納米流體換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

1、納米流體換熱特性實(shí)驗(yàn)研究摘要：為了研究納米流體的換熱特性，依據(jù)納米流體換 熱理論，研制了納米流體換熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，介紹了該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的 設(shè)計(jì)方案和主要構(gòu)成。對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并 進(jìn)行了納米流體的換熱特性測(cè)定的實(shí)驗(yàn)。繪制了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖 表，進(jìn)行了相關(guān)的分析，得出相應(yīng)結(jié)論與理論實(shí)際相符合，證 明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，可為納米流體換熱特性的研究提供可 靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)臺(tái)；納米流體；換熱特性doi： 10.15938/j.jhust. 2018. 04. 009中圖分類號(hào)：tk124文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a文章編號(hào)：1007-2683 (2018) 04-0051-04abstract： in or

2、der to study the heat transfer characteristics of nanofluids, an experimental platfonn is built based on the theory of nanafluids heat exchange this paper is an attempt to introduce a design plan and major structure of the experimentalplatform. the accuracy of the experimental platfonn has been prov

3、ed and some experiments related to heat transfer characteristics of nanofluids were carried out. the charts of the experimental results are drawn, and relevant analysis is made to draw the corresponding conclusions the conclusions are in good agreement with the theoretical results and prove the corr

4、ectness of the experimental results, which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluidskeywords： experiment platform； nanofluids； heattransfer characteristics0引言20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著納米科學(xué)和技術(shù)的大力發(fā)展， 納米材料的變革為高效強(qiáng)化傳熱帶來(lái)了新的機(jī)遇，使得液-固 兩相強(qiáng)化傳熱再次成為工程熱物理域的發(fā)展方向1-2。納米 流體作為一種新

5、型的換熱工質(zhì)，目前被越來(lái)越多的應(yīng)用到強(qiáng)化 換熱技術(shù)領(lǐng)域3。近些年的實(shí)驗(yàn)研究表明在其他條件相同的 前提下，液體中納米粒子的添加明顯的增強(qiáng)了能量的擴(kuò)散過(guò)程, 進(jìn)一步證明了納米流體作為強(qiáng)化傳熱工質(zhì)是可行的4-5 o納米流體作為一種新興的換熱工質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)非常高，在換熱 領(lǐng)域具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿?-8 o為了研究納米流體的換熱特性，自行設(shè)計(jì)并搭建了納米流 體換熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)9-10 o并分別介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理、實(shí)驗(yàn)臺(tái) 系統(tǒng)的組成與實(shí)驗(yàn)步驟。同時(shí)還對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證， 并對(duì)四種不同濃度的cuo-乙二醇納米流體進(jìn)行了換熱特性測(cè) 定的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖并分析得出結(jié)論 11-12o1實(shí)驗(yàn)

6、臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建1. 1實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理本實(shí)驗(yàn)臺(tái)參考其它簡(jiǎn)易納米流體實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn) 行設(shè)計(jì)、修改和完善，來(lái)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的，并自主進(jìn)行搭建。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示。1.2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建所需的設(shè)備如表1所示。1. 3實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成及優(yōu)點(diǎn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由3部分構(gòu)成。首先將制備好的成品納米 流體溶液儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中，并與截止閥，泵和熱電偶相連構(gòu)成第1部分。第2部分為實(shí)驗(yàn)段，這一部分作用是測(cè)量納米流體 的換熱系數(shù)，也是本實(shí)驗(yàn)裝置中最為重要的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)段為長(zhǎng) 度1500mm,外徑15mm,內(nèi)徑lonrn的紫銅管，紫銅管外部為直 徑50mm的套管，并在兩管之間充滿乙二醇液體，套管被絕熱 材料包裹且兩端

7、由法蘭盤固定（中間有石棉網(wǎng)）。電源與加熱 裝置相連用來(lái)加熱實(shí)驗(yàn)段，并且在實(shí)驗(yàn)段添加了一個(gè)旁路。在 實(shí)驗(yàn)段還裝有2個(gè)精度為1工和1個(gè)精度為0.的熱電傳感器分別用來(lái)測(cè)量管壁和流體的溫度，在實(shí)驗(yàn)段的上方還裝有數(shù) 字微壓計(jì)以便測(cè)量進(jìn)出口的壓差。在第1部分和第2部分之間, 我們裝有調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)來(lái)控制和觀察流體的流速。第3部分 則是由熱交換器和冷卻箱構(gòu)成，主要是用來(lái)冷卻被加熱的納米 流體來(lái)使其溫度恢復(fù)到常溫。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比的優(yōu)點(diǎn)如下：1）在第1部分與第2部分之間添加了流量計(jì)，可以直接 觀測(cè)出流量的大小。2）在實(shí)驗(yàn)段的兩端安裝了數(shù)字微壓計(jì)來(lái)測(cè)量進(jìn)出口壓差。3）加熱部分由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的電阻絲改為套

8、管，使得加熱部分的受熱更加均勻，也更加貼近于實(shí)際工況。4）閥門1以及閥門2的存在可以更加方便的測(cè)量管壁的 溫度變化情況。5）旁路的添加有助于實(shí)驗(yàn)后的液體排放及回收。1.4實(shí)驗(yàn)步驟1）用兩步法制備所需濃度的納米流體，分散劑采用十二 烷基本磺酸鈉（sdbs） o2）在冷卻箱中加滿淡水。3）在中間層液體儲(chǔ)存槽中加入水直至溢口。4）加熱中間管層液體至80°co5）打開(kāi)納米流體循環(huán)水泵與中間層加熱液體水泵。6）待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，觀察并記錄數(shù)據(jù)。2實(shí)驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)確性驗(yàn)證為確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，先對(duì)純水的努塞爾數(shù)進(jìn)行了相 應(yīng)的測(cè)量。并將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與seidertate公式比較并進(jìn) 行校核。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)

9、據(jù)與公式中的曲線進(jìn)行比較，可知二者偏差在±3%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本文用兩步法制備了 4種不同濃度的cuo-乙二醇納米流 體用于實(shí)驗(yàn)。得到不同雷諾數(shù)下的換熱系數(shù)曲線關(guān)系如圖4所 不o由圖4可知，在雷諾數(shù)相同的情況下，當(dāng)納米流體濃度較 低時(shí)，其換熱系數(shù)較基液相比并沒(méi)有顯著提升。但隨著雷諾數(shù) 的增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的納米流體的換熱系數(shù)增加的幅度也較 大。實(shí)驗(yàn)段納米流體的進(jìn)出口壓差如圖5所示。在常溫下，隨著納米流體濃度的增大，壓差也隨之增大。 1.5%、0.80%、0.50%、0. 25%濃度的納米流體壓降與基液相比, 壓差分別增加了大概21.5%、18. 3%

10、. 8. 23%以及3.04%,而傳 熱系數(shù)則分別增大了 31.67%、27.60%、23. 18%和4. 56%。由于 納米流體濃度的增大導(dǎo)致壓差的增大，代表沿程阻力也進(jìn)一步 增大，而濃度過(guò)低的納米流體又無(wú)法達(dá)到理想的換熱效果。綜 上所述，可知在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)的綜合效果最佳。根據(jù)不同雷諾數(shù)和濃度的納米流體與管壁溫度關(guān)系可得圖雖然在納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低時(shí)，對(duì)管壁的溫度影響 不明顯。但是當(dāng)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，對(duì)管壁溫度的影 響還是十分顯著的。進(jìn)一步研究納米流體的換熱特性（re=2000），得出了實(shí) 驗(yàn)段管內(nèi)不同位置處的換熱系數(shù)。結(jié)果如圖7所示。由上圖可知，當(dāng)re=2000時(shí)，隨

11、著位置的深入納米流體的 換熱系數(shù)逐漸減小。并且由于布朗運(yùn)動(dòng)的作用，納米流體在實(shí) 驗(yàn)段入口處的換熱系數(shù)要比其他區(qū)域大很多。同時(shí)還制作了實(shí)驗(yàn)段位置與努塞爾數(shù)的曲線關(guān)系圖，如圖 8所示。由圖8可見(jiàn)，常溫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的納米流體對(duì)換熱系數(shù) 的影響并不明顯，但隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大努塞爾數(shù)也 逐漸增大。4結(jié)論本文如何研究納米流體的換熱特性，自主搭建了納米流體 換熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)組成及優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì) 純水的努塞爾數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定并與經(jīng)驗(yàn)公式相比較，實(shí)驗(yàn)臺(tái)誤差 小于±3%,完全符合研究納米流體換熱特性的要求。對(duì)4種不同濃度的cuo-乙二醇納米流體進(jìn)行了換熱特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)，綜 合分析并得

12、出了以下結(jié)論。1) 在基液中添加cuo納米顆粒可使流體的換熱效果得到 顯著提升，而且隨著雷諾數(shù)的增大，納米流體的換熱系數(shù)也隨 之增大；2) cuo-乙二醇納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大使得管壁溫度降 低幅度愈發(fā)明顯，同時(shí)換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也有明顯增加；3) 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體，壓降隨著雷諾數(shù)的增大而 增大。上述結(jié)論與理論分析相符，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，并 可為納米流體換熱特性的研究提供重要的依據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 ashrafmansouri seyedehsaba, esfahany mohsen nasemasstransfer in nanofluids： a reviewj. interna

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