李九如 楊獻亮 陳巨輝
摘 要：為了研究納米流體的換熱特性，依據納米流體換熱理論，研製了納米流體換熱特性實驗台，介紹了該實驗台的設計方案和主要構成。對實驗台的準確性進行了實驗驗證，並進行了納米流體的換熱特性測定的實驗。繪製了實驗結果的圖表，進行了相關的分析，得出相應結論與理論實際相符合，證明了實驗結果的正確性，可為納米流體換熱特性的研究提供可靠的依據。
關鍵詞：實驗台；納米流體；換熱特性
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.009
中圖分類號： TK124
文獻標誌碼： A
文章編號： 1007-2683（2018）04-0051-04
Abstract：In order to study the heat transfer characteristics of nanofluids， an experimental platform 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 experimental platform. The accuracy of the experimental platform has been proved 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 correctness of the experimental results， which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluids.
Keywords：experiment platform；nanofluids；heat transfer characteristics
0 引 言
20世紀80年代以來，隨著納米科學和技術的大力發展，納米材料的變革為高效強化傳熱帶來了新的機遇，使得液-固兩相強化傳熱再次成為工程熱物理領域的發展方向[1-2]。納米流體作為一種新型的換熱工質，目前被越來越多的應用到強化換熱技術領域[3]。近些年的實驗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了能量的擴散過程，進一步證明了納米流體作為強化傳熱工質是可行的[4-5]。納米流體作為一種新興的換熱工質，其導熱係數非常高，在換熱領域具有非常巨大的發展潛力[6-8]。
為了研究納米流體的換熱特性，自行設計並搭建了納米流體換熱特性實驗台[9-10]。並分別介紹了實驗台原理、實驗台系統的組成與實驗步驟。同時還對實驗台進行了準確性驗證，並對四種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進行了換熱特性測定的相關實驗，將得到的實驗數據進行製圖並分析得出結論[11-12]。
1 實驗台的設計與搭建
1.1 實驗台原理
本實驗台參考其它簡易納米流體實驗台，結合實際情況進行設計、修改和完善，來達到預期設計目的，並自主進行搭建。實驗台原理如圖1所示。
1.2 實驗儀器與設備
實驗台搭建所需的設備如表1所示。
1.3 實驗台組成及優點
整個實驗台主要由3部分構成。首先將製備好的成品納米流體溶液儲存在儲液罐中，並與截止閥，泵和熱電偶相連構成第1部分。第2部分為實驗段，這一部分作用是測量納米流體的換熱係數，也是本實驗裝置中最為重要的環節。實驗段為長度1500mm，外徑15mm，內徑10mm的紫銅管，紫銅管外部為直徑50mm的套管，並在兩管之間充滿乙二醇液體，套管被絕熱材料包裹且兩端由法蘭盤固定（中間有石棉網）。電源與加熱裝置相連用來加熱實驗段，並且在實驗段添加了一個旁路。在實驗段還裝有2個精度為1℃和1個精度為0.1℃的熱電傳感器分別用來測量管壁和流體的溫度，在實驗段的上方還裝有數字微壓計以便測量進出口的壓差。在第1部分和第2部分之間，我們裝有調節閥和流量計來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成，主要是用來冷卻被加熱的納米流體來使其溫度恢復到常溫。
本實驗台與傳統實驗台相比的優點如下：
1）在第1部分與第2部分之間添加了流量計，可以直接觀測出流量的大小。
2）在實驗段的兩端安裝了數字微壓計來測量進出口壓差。
3）加熱部分由傳統實驗裝置的電阻絲改為套管，使得加熱部分的受熱更加均勻，也更加貼近於實際工況。
4）閥門1以及閥門2的存在可以更加方便的測量管壁的溫度變化情況。
5）旁路的添加有助於實驗後的液體排放及回收。
1.4 實驗步驟
1）用兩步法製備所需濃度的納米流體，分散劑採用十二烷基本磺酸鈉（SDBS）。
2）在冷卻箱中加滿淡水。
3）在中間層液體儲存槽中加入水直至溢口。
4）加熱中間管層液體至80℃。
5）打開納米流體循環水泵與中間層加熱液體水泵。
6）待實驗數據穩定，觀察並記錄數據。
2 實驗台準確性驗證
為確保實驗系統的準確性，先對純水的努塞爾數進行了相應的測量。並將得到的實驗數據與SeiderTate公式比較並進行校核。
通過將實驗數據與公式中的曲線進行比較，可知二者偏差在±3%以內，實驗台精度較高，實驗數據可靠。
3 實驗數據分析
本文用兩步法製備了4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體用於實驗。得到不同雷諾數下的換熱係數曲線關係如圖4所示。
由圖4可知，在雷諾數相同的情況下，當納米流體濃度較低時，其換熱係數較基液相比並沒有顯著提升。但隨著雷諾數的增大，質量分數較高的納米流體的換熱係數增加的幅度也較大。實驗段納米流體的進出口壓差如圖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%、8.23%以及3.04%，而傳熱係數則分別增大了31.67%、27.60%、23.18%和4.56%。由於納米流體濃度的增大導致壓差的增大，代表沿程阻力也進一步增大，而濃度過低的納米流體又無法達到理想的換熱效果。綜上所述，可知在質量分數為0.50%時的綜合效果最佳。
根據不同雷諾數和濃度的納米流體與管壁溫度關係可得圖6。
雖然在納米流體質量分數相對較低時，對管壁的溫度影響不明顯。但是當納米流體的質量分數增大時，對管壁溫度的影響還是十分顯著的。
進一步研究納米流體的換熱特性（Re=2000），得出了實驗段管內不同位置處的換熱係數。結果如圖7所示。
由上圖可知，當Re=2000時，隨著位置的深入納米流體的換熱係數逐漸減小。並且由於布朗運動的作用，納米流體在實驗段入口處的換熱係數要比其他區域大很多。
同時還製作了實驗段位置與努塞爾數的曲線關係圖，如圖8所示。
由圖8可見，常溫下質量分數較低的納米流體對換熱係數的影響並不明顯，但隨著納米流體質量分數的增大努塞爾數也逐漸增大。
4 結 論
本文針對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驗台，介紹了實驗台的設計組成及優點。 通過對純水的努塞爾數的實驗測定並與經驗公式相比較，實驗台誤差小於±3%，完全符合研究納米流體換熱特性的要求。對4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進行了換熱特性測定實驗，綜合分析並得出了以下結論。
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，而且隨著雷諾數的增大，納米流體的換熱係數也隨之增大；
2）CuO-乙二醇納米流體質量分數的加大使得管壁溫度降低幅度愈發明顯，同時換熱係數和努塞爾數也有明顯增加；
3）相同質量分數的納米流體，壓降隨著雷諾數的增大而增大。
上述結論與理論分析相符，具有十分重要的現實意義，並可為納米流體換熱特性的研究提供重要的依據。
參 考 文 獻：
[1] ASHRAFMANSOURI SeyedehSaba， ESFAHANY Mohsen Nase.Masstransfer in Nanofluids： A Review[J]. International Journal of ThermalScience， 2014（82）： 84-99.
[2] PANG Changwei， LEE Jae Won， KANG Yong Tae. Review on Combined Heat and Mass Transfer Characteristics in Nanofluids[J].International Journal of Thermal Science， 2015（87）： 49-67.
[3] 宣益民，李強.納米流體強化傳熱研究[J].工程熱物理學報，2000，21（4）：466-470.
[4] 王彩霞，黃雲.納米流體研究進展[J].儲能科學與技術，2017，6（1）：1-8.
[5] 宣益民，李強. 納米流體強化傳熱研究[J]. 工程熱物理學報， 2000， 21（4）：466-470.
[6] 夏國棟，杜墨，劉冉.微通道內納米流體的流動與換熱特性[J]. 北京工業大學學報，2016，42（3）：55-66.
[7] ARAVIND S. S. Jyothirmayee， RAMAPRABHU S.Graphenemultiwalled Carbon Nanotubebased Nanofluids for Improved Heat Dissipation[J].RSC Advances， 2013（3）：4199-4206.
[8] ABBASSI Y.Experimental Investigation of TiO2/Water Nanofluid Effects on Heat Transfer Characteristics of a Vertical Annulus with Nonuniform Heat Flux in Nonradiation Environment[J]. Aannals of Nuclear Energy， 2014（69）： 7-13.
[9] 楊波，王姣. 碳納米流體強化傳熱研究[J]. 強雷射與粒子束， 2014，26（5）：1-3.
[10]陳俊，史林.利用分子動力學模擬納米流體有效導熱係數[J]. 清華大學學報， 2010，50（12）： 1983-1987.
[11]CORCIONE M， Empirical Correlating Equations for Predicting the Effective Thermal Conductivity and Dynamic Viscosity of Nanofluids[J]. Energy Conversion and Management， 2011，52（1）：789-793.
[12]BENJAMIN R， TAM C Nguyen， NICOLAS G. Experimental Investigation of CuOwater Nanofluid Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel Heat Sink[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014（84）：275-292.
（編輯：溫澤宇）
摘 要：為了研究納米流體的換熱特性，依據納米流體換熱理論，研製了納米流體換熱特性實驗台，介紹了該實驗台的設計方案和主要構成。對實驗台的準確性進行了實驗驗證，並進行了納米流體的換熱特性測定的實驗。繪製了實驗結果的圖表，進行了相關的分析，得出相應結論與理論實際相符合，證明了實驗結果的正確性，可為納米流體換熱特性的研究提供可靠的依據。
關鍵詞：實驗台；納米流體；換熱特性
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.009
中圖分類號： TK124
文獻標誌碼： A
文章編號： 1007-2683（2018）04-0051-04
Abstract：In order to study the heat transfer characteristics of nanofluids， an experimental platform 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 experimental platform. The accuracy of the experimental platform has been proved 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 correctness of the experimental results， which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluids.
Keywords：experiment platform；nanofluids；heat transfer characteristics
0 引 言
20世紀80年代以來，隨著納米科學和技術的大力發展，納米材料的變革為高效強化傳熱帶來了新的機遇，使得液-固兩相強化傳熱再次成為工程熱物理領域的發展方向[1-2]。納米流體作為一種新型的換熱工質，目前被越來越多的應用到強化換熱技術領域[3]。近些年的實驗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了能量的擴散過程，進一步證明了納米流體作為強化傳熱工質是可行的[4-5]。納米流體作為一種新興的換熱工質，其導熱係數非常高，在換熱領域具有非常巨大的發展潛力[6-8]。
為了研究納米流體的換熱特性，自行設計並搭建了納米流體換熱特性實驗台[9-10]。並分別介紹了實驗台原理、實驗台系統的組成與實驗步驟。同時還對實驗台進行了準確性驗證，並對四種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進行了換熱特性測定的相關實驗，將得到的實驗數據進行製圖並分析得出結論[11-12]。
1 實驗台的設計與搭建
1.1 實驗台原理
本實驗台參考其它簡易納米流體實驗台，結合實際情況進行設計、修改和完善，來達到預期設計目的，並自主進行搭建。實驗台原理如圖1所示。
1.2 實驗儀器與設備
實驗台搭建所需的設備如表1所示。
1.3 實驗台組成及優點
整個實驗台主要由3部分構成。首先將製備好的成品納米流體溶液儲存在儲液罐中，並與截止閥，泵和熱電偶相連構成第1部分。第2部分為實驗段，這一部分作用是測量納米流體的換熱係數，也是本實驗裝置中最為重要的環節。實驗段為長度1500mm，外徑15mm，內徑10mm的紫銅管，紫銅管外部為直徑50mm的套管，並在兩管之間充滿乙二醇液體，套管被絕熱材料包裹且兩端由法蘭盤固定（中間有石棉網）。電源與加熱裝置相連用來加熱實驗段，並且在實驗段添加了一個旁路。在實驗段還裝有2個精度為1℃和1個精度為0.1℃的熱電傳感器分別用來測量管壁和流體的溫度，在實驗段的上方還裝有數字微壓計以便測量進出口的壓差。在第1部分和第2部分之間，我們裝有調節閥和流量計來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成，主要是用來冷卻被加熱的納米流體來使其溫度恢復到常溫。
本實驗台與傳統實驗台相比的優點如下：
1）在第1部分與第2部分之間添加了流量計，可以直接觀測出流量的大小。
2）在實驗段的兩端安裝了數字微壓計來測量進出口壓差。
3）加熱部分由傳統實驗裝置的電阻絲改為套管，使得加熱部分的受熱更加均勻，也更加貼近於實際工況。
4）閥門1以及閥門2的存在可以更加方便的測量管壁的溫度變化情況。
5）旁路的添加有助於實驗後的液體排放及回收。
1.4 實驗步驟
1）用兩步法製備所需濃度的納米流體，分散劑採用十二烷基本磺酸鈉（SDBS）。
2）在冷卻箱中加滿淡水。
3）在中間層液體儲存槽中加入水直至溢口。
4）加熱中間管層液體至80℃。
5）打開納米流體循環水泵與中間層加熱液體水泵。
6）待實驗數據穩定，觀察並記錄數據。
2 實驗台準確性驗證
為確保實驗系統的準確性，先對純水的努塞爾數進行了相應的測量。並將得到的實驗數據與SeiderTate公式比較並進行校核。
通過將實驗數據與公式中的曲線進行比較，可知二者偏差在±3%以內，實驗台精度較高，實驗數據可靠。
3 實驗數據分析
本文用兩步法製備了4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體用於實驗。得到不同雷諾數下的換熱係數曲線關係如圖4所示。
由圖4可知，在雷諾數相同的情況下，當納米流體濃度較低時，其換熱係數較基液相比並沒有顯著提升。但隨著雷諾數的增大，質量分數較高的納米流體的換熱係數增加的幅度也較大。實驗段納米流體的進出口壓差如圖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%、8.23%以及3.04%，而傳熱係數則分別增大了31.67%、27.60%、23.18%和4.56%。由於納米流體濃度的增大導致壓差的增大，代表沿程阻力也進一步增大，而濃度過低的納米流體又無法達到理想的換熱效果。綜上所述，可知在質量分數為0.50%時的綜合效果最佳。
根據不同雷諾數和濃度的納米流體與管壁溫度關係可得圖6。
雖然在納米流體質量分數相對較低時，對管壁的溫度影響不明顯。但是當納米流體的質量分數增大時，對管壁溫度的影響還是十分顯著的。
進一步研究納米流體的換熱特性（Re=2000），得出了實驗段管內不同位置處的換熱係數。結果如圖7所示。
由上圖可知，當Re=2000時，隨著位置的深入納米流體的換熱係數逐漸減小。並且由於布朗運動的作用，納米流體在實驗段入口處的換熱係數要比其他區域大很多。
同時還製作了實驗段位置與努塞爾數的曲線關係圖，如圖8所示。
由圖8可見，常溫下質量分數較低的納米流體對換熱係數的影響並不明顯，但隨著納米流體質量分數的增大努塞爾數也逐漸增大。
4 結 論
本文針對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驗台，介紹了實驗台的設計組成及優點。 通過對純水的努塞爾數的實驗測定並與經驗公式相比較，實驗台誤差小於±3%，完全符合研究納米流體換熱特性的要求。對4種不同濃度的CuO-乙二醇納米流體進行了換熱特性測定實驗，綜合分析並得出了以下結論。
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，而且隨著雷諾數的增大，納米流體的換熱係數也隨之增大；
2）CuO-乙二醇納米流體質量分數的加大使得管壁溫度降低幅度愈發明顯，同時換熱係數和努塞爾數也有明顯增加；
3）相同質量分數的納米流體，壓降隨著雷諾數的增大而增大。
上述結論與理論分析相符，具有十分重要的現實意義，並可為納米流體換熱特性的研究提供重要的依據。
參 考 文 獻：
[1] ASHRAFMANSOURI SeyedehSaba， ESFAHANY Mohsen Nase.Masstransfer in Nanofluids： A Review[J]. International Journal of ThermalScience， 2014（82）： 84-99.
[2] PANG Changwei， LEE Jae Won， KANG Yong Tae. Review on Combined Heat and Mass Transfer Characteristics in Nanofluids[J].International Journal of Thermal Science， 2015（87）： 49-67.
[3] 宣益民，李強.納米流體強化傳熱研究[J].工程熱物理學報，2000，21（4）：466-470.
[4] 王彩霞，黃雲.納米流體研究進展[J].儲能科學與技術，2017，6（1）：1-8.
[5] 宣益民，李強. 納米流體強化傳熱研究[J]. 工程熱物理學報， 2000， 21（4）：466-470.
[6] 夏國棟，杜墨，劉冉.微通道內納米流體的流動與換熱特性[J]. 北京工業大學學報，2016，42（3）：55-66.
[7] ARAVIND S. S. Jyothirmayee， RAMAPRABHU S.Graphenemultiwalled Carbon Nanotubebased Nanofluids for Improved Heat Dissipation[J].RSC Advances， 2013（3）：4199-4206.
[8] ABBASSI Y.Experimental Investigation of TiO2/Water Nanofluid Effects on Heat Transfer Characteristics of a Vertical Annulus with Nonuniform Heat Flux in Nonradiation Environment[J]. Aannals of Nuclear Energy， 2014（69）： 7-13.
[9] 楊波，王姣. 碳納米流體強化傳熱研究[J]. 強雷射與粒子束， 2014，26（5）：1-3.
[10]陳俊，史林.利用分子動力學模擬納米流體有效導熱係數[J]. 清華大學學報， 2010，50（12）： 1983-1987.
[11]CORCIONE M， Empirical Correlating Equations for Predicting the Effective Thermal Conductivity and Dynamic Viscosity of Nanofluids[J]. Energy Conversion and Management， 2011，52（1）：789-793.
[12]BENJAMIN R， TAM C Nguyen， NICOLAS G. Experimental Investigation of CuOwater Nanofluid Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel Heat Sink[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014（84）：275-292.
（編輯：溫澤宇）
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