導(dǎo)熱油基TiO2納米流體熱物性研究

史繼媛，劉宗明，李金凱，李 莉，趙蔚琳

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022)

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導(dǎo)熱油基TiO2納米流體熱物性研究

史繼媛，劉宗明，李金凱，李 莉，趙蔚琳

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022)

采用“兩步法”將粒徑為15 nm、30 nm和60 nm的TiO2納米粉添加到導(dǎo)熱油中，制備出體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.5%的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體。實(shí)驗(yàn)研究了其在20～60 ℃的導(dǎo)熱性能、粘性和潤(rùn)濕性能，結(jié)果表明，該導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱性能隨著溫度的升高增加率為20%～38%，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大提高了7%～49%，隨著TiO2納米粉粒徑的增加降低了9%～25%。與基液相比，該導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘性隨著溫度和體積分?jǐn)?shù)的增加也增大了3%～37%，但隨著溫度的升高納米流體的粘性卻呈線性降低趨勢(shì)，隨著TiO2納米粉粒徑的增加降低了7%～22%。室溫下，導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的接觸角比基液減小了28%～50%，表面張力卻增加了0.3%～0.5%。

導(dǎo)熱油； TiO2納米流體； 導(dǎo)熱性能； 粘性； 潤(rùn)濕性

1 引 言

“納米流體”是指以傳統(tǒng)傳熱工質(zhì)作為基液，向其中加入納米尺寸的顆粒而形成的一種多相體系[1]。與傳統(tǒng)工質(zhì)相比，納米流體具有更加優(yōu)良的傳熱性能[2]，在工業(yè)和商業(yè)等領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用前景。目前用于制備納米流體的納米顆粒主要有Al2O3、CuO和SiO2等粉體，基液多為水和乙二醇等液體[3-6]；研究重點(diǎn)主要集中在其方法的制備、穩(wěn)定性的提高和傳熱過程的強(qiáng)化等方面[7-9]。

導(dǎo)熱油也是一種傳統(tǒng)的傳熱介質(zhì)，由于其傳熱效率高、熱穩(wěn)定性好，因而有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，近年來(lái)有學(xué)者嘗試研究導(dǎo)熱油基納米流體以進(jìn)一步提高導(dǎo)熱油的傳熱性能[10,11]。為豐富導(dǎo)熱油基納米流體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為工程提供應(yīng)用的依據(jù)，本文研制導(dǎo)熱油基TiO2納米流體。利用兩步法將TiO2顆粒分散在導(dǎo)熱油中，制備成不同濃度的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體，進(jìn)一步研究其導(dǎo)熱性能、粘性及潤(rùn)濕性能，并初步探討影響上述納米流體熱物性能的因素，為導(dǎo)熱油基TiO2納米流體在傳熱領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的制備

本實(shí)驗(yàn)采用兩步法制備導(dǎo)熱油基TiO2納米流體，TiO2納米粉由宣城晶瑞新材料有限公司提供，導(dǎo)熱油購(gòu)于上海由博實(shí)業(yè)有限公司。實(shí)驗(yàn)過程中稱取一定質(zhì)量的TiO2納米粉，緩慢添加到一定體積的導(dǎo)熱油中，輕微攪拌后加入TiO2質(zhì)量的0.008%的油酸和硬脂酸，二者親油性很強(qiáng)，作為表面活性劑加入到在油相中可增溶，磁力攪拌40 min之后再經(jīng)超聲分散15 min，制備出體積分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的納米流體。超聲的主要機(jī)理是空化作用[12]，可有效的打碎團(tuán)聚的納米顆粒，使之分散達(dá)到均化的效果，制備出懸浮穩(wěn)定性較高的納米流體。

圖1 靜置15 d的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體Fig.1 Photographic view of heat transfer oil based TiO2nanofluid stewing 15 d

圖2 導(dǎo)熱油基TiO2納米流體吸光度測(cè)量值Fig.2 Absorbance of heat transfer oil based TiO2nanofluid at different time

本實(shí)驗(yàn)利用沉降法和吸光度分析表征所制備的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體懸浮穩(wěn)定性，結(jié)果如圖1、2所示。圖1為導(dǎo)熱油基TiO2納米流體靜置15 d的照片，由圖可見納米流體并未出現(xiàn)明顯的沉淀分層，說明其具有良好的懸浮穩(wěn)定性。圖2展示了導(dǎo)熱油基TiO2納米流體自制備結(jié)束起15 d的吸光度測(cè)量值。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，吸光度逐漸下降，但降幅很小，第15 d的測(cè)量值僅比剛制備的測(cè)量值小9%，吸光度變化不大可進(jìn)一步說明實(shí)驗(yàn)制備的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體具有良好的懸浮穩(wěn)定性。

3 導(dǎo)熱油基TiO2納米流體熱物性能研究

3.1 納米流體導(dǎo)熱性能研究

導(dǎo)熱性能常用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表征。本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)培安公司的KD2-Pro熱物性分析儀測(cè)量不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體在不同溫度下(20～60 ℃)的導(dǎo)熱系數(shù)。該儀器采用“瞬態(tài)熱絲法”，即用溫度隨時(shí)間的變化來(lái)計(jì)算流體的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)試時(shí)，將熱物性分析儀的探針全部浸入待測(cè)納米流體中，保持探針平穩(wěn)，120 s后屏幕讀數(shù)即為納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)量結(jié)果如圖3和圖4。

圖3為體積分?jǐn)?shù)為0.2%的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體在不同溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。由圖可知，添加TiO2顆粒后，導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱系數(shù)均有不同程度的增加，且納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增加。20 ℃時(shí)，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)最大增加率分別為38%、29%、20%；隨著溫度升高，納米流體與基液的導(dǎo)熱系數(shù)比呈降低趨勢(shì)。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度發(fā)生如此變化的主要原因有兩點(diǎn)，首先納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)隨著溫度增加變得更加劇烈，顆粒與液體之間微對(duì)流增強(qiáng)；其次，高溫雖然使得納米流體內(nèi)的納米顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈，但是也增加了納米顆粒碰撞團(tuán)聚的幾率，弱化了納米顆粒的小尺寸效應(yīng)，因此導(dǎo)熱系數(shù)比會(huì)逐漸降低。

圖4展示了室溫下不同粒徑的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體在不同體積分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)。從圖中可以看出，三種粒徑的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著體積分?jǐn)?shù)的增大呈非線性增加；納米流體與基液的導(dǎo)熱系數(shù)比也隨著體積分?jǐn)?shù)增加而增加。例如，當(dāng)納米TiO2粉體的體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比導(dǎo)熱油分別增加了33%、15%、7%；而當(dāng)納米TiO2粉體的體積分?jǐn)?shù)增加至0.5%時(shí)，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了51%、49%、45%。這是因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)增加，單位體積納米流體中所含的納米顆粒的數(shù)目增加，體系內(nèi)部傳遞的能量增加，因而導(dǎo)熱系數(shù)增大。

圖3 不同溫度下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)(a)及與基液的導(dǎo)熱系數(shù)比(b)Fig.3 Thermal conductivity of heat transfer oil based TiO2nanofluid (a) and the thermal conductivity ratio compared with base fluid (b) at different temperature

圖4 室溫下不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)(a)及與基液的導(dǎo)熱系數(shù)比(b)Fig.4 Thermal conductivity of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction (a) and the thermal conductivity ratio compared with base fluid (b) at room temperature

進(jìn)一步將圖3和圖4結(jié)合分析還可看出，TiO2納米粉體粒徑增加會(huì)使納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)降低。例如，當(dāng)納米流體的體積分?jǐn)?shù)均為0.2%時(shí)，與粒徑為15 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體相比，粒徑為30 nm的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)降低了2%～9%，粒徑為60 nm時(shí)降低了4%～18%；室溫下，粒徑為30 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體導(dǎo)熱系數(shù)降低了1%～18%，粒徑為60 nm時(shí)降低了5%～25%。這是因?yàn)樵酱蟮募{米顆粒其比表面積越小，布朗運(yùn)動(dòng)減慢，從而減弱了能量的傳遞，因此導(dǎo)熱系數(shù)降低。

3.2 納米流體粘性研究

納米流體的粘性強(qiáng)弱可由粘度值的大小衡量，粘度是反映納米流體流動(dòng)阻力的一個(gè)重要物理性能參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用恩氏粘度計(jì)對(duì)所制備的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的恩氏粘度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 不同溫度下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體粘度(a)及與基液的粘度比(b)Fig.5 Engler viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid (a) and the viscosity ratio compared with base fluid (b) at different temperature

圖6 室溫下不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體粘度(a)及與基液的粘度比(b)Fig.6 Engler viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction (a) and the viscosity ratio compared with base fluid (b) at room temperature

圖5展示了不同測(cè)量溫度下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘度及與基液的粘度比。由圖可見，TiO2納米粉加入后導(dǎo)熱油的粘度變大，且納米流體的粘度隨著溫度的升高而降低。例如溫度自20 ℃上升到60 ℃，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘度值分別減小了52%、52%、58%。粘度值下降的原因主要是溫度升高使得分子布朗運(yùn)動(dòng)變得劇烈，從而減弱了分子與分子之間、粒子與粒子之間的粘附效應(yīng)。

圖6則描述了室溫下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘度值與納米流體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。圖中顯示，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘度值最大分別增加了8%、11%、10%。納米流體的粘度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，原因可歸結(jié)到納米流體體積分?jǐn)?shù)增加，單位體積內(nèi)納米顆粒增多，增大了納米流體的剪切效應(yīng)。

結(jié)合圖5和圖6還可以看出，在溫度一定、體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，TiO2粒徑越大，納米流體的粘度越小。與粒徑為15 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的粘度相比，50 ℃時(shí)粒徑為30 nm和60 nm的納米流體粘度降低的最多，分別為9%和22%；體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，粒徑為30 nm和60 nm的納米流體粘度降低的最多，分別為4%和7%。

3.3 納米流體潤(rùn)濕性能研究

圖7 室溫下不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體接觸角(a)15 nm;(b)30 nm;(c)60 nmFig.7 Contact angle of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction at room temperature

本實(shí)驗(yàn)以接觸角和表面張力為指標(biāo)研究了室溫下下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的潤(rùn)濕性能。接觸角利用JC2000D1型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量，結(jié)果如圖7a～c所示；表面張力則采用JK99B型全自動(dòng)界面張力儀測(cè)量，圖8為其測(cè)量結(jié)果。

從圖7可以看出，當(dāng)TiO2納米粉粒徑一定時(shí)，隨著其體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的接觸角小幅增加，但是均低于導(dǎo)熱油的接觸角(60°)；與導(dǎo)熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體接觸角分別減小了28%、39%、50%；當(dāng)納米TiO2粉體的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著粒徑的增加，導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的接觸角逐漸減小。與粒徑為15 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體接觸角相比，當(dāng)納米TiO2粉體體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，粒徑為30 nm、60 nm的納米流體接觸角減小值最大，分別為15%和18%。

圖8a和b分別為室溫下不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體表面張力及其增加值。由圖可見，當(dāng)TiO2納米粉體粒徑一定時(shí)，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的表面張力小幅增加，與基液導(dǎo)熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體表面張力最大分別增加了0.3%、0.4%、0.5%；當(dāng)納米TiO2粉體的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著粒徑的增加，導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的表面張力逐漸增大。與粒徑為15 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體表面張力相比，當(dāng)納米TiO2粉體體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，粒徑為30 nm、60 nm的納米流體表面張力分別增加了0.13%和0.34%。由楊氏方程[13]可知，接觸角減小，表面張力增加，潤(rùn)濕性能增加，因而，TiO2納米粉體的加入增強(qiáng)了基液導(dǎo)熱油的潤(rùn)濕性能，原因主要是液體的潤(rùn)濕性能與其表面能緊密相關(guān)，基液導(dǎo)熱油中加入TiO2納米粉后，液-氣界面內(nèi)積聚的TiO2納米顆粒之間的分子力會(huì)使液體的表面自由能增加，故納米流體的潤(rùn)濕性優(yōu)于基液[14,15]。

圖8 室溫下不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的表面張力(a)及增加值(b)Fig.8 Surface tension of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction(a) and the increasement (b) at room temperature

4 結(jié) 論

(1) TiO2納米粉體可以顯著的增強(qiáng)基液的導(dǎo)熱性能。與導(dǎo)熱油相比，室溫下導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)增加量為7%～51%；當(dāng)溫度為20～60 ℃時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)增加量為20%～38%；納米TiO2粉體粒徑增加會(huì)使得導(dǎo)熱油基TiO2納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)降低，粒徑由15 nm增加到60 nm，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)降低了9%～25%;

(2) TiO2納米粉體的加入不同程度的增大了導(dǎo)熱油的粘度。在導(dǎo)熱油中加入體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.5%的納米TiO2粉體，與基液相比，溫度自20 ℃上升到60 ℃，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體粘度增加了3%～37%；納米TiO2粉體粒徑增大，粘度降低；粒徑由15 nm增加到60 nm，納米流體的粘度降低了4%～22%;

(3) TiO2納米粉還可以增強(qiáng)基液導(dǎo)熱油的潤(rùn)濕性能。隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導(dǎo)熱油基TiO2納米流體接觸角比導(dǎo)熱油分別減小了28%、39%、50%；室溫下，在導(dǎo)熱油中加入納米TiO2粉體，其表面張力變化不大；與導(dǎo)熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體表面張力增加了0.3%～0.5%。

[1] Choi S U S.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles[J].ASMEFED,1995,231(66):99-103.

[2] Sundar L S,Farooky M H,Sarada S N,et al.Experimental thermal conductivity of ethylene glycol and water mixture based low volume concentration of Al2O3and CuO nanofluids[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,2013,41:41-46.

[3] 李金凱,趙蔚琳,劉宗明,等.低濃度Al2O3/水納米流體制備及導(dǎo)熱性能測(cè)試[J].硅酸鹽通報(bào),2010,29(1):204-208.

[4] 趙聰穎,閆素英,田 瑞,等.SiO2納米流體在太陽(yáng)能集熱管中的傳熱特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(20):236-243.

[5] 管廷祥,趙蔚琳,王建榮.低濃度Al2O3/水納米流體懸浮液粘度的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2009,23(14):190-192.

[6] 李 華,朱冬生,王先菊,等.納米Al2O3在水相體系中的分散穩(wěn)定性研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21:33-36.

[7] 徐小嬌,劉 妮,王玉強(qiáng),等.納米流體懸浮液穩(wěn)定性的最新研究進(jìn)展[J].流體機(jī)械,2012,40(10):46-49.

[8] Serna J.Heat and mass transfer mechanisms in nanofluids boundary layers[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2016,92:173-183.

[9] Alireza A,Ganbar A S,Majid D,et al.Numerical investigation of turbulent forced convective heat transfer of Al2O3/water nanofluid with variable properties in tube[J].AinShamsEngineeringJournal,2015,6(2):577-585.

[10] Colangelo G,Favale E,Risi A D,et al.Results of experimental investigations on the heat conductivity of nanofluids based on diathermic oil for high temperature applications[J].AppliedEnergy,2012,97:828-833.

[11] 李 丹,池 海,方文軍.油基金納米流體的制備及熱穩(wěn)定性[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2):414-417.

[12] 宋曉嵐,王海波,吳雪蘭,等.納米顆粒分散技術(shù)的研究與發(fā)展[J].化工進(jìn)展,2005,24(1):47-52.

[13] Young T.An essay on the cohesion of fluids[J].PhilosophTransSocLondon,1805,95:65-87.

[14] Kim S J,Bang I C,Buongiorno J,et al.Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2007,50(19-20):4105-4116.

[15] Kamatchi R,Venkatachalapathy S,Srinivas B A.Synthesis,stability,transport properties,and surface wettability of reduced graphene oxide/water nanofluids[J].InternationalJournalofThermalSciences,2015,97:17-25.

Investigation on Thermophysical Properties of Heat Transfer Oil Based TiO2Nanofluid

SHIJi-yuan,LIUZong-ming,LIJin-kai,LILi,ZHAOWei-lin

(School of Material Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)

Heat transfer oil based TiO2nanofluid of 15 nm, 30 nm and 60 nm with various volume concentration from 0.1% to 0.5% was produced using a two-step method. The properties of thermal conductivity, viscosity and wettability were investigated experimentally over a temperature range of 20-60 ℃. The results show that with the temperature and volume fraction increasing, thermal conductivity of nanofluid respectively increase by 20%-38% and 7%-49%. With the TiO2nanoparticles size increasing, decreasement of thermal conductivity is 9%-25%. Though with temperature and volume fraction increasing, the enhancement in viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid is 3%-37% compared with base fluid, there is also a linear decrease trend of the viscosity with the increasing of temperature. Moreover, with the TiO2nanoparticles size increasing, the viscosity of the nanofluid is observed to has a decreasement of 7%-22%. At room temperature, the contact angle of heat transfer oil based TiO2nanofluid decrease by 28%-50% while the surface tension has a increasement of 0.3%-0.5%.

heat transfer oil;TiO2nanofluid;thermal conductivity;viscosity;wettability

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EM048)

史繼媛(1990-),女,碩士研究生.主要從事納米流體制備及應(yīng)用的研究.

趙蔚琳,教授.

TF12

A

1001-1625(2016)10-3324-06