螺旋管內水包油乳液的傳熱性能實驗

陳 強, 劉 方, 姜未汀, 張冬翔, 田海棟

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

近些年來,隨著工業的快速發展,對換熱器散熱負荷和散熱效率的要求也越來越高,開發新的換熱器和提高換熱器的傳熱效率愈發迫切。當前提高換熱器換熱性能的主要手段是優化設計換熱器的結構[1-2]和使用高效傳熱工質[3]。納米流體便是一種高效傳熱工質,受到了多個領域的青睞,目前已經取得了一系列研究進展。

當前的納米流體主要是將納米級金屬顆粒或其他導熱系數高的固體基質顆粒分散到基液中[3],以提高傳熱流體工質的熱導率,從而在一定程度上增強換熱效果。然而這類納米流體都有一個比較明顯的缺點,即容易發生沉降而引起管路堵塞及傳熱惡化,使得納米流體的廣泛應用受到了限制。因此,少數學者進行了用液體基質制備納米流體的相關研究,例如水包油乳液就是其中之一。

水包油乳液是將油、水、乳化劑的混合物通過高速乳化剪切和超聲波處理等乳化方法,將油滴分散成微米級或納米級的小顆粒,在表面活性劑和助表面活性劑的作用下,形成一個相對穩定的乳液體系。部分研究結果表明,水包油乳液具有比較好的穩定性,在傳熱性能上有一定的應用潛質。盡管有部分研究人員對水包油乳液的熱性能進行了相關研究,但大多針對水包油乳液的制備方法和熱穩定性方面的研究,關于傳熱性能方面的研究則很少[4-6]。

目前,水包油乳液的制備方法主要有相變轉化法、自乳化法等低能乳化法和高壓勻質法、超聲波處理等高能乳化法。研究表明,高能乳化法能在較短的時間內提供所需要的乳化能量,并形成油滴顆粒最小的乳液,很適合小批量快速生產[5-8]。本文采用超聲波高能乳化的處理方法,以十六烷基三甲基溴化氨為乳化劑,采用兩步法制備了導熱油的水包油乳液,對乳液的熱導率進行了測量,然后進行螺旋管內強制對流換熱實驗,用以研究其流動及傳熱性能。

1 實驗部分

1.1 水包油乳液的制備

本文選用二甲基導熱硅油(美國道康寧化學公司)作為油相,十六烷基三甲基溴化銨(上海埃皮化學試劑有限公司)作為乳化劑,去離子水作為基液,油和乳化劑按照質量比為2∶1的比例制備導熱油水包油乳液[7-8]。表1為油相和基液的基本物性參數。

表1 二甲基導熱硅油和去離子水基本物性參數

首先,按比例稱取相應質量的油、去離子水和乳化劑放入燒杯中,再將燒杯置于磁力攪拌器(上海雷磁科學儀器公司)上,設置磁力攪拌器的加熱溫度為30 ℃,攪拌轉子轉速為800～1 000 r/min,將混合物在此條件下攪拌處理8 min。然后,將其放入超聲波細胞粉碎機(上海比朗儀器制造有限公司)進行間歇式超聲波處理,超聲波處理器設定為60%功率輸出(額定功率為1 200 W),以開2.5 s和停2.5 s的間歇式處理模式處理8 min后得到粗乳液;再將粗乳液按上述步驟重復處理一次,即可完成水包油乳液的制備。

1.2 乳液穩定性考察

為了考察水包油乳液的穩定性,在實驗過程中定期觀察拍照以記錄乳液在靜置狀態下的狀況,觀察其是否出現分層等穩定性下降的情況。

1.3 乳液導熱系數的測量

測量熱導率的方法主要有穩態平板法、瞬時熱線法和3ω法等方法。其中,瞬時熱線法具有測量速度快、精度高、使用方便等特點。實驗采用TC3000L高精度液體導熱系數儀(西安夏溪電子科技公司)對乳液的導熱系數進行測量,儀器具有較高的測量精度,測量誤差小于2%。實驗過程中,不同類型乳液的導熱系數均測量3次。

1.4 乳液黏度和密度的測量

關于水包油乳液的黏度公式尚不明確,因此實驗采用奧地利Anton Pear MCR102型旋轉流變儀對乳液的黏度進行測量。該儀器具有較高的測量精度,扭矩分辨率可達0.2 nNm,法向力分辨率可達1 mN。對于乳液的密度,以往的文獻多以經驗公式進行計算。為進一步驗證經驗公式的準確性,實驗采用JN-300SL型電子密度儀(上海崢嵐實業有限公司)對乳液的密度進行測量。該儀器的測量精度可達0.001 g/cm3。

1.5 乳液對流換熱實驗

1.5.1 實驗系統的建立

實驗系統主要由膨脹水箱、水泵、流量計、壓力變送器、制冷機組、數據采集系統等組成,如圖1所示。從膨脹水箱流出的工質經水泵、流量計和調節閥后進入實驗段,制冷機組用于控制實驗段的工質保持恒定的入口溫度,實驗工質流量的改變則通過調節閥門和水泵轉速來實現。

圖1 對流實驗系統

實驗段采用內徑為10 mm、外徑為12 mm、螺距為30 mm、螺旋外徑為120 mm、總長度為3 000 mm的紫銅螺旋管制成。在螺旋管實驗段前預留了一段800 mm直管段作為過渡段,用于消除入口效應的影響。實驗段螺旋管外壁上沿軸向均勻布置了8個測溫熱電阻,并連接安捷倫數據采集器以獲取實驗段螺旋管壁面溫度數據;銅管外纏繞電加熱絲,通過控制電加熱絲工作電壓來為實驗段提供穩定的加熱熱流密度,進行定熱流密度對流換熱實驗。實驗工質的入口溫度和出口溫度采用鉑電阻溫度傳感器測量,實驗段進口、出口壓力則由相應的壓力變送器測量。此外,為減少實驗段的加熱熱量損失,在螺旋管外包有一定厚度的保溫層。

在進行對流換熱實驗時,選取不同質量分數的乳液以及去離子水將入口溫度恒定在30 ℃,加熱熱流密度控制在5 000 W/m2,雷諾數在900～3 800。通過調節閥門控制實驗工質的流量來改變雷諾數,每次調節后間隔10～15 min再開始實驗,以保證實驗段內的流體處于穩定狀態。

1.5.2 數據處理

實驗雷諾數的計算公式為

(1)

(2)

式中:u——管道內液體的流動速度;

d——螺旋管當量直徑;

ν——實驗工質的運動黏度;

μ——實驗工質的動力黏度;

ρ——實驗工質的密度。

水包油乳液的密度ρ和比熱容Cp[9]可以根據各組分的比例計算。

(3)

(4)

式中:ρw,mw——去離子水的密度和質量分數;

ρo,mo——導熱油的密度和質量分數;

Cpw——去離子水的密度;

Cpo——導熱油的比熱容。

電加熱絲為實驗段提供的加熱量Qin和工質在實驗段吸收的熱量之間的平衡關系[10]為

Qin=UI-Qloss=qwAw

(5)

qwAw=mCp(Tout-Tin)

(6)

式中:U——加熱電壓;

I——加熱電流;

Qloss——熱量損失;

qw——加熱熱流密度;

Aw——實驗段傳熱面積;

m——實驗工質的質量流量;

Tin,Tout——實驗工質的進出口溫度。

實驗段流體的平均溫度Tf的計算公式為

(7)

實驗工質的平均對流換熱系數h和努塞爾數Nu的計算公式為

(8)

(9)

(10)

式中:Tw——實驗段平均壁面溫度;

Ti——實驗段第i支熱電阻測得的壁面溫度;

n—— 實驗段壁面測溫熱電阻數量,n=8;

k—— 實驗工質的導熱系數。

1.5.3 實驗誤差分析

實驗誤差產生的主要來源為實驗儀器的測量誤差以及人為操作誤差,后者可以通過多次反復實驗來消除,但前者很難消除。表2為對流換熱實驗系統所用到的儀器設備型號、測量范圍和相應誤差。

表2 對流換熱實驗相關測量儀器的測量范圍及誤差

此外,根據式(5)和式(6)得出實驗段通過保溫層等向外散失的熱量約為電加熱絲提供的總加熱量的5.2%～11.6%。說明實驗系統總體的保溫效果較好。

2 結果與討論

2.1 穩定性考察結果

實驗過程中記錄的新制備的乳液和靜置3天后的乳液分別如圖2和圖3所示。

圖2 新乳液

圖3 靜置3天后的乳液

由圖2和圖3可以看出,不同質量分數的導熱油乳液均未有明顯的分層,表現出較好的穩定性,但經過更長時間后,發現乳液出現分層等穩定性變差的情況,且質量分數較高的乳液分層更明顯。這是由于質量分數高的乳液中油滴顆粒更容易發生聚并,導致穩定性變差的緣故。

2.2 導熱系數測量結果

首先對制備水包油乳液的基液(去離子水)和基質(導熱油)的導熱系數k進行了測量,結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下水和導熱油的導熱系數變化情況

由圖4可以看出,去離子水的導熱系數k隨溫度升高而增大,且實驗所用去離子的導熱系數與文獻[11]中水的導熱系數最大相差2%,表明實驗所用儀器具有較高的測量精度和可靠性。相比之下,導熱油的導熱系數k比水低很多,盡管油的導熱系數k隨溫度升高略有減小,但變化的幅度較小。

實驗測得乳液的導熱系數kc如圖5所示。

圖5 不同溫度下kc隨導熱油質量分數的變化情況

由圖5可以看出,隨著溫度的升高,不同質量分數乳液的有效導熱系數(定義有效導熱系數ke=kf/kw,其中kf為乳液的導熱系數,kw為基液的導熱系數)總體呈現出逐漸增加的趨勢;在相同的溫度條件下,導熱油水包油乳液的有效熱導率總體呈現出隨導熱油質量分數增加而逐漸減小的趨勢,相比基液而言,0.1%質量分數的乳液的導熱系數在溫度為20 ℃時最大增加了5%。

出現上述情況的原因可能是:在質量分數一定的情況下,隨著溫度的升高,水包油乳液中油滴的布朗運動加劇,油滴顆粒相互碰撞促進了乳液導熱系數的增加。這與相關文獻的研究結果比較一致[10]。在溫度一定的情況下,隨著油的質量分數的增加,而油本身較低的導熱系數不利于乳液熱導率的增加,同時乳化劑含量的增加也可能使得作為混合物的乳液的導熱系數隨之降低;油的質量分數的增加使得乳液的黏度也隨之增加,可能會增加乳液中油滴顆粒的聚集,使得水包油溶液中油滴顆粒的布朗運動減弱,進而對乳液導熱系數的增加產生不利影響[10]。

為了研究乳化劑對乳液的導熱系數的影響,測量了不同質量分數的乳化劑水溶液在20 ℃時的導熱系數,得到其有效導熱系數kc如圖6所示。

圖6 不同質量分數乳化劑的有效導熱系數

由圖6可以看出,乳化劑乳液的有效導熱系數kc最大為1.023。

由于實驗的乳化劑是由3種溶于水的表面活性劑按比例組成的,考慮到測量誤差等原因,乳化劑對水包油乳液的導熱系數影響比較有限,因此乳化劑對乳液系數的影響會很小;水包油乳液導熱系數kc的增加主要是由諸如布朗運動等其他因素引起的。

總而言之,盡管低濃度的導熱油水包油乳液的熱導率比基液有所增加,但要使乳液具有更好的導熱性能,仍需要進一步研究其增強機理,使用其他手段進行強化。

2.3 黏度和密度測量結果

由于采用旋轉流變儀測定黏度需要保持被測介質處于層流狀態,因此實驗將流變儀剪切速率控制在8.7 s-1。用去離子水對流變儀的測量準確性進行驗證,結果如圖7所示。

圖7 不同溫度下去離子水的黏度

由圖7可以看出,實驗值與文獻值非常接近,表明實驗所用流變儀具有較好的測量可靠性。

在保持剪切速率相同的情況下,得到導熱油在30℃時的黏度為869 mPa·s。不同質量分數乳液在30 ℃時的黏度如表3所示。由于導熱油的黏度比基液大得多,隨著乳液中導熱油質量分數的增加,乳液的黏度也隨之增大。

表3 30 ℃時不同質量分數乳液的黏度

實驗測得去離子水和不同質量分數乳液在室溫下的密度如圖8所示。

圖8 不同質量分數乳液的密度

由圖8可以看出,實驗值與采用式(3)計算的理論值很接近,兩者最大偏差為0.35%,表明式(3)可以很好地適用于導熱油乳液的密度計算。

2.4 對流換熱實驗結果

在30 ℃的入口溫度條件下,通過對不同質量分數的水包油乳液和去離子水進行從層流狀態到湍流狀態(900

圖9 30 ℃入口溫度條件下h隨Re變化情況

由圖9可以看出,在Re<1 800的層流區,不同質量分數的導熱油乳液的平均換熱系數與基液比較接近或者比基液小;在Re>1 800的區域,較低質量分數的乳液的平均換熱系數與基液相比有所增加,且隨著Re的增大,乳液的平均換熱系數相比基液增加的幅度更加明顯;在Re>2 300的區域,1.5%以下質量分數的乳液的平均換熱系數均高于基液,2%以上質量分數的乳液的換熱效果則比基液差一些,隨著導熱油質量分數的增加,乳液平均換熱系數相比基液基本呈現出先增加后減小的趨勢,0.1%和0.5%質量分數的導熱油乳液的平均換熱系數在Re接近3 600時相比基液最大增加了約5%。

圖10是螺旋管內實驗工質的壓降ΔP隨雷諾數的變化情況。

圖10 30 ℃入口溫度條件下ΔP隨Re變化情況

由圖10可以看出,水和乳液在實驗段內流動的的壓降均隨雷諾數增大而增大,隨質量分數的增加而增大,在Re<2 400時,較低質量分數的乳液的壓降與水接近或略低于水。這主要是由于隨著質量分數的增加,乳液的黏度增大,管內流動阻力也隨之增加,導致壓降最大;在雷諾數較小的區域,由于流量較小,在熱流密度一定的情況下,管內工質溫度升高導致乳液黏度有所降低,流動阻力也會有所減小。有相關研究表明,乳化劑具有一定的降粘減阻作用[12-13],這也可能促進乳液壓降的減小,以至于出現和基液接近或略低的情況,因此,對于乳化劑的減阻作用有待進一步的研究。

為了同時研究換熱系數和壓降隨雷諾數及乳液質量分數的變化情況,引入熱力性能系數對螺旋管內傳熱和壓降的共同作用進行了評價。根據文獻[3,14]將熱力性能系數定義為

(11)

式中:Nuf,Nuw——乳液和基液的努塞爾數;

ΔPf,ΔPw——乳液和基液的壓降。

在30 ℃入口溫度條件下,η隨Re的變化情況如圖11所示。

圖11 30 ℃入口溫度條件下η隨Re變化情況

由圖11可以看出,質量分數高于2%的乳液的熱力性能系數η大多小于1,而低質量分數乳液的熱力性能系數η大多大于1,尤其是在Re>2 000的區域,0.1%和0.5%質量分數的乳液的熱力性能系數η最大可達1.044。表明在Re較大的情況下,低質量分數的乳液具有更好的傳熱和流動效果。

在Re較大的區域,低濃度水包油乳液的對流換熱系數相比基液有所增加的原因可能有:一方面,乳液的導熱系數相比基液有所增加,這促進了水包油乳液的傳熱性能的增強;另一方面,在Re較大的情況下,由于螺旋管內存在較強的二次流作用,水包油乳液中油滴顆粒布朗運動加劇,顆粒間的相互碰撞加劇,促進了水包油乳液的傳熱性能的增強[15-16],使得導熱油乳液的換熱性能相比基液有所增強。此外,在Re較大的情況下,水包油乳液中油滴粒徑可能發生了變化,粒徑的改變對乳液的傳熱性能的增強或有促進作用[9,17],但這仍需作進一步的研究。

3 結 論

(1) 隨著溫度的升高,不同質量分數水包油乳液的導熱系數均呈現出增大的趨勢;在相同的溫度下,隨著導熱油質量分數的逐漸增加,導熱油乳液的導熱系數逐漸減小,乳化劑對乳液導熱系數的影響較小。

(2) 在入口溫度為30 ℃的條件下,隨著Re的增加,不同質量分數水包油乳液的平均換熱系數和壓降均逐漸增大,較低質量分數的導熱油乳液在高Re時呈現出比基液更好的換熱效果;在Re接近3 600時,0.1%和0.5%質量分數的導熱油乳液的熱力性能系數最大可達1.044。