纳米流体强化传热特性及其相变蓄冷应用的基础研究

摘要

在能源、化工、电力、微电子和信息等领域中,强化传热传质的应用十分普遍,而换热工质在其中起着十分重要的作用。常用换热工质如水、矿物油、乙二醇等导热系数都比较低,换热性能较差。随着科学技术的发展和能源问题的日益突出,这些传统换热工质已逐渐成为强化传热的主要障碍之一,因此迫切需要研制导热系数高、换热性好的新型高效换热流体。1995年,美国Argonne国家实验室的Choi等提出了一个崭新的概念-纳米流体：即将1～100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成的稳定悬浮液,这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性研究。相比传统换热工质,纳米流体可以提高流体导热系数和传热效率、减小壁面摩擦阻力等方面的优点,为流体强化传热带来新的机遇,因而成为新制冷液的发展和热交换器小型化领域中一种最有吸引力的传热传质工质。 目前,国内外对纳米流体的研究还处于初步阶段。主要集中在三个方面：如何制备均匀稳定的纳米流体；测量纳米流体的传热行为,目前为止纳米流体传热特性的测量很不系统,由于传热特性测量工作量大、繁琐,要研究的影响因素多,所以迫切需要更深入、更系统地研究；对比测量和理论预测的数据,以期确定这种新介质内的主要传热机制,并开展应用基础研究。 本论文以Cu-H2O纳米流体为研究对象,以SEM、Zeta电位、粒径、吸光度、沉降实验、瞬态平面热源法等多种测试和表征方法为手段,比较系统地研究了纳米流体的分散稳定和强化传热特性,获得了纳米流体分散稳定的最佳配比和传热特性的影响因素；从数值模拟和实验两方面研究了纳米流体的相变蓄冷特性,并将纳米流体强化传热技术应用于动态蓄冰系统中,其结果为设计新型优良的换热系统及纳米流体的未来应用提供重要的指导作用。主要工作包括以下几个方面： 1.采用直接共混法制备Cu-H2O纳米流体,为获得均匀稳定的纳米流体,采用表面化学分散为主,物理分散为辅的方法。通过可视化沉降试验,Zeta电位,粒径和吸光度测量,比较研究pH值、分散剂种类和浓度对纳米流体分散稳定的影响情况。研究表明,在pH=8.5-9.5时,在0.1％Cu-H2O纳米流体中,加入0.07％十二烷基苯磺酸钠(SDBS)分散剂,悬浮液的稳定性最佳。根据DINO理论分析含SDBS分散剂纳米流体的分散稳定机理,得到纳米Cu在水中的分散稳定性主要受静电排斥作用影响,其计算结果与实验结果保持一致。 2.采用毛细管粘度计测量了Cu-H2O纳米流体的粘度,研究了pH值、分散剂加入量、温度、纳米颗粒质量分数、尺寸及颗粒团聚对纳米流体粘度的影响。结果表明在液体中添加纳米颗粒,其粘度发生了变化,但不同因素对纳米流体粘度的影响不同。在最佳pH值和分散剂加入量时,温度、纳米颗粒质量分数对粘度的影响较大。添加了Cu颗粒的纳米流体(质量分数 W<5％),其行为属于牛顿流体。 3.采用瞬变平面热源法测量了Cu-H2O纳米流体的导热系数,研究了pH值、分散剂加入量、温度、纳米颗粒质量分数、尺寸及颗粒团聚对纳米流体导热系数的影响。实验结果表明pH值和分散剂加入量是影响Cu-H2O纳米流体导热系数的重要因素。最优化的pH值和分散剂加入量能显著提高水溶液中Cu表面Zeta电位绝对值,增大了颗粒间静电排斥力,悬浮液分散稳定性较好,导热系数较高。在最优化的pH值和分散剂加入量条件下,纳米颗粒质量分数和温度对纳米流体导热系数的影响较大。 Cu-H2O纳米流体的导热系数随纳米粒子质量分数的增大而增大,呈非线性关系,且比现有理论(Hamilton-Crosser模型)预测值大。0.1％Cu-H2O纳米流体的导热系数比去离子水提高了10.7％,1.5％Cu-H2O纳米流体的导热系数比去离子水提高了21.3％。显然,纳米颗粒浓度较低时,纳米流体的导热系数增加地较快。 分析了纳米流体导热系数增大的机理,探讨了界面作用、纳米颗粒的团聚效应、纳米颗粒表面的电荷状态、纳米颗粒的运动以及颗粒与母液分子之间的相互作用等因素对纳米流体热传导的影响,表明纳米颗粒和母液分子的相互作用及纳米颗粒表面的电荷状态是纳米流体热导率增加的主要原因；界面热阻和颗粒团聚对纳米流体热导率的增加起反面作用；界面分子叠层、纳米颗粒的运动对纳米流体热导率增加的贡献不大。 4.自行设计、制作了一套纳米流体对流换热系数的实验测试系统,利用此实验系统测量了Cu-H2O纳米流体的对流换热系数,研究了纳米流体对流换热系数的影响因素。实验结果表明分散剂加入量、Re数、纳米颗粒质量分数和轴向比是影响纳米流体对流换热系数的主要因素,pH值和颗粒粒径对纳米流体对流换热系数的影响较小。这个结果启发了我们将纳米流体应用到未来工业中,可以不考虑pH值和颗粒粒径对纳米流体对流换热性能的影响。 分析了纳米流体对流换热机理,表明纳米流体的导热系数、粘度和纳米颗粒迁移是影响纳米流体对流换热系数的主要因素,另外,纳米粒子分散和无序运动,颗粒与壁面之间的相互作用,流体颗粒浓度的不一致以及强制对流条件下颗粒对流体流场的影响都可能会影响纳米流体的对流换热系数。 在选择纳米流体作为强化传热工质时,必须充分考虑纳米粒子的加入对流体导热系数、流体粘度、颗粒迁移和颗粒与壁面之间的相互作用等因素的综合效果,选择高导热系数的纳米颗粒(如Cu等)和合适的质量分数是十分重要的。 5.从数值模拟和实验两方面研究了Cu-H2O纳米流体强化相变蓄冷特性,借助现代测试手段一高速摄像仪和红外热像仪可视化观测纳米流体的蓄冷结晶过程,分析Cu纳米粒子添加量对蓄冷性能的影响。 数值模拟结果表明：一方面,对于一给定的Gr数,随着纳米粒子质量分数的增加,纳米流体的速度组成部分增加,纳米流体质量分数越大,x方向和y方向的速度峰越大,因此加速了流体中能量传输,换热效果增强。另一方面,随着纳米粒子质量分数的增加,结冰时间减少,这是由于纳米流体相比基液具有较高的导热系数。同时,由于纳米流体融解潜热降低,则纳米流体结冰时,每单位质量的纳米流体需要的能量较少,所以纳米流体具有较高的热释放率。这些计算结果将为设计更优良的热交换系统及纳米流体的未来应用提供参考依据和理论指导。 实验结果表明：在水基液中加入纳米Cu粒子后,其过冷度明显降低,且随着纳米Cu质量分数的增加,其高导热系数、大比表面积、强扩散性能的特性逐渐体现出来,则大大促进了流体结冰过程中的质量、能量和动量输运,因而有效缩短了流体的结冰过程。另一方面晶体的生长主要取决于传热,结晶时要放出大量的凝固热,该热量若不能及时带走,结晶就会受到阻碍。由于加入纳米粒子后形成的纳米流体具有比常规流体大得多的导热系数,因此晶体的生长速度加快,蓄冰率也大大提高。Cu-H2O纳米流体的相变温度比水的提高了1℃,因此,纳米流体蓄冰时可以减少压缩机的输入功率,从而节约成本,降低能耗。 本工作将纳米流体强化传热技术应用于动态蓄冰系统中,结果表明纳米流体在蓄冷行业中的应用是完全可行的,值得大规模推广。 综上研究表明：在水基液中添加Cu纳米粒子,可以显著增强液体的导热系数和传热系数,从而提高热交换系统的传热性能,节约成本,减少能耗。因此将纳米流体应用在相变储能、空调、电子冷却、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)等领域,且成为理想的散热剂或制冷剂具有十分广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1纳米流体的制备

1.2.2纳米流体的分散稳定性

1.2.3纳米流体的粘度

1.2.4纳米流体的传热特性

1.2.5纳米流体强化传热机理

1.3纳米流体应用中关键的科学技术问题

1.3.1纳米流体的应用

1.3.2关键的科学技术问题

1.4本论文的主要研究内容

1.5本论文的创新点和特色

第二章纳米流体的制备和分散稳定分析

2.1 引言

2.2实验

2.2.1原料与仪器

2.2.2实验方法

2.2.3实验过程

2.3 Cu-H2O纳米流体的制备及其分散稳定性分析

2.3.1 Cu-H2O纳米流体的制备

2.3.2纳米Cu颗粒在水介质中的聚沉现象

2.3.3 Cu-H2O纳米流体的分散稳定性分析

2.4纳米流体的分散稳定机理分析

2.5本章小结

第三章纳米流体的粘度研究

3.1引言

3.2两相混合物的粘度

3.3纳米流体粘度测量方法

3.4结果与讨论

3.4.1 pH值对纳米流体粘度的影响

3.4.2分散剂加入量对纳米流体粘度的影响

3.4.3纳米Cu颗粒含量对纳米流体粘度的影响

3.4.4温度对纳米流体粘度的影响

3.4.5纳米颗粒粒径对纳米流体粘度的影响

3.4.6纳米颗粒团聚对纳米流体粘度的影响

3.4.7纳米流体的粘度与剪切速率的关系

3.5纳米流体粘度的机理分析

3.6本章小结

第四章纳米流体的导热性能研究

4.1引言

4.2液体导热系数测量方法

4.2.1稳态法

4.2.2非稳态法

4.2.3激光闪光法

4.3瞬变平面热源法导热系数测量系统

4.4结果与讨论

4.4.1 pH值对纳米流体导热性能的影响

4.4.2分散剂加入量对纳米流体导热性能的影响

4.4.3纳米Cu颗粒含量对纳米流体导热性能的影响

4.4.4温度对纳米流体导热性能的影响

4.4.5纳米颗粒粒径对纳米流体导热性能的影响

4.4.6纳米颗粒团聚对纳米流体导热性能的影响

4.5纳米流体强化导热机理分析

4.5.1固体/液体界面对纳米流体热传导的影响

4.5.2布朗运动对纳米流体热导率的影响

4.5.3纳米颗粒表面的电荷状态对纳米流体热导率的影响

4.5.4纳米颗粒团聚对纳米流体热导率的影响

4.6本章小结

第五章纳米流体流动与对流换热性能研究

5.1 引言

5.2实验原理

5.3实验系统及设备

5.3.1总体装置

5.3.2设备参数计算

5.3.3实验系统调试

5.4数据处理

5.4.1实验参数测量及计算

5.4.2流体物性参数

5.4.3无量纲准则数

5.5实验步骤

5.6实验系统的精度校验

5.7结果与讨论

5.7.1 pH值对纳米流体对流换热系数的影响

5.7.2分散剂加入量对纳米流体对流换热系数的影响

5.7.3 Re数对纳米流体对流换热系数的影响

5.7.4纳米Cu颗粒含量对纳米流体对流换热系数的影响

5.7.5纳米流体沿着实验管轴向比的对流换热系数

5.7.6纳米颗粒粒径对纳米流体对流换热系数的影响

5.8纳米流体对流换热机理分析

5.8.1纳米流体导热系数的影响

5.8.2纳米颗粒迁移的影响

5.8.3纳米流体粘度的影响

5.8.4其他影响因素

5.9本章小结

第六章 纳米流体强化相变蓄冷特性研究

6.1引言

6.2 FLUENT计算软件概述

6.3物理模型和数学描写

6.3.1物理模型

6.3.2数学方程

6.3.3封闭腔内纳米流体的自然对流计算

6.3.4封闭腔内纳米流体的结冰计算

6.3.5网格验证

6.4模型的基准测试

6.5计算结果与讨论

6.5.1封闭腔内纳米流体自然对流传热特性的计算结果

6.5.2封闭腔内纳米流体相变蓄冷特性的计算结果

6.6纳米流体相变蓄冷特性的实验研究

6.6.1实验装置

6.6.2实验过程

6.6.3实验结果与分析

6.7动态制冰系统用纳米流体强化蓄冰研究

6.8本章小结

结论

参考文献

在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文

致谢