孫 斌 左瑞良 楊 迪

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

納米流體在板式換熱器中傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

孫 斌*左瑞良 楊 迪

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

實(shí)驗(yàn)使用平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3和Al2O3納米顆粒制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，通過測(cè)量不同納米流體的溫度、流量及壓力等相關(guān)參數(shù)，計(jì)算各流體在不同雷諾數(shù)下的對(duì)流換熱系數(shù)和相應(yīng)的熵產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Cu-水納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)相比去離子水增加的最多，F(xiàn)e2O3-水次之， Al2O3-水最少；系統(tǒng)熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關(guān)系類似拋物線，存在最小熵產(chǎn)。

板式換熱器 納米流體 對(duì)流換熱系數(shù) 熵產(chǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源問題的日益突出，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已很難滿足高傳熱強(qiáng)度、微系統(tǒng)散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求。眾所周知，懸浮有固體顆粒的兩相流體的換熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單相流體，然而兩相流體缺乏穩(wěn)定性，容易發(fā)生沉積、堵塞及磨損等不良現(xiàn)象，限制了它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。1995年，Choi S提出納米流體的概念，這種流體是以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物顆粒，形成的一類新型傳熱介質(zhì)[1]。

近些年，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究納米流體在換熱器中的傳熱特性，如朱建軍等測(cè)量了水平微細(xì)圓管內(nèi)蒸餾水和不同質(zhì)量濃度的多壁碳納米管納米流體在低雷諾數(shù)下的強(qiáng)制對(duì)流換熱特性[2]。李金凱等采用瞬態(tài)熱線法測(cè)量了SiO2和SiO2-乙二醇兩種納米流體在不同體積分?jǐn)?shù)和溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，分析研究了納米SiO2體積含量、溫度和懸浮穩(wěn)定性對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響[3]。研究發(fā)現(xiàn)將碳納米管(CNT)[4]、A12O3[5]及CuO[6]等納米顆粒加入水、醇、油之后，傳熱系數(shù)較原基液有了明顯提高。宮玉英等利用兩步法制備了體積分?jǐn)?shù)為0.2%～2.0%的SiO2-水納米流體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SiO2-水納米流體在熱管內(nèi)具有良好的等溫性能[7]。韓建荒等在對(duì)大型翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD和數(shù)值傳熱學(xué)方法建立了翅片管式換熱器內(nèi)部流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型，得到了其內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律[8]。倪振偉等提出以換熱器的總熵增率作為換熱器的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[9,10]。余敏等分析了換熱器特性參數(shù)與熱力性能熵產(chǎn)[11]。林紅良等揭示了換熱器能耗產(chǎn)生的原因，確定了最佳的熱力參數(shù)匹配[12]。柳雄斌等以“僅以傳遞熱量為目的”和“參與不可逆布雷頓循環(huán)”的逆流換熱器為例，比較了熵產(chǎn)極值準(zhǔn)則和火積耗散極值準(zhǔn)則在換熱器參數(shù)優(yōu)化問題中的適用性[13]。對(duì)參與熱功轉(zhuǎn)換的換熱器，換熱器的熱力學(xué)優(yōu)化準(zhǔn)則取為熵產(chǎn)極值較好。

本課題組將高效傳熱工質(zhì)——納米流體和高效傳熱設(shè)備——板式換熱器整合到一個(gè)傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)流體的對(duì)流換熱特性進(jìn)行研究并計(jì)算板式換熱器的熵產(chǎn)，希望能找到納米流體最經(jīng)濟(jì)適用的應(yīng)用途徑，獲得換熱器能效最高的工況，促進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)的深入開展。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

納米流體流動(dòng)與對(duì)流換熱性能的測(cè)試一般采用穩(wěn)態(tài)法，實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，主要由儲(chǔ)液裝置、循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)、加熱裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、冷卻系統(tǒng)及換熱器等組成(圖1)。實(shí)驗(yàn)主要由兩條循環(huán)回路完成，冷水回路：儲(chǔ)液罐中的納米流體→泵1→流量控制閥→板式換熱器→流量計(jì)→冷卻水箱→儲(chǔ)液罐。熱水回路：熱水箱→泵2→板式換熱器→熱水箱。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

儲(chǔ)液罐由有機(jī)玻璃制成，用來儲(chǔ)存納米流體，同時(shí)方便觀察實(shí)驗(yàn)中納米顆粒的懸浮狀態(tài)。從冷卻水箱進(jìn)口流入冷卻用水，并將冷卻銅管呈蛇形布置，以便充分冷卻，維持恒定的納米流體入口溫度。主流路中的閘閥用作總開關(guān)。流量控制閥用于控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中納米流體的流量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的連接管路均為內(nèi)徑10mm、壁厚1mm的紫銅管。為了消除沿管壁軸向的傳導(dǎo)熱損失，銅管進(jìn)出端皆用塑料套管與管路相連，并在連接處用密封膠密封；為了消除熱量向環(huán)境擴(kuò)散，銅管外套黑色橡膠保溫管并包裹鋁箔膠帶。為了消除入口效應(yīng)的影響，使實(shí)驗(yàn)管內(nèi)納米流體處于充分發(fā)展區(qū)，在換熱器冷進(jìn)入口前300mm處增設(shè)一個(gè)長(zhǎng)200mm的預(yù)熱段，預(yù)熱段管壁外以螺旋狀均勻纏繞帶有絕緣瓷碗的鎳鉻電阻絲，電阻絲直徑為1.2mm，通直流電對(duì)管內(nèi)納米流體進(jìn)行加熱。為防止高溫發(fā)生意外，在電阻絲外包裹耐火材料；在管壁外層包裹硅酸鋁保溫材料和鋁箔膠帶，防止熱量散失并起保溫、絕緣作用。預(yù)熱段中，緊貼管壁安裝溫控器，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定溫度的上、下限，實(shí)現(xiàn)智能溫度控制，預(yù)熱段剖面圖如圖2所示。

圖2 預(yù)熱段剖面圖

實(shí)驗(yàn)段安裝8個(gè)Pt100熱電阻，分別測(cè)量換熱器冷進(jìn)、冷出、熱進(jìn)、熱出和管壁溫度。熱水箱內(nèi)有電加熱棒，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的熱源；冷卻水箱內(nèi)有循環(huán)冷卻水，用于保持納米流體入口溫度恒定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

釬焊板式換熱器購于廣州熱爾熱工設(shè)備有限公司，型號(hào)為BRQ035-20，參數(shù)如下：

換熱面積 0.7m2

換熱片數(shù) 20

板片材料 304不銹鋼

質(zhì)量 4.2kg

板片厚度 0.6mm

工作壓力 3.0MPa

板間距 2mm

1.2實(shí)驗(yàn)流程

組建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，集備平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3、Al2O3納米顆粒和去離子水，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氣密性檢測(cè)與校核；用兩步法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，攪拌30min，超聲波震蕩60min；為熱水箱中的加熱棒通電，同時(shí)打開與之相連的溫控器，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水箱溫度；待熱水升至設(shè)定溫度后，啟動(dòng)冷卻水系統(tǒng)，檢查各管道閥門；實(shí)驗(yàn)階段，啟動(dòng)泵1、2，同時(shí)啟動(dòng)預(yù)熱裝置，待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力及流量等穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)，然后改變流量，測(cè)量同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的流體在不同流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重復(fù)此過程；為將實(shí)驗(yàn)誤差控制在允許范圍內(nèi)，避免各組實(shí)驗(yàn)相互影響，在更換不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)使用去離子水沖洗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，再用打氣筒將去離子水打出，多次操作，并再次檢查氣密性；最終進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置校核

在實(shí)驗(yàn)開始之前，應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證裝置的精確度。裝置校核方法是測(cè)量去離子水在湍流狀態(tài)下的管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Dittus-Boelter實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較。將去離子水在湍流狀態(tài)下所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)用理論公式(Nu=0.38Re0.8Pr0.3)所得的結(jié)果進(jìn)行比較，由圖3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有較好的吻合度，誤差較小，總體誤差基本控制在4%左右，實(shí)驗(yàn)裝置精度要求合格。

圖3 純水實(shí)驗(yàn)值與Dittus-Boelter公式計(jì)算值比較

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1對(duì)流換熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式即牛頓冷卻公式：

q=h×(tw-tnf)

式中h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

q——實(shí)驗(yàn)段的平均熱流密度，W/m2；

tw——管壁溫度，℃；

tnf——納米流體溫度，℃。

其中：

q=Q/S

Q=Cnf×qm×ΔT

ΔT=Th,in-Th,out

式中Cp——納米顆粒的比熱容，J/(kg·℃)；

Cbf——基液的比熱容，J/(kg·℃)；

Cnf——納米流體的比熱容，J/(kg·℃)；

Q——實(shí)驗(yàn)段的加熱平均熱流量，W；

S——實(shí)驗(yàn)段有效換熱面積，m2；

Th，in——換熱器熱進(jìn)溫度，℃；

Th，out——換熱器熱出溫度，℃；

ρp——納米顆粒的密度，kg/m3；

ρbf——基液的密度，kg/m3；

φ——納米流體的濃度。

水的比熱容比納米顆粒的比熱容大，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米流體整體的比熱容呈減小趨勢(shì)。納米流體的平均質(zhì)量流量qm為：

qm=qv×ρnf

ρnf=(1-φ)ρbf+φρp

式中qv——納米流體的體積流量，m3/h；

ρnf——納米流體的密度，kg/m3。

由于納米顆粒的體積通常難以精確測(cè)定，因此納米流體中的粒子體積份額可根據(jù)粒子的質(zhì)量百分比計(jì)算，即：

式中ω——納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中Tc，in——換熱器冷進(jìn)溫度，℃；

Tc，out——換熱器冷出溫度，℃。

一定尺寸的納米流體，其導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算式為：

式中CB——Boltzmann常數(shù)，取1.38066×10-23J/K；

dp——納米顆粒的平均粒徑，m；

Kbf——基液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Knf——納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Kp——納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Pr——基液的普朗特?cái)?shù)；

Red——納米顆粒的雷諾數(shù)；

vb——納米顆粒的布朗速度，m/s；

μbf——基液的運(yùn)動(dòng)粘度，Pa·s。

2.2熵產(chǎn)

換熱器中的總熵產(chǎn)Sgen，T由兩部分組成：

Sgen,T=Sgen,t+Sgen,f

其中：

f=[0.79·ln(Re)-1.64]-2

式中f——系統(tǒng)的摩擦因子；

Sgen，t——由溫差引起的熵產(chǎn)，W/K；

Sgen，f——由流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)，W/K；

Tave——換熱器進(jìn)口與入口的平均溫度，℃；

Nu——納米流體的努塞爾數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1對(duì)流換熱系數(shù)

流體的對(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)宏觀的物理量，用來描述流體在流過溫度不同的固體表面時(shí)的換熱能力。以一組去離子水實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系(圖4)和相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系(圖5)。

由圖4、5可知，與去離子水相比，加入納米顆粒后流體的對(duì)流換熱系數(shù)有所提高，比較同種納米顆粒流體，對(duì)流換熱系數(shù)隨納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；比較不同納米顆粒流體，就對(duì)流換熱系數(shù)而言，Cu-水納米流體增加的最多，F(xiàn)e2O3-水次之，Al2O3-水最少。表2列出了納米流體對(duì)流換熱系數(shù)的增長(zhǎng)情況。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

圖5 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

表2 納米流體對(duì)流換熱系數(shù)增長(zhǎng)率

3.2熵產(chǎn)

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算換熱器的總熵產(chǎn)，得到換熱器總熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知換熱器對(duì)流換熱過程的總熵產(chǎn)隨管內(nèi)納米流體雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系：換熱器的熵產(chǎn)圖總體類似拋物線，且總熵產(chǎn)隨著Re的增大，先減小后增大，都存在一個(gè)Re對(duì)應(yīng)著最小的熵產(chǎn)，即最小的不可逆損失。究其原因可知，在低Re下，溫差引起的熵產(chǎn)的影響大于流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)；而在高Re下，則是流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)占主導(dǎo)地位。換熱器是不可逆損失較為集中的熱力系統(tǒng)，強(qiáng)化傳熱的過程能使傳熱效能提高，減小溫差引起的熵產(chǎn)，同時(shí)會(huì)使流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)增加，因此應(yīng)考慮系統(tǒng)的總熵產(chǎn)，比較強(qiáng)化傳熱前后的總熵產(chǎn)，如果強(qiáng)化傳熱后總熵產(chǎn)減小，則才算達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

圖6 換熱器總熵產(chǎn)與雷諾數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

筆者用兩步法制備3種納米流體，通過實(shí)驗(yàn)研究了納米顆粒種類、濃度對(duì)納米流體在板式換熱器中對(duì)流換熱特性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)納米顆粒種類相同時(shí)，納米顆粒的濃度對(duì)納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)影響較大，隨著濃度的增加，不同種類的納米流體的傳熱系數(shù)均有增加；當(dāng)納米顆粒的濃度相同時(shí)，相比去離子水來說，Cu-水納米流體的傳熱系數(shù)增加最多，F(xiàn)e2O3-水次之，Al2O3-水最少。通過對(duì)納米流體在板式換熱器中的熵產(chǎn)的研究發(fā)現(xiàn)：在低Re下，溫差引起的熵產(chǎn)的影響大于流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)；而在高Re下，則是流動(dòng)阻力引起的熵產(chǎn)占主導(dǎo)地位。

[1] Choi S.Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles[J].ASME-Publications-Fed，1995，231(66)： 99～106.

[2] 朱建軍，王建立，李震，等.微細(xì)管碳納米管懸浮液強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(7)：1211～1214.

[3] 李金凱，趙蔚琳，劉宗明，等.氧化硅納米流體的導(dǎo)熱性能研究[J].化工機(jī)械，2010，37(4)：405～408，417.

[4] Kumaresan V，Mohaideen Abdul Khader S，Karthikeyan S，et al.Convective Heat Transfer Characteristics of CNT Nanofluids in a Tubular Heat Exchanger of Various Lengths for Energy Efficient Cooling/Heating System[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，60：413～421.

[5] Aly W I A.Numerical Study on Turbulent Heat Transfer and Pressure Drop of Nanofluid in Coiled Tube-in-Tube Heat Exchangers[J].Energy Conversion and Management，2014，79：304～316.

[6] Sarafraz M M，Hormozi F.Convective Boiling and Particulate Fouling of Stabilized CuO-ethylene Glycol Nanofluids Inside the Annular Heat Exchanger[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2014，53：116～123.

[7] 宮玉英，趙蔚琳，朱保杰，等.SiO2-水納米流體熱管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2013，40(3)： 302～305，405.

[8] 韓建荒，劉揚(yáng)，李君書，等.翅片管式換熱器傳熱與流場(chǎng)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2013，40(3)：347～350，392.

[9] 倪振偉，焦芝林.換熱器的熵增計(jì)算法與總熵增率[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1988，9(1)：4～6.

[10] 倪振偉.換熱器的熱力學(xué)第二定律分析與評(píng)價(jià)方法[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1985，6(4)：311～314.

[11] 余敏，馬俊杰，楊茉，等.換熱器特性參數(shù)與熱力性能熵產(chǎn)分析[J].熱能動(dòng)力工程，2007，22(4)：399～403，67～68.

[12] 林紅良，李志，祝廣場(chǎng).換熱器熵產(chǎn)分析[J].船電技術(shù)，2012，32(z1)：35～37，41.

[13] 柳雄斌，孟繼安，過增元.換熱器參數(shù)優(yōu)化中的熵產(chǎn)極值和火積耗散極值[J].科學(xué)通報(bào)，2008，53(24)：3026～3029.

ExperimentalStudyonHeat-transferCharacteristicsofNanofluidsinPlateHeatExchangers

SUN Bin, ZUO Rui-liang, YANG Di
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

In experiments, the 50nm-sized nanoparticles (Cu, Fe2O3and Al2O3) were adopted to prepare the nanofluid which boasting of 0.1%, 0.3% and 0.5% mass fractions respectively; and through measuring related parameters like the temperature, flow rate and the pressure of different nanofluids, their convective heat transfer coefficient and corresponding entropy production under different Reynolds numbers were calculated. The experimental results show that, as compared to the deionized water, the Cu-water nanofluid has the highest convective heat transfer coefficient, then comes to Fe2O3- water nanofluid and Al2O3- water nanofluid in turn; and the system entropy production behaves in a parabola with the change of Reynolds numbers.A minimum entropy production can be seen there.

plate heat exchanger, nanofluid, convective heat transfer coefficient, entropy production

* 孫 斌，男，1972年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)02-0148-06

2015-03-16，

2016-03-10)