體總體上有2種方法[6]:(1)一步法制備納米流體,指在制備納米顆粒的同時將其分散在基液中;(2)兩步法制備納米流體,先制備出納米粒子,然后通過超聲波振動、添加活性劑或分散劑、改變?nèi)芤簆H等方法,將制備得到的納米粒子均勻分散到液體中,最終形成納米流體懸浮液.

筆者采用兩步法制備納米流體,不添加分散劑,即將納米粉體加入到預(yù)先準(zhǔn)備好的基液中,先充分?jǐn)嚢?0 m in使其混合均勻,再超聲振蕩30 min,制備得到穩(wěn)定懸浮的納米流體.制備流程見圖1.

圖1 納米流體制備流程圖Fig.1 Flow chart of nanofluid preparation

1.2 黏度測量

黏度測量選用不同測量范圍的烏氏黏度計,并用精密恒溫槽進行控溫(精度為0.01 K)來實現(xiàn).首先對去離子水的黏度值進行標(biāo)定,再測量流體的黏度.同時重復(fù)多次測量,重現(xiàn)性很好.納米流體的粒徑分布由英國M alven激光粒度分析儀(Nano-S90)測得.

1.3 試驗儀器

試驗采用的試劑和儀器見表1.

表1 試驗所采用的試劑和儀器Tab.1 M aterials and apparatus applied in experiment

2 結(jié)果與分析

采用乙二醇和水的混合液作為基液,研究顆粒粒徑和溫度對流體黏度的影響,并指定3種基液,研究納米流體黏度隨流體濃度的變化規(guī)律.

2.1 顆粒粒徑對黏度的影響

圖2 體積分?jǐn)?shù)為0.8%的SiO2納米流體黏度與粒徑的關(guān)系Fig.2 V iscosity of 0.8%SiO2 nanofuild varying with nanoparticle size

圖2給出了基液和3種不同粒徑的納米流體黏度的變化規(guī)律,其中橫坐標(biāo)為基液(水和乙二醇的混合液)中乙二醇的體積分?jǐn)?shù).由圖2可以看出,添加顆粒后的納米流體黏度提高,但其變化趨勢基本與基液一致.在基液相同的情況下,粒徑為7 nm的納米流體的黏度明顯較大,這是因為粒子越小,相同體積份額情況下粒子數(shù)越多,粒子間距離越近,粒子間的相互作用越大,并且納米流體流動時,顆粒不得不避開其他的顆粒,為克服內(nèi)摩擦阻力需消耗一定的能量,因而粒子數(shù)越多,黏度就越大.相比較,粒徑為30 nm和40 nm的納米流體的黏度差別不是很大.當(dāng)基液為純乙二醇時,3種粒徑納米流體的黏度較接近,在純乙二醇中顆粒分散較穩(wěn)定均勻,因此,相對基液來說,納米流體的黏度增加也都較小,增加率為3.4%左右.

2.2 溫度對黏度的影響

圖3中3條虛線分別表示20℃、25℃和30℃基液的黏度,3條實線分別表示這3個溫度下顆粒粒徑為7 nm、體積分?jǐn)?shù)為0.8%的SiO2納米流體的黏度.由圖3中虛線可以看出,隨著溫度的升高,基液的黏度逐漸減小,并且乙二醇的體積分?jǐn)?shù)越高,黏度減小的幅度越大,當(dāng)基液為純乙二醇時,黏度受溫度影響最明顯.

圖3 基液和納米流體的黏度隨溫度的變化Fig.3 V iscosity of base fluid and nanofluids varying w ith temperatu re

在同一溫度下,由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng),使得固體顆粒與液體分子之間的相互作用增強,流體的黏度有所增大.隨著溫度的升高,納米流體的黏度減小,一方面溫度影響納米顆粒的布朗運動,溫度越高,顆粒的運動越劇烈,微運動對黏度有重要影響;另一方面納米流體的黏度受溫度影響的趨勢基本與基液相同,說明基液是納米流體黏度的重要影響因素.

圖4給出了納米流體的相對黏度隨溫度的變化.由圖4可知,在試驗范圍內(nèi),納米流體的相對黏度與溫度的關(guān)系不大,而與基液中乙二醇的體積分?jǐn)?shù)有關(guān).純乙二醇基納米流體的相對黏度增加最小,僅為4%,但是相對黏度并沒有隨基液中乙二醇體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)單調(diào)減小的變化趨勢,這可能與基液為混合液有關(guān),顆粒在混合液中分散的情況較復(fù)雜.

圖4 納米流體的相對黏度隨溫度的變化Fig.4 Relative viscosity of variousnanofluids varying w ith temperatu re

2.3 顆粒體積分?jǐn)?shù)對黏度的影響

圖5給出了3種基液的納米流體黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化.納米顆粒為粒徑7 nm的SiO2,基液分別為DW、EG以及EG/DW(EG的體積分?jǐn)?shù)為50%),用相對黏度表示基液黏度的增加值[7].

圖5 納米流體黏度與顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.5 V iscosity of nanofluid varying w ith volumetric fraction of nanoparticles

由圖5可以看出,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)相同時,SiO2-DW納米流體的相對黏度均高于SiO2-EG納米流體的相對黏度,即相對基液來說,SiO2-EG納米流體的黏度增加較小.這是由于EG基液黏度大,SiO2對于EG的親液程度大于DW,因此在EG中分散性好,容易穩(wěn)定存在,團聚程度較小,則黏度增加較小.由圖5還可以看出,以EG、DW 為基液的納米流體的黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性增長,這也符合Einstein[8]提出的針對體積分?jǐn)?shù)較小的納米流體的黏度模型.在低濃度時,以 φ(EG)∶φ(DW)=1∶1混合溶液為基液的納米流體的黏度曲線介于以純EG和以純DW為基液的納米流體的黏度曲線之間,即其相對黏度介于純EG基和純DW基納米流體之間,這是因為以純EG為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性較好,黏度增加最小,以EG和DW的混合溶液為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性次之,以純DW基為基液的納米流體的分散穩(wěn)定性最差,顆粒團聚程度較大,黏度增加也就最大.

2.4 納米顆粒團聚對黏度的影響

對于低濃度納米流體,根據(jù)Einstein(1911)假設(shè),在無限稀釋的線性懸浮體中,懸浮顆粒是剛性球,表面無負載電荷,且顆粒之間無相互作用,相對黏度是懸浮粒子體積分?jǐn)?shù)的簡單函數(shù):

式中:ηr為相對黏度;η為納米流體的動力黏度;ηbf為基液的動力黏度;Υ為顆粒的體積分?jǐn)?shù).

Batchelor(1977)考慮布朗運動,提出適用于體積分?jǐn)?shù)不大于10%的納米流體黏度的計算公式:

對于體積分?jǐn)?shù)大于10%的納米流體,涵蓋全部體積分?jǐn)?shù)的半經(jīng)驗公式由K rieger和Dougherty(1959)提出:

式中:Υm為最大顆粒填充分?jǐn)?shù),球狀顆粒取0.605.

對比試驗數(shù)據(jù)和 Einstein、Batchelor、K-D[8]公式計算得到的黏度值(圖6)可知,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)很小時,經(jīng)典模型的計算值均小于試驗值,這主要是因為經(jīng)典相對黏度計算公式僅是基液和體積分?jǐn)?shù)的函數(shù),沒有考慮納米流體中的顆粒團聚、顆粒表面的水化膜等因素,而這些因素的客觀存在可增大納米流體的相對黏度[7].

圖6 納米流體相對黏度試驗值與計算值的對比Fig.6 Com parison of relative nanofluid viscosity betw een experimental and calculated resu lts

考慮到納米流體中的顆粒團聚現(xiàn)象,Chen提出修正的K rieger&Dougherty公式[8],用有效體積濃度Υa替代實際體積濃度 Υ,根據(jù)分形理論得:

則

考慮到納米流體團聚結(jié)構(gòu)對相對黏度的影響,由式(5)得到納米流體相對黏度的計算公式[9]:

式中:aa為團聚體半徑;a為顆粒半徑;D為團聚體的分形維數(shù),對于納米懸浮液,其值為1.8～2.5.

以EG為基液的納米流體,a a/a=14.57;以DW為基液的納米流體,a a/a=18.42,其中a a由Malvern-Zetasizer NanoS90得到,將其代入修正的K-D公式,計算結(jié)果如圖 6中的 K-D(EG),K-D(DW)所示,與試驗測得的數(shù)據(jù)較吻合.當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于1%時,以混合液為基液的納米流體的相對黏度與以EG、DW為基液的納米流體較接近,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于1%時,黏度急劇增大.

以上現(xiàn)象的原因可以從EG和混合液為基液的納米流體的粒徑分布圖(圖7和圖8)得出.由圖7可知,當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.1%時,分別以EG和混合液為基液的納米流體的粒徑分布相近,宏觀表現(xiàn)為兩者的相對黏度基本相同.由圖8可知,當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為1.6%時,以基液為混合液的納米流體的粒徑分布范圍較寬且粒徑較大,團聚程度明顯增加,從而導(dǎo)致其黏度增加較大.

圖7 0.1%體積分?jǐn)?shù)的流體中納米顆粒的激光粒度分布Fig.7 Laser particle-size distribution for nanoparticles of 0.1%volumetric fraction

如果團聚體的尺寸與納米流體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),結(jié)合式(6),aa/a的比值可由每個流體的體積分?jǐn)?shù)計算得到,計算結(jié)果見圖9.

由圖9可知,基液為純水和純乙二醇的納米流體的團聚比變化趨勢相似,均隨體積分?jǐn)?shù)的增加略微增大,但水基的團聚程度均高于乙二醇基.然而,隨著體積分?jǐn)?shù)的增大,以混合液為基液的納米流體的團聚程度急劇增加.將納米流體黏度提高的原因歸結(jié)于納米顆粒的團聚,不同的黏度是由于納米顆粒聚集狀態(tài)(即團聚體的微觀結(jié)構(gòu))不同,這種微結(jié)構(gòu)就是顆粒本身和基液相互作用的表現(xiàn),不容忽視基液的影響.

圖8 1.6%體積分?jǐn)?shù)的流體中納米顆粒的激光粒度分布Fig.8 Laser particle-size distribution for nanoparticles of 1.6%volumetric fraction

圖9 納米流體體積分?jǐn)?shù)與團聚比的關(guān)系Fig.9 a a/a ratio vs.volumetric fraction of nanoparticles

3 結(jié) 論

(1)兩步法制備納米流體并不能分散顆粒到原始粒徑,顆粒在基液中以團聚形式存在,這對黏度有不利影響.

(2)以水、乙二醇或兩者的混合液為基液的納米流體,在相同基液的條件下,顆粒尺寸越小,黏度越大;基液中EG體積分?jǐn)?shù)越大,納米流體黏度受溫度影響越顯著,且流體溫度升高,黏度減小,但相對黏度與溫度無關(guān),僅與基液有關(guān).

(3)以水、乙二醇為基液的納米流體的相對黏度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性增加,與修正的K-D公式較吻合;而以乙二醇/水(乙二醇體積分?jǐn)?shù)為50%)為基液的納米流體的相對黏度在顆粒體積分?jǐn)?shù)大于1%時急劇增大.

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