多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性研究

張桐，陳華*，鄧楊沖

多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性研究

張桐1,2，陳華1,2*，鄧楊沖1,2

（1.天津商業大學 機械工程學院，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

探究多壁碳納米管的濃度、管徑以及超聲聲強對納米流體的蓄冷特性和換熱性能的影響規律。將 5～12 nm、10～20 nm、20～30 nm 3種不同管徑的多壁碳納米管和質量分數為0.05%～0.2%的多壁碳納米管分別制備成不同的納米流體樣品，并搭建試驗臺對樣品進行蓄冷實驗。在質量分數從0.05%變為0.2%時，納米流體的平均過冷度減小了0.7 ℃，管徑由20～30 nm變至5～12 nm時，平均過冷度下降了64.3%；1級超聲聲強使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強使傳熱能力提高了7.8%。研究表明，多壁碳納米管濃度的增加及管徑的減小，可使納米流體的換熱能力增大，過冷度減小，超聲聲強對多壁碳納米管/水納米流體有強化傳熱作用。

納米流體；相變蓄冷；多壁碳納米管；超聲；過冷度

節能與環保是能源利用領域中一項很重要的課題，最近，一種新型的環保節能技術正在受到廣泛關注，那就是利用相變材料的相變潛熱來儲存能量，實現蓄冷和蓄熱[1]。冰蓄冷是一種利用相變吸熱來儲存能量的技術，相較于傳統的水蓄冷方式，冰蓄冷具有更高的儲能密度，即在相同冷量的情況下，所需的體積只有水蓄冷的幾十分之一。然而，冰蓄冷也存在一些問題，首先，冰蓄冷的過冷度較大，導熱系數較低，這會導致蒸發器出口溫度低于常規系統，從而使得能效比降低3%～4%；此外，冰蓄冷也不適用于小溫差傳熱[2]。為了改善冰蓄冷導熱系數低的問題，通過將納米粉體分散到傳統的換熱介質，如水、醇或油中，可以制備出導熱性能更好的納米流體[3-4]。納米流體的傳熱性能優越主要是因為納米粒子顯著增加了納米流體的導熱系數，這種納米流體可以在熱傳遞過程中更高效地傳遞熱量。研究人員在這方面開展了大量研究。武衛東等[5]將高導熱性的納米材料添加到有機蓄冷材料中，發現添加了0.3%的MWNTs、0.4%的Al2O3以及0.8%的Fe2O3后，材料的熱導率分別提高了26.3%、13.1%、32.1%。Kumaresan等[6]對納米流體相變材料（NFPCM）的固化行為進行了實驗研究，其中使用了水基碳納米管納米流體，研究結果表明，這種納米流體顯著降低了過冷度，使蓄冷系統的節能效果提高了6%～9%。Patel等[7]研究了將金納米粒子（Au）和銀納米粒子（Ag）添加到水和甲苯中的導熱性能，研究結果表明，添加Au納米粒子和Ag納米粒子的納米流體的導熱系數有所提高。南京理工大學熱能工程實驗室也開展了納米流體的研究工作[8-9]，制備了CuO-H2O和Cu-變壓器油等納米流體，運用瞬態熱線法測試了上述納米流體的導熱系數。

隨著對強化傳熱技術的深入研究，研究人員逐漸認識到傳統導熱流體的局限性，例如水、油和乙二醇等，由于其導熱性能相對較低，已經成為限制強化傳熱技術發展的主要難題，尤其是在能源、化工、微電子和航空航天等領域。因此，開發具有高導熱系數和優異換熱性能的高效傳熱流體已成為強化傳熱技術研究的焦點。其中碳納米管由于具有高度的化學穩定性和優異的導熱系數而被廣泛應用，Choi等[10]測量了在室溫下碳納米管與油混合形成的納米流體的熱傳導系數。他們發現，當添加了體積分數為1%的碳納米管時，納米流體的導熱系數增加為原始流體（油）的2.5倍。Xie等[11]將碳納米管分散到蒸餾水、乙二醇和癸烯等介質中進行了類似的實驗，他們觀察到納米流體的導熱系數隨著納米粒子濃度的增加呈非線性增加的趨勢，并且納米粒子的尺寸和形狀也對導熱系數產生影響。重慶大學劉玉東[12]針對目前低溫相變蓄冷材料結晶時存在的過冷度以及導熱系數低的問題，開發出了一種既能使液體的成核過冷度降低又能提高其導熱系數的高溫蓄冷材料。通過在BaC12共晶鹽水溶液中加入納米TiO2粉體，配制成TiO2-BaC12-H2O納米流體相變蓄冷材料，并研究其熱物性和蓄冷特性[13]。發現其導熱系數顯著增加，并且能大大降低流體的過冷度；相變溫度在8.5 ℃左右，相變潛熱為254.2～279.5 kJ/kg，相當于冰蓄冷的72%～80%；經過50次的蓄冷實驗后，其相變潛熱和相變溫度基本都很穩定，說明其蓄冷材料熱穩定性很好。該技術已被實驗小組運用于重慶啤酒有限公司的蓄冷裝置中。

水是蓄冷系統的主要材料之一，由于水具有較高的蓄冷密度、性能穩定、相變過程近似恒溫，水在結冰過程中隨著冰越來越厚，會越來越依賴導熱，并且由于其自身具有較大的過冷度，在實際應用中會受到很大的限制。本文以去離子水為基體，多壁碳納米管作為導熱增強劑和成核劑，制備不同規格的多壁碳納米管/水納米流體。開展在不同的碳納米管濃度和直徑下，納米流體復合相變材料的蓄冷特性實驗研究，分析碳納米管的濃度和直徑對納米流體蓄冷特性的影響規律；并探究超聲空化對納米流體蓄冷特性的影響規律，分析不同的超聲聲強對納米流體復合相變材料蓄冷特性的影響，有助于了解多壁碳納米管/水納米流體的蓄冷特性，為提高冰蓄冷的導熱系數提供技術參考。

1 實驗測試

1.1 多壁碳納米管/水納米流體的制備

制備納米流體前，根據測試數據精度和實驗耗時等因素，選擇5～12 nm、10～20 nm、20～30 nm管徑的多壁碳納米管，并計算碳納米管、水、分散劑的比例和用量，納米流體總容積定為150 mL，用不同管徑的碳納米管按照0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2% 5組質量分數進行制備，所制備納米流體的樣品各參數見表1。

表1 納米流體制備參數

Tab.1 Nanofluid preparation parameters

1.2 實驗臺及測點

圖1為納米流體蓄冷特性測試實驗臺。低溫恒溫水箱可供提供不同測試溫度工況，容器內為已經制備完成的水納米流體，溶液初始溫度為20 ℃，試管外的載冷介質為?8 ℃的乙二醇溶液，銅-康銅熱電偶用于采集容器內不同測點的溫度，MX100數據采集儀將熱電偶采集到的數據儲存、運算、模擬后顯示于計算機中，通過安裝專門的軟件，可以對測試數據進行實時監控。為了研究不同超聲聲強對水納米流體蓄冷性能的影響，采用探頭式超聲波發生器，使用變幅桿對液體進行攪拌產生超聲震蕩，控制超聲聲強等級為0～4級，控制超聲定時為180、300、500、900 s 4種。通過高頻的超聲震蕩產生空化氣泡并爆裂來擴大溶液擾動，各實驗儀器的性能參數如表2所示。

圖1 超聲場下納米流體實驗系統

表2 納米流體蓄冷實驗儀器參數

Tab.2 Parameters of experimental instrument for cold storage of nanofluid

各組不同濃度和管徑的多壁碳納米管/水納米流體溶液均取30 mL進行測試。根據納米流體在試管內的容積特征以及實際體積的大小，將3個熱電偶溫度測點分別布置在試管底部、試管中部、試管上部，從底端開始3個測點之間各間隔25 mm。測試不同等級超聲聲強對納米流體蓄冷特性的影響，用燒杯取50 mL的溶液進行測試，考慮到納米流體在燒杯內的容積特征為圓柱形，中心截面近似正方形，實際體積不大，并且超聲探頭占用了燒杯口的大部分面積。為方便布置熱電偶，選取燒杯中心處為唯一測點。

2 結果與分析

2.1 不同濃度多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性

圖2為10～20 nm管徑的多壁碳納米管不同質量分數的過冷度曲線。從圖2中可以看出，過冷度隨著質量分數的增大而減小，在質量分數從0.05%變為0.2%時，納米流體的平均過冷度減小了0.7 ℃，且在同一濃度下、、3個測點的過冷度分別為1.1、4.9、6.2 ℃。在高度方向上，由底部到頂部，過冷度逐漸增大，過冷度最大波動值為5.1 ℃，說明去離子水中各處過冷度的大小不均勻。但不同濃度的多壁碳納米管在不同高度測點的過冷度差異不大，且質量分數為0.2%的納米流體比質量分數為0.05%的納米流體的過冷度幅度大3.9%，但繼續提高多壁碳納米管濃度對去離子水各處的過冷度不均勻性改變不明顯。圖3為不同濃度多壁碳納米管的平均過冷速率變化曲線圖。由圖3可知，平均過冷速率隨著多壁碳納米管在納米流體中濃度的增大而增大，平均增幅為25%。這是由于水在過冷狀態時，需要吸收冷量用于凝固，而多壁碳納米管比表面積大，能為水分子提供更多成核位點，促進液態水在多壁碳納米管表面生成冰晶，減小凝固驅動力。

圖2 過冷度隨質量分數的變化

圖3 平均過冷速率隨質量分數的變化

圖4為質量分數為0.1%的多壁碳納米管不同管徑的過冷度曲線。由圖4可以看出，不同管徑的多壁碳納米管制成的納米流體過冷度各不相同。管徑為5～12 nm的納米流體的平均過冷度為1.5 ℃，管徑為10～20 nm的納米流體的平均過冷度為2.4 ℃，管徑為20～30 nm的納米流體的平均過冷度為4.2 ℃。納米流體的過冷度變化趨勢是隨著多壁碳納米管管徑的減小而降低，當管徑由20～30 nm變至5～12 nm時，平均過冷度下降了64.3%，說明隨著多壁碳納米管管徑的減小，多壁碳納米管成核位點減小，成核驅動力降低，過冷度降低，進而納米流體的換熱能力增大，但是管徑不能過小，因為納米粒子粒徑過小會引起嚴重的團聚效應[14]。圖5為不同管徑多壁碳納米管的平均過冷速率變化曲線。由圖5可知，隨著多壁碳納米管管徑的減小，過冷速率提升；管徑為10～20 nm的多壁碳納米管的平均過冷速率比20～30 nm的提升了20%。

圖4 過冷度隨管徑的變化

圖5 平均過冷速率隨管徑的變化

2.2 超聲波聲強對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性影響

為了探究不同等級的超聲波聲強對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性的影響規律，對管徑10～20 nm、質量分數為0.1%的多壁碳納米管/水納米流體施加1～4級超聲聲強進行蓄冷實驗，得到的步冷曲線如圖6所示。由于納米流體的主要成分為水，超聲波的加入并不能顯著改變去離子水的相變溫度。從整體上看，不同超聲聲強等級下的步冷曲線變化規律相似，整個圖線對應的納米流體凍結的物理過程為流體溫度降低、發生過冷、開始結冰、冰溫度降低等4個。納米流體在前3 min并未發生過冷，屬于流體降溫階段，此時無超聲、1級聲強、4級聲強的降溫速率分別為6.96、7.33、7.5 ℃/min。在流體降溫階段，由于超聲聲強產生的空化作用會破壞邊界層，引起流體的擾動和換熱，所以增大超聲聲強可以加強多壁碳納米管/水納米流體的傳熱。1級超聲聲強使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強使傳熱能力提高了7.8%。隨著超聲聲強等級的提升，納米流體在流體降溫階段的過冷度不斷降低，傳熱能力不斷加強。在10 min左右時由于納米流體發生了過冷現象，因此在圖中有一明顯跳變[15]。當多壁碳納米管/水納米流體完成相變過程，進入冰溫度降低過程時，增大超聲聲強，納米流體的過冷度降低，傳熱能力加強，但增加的幅度減弱。

超聲聲強為0～4級下的多碳壁納米管/水納米流體的過冷度和過冷速率的變化情況如圖7～8所示。由圖7可知，過冷度隨超聲聲強等級的增大而減小，超聲聲強等級從1級升至4級時，納米流體的過冷度分別為3.1、1.6、1.4、1.1 ℃。加了4級超聲聲強的納米流體的過冷度降低程度是1級超聲聲強的2.7倍，這是因為超聲場帶來的空化氣泡在破裂時產生能量，打破了多壁碳納米管的過冷現象，并且隨著超聲聲強等級增大，打破過冷的效果更好。由圖8可知，過冷速率隨著超聲聲強等級的增大而提高，但增大的量逐漸減小，增幅由27.3%降為0.3%。

圖6 不同超聲強度等級下納米流體的步冷曲線

圖7 過冷度隨超聲聲強等級變化的規律

圖8 過冷速率隨超聲聲強等級變化的規律

3 結語

本文通過對制取的不同濃度和管徑的多壁碳納米管/水納米流體進行蓄冷特性實驗研究，并探究不同強度的超聲波對多壁碳納米管/水納米流體蓄冷特性的影響規律，主要結論如下：

1）多壁碳納米管能增大去離子水的換熱能力，隨著多壁碳納米管/水納米流體濃度的增加，納米流體的過冷度逐漸減小。質量分數由0.05%增加到0.2%時，平均過冷度減小了0.7 ℃。加入少量多壁碳納米管可使去離子水各處的過冷度大小分布更加均勻，且0.2%質量分數的納米流體比0.05%質量分數的納米流體的過冷度幅度大3.9%。

2）隨著多壁碳納米管管徑的減小，納米流體的換熱能力增大，過冷度減小，管徑由20～30 nm變至5～12 nm時，平均過冷度下降了64.3%。

3）超聲聲強對多壁碳納米管/水納米流體有強化傳熱作用，1級超聲聲強使傳熱能力提高了5.3%，而4級超聲聲強使傳熱能力提高了7.8%；多壁碳納米管/水納米流體的過冷度隨著超聲聲強等級的增大而減小，加了4級超聲聲強的納米流體的過冷度降低程度是1級超聲聲強的2.7倍；隨著超聲聲強等級的增加，納米流體的過冷速率增大，但過冷速率增大的量逐漸減小。

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Cold Storage Characteristic of Multi-walled Carbon Nanotubes/Water Nanofluids

ZHANG Tong1,2,CHEN Hua1,2*,DENG Yangchong1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China 2. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin 300134, China;)

The work aims to investigate the effects of the concentration, diameter and ultrasonic intensity of carbon nanotubes on the cold storage characteristics and heat transfer properties of nanofluids. In this paper, multi-walled carbon nanotubes with three different tube diameters of 5-12 nm, 10-20 nm and 20-30 nm and 0.05%-0.2% mass fraction were prepared as different nanofluid samples, and a test rig was set up to conduct cold storage experiments on the samples. When the mass fraction changed from 0.05% to 0.2%, the average supercooling degree of the nanofluid decreased by 0.7 ℃. And when the tube diameter changed from 20-30 nm to 5-12 nm, the average supercooling degree decreased by 64.3%; the first-order ultrasonic intensity increased the heat transfer capacity by 5.3%, and the fourth-order ultrasonic intensity increased the heat transfer capacity by 7.8%. The results show that with the increase of carbon nanotubes mass fraction and the decrease of tube diameter, the heat transfer capacity of the nanofluid increase and the supercooling degree decrease. The ultrasonic intensity can enhance the heat transfer capacity of multi-walled carbon nanotubes/water nanofluids.

nanofluid; phase change cold storage; multi-walled carbon nanotubes; ultrasound; degree of supercooling

TK02

A

1001-3563(2024)01-0034-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.005

2023-07-19