螺旋管内TiO2-H2O纳米流体传热与流动特性研究

摘要

“能源短缺”和“效率低下”是当前制约工业发展的两大因素，为了应对这种情况，强化换热技术应运而生。强化换热技术根据是否消耗外部能量分为主动式和被动式，在被动式强化换热技术领域，主要包括改善换热工质热物性及对换热器进行表面处理两种手段。一方面是因为传统换热工质(水,醇类)的导热能力无法满足换热负荷，另一方面是因为传统换热设备管型(直管,方管等)空间利用率较低，单位面积换热效果有限。 本文结合两种被动式强化换热技术，使用TiO2-H2O纳米流体替代水及醇类工质，并使用螺旋管作为换热管道替代直管。运用理论分析和实验探究相结合研究了不同流动方式下不同质量分数纳米流体在不同结构、不同倾角螺旋管中的传热与流动特性，并对比了螺旋管与水平直管内纳米流体与去离子水所表现出的传热和流动特性。所获得的主要结论如下： (1)配制实验所需的不同质量分数(0.1wt%,0.3wt%,0.5wt%)TiO2-H2O纳米流体，并分别研究了TiO2纳米颗粒的微观性质及TiO2-H2O纳米流体的物性参数。其在螺旋管中所表现出的传热性能与去离子水相比最大程度上可以提高17.0%，其阻力系数在自上而下与自下而上两种流动方式下与去离子水相比最大程度上将分别增大3.5%和7.6%。 (2)研究了自上而下与自下而上两种流动方式下，不同螺距对螺旋管传热及流动特性的影响。努塞尔数及阻力系数随着螺旋管螺距的减小而呈递增趋势，与水平直管相比，在自上而下与自下而上流动方式下其努塞尔数将分别提高49.8-62.0%和47-57.8%；其阻力系数将分别增大180.1-264.4%和179.6-204.1%。 (3)研究了自上而下与自下而上两种流动方式下，不同倾斜角度对螺旋管传热及流动特性的影响。最佳的传热性能和最大阻力系数都出现在45°倾角螺旋管中，而90°倾角螺旋管表现出的传热性能最差，0°倾角螺旋管的阻力系数最小。在自上而下与自下而上两种流动方式下，45°倾角螺旋管的传热性能与90°时相比，其换热效果将分别提高8.8-9.3%和8.7-9.7%；45°倾角螺旋管的阻力系数与0°时相比，其阻力系数将分别增大5.0-9.4%和5.1-9.7%。 (4)分别引入综合性能指数和综合热效率两个评价标准评估了实验系统的传热-流阻性能。在自上而下流动方式中，分别考虑螺距和倾角的影响时，实验系统的综合性能指数分别将达到1.25和1.24。在自下而上流动方式中，综合热效率表明实验系统所得数据基本都分布于RegionΙ和RegionΙΙ区域中，这表明本实验系统的整体换热性能比较优秀，同时在螺距10cm+倾角45°+Re>8000这一工况下，实验系统将获得最佳的传热-流阻性能。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究意义

1.2 纳米流体

1.2.1 基本概念

1.2.2 基本物性

1.2.3 国内外研究现状

1.3螺旋管

1.3.1 基本概念

1.3.2 基本结构参数

1.3.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2实验系统的搭建

2.1 实验工质的选择及其物性研究

2.2实验系统的搭建及数据处理方法

2.2.1 实验系统的组成

2.2.2 实验材料及仪器

2.2.3 实验系统验证

2.2.4 实验步骤及注意事项

2.2.5 实验数据处理方法

2.2.6 实验系统不确定度分析

2.3本章小结

3 不同螺距对自上而下流动的TiO2-H2O 纳米流体传热与流动特性的影响

3.1 引言

3.2不同螺距对TiO2-H2O纳米流体传热特性的影响

3.3不同螺距对TiO2-H2O纳米流体流动特性的影响

3.4 螺旋管内 TiO2-H2O 纳米流体传热-流动综合分析

3.5本章小结

4 不同螺距对自下而上流动的TiO2-H2O 纳米流体传热与流动特性的影响

4.1 引言

4.2不同螺距对TiO2-H2O纳米流体传热特性的影响

4.3不同螺距对TiO2-H2O纳米流体流动特性的影响

4.4 螺旋管内 TiO2-H2O 纳米流体热效率分析

4.5本章小结

5 倾斜角度对自上而下流动的TiO2-H2O 纳米流体传热与流动特性的影响

5.1 引言

5.2 不同倾斜角度对 TiO2-H2O 纳米流体传热特性的影响

5.3 不同倾斜角度对 TiO2-H2O 纳米流体流动特性的影响

5.4 纳米流体传热-流动综合分析

5.5本章小结

6 倾斜角度对自下而上流动的TiO2-H2O 纳米流体传热与流动特性的影响

6.1 引言

6.2 不同倾斜角度对 TiO2-H2O 纳米流体传热特性的影响

6.3 不同倾斜角度对 TiO2-H2O 纳米流体流动特性的影响

6.4本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

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