TiO2-水纳米流体对流传热的强化机理研究

摘要

自然对流和强制对流是生活中比较常见的热交换形式。自然对流无需额外增加驱动装置，而是依靠流体的温度差或者密度差来驱使流体的流动。而强制对流是添加驱动装置使流体流动，例如泵，风机等。这两种流动方式的优缺点很明显，自然对流的优点有：安全，没有噪声且成本低，但是缺点也很明确，换热效果较差。强制对流则相反，优点是换热效果好且比较容易控制，而缺点就是噪声较大且能耗高。 纳米流体出现后，学者们在纳米流体的物性及其应用上进行了许多研究，如今纳米流体在强化传热方面的研究及其应用是工程热物理、化学、材料及其能源利用的前沿课题，这对于改善换热器效率及其增大传热负荷有着非同寻常的意义。本文制备了TiO2水基纳米流体，并对其在自然对流和强制对流中的应用进行了实验研究，内容包括：纳米流体在腔体内(有、无填充金属泡沫)的自然对流换热情况；内置纽带圆管和波纹管中强制对流传热特性，为TiO2水基纳米流体在自然对流和强制对流的研究中提供一定的实验依据。本文主要工作及结论如下： (1)纳米流体的制备：利用“两步法”配制了稳定的TiO2水基纳米流体并测量所配流体的热物性。本文通过调控纳米流体的pH值、分散剂比例以及搅拌震荡时间配制出了稳定的TiO2-水纳米流体，纳米流体可以保持7天无明显沉淀物，能够达到实验要求。 (2)腔体内纳米流体的自然对流传热：搭建了不同旋转角度的腔体内自然对流传热测试实验台，并探究了纳米流体浓度、旋转角度、加热功率以及腔体尺寸对自然对流传热效果的影响。实验测量结果显示：换热效果随着纳米流体浓度的增大会有不同程度上的增大，但是流体浓度从0.3%增加到0.5%时换热增强幅度在减小。封闭腔体的放置角度不同，自然对流换热效果也不尽相同，换热效果在α=0°时最好，紧接着是α=45°和90°，换热效果最差的是α=-45°。另外，封闭腔体的宽高比对换热影响极其明显，随着腔体宽高比的增大，努塞尔特数显著增加，自然对流换热效果也显著增强。 (3)填充金属泡沫腔体内纳米流体的自然对流传热：搭建了填充不同孔密度(PPI=5,15,25)的金属泡沫铜腔体内的自然对流实验台，研究了TiO2-水纳米流体在填充金属泡沫腔体内的自然对流效果，并分析了纳米流体浓度以及孔密度(PPI)对自然对流传热的影响。实验测量结果显示：当填充的金属泡沫铜PPI=5以及25时，传热效果接近，均比PPI=15时的换热效果好。另外努塞尔特数随加热功率的提高而变大，但是换热增强效率却随加热功率的提高而降低。 (4)内置纽带圆管内纳米流体的强制对流传热：搭建了内置纽带圆管的强制对流传热实验系统，研究了TiO2-水纳米流体在内置纽带圆管(静止纽带和旋转纽带)内的流动与传热情况，并研究了纳米流体浓度以及内置纽带的状态(静止和旋转)对实验系统流动与传热的影响。实验测量结果显示：与去离子水和圆管的耦合换热相比，纳米流体与内置旋转纽带圆管的耦合换热以及纳米流体与内置静止纽带圆管的耦合分别可以强化换热53.1-101.6%和40.1-81.7%。相同的实验工况下，圆管中内置旋转纽带比内置静止纽带最大可使实验的努塞尔特数提高13.1%。另外在内置旋转纽带圆管的所有工况中，纳米流体浓度为0.3%时的综合评价系数最大，其值为1.519。 (5)波纹管内纳米流体的强制对流传热：搭建了波纹管(圆管)的强制对流传热实验系统，研究了TiO2-水纳米流体在不同波距的波纹管中的换热情况，并探究了纳米流体浓度、管型以及波距对系统中流动与传热的影响。实验测量结果显示：在层流区，与水在光管中的流动相比，纳米流体在圆管和波纹管中的传热能力提高了2.64-22.62%，而在湍流区，可以增强4.3-66.34%。实验系统的传热特性随着波距的变小和纳米流体浓度的变大而得到改善，但是同时流动损失也随之变大。另外，圆管和波纹管的最大综合评价系数分别可达1.156和1.5637。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题研究背景及研究意义

1.2纳米流体的稳定性及热物性研究现状

1.2.1纳米流体的稳定性研究

1.2.2纳米流体的导热系数研究

1.2.3纳米流体的粘度研究

1.3纳米流体的换热特性研究现状

1.3.1纳米流体的沸腾换热研究

1.3.2纳米流体的自然对流换热研究

1.3.3纳米流体的强制对流换热研究

1.4本文主要研究内容

2 腔体内纳米流体自然对流传热特性实验研究

2.1 引言

2.2纳米流体的配制及物性研究

2.2.1 纳米流体的配制及稳定性

2.2.2 纳米流体的物性测量

2.3实验系统介绍

2.4实验数据处理

2.5实验结果和分析

2.5.1换热工质浓度的影响

2.5.2腔体旋转角度的影响

2.5.3加热功率的影响

2.5.4腔体结构（宽高比）的影响

2.6本章小结

3 填充金属泡沫腔体内纳米流体自然对流传热特性实验研究

3.1 引言

3.2实验系统介绍

3.2.1实验材料及实验设备

3.3实验数据处理

3.4.1换热工质浓度的影响

3.4.2 PPI的影响

3.5本章小结

4 内置纽带圆管内纳米流体强制对流传热特性实验研究

4.1 引言

4.2实验系统介绍

4.3实验数据处理

4.4.1实验系统验证及不确定度分析

4.4.2 实验结果分析

4.5本章小结

5 波纹管内纳米流体强制对流传热特性实验研究

5.1 引言

5.2实验系统介绍

5.3实验数据处理

5.4.1实验系统验证及不确定度分析

5.4.2换热性能分析

5.4.3阻力性能分析

5.4.4综合评价系数

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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