王 榮 軍

Al2O3-H2O兩相流流體強(qiáng)化換熱性能研究

王 榮 軍

（貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽 550025）

將固體顆粒加入到傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中形成的固-液兩相流流體是一種新型的強(qiáng)化換熱介質(zhì)。設(shè)計(jì)小型臥式直管加熱爐試驗(yàn)裝置，用粒徑為60 nm，150 nm，55 μm質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al2O3-H2O兩相流流體做換熱試驗(yàn)，在流量為7，8，9 L/min和爐溫為80，100，120，140 ℃情況下使用計(jì)算機(jī)對加熱直管內(nèi)、外壁溫度和進(jìn)、出口流體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。研究發(fā)現(xiàn)：固-液兩相流流體強(qiáng)化對流傳熱的效果與顆粒的粒徑、流體的流速和加熱爐爐溫有關(guān)。

兩相流流體；對流換熱系數(shù) ；顆粒粒徑；流速；加熱爐溫度

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,熱交換設(shè)備的傳熱負(fù)荷日益增大，對換熱系統(tǒng)的效率提出了更高的要求。提高液體換熱效率的一種有效方法是在基液中添加金屬、非金屬或聚合物固體粒子。由于固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)比液體大幾個(gè)數(shù)量級,這種添加了固體粒子的兩相流流體的導(dǎo)熱系數(shù)比純液體大許多[1，2]。但實(shí)際應(yīng)用存在許多問題,主要是粒子顆粒大,易沉降,易產(chǎn)生堵塞和磨損等不良現(xiàn)象。為了解決所產(chǎn)生的上述問題，隨著納米材料科學(xué)的迅速發(fā)展，有學(xué)者[3]提出了一個(gè)嶄新的概念——納米流體，指以一定的方式和比例在液體中加入納米級金屬或金屬氧化物粒子制備成的均勻、穩(wěn)定、高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)。這種納米流體的高導(dǎo)熱性、高穩(wěn)定性不易沉淀等特性使其比液體中添加毫米或微米級固體粒子在傳熱性能方面具有更大的優(yōu)勢。

近年來國內(nèi)外關(guān)于納米流體強(qiáng)化傳熱的研究試驗(yàn)有很多，但大部分局限于機(jī)理和理論的探討，限于實(shí)驗(yàn)室的研究階段。兩相流流體要致力于工業(yè)應(yīng)用中，除了測定納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、穩(wěn)定性等外，研究其在流動(dòng)狀態(tài)下的對流換熱性能也是十分必要的?；诖?，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室小型臥式直管加熱爐試驗(yàn)，在強(qiáng)制流動(dòng)情況下研究兩相流流體的傳熱性能，分析影響流體傳熱的因素，確定最佳傳熱參數(shù)，為兩相流流體廣泛應(yīng)用于工業(yè)換熱系統(tǒng)做鋪墊。

1 固-液兩相流流體制備方法和裝置的設(shè)計(jì)

兩步法[4]是研究最多、應(yīng)用最為廣泛的固-液兩相流流體體制備方法，兩步法制備工藝簡單、工序少,易制備高固相的納米流體,易于批量化生產(chǎn)。但對于納米粉體來說,由于其巨大的比表面積及表面活性,在納米粉體的制備、存儲、運(yùn)輸?shù)冗^程中,顆粒易形成團(tuán)聚體，制備時(shí)應(yīng)掌握好分散條件。

要使納米顆粒保持較長時(shí)間的有效分散狀態(tài)，還需在物理分散的同時(shí)用化學(xué)分散作輔助，即在懸浮系中加入化學(xué)分散劑。

分析以上原因，本文利用物理分散和化學(xué)分散來制備兩相流流體。物理分散采用機(jī)械攪拌和超聲波振蕩，化學(xué)分散采用向基液中添加分散劑的方法，為保證納米流體的持久穩(wěn)定性，添加分散劑后，需對流體進(jìn)行pH調(diào)節(jié),使流體的pH值在8～9之間?；谝陨显?本文設(shè)置了納米流體制備系統(tǒng)，把制備好的固體粉體(干粉) 通過加入分散劑，并調(diào)節(jié)流體的pH值，同時(shí)利用超聲波振蕩和機(jī)械攪拌的共同作用制備而成兩相流流體。

2 換熱試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 換熱試驗(yàn)的試驗(yàn)方法

兩相流強(qiáng)化換熱性能研究，主要測試管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)情況下強(qiáng)化換熱能力的變化。流體的流速控制在較高的范圍內(nèi)（雷諾準(zhǔn)數(shù)Re>8 000）。其中流體的黏度，導(dǎo)熱系數(shù)，熱熔，密度等物性參數(shù)可以參考已發(fā)表的文獻(xiàn)[5]。

利用制備出的不同粒徑的兩相流體分別在不同爐溫和不同流量下，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出施加于液體上的總熱量Q:

式中：—施加于液體的總熱量,J；

OW—外壁面的溫度，℃；

IW—內(nèi)壁面的溫度，℃；

1、2—直管的內(nèi)徑和外徑，m；

—被加熱直管的長度，m；

λ——直管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)。

然后把公式（1）計(jì)算出的施加于液體的總熱量帶入公式（2）就能得出管內(nèi)液體的對流換熱系數(shù)：

式中：L—管內(nèi)液體的溫度，℃；

—對流換熱系數(shù)，W/(m2?℃)。

對流換熱系數(shù)的大小在一定程度上可以反應(yīng)對流換熱性能的強(qiáng)弱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，對實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)包括加熱溫度、顆粒粒徑、液體流速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗(yàn)，分析對影響傳熱性能的各項(xiàng)參數(shù)，從兩相流體傳熱的Nu數(shù)隨Re數(shù)變化情況中分析納米流體在什么條件下的強(qiáng)化傳熱能力最強(qiáng)，從而確定最佳傳熱參數(shù)，為工業(yè)試驗(yàn)打基礎(chǔ)。

2.2 換熱試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)的實(shí)際情況，模擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室小型臥式直管加熱爐試驗(yàn)，研究兩相流的強(qiáng)化換熱能力。

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)閉路的循環(huán)里面進(jìn)行：所制備的兩相流體存放在儲液桶內(nèi)，通過水泵注入實(shí)驗(yàn)的閉路循環(huán)區(qū)內(nèi)并通過旁路以及三通閥門調(diào)節(jié)閉路循環(huán)內(nèi)的液體流量，同時(shí)用流量計(jì)測量進(jìn)入加熱管內(nèi)的流體流量；流體流過加熱管后，考慮到流體溫度會有所升高，所以流體流過加熱管后需加一個(gè)冷卻器使之降溫，最后流體流回儲液桶如此循環(huán)。

臥式直管加熱爐加熱的同時(shí)，使用電腦對直管的內(nèi)、外壁和進(jìn)出口水的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 選用的一根鐵管，外管徑為50 cm，內(nèi)徑為15 cm。在其表面鉆孔至內(nèi)壁面處，用K型熱電偶分別插入內(nèi)壁，測量出內(nèi)壁面溫度；同時(shí)在同一橫界面的外壁面處鉆孔，用于測量內(nèi)壁面和外壁面的溫度；另兩根熱電偶分別插入液體的進(jìn)口區(qū)和出口區(qū)，分別測量液體進(jìn)口和出口的溫度值。

3 換熱試驗(yàn)結(jié)果分析

本文利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室小型臥式直管加熱爐試驗(yàn)研究固-液兩相流化換熱性能。試驗(yàn)分別測定粒徑為60 nm，150 nm，55 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 的Al2O-水兩相流流體在流量為7，8，9 L/min和爐溫為80，100，120，140 ℃情況下的加熱直管內(nèi)、外壁溫度和進(jìn)、出直管流體溫度，從這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)中進(jìn)一步分析影響兩相流流體傳熱性能的因素。

通過對固-液兩相流體換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出，在不同的固-液兩相流體所含固體顆粒粒徑、不同的流體流速以及不同的爐內(nèi)加熱溫度條件下，流體的對流換熱系數(shù)變化比較大。因此，影響固-液兩相流體對流換熱性能的主要因素包括：固體顆粒粒徑、流速以及爐內(nèi)加熱溫度。

3.1 固-液兩相流固體顆粒粒徑對傳熱性能的影響

根據(jù)公式計(jì)算對流換熱系數(shù)，進(jìn)而得到Nu數(shù)隨Re數(shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線。爐內(nèi)加熱溫度為140℃條件下，不同固體顆粒粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al2O3固-液兩相流體Nu數(shù)隨Re數(shù)變化情況如圖1所示。

圖1 爐溫140 ℃時(shí)不同粒徑兩相流流體Nu數(shù)隨Re數(shù)的變化

由圖1可以看出，隨著Re數(shù)增大，不同粒徑的兩相流體的Nu數(shù)都比水的Nu數(shù)高，說明固-液兩相流體都強(qiáng)化了流體的傳熱性能；但不同粒徑的兩相流體的Nu提高值不同，又說明兩相流流體中的固體顆粒粒徑是影響兩相流體傳熱性能的一個(gè)重要因素?？傮w來看，粒徑越小其傳熱性能越強(qiáng)。其中60 nm的比150 nm粒徑的Al2O3-水兩相流流體Nu數(shù)隨Re數(shù)變化較大，同時(shí)150 nm的又比55 μm的相對高些。

綜合以上分析可知，在湍流的情況下，兩相流體的傳熱性能都比純液體的提高很多，同時(shí)也由于所加的固體粒徑不同，所提高的幅度就不同，其中粒徑越小的兩相流體其換熱性能越好。

3.2 固-液兩相流體流速對傳熱性能的影響

圖2曲線表示的是1%60 nm Al2O3-水兩相流流體在爐溫為80 ℃下Nu數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系和水樣對照曲線，因?yàn)槔字Z準(zhǔn)數(shù)是對流體流動(dòng)情況的反映，從圖中可以看出，隨著雷諾數(shù)Re增大，努塞特?cái)?shù)Nu增大的比例逐漸提高，60 nm兩相流流體的Nu數(shù)都比水樣對照曲線的Nu數(shù)高，說明固-液兩相流體強(qiáng)化了流體的傳熱性能，同時(shí)也說明了固-液兩相流體的流速對傳熱有影響，隨著流速的增大，流體的傳熱性能也隨著增強(qiáng)。

圖2 爐溫為80 ℃時(shí)流體流動(dòng)的Re數(shù)對Nu數(shù)的影響

3.3 爐內(nèi)加熱溫度對兩相流體傳熱性能的影響

圖3為55 μm粒徑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al2O3固-液兩相流體在不同加熱爐溫下Nu數(shù)與Re數(shù)的關(guān)系與水樣在80 ℃的對照曲線圖。由圖3可知，隨著Re數(shù)增大，不同爐溫下的兩相流體的傳熱率增大的幅度不同，說明爐溫對兩相流體傳熱能有影響。分析原因，由于爐溫不同導(dǎo)致冷卻介質(zhì)即兩相流體的溫度改變，從而引起流體熱特性發(fā)生變化，最終使得兩相流體傳熱性能隨著爐溫不同而不同。隨著爐溫由80到120 ℃，Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增大幅度逐漸增大，其中爐溫為120 ℃時(shí)流體的Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增大幅度最大，說明在80到120 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度爐溫越高則更有利于增強(qiáng)流體的換熱性能。

圖3 55 μm粒徑兩相流體不同爐溫下Re數(shù)對Nu數(shù)的影響

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在強(qiáng)制對流的情況下（Re>10 000）,固-液兩相流的對流換熱系數(shù)都比水的對流換熱系數(shù)高。換熱系數(shù)是流體熱物性和流體流動(dòng)的綜合體現(xiàn)，在供熱或致冷的流體介質(zhì)中加入固體顆粒制備得到的兩相流流體,其換熱系數(shù)比水的換熱系數(shù)高，說明流體的換熱性能得到顯著提升。主要原因可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面[6]：首先，納米顆粒的加入, 優(yōu)化了介質(zhì)的熱物性，增大了導(dǎo)熱系數(shù)；其次,強(qiáng)化了納米流體內(nèi)納米顆粒、流體以及流道管壁碰撞和相互作用；再者，加強(qiáng)了流體的混合脈動(dòng)和湍流；最后，納米顆粒的分散，使得介質(zhì)內(nèi)橫向溫度梯度減小，加大了流道表面和介質(zhì)間的溫度梯度。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)純液體冷卻介質(zhì)冷卻效果相比，固-液兩相流體可以明顯提高系統(tǒng)的傳熱性能，兩相流體固體顆粒粒徑、介質(zhì)流速以及爐內(nèi)加熱溫度均會對流體的傳熱性能產(chǎn)生明顯影響。

（1）兩相流體固體顆粒粒徑的越小，粒子的表面積和熱容量越大，同時(shí)做不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，顆粒與顆粒之間，顆粒與管壁之間的碰撞，破壞了熱邊界層，從而增強(qiáng)了流體和管壁之間的熱交換，也促進(jìn)了流體內(nèi)部溫度的均勻化，更有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的傳熱能力；

（2）隨著介質(zhì)流速增大，固體顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致流體的邊界層減薄，流動(dòng)湍流強(qiáng)度得到增強(qiáng),從而使得流體的傳熱性能增強(qiáng)的幅度隨著流速增大而增大；

（3）爐內(nèi)加熱溫度的升高，流體平均溫度也升高，使得流體的粘度、熱擴(kuò)散系數(shù)都有所改變，最終導(dǎo)致隨著加熱溫度升高，兩相流體的換熱能力逐漸提高。

綜上，通過在冷卻介質(zhì)中加入固體顆粒，可以比較明顯地提高系統(tǒng)的傳熱性能，其中粒徑較小的納米流體比微米級的兩相流體強(qiáng)化傳熱性能更強(qiáng)，顯示出納米流體在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也為解決各領(lǐng)域的熱交換系統(tǒng)的高溫元件冷卻問題提供導(dǎo)向作用。

［1］Liu K V,Choi U S,Kasza K E.Measurement of pressure drop and heat transfer in turbulent pipe flows of particulate slurrie.Argonne National Laboratory Report[R].1988:88-105.

［2］Ahuja A S.Augmentation of heat transport in laminar flow of polystyrene suspension I: experiments and results[J].Journal Application Physics,1975,46:3408-3416.

［3］Choi S U S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles [J ] . Asum Ped ,1995 ,231 (66) :99-103.

［4］王補(bǔ)宣，李春輝，彭曉峰．納米顆粒懸浮液穩(wěn)定性分析[J]．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，11（2）：167-173.

［5］王厚華，周根明，李新禹.傳熱學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2006．

［6］謝華清,陳立飛.納米流體對流換熱系數(shù)增大機(jī)理[J].物理學(xué)報(bào),2009(4):2513-2517．

Study on the Enhanced Heat Transfer of Aqueous Al2O3Two-phase Fluid Flow

（Guizhou Coal Mine Design Institute，Guizhou Guiyang 550025，China）

Solid particles are added to the traditional heat transfer medium to form the solid - liquid two-phase fluid which is a new type of enhanced heat transfer medium. In this paper, a small horizontal straight tube heating furnace test device was designed, and aqueous Al2O3two-phase fluid with particle size of 60 nm, 150 nm, 55 μm and mass fraction of 1% was used as the heat transfer medium. Under the flow rate of 7,8,9 L/min and temperature of 80,100,120, 140 ℃, the data of the heating pipe inner-wall and outer-wall temperature,inlet and outlet fluid temperature were collected and analyzed by computer. The results show that: solid-liquid two-phase flow fluid enhanced heat transfer effect can be affected by particle size, fluid flow rate and furnace temperature.

Aqueous Al2O3two-phase fluid; Enhanced heat transfer coefficient; Particle size; Flow velocity; Furnace temperature

TK 172

A

1671-0460（2014）06-0978-03

2014-04-10

王榮軍，男，貴州興義人，助理工程師，碩士，2012年畢業(yè)于蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，研究方向：從事環(huán)保技術(shù)工作。E-mail：wangrj09@lzu.edu.cn。