納米流體在板式換熱器中傳熱特性的實驗研究

孫 斌 左瑞良 楊 迪

(東北電力大學能源與動力工程學院)

納米流體在板式換熱器中傳熱特性的實驗研究

孫 斌*左瑞良 楊 迪

(東北電力大學能源與動力工程學院)

實驗使用平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3和Al2O3納米顆粒制備質量分數分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，通過測量不同納米流體的溫度、流量及壓力等相關參數，計算各流體在不同雷諾數下的對流換熱系數和相應的熵產。實驗結果表明：Cu-水納米流體的對流換熱系數相比去離子水增加的最多，Fe2O3-水次之， Al2O3-水最少；系統熵產與雷諾數的關系類似拋物線，存在最小熵產。

板式換熱器 納米流體 對流換熱系數 熵產

隨著科學技術的發展和能源問題的日益突出，傳統的換熱工質已很難滿足高傳熱強度、微系統散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求。眾所周知，懸浮有固體顆粒的兩相流體的換熱性能明顯優于傳統的單相流體，然而兩相流體缺乏穩定性，容易發生沉積、堵塞及磨損等不良現象，限制了它在實際生產中的應用。1995年，Choi S提出納米流體的概念，這種流體是以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物顆粒，形成的一類新型傳熱介質[1]。

近些年，國內外很多學者研究納米流體在換熱器中的傳熱特性，如朱建軍等測量了水平微細圓管內蒸餾水和不同質量濃度的多壁碳納米管納米流體在低雷諾數下的強制對流換熱特性[2]。李金凱等采用瞬態熱線法測量了SiO2和SiO2-乙二醇兩種納米流體在不同體積分數和溫度下的導熱系數，分析研究了納米SiO2體積含量、溫度和懸浮穩定性對納米流體導熱系數的影響[3]。研究發現將碳納米管(CNT)[4]、A12O3[5]及CuO[6]等納米顆粒加入水、醇、油之后，傳熱系數較原基液有了明顯提高。宮玉英等利用兩步法制備了體積分數為0.2%～2.0%的SiO2-水納米流體，實驗結果表明：SiO2-水納米流體在熱管內具有良好的等溫性能[7]。韓建荒等在對大型翅片管式換熱器結構合理簡化的基礎上，應用CFD和數值傳熱學方法建立了翅片管式換熱器內部流動與傳熱的數學模型，得到了其內部流場和溫度場的分布規律[8]。倪振偉等提出以換熱器的總熵增率作為換熱器的經濟性指標[9,10]。余敏等分析了換熱器特性參數與熱力性能熵產[11]。林紅良等揭示了換熱器能耗產生的原因，確定了最佳的熱力參數匹配[12]。柳雄斌等以“僅以傳遞熱量為目的”和“參與不可逆布雷頓循環”的逆流換熱器為例，比較了熵產極值準則和火積耗散極值準則在換熱器參數優化問題中的適用性[13]。對參與熱功轉換的換熱器，換熱器的熱力學優化準則取為熵產極值較好。

本課題組將高效傳熱工質——納米流體和高效傳熱設備——板式換熱器整合到一個傳熱實驗系統中，對流體的對流換熱特性進行研究并計算板式換熱器的熵產，希望能找到納米流體最經濟適用的應用途徑，獲得換熱器能效最高的工況，促進我國節能減排事業的深入開展。

1 實驗系統

納米流體流動與對流換熱性能的測試一般采用穩態法，實驗裝置是一個流動循環系統，主要由儲液裝置、循環動力系統、加熱裝置、數據采集裝置、冷卻系統及換熱器等組成(圖1)。實驗主要由兩條循環回路完成，冷水回路：儲液罐中的納米流體→泵1→流量控制閥→板式換熱器→流量計→冷卻水箱→儲液罐。熱水回路：熱水箱→泵2→板式換熱器→熱水箱。

圖1 實驗系統示意圖

1.1實驗裝置

儲液罐由有機玻璃制成，用來儲存納米流體，同時方便觀察實驗中納米顆粒的懸浮狀態。從冷卻水箱進口流入冷卻用水，并將冷卻銅管呈蛇形布置，以便充分冷卻，維持恒定的納米流體入口溫度。主流路中的閘閥用作總開關。流量控制閥用于控制實驗系統中納米流體的流量。實驗系統中的連接管路均為內徑10mm、壁厚1mm的紫銅管。為了消除沿管壁軸向的傳導熱損失，銅管進出端皆用塑料套管與管路相連，并在連接處用密封膠密封；為了消除熱量向環境擴散，銅管外套黑色橡膠保溫管并包裹鋁箔膠帶。為了消除入口效應的影響，使實驗管內納米流體處于充分發展區，在換熱器冷進入口前300mm處增設一個長200mm的預熱段，預熱段管壁外以螺旋狀均勻纏繞帶有絕緣瓷碗的鎳鉻電阻絲，電阻絲直徑為1.2mm，通直流電對管內納米流體進行加熱。為防止高溫發生意外，在電阻絲外包裹耐火材料；在管壁外層包裹硅酸鋁保溫材料和鋁箔膠帶，防止熱量散失并起保溫、絕緣作用。預熱段中，緊貼管壁安裝溫控器，實驗時設定溫度的上、下限，實現智能溫度控制，預熱段剖面圖如圖2所示。

圖2 預熱段剖面圖

實驗段安裝8個Pt100熱電阻，分別測量換熱器冷進、冷出、熱進、熱出和管壁溫度。熱水箱內有電加熱棒，為實驗提供穩定的熱源；冷卻水箱內有循環冷卻水，用于保持納米流體入口溫度恒定。數據采集系統相關設備參數見表1。

表1 實驗設備參數

釬焊板式換熱器購于廣州熱爾熱工設備有限公司，型號為BRQ035-20，參數如下：

換熱面積 0.7m2

換熱片數 20

板片材料 304不銹鋼

質量 4.2kg

板片厚度 0.6mm

工作壓力 3.0MPa

板間距 2mm

1.2實驗流程

組建實驗臺，集備平均粒徑為50nm的Cu、Fe2O3、Al2O3納米顆粒和去離子水，并對系統進行氣密性檢測與校核；用兩步法制備質量分數分別為0.1%、0.3%和0.5%的納米流體，攪拌30min，超聲波震蕩60min；為熱水箱中的加熱棒通電，同時打開與之相連的溫控器，啟動數據采集系統，監測水箱溫度；待熱水升至設定溫度后，啟動冷卻水系統，檢查各管道閥門；實驗階段，啟動泵1、2，同時啟動預熱裝置，待監測點的溫度、壓力及流量等穩定后，采集數據，然后改變流量，測量同一質量分數的流體在不同流量下的實驗數據，重復此過程；為將實驗誤差控制在允許范圍內，避免各組實驗相互影響，在更換不同質量分數的納米流體進行實驗前，應使用去離子水沖洗實驗系統，再用打氣筒將去離子水打出，多次操作，并再次檢查氣密性；最終進行數據處理。

1.3實驗裝置校核

在實驗開始之前，應對實驗裝置進行檢測，驗證裝置的精確度。裝置校核方法是測量去離子水在湍流狀態下的管內對流換熱系數，將實驗結果與Dittus-Boelter實驗關聯式進行比較。將去離子水在湍流狀態下所得的實驗結果與運用理論公式(Nu=0.38Re0.8Pr0.3)所得的結果進行比較，由圖3可知，實驗結果與計算結果有較好的吻合度，誤差較小，總體誤差基本控制在4%左右，實驗裝置精度要求合格。

圖3 純水實驗值與Dittus-Boelter公式計算值比較

2 實驗數據處理

2.1對流換熱系數

實驗采用對流傳熱的基本計算式即牛頓冷卻公式：

q=h×(tw-tnf)

式中h——對流換熱系數，W/(m2·K)；

q——實驗段的平均熱流密度，W/m2；

tw——管壁溫度，℃；

tnf——納米流體溫度，℃。

其中：

q=Q/S

Q=Cnf×qm×ΔT

ΔT=Th,in-Th,out

式中Cp——納米顆粒的比熱容，J/(kg·℃)；

Cbf——基液的比熱容，J/(kg·℃)；

Cnf——納米流體的比熱容，J/(kg·℃)；

Q——實驗段的加熱平均熱流量，W；

S——實驗段有效換熱面積，m2；

Th，in——換熱器熱進溫度，℃；

Th，out——換熱器熱出溫度，℃；

ρp——納米顆粒的密度，kg/m3；

ρbf——基液的密度，kg/m3；

φ——納米流體的濃度。

水的比熱容比納米顆粒的比熱容大，隨著納米顆粒質量分數的增加，納米流體整體的比熱容呈減小趨勢。納米流體的平均質量流量qm為：

qm=qv×ρnf

ρnf=(1-φ)ρbf+φρp

式中qv——納米流體的體積流量，m3/h；

ρnf——納米流體的密度，kg/m3。

由于納米顆粒的體積通常難以精確測定，因此納米流體中的粒子體積份額可根據粒子的質量百分比計算，即：

式中ω——納米流體的質量分數。

式中Tc，in——換熱器冷進溫度，℃；

Tc，out——換熱器冷出溫度，℃。

一定尺寸的納米流體，其導熱系數的計算式為：

式中CB——Boltzmann常數，取1.38066×10-23J/K；

dp——納米顆粒的平均粒徑，m；

Kbf——基液的導熱系數，W/(m·K)；

Knf——納米流體的導熱系數，W/(m·K)；

Kp——納米顆粒的導熱系數，W/(m·K)；

Pr——基液的普朗特數；

Red——納米顆粒的雷諾數；

vb——納米顆粒的布朗速度，m/s；

μbf——基液的運動粘度，Pa·s。

2.2熵產

換熱器中的總熵產Sgen，T由兩部分組成：

Sgen,T=Sgen,t+Sgen,f

其中：

f=[0.79·ln(Re)-1.64]-2

式中f——系統的摩擦因子；

Sgen，t——由溫差引起的熵產，W/K；

Sgen，f——由流動阻力引起的熵產，W/K；

Tave——換熱器進口與入口的平均溫度，℃；

Nu——納米流體的努塞爾數。

3 實驗結果分析與討論

3.1對流換熱系數

流體的對流換熱系數是一個宏觀的物理量，用來描述流體在流過溫度不同的固體表面時的換熱能力。以一組去離子水實驗作為對比實驗，分析不同質量分數相同納米流體的對流換熱系數與雷諾數關系(圖4)和相同質量分數不同納米流體的對流換熱系數與雷諾數關系(圖5)。

由圖4、5可知，與去離子水相比，加入納米顆粒后流體的對流換熱系數有所提高，比較同種納米顆粒流體，對流換熱系數隨納米顆粒質量分數的增加而增加；比較不同納米顆粒流體，就對流換熱系數而言，Cu-水納米流體增加的最多，Fe2O3-水次之，Al2O3-水最少。表2列出了納米流體對流換熱系數的增長情況。

圖4 不同質量分數相同納米流體的對流換熱系數與雷諾數關系

圖5 相同質量分數不同納米流體的對流換熱系數與雷諾數關系

表2 納米流體對流換熱系數增長率

3.2熵產

根據相關實驗數據計算換熱器的總熵產，得到換熱器總熵產與雷諾數的關系如圖6所示。由圖6可知換熱器對流換熱過程的總熵產隨管內納米流體雷諾數Re的變化關系：換熱器的熵產圖總體類似拋物線，且總熵產隨著Re的增大，先減小后增大，都存在一個Re對應著最小的熵產，即最小的不可逆損失。究其原因可知，在低Re下，溫差引起的熵產的影響大于流動阻力引起的熵產；而在高Re下，則是流動阻力引起的熵產占主導地位。換熱器是不可逆損失較為集中的熱力系統，強化傳熱的過程能使傳熱效能提高，減小溫差引起的熵產，同時會使流動阻力引起的熵產增加，因此應考慮系統的總熵產，比較強化傳熱前后的總熵產，如果強化傳熱后總熵產減小，則才算達到強化傳熱的目的。

圖6 換熱器總熵產與雷諾數的關系

4 結束語

筆者用兩步法制備3種納米流體，通過實驗研究了納米顆粒種類、濃度對納米流體在板式換熱器中對流換熱特性的影響。研究結果表明：當納米顆粒種類相同時，納米顆粒的濃度對納米流體的對流換熱系數影響較大，隨著濃度的增加，不同種類的納米流體的傳熱系數均有增加；當納米顆粒的濃度相同時，相比去離子水來說，Cu-水納米流體的傳熱系數增加最多，Fe2O3-水次之，Al2O3-水最少。通過對納米流體在板式換熱器中的熵產的研究發現：在低Re下，溫差引起的熵產的影響大于流動阻力引起的熵產；而在高Re下，則是流動阻力引起的熵產占主導地位。

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ExperimentalStudyonHeat-transferCharacteristicsofNanofluidsinPlateHeatExchangers

SUN Bin, ZUO Rui-liang, YANG Di
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

In experiments, the 50nm-sized nanoparticles (Cu, Fe2O3and Al2O3) were adopted to prepare the nanofluid which boasting of 0.1%, 0.3% and 0.5% mass fractions respectively; and through measuring related parameters like the temperature, flow rate and the pressure of different nanofluids, their convective heat transfer coefficient and corresponding entropy production under different Reynolds numbers were calculated. The experimental results show that, as compared to the deionized water, the Cu-water nanofluid has the highest convective heat transfer coefficient, then comes to Fe2O3- water nanofluid and Al2O3- water nanofluid in turn; and the system entropy production behaves in a parabola with the change of Reynolds numbers.A minimum entropy production can be seen there.

plate heat exchanger, nanofluid, convective heat transfer coefficient, entropy production

* 孫 斌，男，1972年1月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)02-0148-06

2015-03-16，

2016-03-10)