楊 旭，田 宇，鄧 偉

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 物理學(xué)院，廣西 南寧 530004）

當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展能源所起的作用日益明顯，對(duì)能源的高效利用和對(duì)傳統(tǒng)能源的迭代升級(jí)已經(jīng)成為了時(shí)代進(jìn)步不可回避的一個(gè)主題。由于工業(yè)工藝和經(jīng)濟(jì)效益的影響，對(duì)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)較為成熟的階段，因此尋求熱物性更好的新型冷卻液成為了一種較為合理有效的改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的手段。納米流體這個(gè)概念第一次由美國(guó)人Choi[1]在1995年提出。相對(duì)于毫米和微米級(jí)別粒子的流體，納米流體呈現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，更高的熱導(dǎo)率，在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的壓降也更小[2]。本文正是以此思路配置了新型納米粒子冷卻液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期得到更好傳熱性能的穩(wěn)定冷卻液，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化提供一種可能。

1 石墨烯納米冷卻液的制備

常用的制備納米流體方法為一步法和兩步法。兩步法第一道工序是制作納米粒子，第二道工序是利用超聲波震蕩、高速攪拌等方法將粒子粉末分散進(jìn)入基液中。相比于一步法，制備的粒子有較小的體積和較大的表面積[3]，因此本文采用了兩步法來(lái)制備溶液。

配置溶液時(shí)，先將配置一定重量的50%乙二醇-水溶液作為基液，然后用電子天平稱出定量的石墨烯粉末加入基液中。添加了十二烷基硫酸鈉（SDS）作為表面活性劑來(lái)增加溶液的穩(wěn)定性，納米顆粒與分散劑的質(zhì)量比為1∶1.同時(shí)添加了少量型號(hào)為DA-10的水性快速消泡劑。用分散機(jī)以2 000 r/min的高速進(jìn)行快速攪拌半個(gè)小時(shí)，然后用超聲波振蕩儀進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的超聲波震蕩。實(shí)驗(yàn)用溶液均以此法配制，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%和0.4wt%.

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝置可以分為試驗(yàn)臺(tái)架（循環(huán)泵、水箱、流量計(jì)、散熱器）、溫度記錄裝置（熱電偶、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等）、一些配制溶液的準(zhǔn)備和輔助裝置及材料（電子天平、分散機(jī)、超聲波振蕩儀等）。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)步驟為（1）配置溶液：將配好的50%乙二醇-水溶液加入用電子天平稱量好的石墨烯粉末和分散劑粉末，滴入少量消泡劑，用分散機(jī)將溶液高速攪拌半小時(shí)，放入超聲波振蕩儀震蕩一小時(shí)，分批存入桶中備用；（2）加熱溶液：將溶液倒入水箱中，利用加熱電阻進(jìn)行加熱接近所需的入口溫度，打開(kāi)水泵、風(fēng)扇，再加熱狀態(tài)下調(diào)節(jié)加熱電阻數(shù)量和功率直至管路內(nèi)循環(huán)的溶液能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持所需入口溫度；（3）記錄數(shù)據(jù)：利用溫度記錄裝置記錄不同特定入口溫度下壁面、出口溫度，從流量計(jì)中記錄流量和壓降，再換下一個(gè)流量重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（4）重復(fù)試驗(yàn)：確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在誤差不大的范圍，多組數(shù)據(jù)取其平均值。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

依據(jù)牛頓冷卻定律：

式中，Q代表溶液的傳熱量；A代表?yè)Q熱器上一根管道的換熱表面積；Tb代表納米粒子冷卻液的平均溫度；Tw代表?yè)Q熱器壁面的平均溫度?？捎上旅鎯蓚€(gè)計(jì)算式求得：

傳熱量還可以由定義式得到

式中，m˙代表實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)換熱器的質(zhì)量流量；Tin代表?yè)Q熱器進(jìn)口處流體的溫度；Tout代表?yè)Q熱器出口處流體的溫度；Cp代表溶液的比熱容。

由于公式（1）和（4）中的傳熱量Q相同可以得到

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性，用50%的乙二醇溶液，在流量0.6～1.2 m2/h、入口溫度75℃的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到流動(dòng)管道中溶液的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式和定義式計(jì)算出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比如圖2.

圖2 實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)公式努塞爾數(shù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他學(xué)者得到的經(jīng)驗(yàn)公式基本吻合，50%乙二醇溶液在0.96的流量下誤差最大達(dá)到13.8%，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)裝置有較好的可靠性。

圖3展示了85℃時(shí)流速對(duì)石墨烯納米流體傳熱系數(shù)的影響。需要說(shuō)明的是由于管徑不變，流量增加流速也相應(yīng)增加，流量與流速呈線性關(guān)系，表達(dá)的趨勢(shì)相同，所以為了方便做圖橫坐標(biāo)均采用了流量。

圖3 流速對(duì)石墨烯納米流體傳熱系數(shù)的影響

如圖中所示流量變大，即納米粒子流體的流速加快，對(duì)流換熱系數(shù)增大。也可由公式（5）得知隨著流量的變化和對(duì)流換熱系數(shù)成正相關(guān)。隨著流量從0.6 m3/h到1.2 m3/h逐漸增大，在入口溫度85℃的狀態(tài)下0.1 wt%的納米粒子溶液對(duì)流換熱系數(shù)比基液提高了7.2%～14.3%，流量越大提升的幅度也相應(yīng)的越大。在此溫度下隨著石墨烯濃度由0.1 wt%增大到0.4wt%，對(duì)流換熱系數(shù)增加的幅度略小于各個(gè)濃度對(duì)純基液的提高幅度，為4%～9.2%，且增大的幅度隨著流量的增加也越來(lái)越大。

圖4顯示了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同流速、入口溫度的試驗(yàn)中對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響。在入口溫度75℃時(shí)，所有流量下對(duì)流換熱系數(shù)均隨著石墨烯納米粒子濃度的增大而增大。質(zhì)量濃度0.1wt%溶液的對(duì)流換熱系數(shù)在0.6～1.2 m3/h的流量變化中，相對(duì)基液的對(duì)流換熱系數(shù)增加了6%～13%.而開(kāi)始添加入石墨烯納米粒子后，每增加0.1wt%粒子濃度所帶來(lái)的傳熱系數(shù)增大收益開(kāi)始變小，比如質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4wt%的溶液相比0.3wt%的溶液對(duì)流傳熱系數(shù)的增幅為4.6%～11%.

圖4 粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)溶液傳熱系數(shù)的影響

圖5比較了流量1.2 m3/h時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)在不同石墨烯納米粒子濃度和不同入口溫度條件下的大小變化。在不同流速下，隨著入口溫度的增大，換熱系數(shù)均相應(yīng)變大。例如在流量1.2 m3/h、粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1 wt%時(shí)，隨著入口溫度的增大傳熱系數(shù)相應(yīng)的增大。80℃相比75℃以及85℃相比80℃，對(duì)流傳熱系數(shù)分別增加了9%和8.2%，且變化近似成線性關(guān)系。在75℃、80℃和85℃條件下，0.1wt%的溶液相比于基液分別提升了11%、16%、24%，說(shuō)明在高溫條件下，石墨烯粒子對(duì)溶液對(duì)流換熱系數(shù)的提升更大。

圖5 入口溫度對(duì)溶液傳熱系數(shù)的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同粒子濃度的石墨烯-50%乙二醇水溶液納米流體在汽車散熱器中的傳熱性能，得到以下結(jié)論：

（1）向基液中添加石墨烯納米顆粒能提高冷卻液的傳熱性能。例如在75℃、石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt%、管內(nèi)流量1.2 m3/h時(shí)，溶液的傳熱系數(shù)比純基液提高了13%；

（2）隨著溫度升高，溶液的傳熱系數(shù)也相應(yīng)提高。例如1.2 m3/h、粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1wt%時(shí)，85℃納米粒子溶液的傳熱系數(shù)比80℃時(shí)提高了8.2%.另外溫度越高石墨烯粒子的加入對(duì)溶液傳熱性能的提升越大；

（3）隨著流量增大，溶液的對(duì)流傳熱系數(shù)增大。例如在85℃、0.1wt%的條件下，流量1.2 m3/h溶液的對(duì)流傳熱系數(shù)比0.6 m3/h提高了14.3%.