潘繼仁+++李國(guó)祥

摘 要：采用對(duì)照試驗(yàn)法探索CU水納米流體傳熱的特性。納米流體強(qiáng)化傳熱的主要原因除了在液體中添加納米粒子，增加了液體的熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)外，粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面間的相互作用及碰撞，也使傳熱增強(qiáng)，而且由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)，其行為接近于液體分子，不會(huì)像毫米或微米級(jí)粒子易產(chǎn)生磨損或堵塞等不良結(jié)果。[1]納米粒子的濃度不同導(dǎo)致流體內(nèi)粒子數(shù)不同，粒子與粒子間相互作用增強(qiáng)，從而使換熱增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：納米流體；對(duì)比試驗(yàn)；強(qiáng)化換熱

1 概述

納米流體是指以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或者金屬氧化物粒子，形成一類(lèi)新的傳熱工質(zhì)。作為一種高效的熱交換介質(zhì)，納米流體是一個(gè)具有重大研究?jī)r(jià)值的領(lǐng)域。與在流體中添加毫米或微米級(jí)粒子相比，納米流體在強(qiáng)化換熱方面有著更大的前景。

此次實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證Cu水納米流體具有高效導(dǎo)熱性能，證明其在大型空調(diào)設(shè)備中有應(yīng)用的可能。在空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)制冷機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)而吸熱，當(dāng)通入蒸發(fā)器內(nèi)冷水即很快在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行熱量交換，熱量被制冷劑吸收，溫度下降成為冷凍水。然后冷凍水再通過(guò)空調(diào)設(shè)備中的表冷器與被處理的空氣進(jìn)行熱交換，使空氣溫度降低。而在這一種制冷循環(huán)和熱量交換過(guò)程中，其冷量的這種遠(yuǎn)距離的傳遞而達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)中空氣降溫要求，必須有水和空氣為冷媒。冷媒在冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，用于傳遞熱量，產(chǎn)生冷凍效果，是一種中間物質(zhì)。在實(shí)際系統(tǒng)之中，冷媒先接受制冷劑冷量而降溫，再去冷卻其他的被冷卻物質(zhì)，其導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。[2]

2 納米流體換熱性能實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖1所示，納米流體的傳熱換熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置是一個(gè)流動(dòng)的循環(huán)系統(tǒng)，它是由熱源水箱、水泵、管路、冷卻水箱、散熱器等實(shí)驗(yàn)要素組成。

本次實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證Cu水納米流體較水具有更好的導(dǎo)熱性能。

熱源水箱和冷源水箱用來(lái)儲(chǔ)放并觀(guān)測(cè)納米流體在試驗(yàn)中的懸浮情況；散熱器是一個(gè)可調(diào)節(jié)風(fēng)扇，用于保持對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)冷卻水箱持續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)冷；主流路中的兩個(gè)小泵浦保證系統(tǒng)處于一個(gè)流動(dòng)循環(huán)狀態(tài)。

小組成員實(shí)驗(yàn)前搭建了器材，將兩個(gè)水箱分別設(shè)置為冷卻水箱和熱源水箱，將恒溫加熱器固定于熱源水箱內(nèi)，且設(shè)置好實(shí)驗(yàn)所需溫度（32℃）。

在泵浦上分別連接進(jìn)水管與出水管，進(jìn)水管連接熱源水箱，出水管連接冷卻水箱。用一根長(zhǎng)水管連接熱源水箱與冷卻水箱。在泵浦出水管與長(zhǎng)水管上分別用膠布黏貼固定工業(yè)溫度計(jì)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，保持通風(fēng)狀態(tài)，測(cè)量環(huán)境溫度（12℃）。

對(duì)照組：將水倒入兩個(gè)水箱之中，并且接通加熱器與泵浦電源。開(kāi)啟泵浦，讓系統(tǒng)中的水處于穩(wěn)定流速的流動(dòng)狀態(tài)。開(kāi)啟恒溫加熱器，讓加熱器加熱使熱源水箱溫度升高直至穩(wěn)定。將風(fēng)扇置于冷卻水箱處，開(kāi)啟風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的風(fēng)冷。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，觀(guān)察兩根工業(yè)溫度計(jì)的讀數(shù)，當(dāng)溫度計(jì)中水銀液位穩(wěn)定時(shí)，讀取示數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)組：將水倒入兩個(gè)水箱之中，在熱源水箱中投入相應(yīng)量的納米Cu粉，配成Cu納米懸浮液，加入一定量分散劑（0.07%SDBS），其余實(shí)驗(yàn)步驟與對(duì)照組相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 導(dǎo)熱效率

實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的水-Cu納米流體在相同的循環(huán)系統(tǒng)中，以同樣的流速下的散熱溫差。

冷卻水箱裝水：6L、熱源水箱裝水：6L、環(huán)境溫度：12℃、電加熱恒溫器設(shè)置溫度：32℃

實(shí)驗(yàn)組1不加入納米銅，為對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組2加入了25g納米銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%）、實(shí)驗(yàn)組3加入了50g納米銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%）、實(shí)驗(yàn)組4加入了75g納米銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%）、實(shí)驗(yàn)組5加入了100g納米銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%）。對(duì)照組的導(dǎo)熱介質(zhì)為水，實(shí)驗(yàn)組是加了納米銅的導(dǎo)熱介質(zhì)。

Cu納米流體與水導(dǎo)熱性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表

在恒溫加熱器的作用下，同一溫度熱源水箱中的水流經(jīng)冷卻器之后，由于冷卻介質(zhì)的不同，冷卻效果不一樣。冷卻器進(jìn)出口的工業(yè)溫度計(jì)的溫差來(lái)反映了冷卻效果的好壞。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格中可以看出，在液體中添加納米粒子增大了液體的導(dǎo)熱系數(shù)，Cu水納米流體具有更好的導(dǎo)熱性能，Cu水納米流體實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過(guò)冷卻器后進(jìn)出口溫度計(jì)的溫差更大，即冷卻效率更高。例如，在水中添加了75g的納米銅之后（0.6%納米銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與對(duì)照組相比，效率提高了。

3.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2展示了Cu-水納米流體實(shí)驗(yàn)溫差隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。從實(shí)驗(yàn)折線(xiàn)圖中發(fā)現(xiàn)，加入納米銅之后流體的導(dǎo)熱系數(shù)并不是隨著納米銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而一直增加。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，納米銅水流體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，導(dǎo)熱效率最佳，提升最為明顯。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米流體相對(duì)導(dǎo)熱效率較小。可能是因?yàn)榧{米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，導(dǎo)致納米流體的黏度過(guò)大，在流速比較低的情況下，導(dǎo)熱效率受限。并且在0.8%濃度下，納米顆粒相對(duì)于低濃度的納米流體，更易發(fā)生沉淀現(xiàn)象，會(huì)有部分納米顆粒沉積到水箱底部。

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)利用水，不同濃度的Cu-水納米流體對(duì)比了納米流體的導(dǎo)熱效率。實(shí)驗(yàn)中可能存在一定的誤差，由于小泵浦持續(xù)的運(yùn)行，電能轉(zhuǎn)為電能和熱能。小泵浦發(fā)熱影響到水箱中水的溫度，從而影響溫度計(jì)的示數(shù)。

經(jīng)過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，證明了Cu水納米流體較水而言的確有更好的導(dǎo)熱性能，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問(wèn)題。

（1）冷媒在冷凍循環(huán)系統(tǒng)中，冷媒應(yīng)只有物理變化，而無(wú)化學(xué)變化，不起分解作用。但是Cu水納米流體的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，納米銅遇氧易氧化。

（2）Cu水納米流體的分散穩(wěn)定性能。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)并不是完全封閉的，并且系統(tǒng)中的所有的納米銅不是一直在流動(dòng)的，納米膠體是含有固體粒子的多相體系，存在界面能作用[3]，因而是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系；粒子間有相互團(tuán)聚而降低其界面能作用，因而是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，會(huì)有部分的納米銅聚集，沉積在角落。

納米銅的確能提高導(dǎo)熱效率，在大型空調(diào)設(shè)備中有應(yīng)用的潛力，但在實(shí)際方面運(yùn)用方面，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]宣益民，李強(qiáng).納米流體強(qiáng)化換熱研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，

2000，21（4）：466-470.

[2]冷媒水和冷卻系統(tǒng)[EB/OL].互聯(lián)網(wǎng)，2012-2-10.

[3]林 ，方利國(guó).納米流體強(qiáng)化換熱技術(shù)及其應(yīng)用新進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008（4）：488-494.