三角管内SiO2-H2O纳米流体传热与流动特性研究

摘要

随着现代工业经济与科技的迅猛发展，能源与动力技术的研究也是愈发重要，随着全球资源与能源的日渐短缺，研究与开发新型能源以及更高效的强化传热技术是当前首要目标，对各国发展国民经济起到了至关重要的作用。我国地大物博，资源富饶，但由于人口众多，目前的能源依然是十分有限，人均化石燃料占有量仅仅为世界平均水平的56%，其中石油及天然气的人均占有量仅为世界平均水平的8%。我国水力资源世界屈指可数，开发量高达3.79亿千瓦，但人均拥有量不到0.3千瓦。煤炭资源为一次性能源的主要消耗，占总能源消耗的70%，但由于污染严重，如不采取有效措施，后果将不堪设想。因此，提高能源利用率、开发清洁能源保护环境以及成为我国可持续发展的主要战略目标[1]。在航空航天等工业中，发动机等动力传送装置运作时必会伴有大量的热量产生。为保证其动力传送装置的正常运转，须有一定的冷却装置工作，换热器在上述工作中就起到了至关重要的作用。据统计，热电厂中换热设备如锅炉，其换热器的投资约占电厂总投资的70%，在石油化工企业的投资占比为40%~50%，制冷机中蒸发器的质量占比为30%~40%，其动力消耗约占总值的20%~30%[2]。工质的流动是各大工业中最常见的过程，由此可见换热器的设计、改进与运转对于能源利用起到了重要作用[3]。对于传统换热器而言，目前水、醇、油等低导热系数的传统换热工质依然为主体，换热设备中管壳式换热器仍是主流，而80%以上的管壳式换热器仍在使用换热效率较低的光滑圆管或方管结构[4-7]。像水、乙二醇、机油等传统的纯液体换热工质，在热交换设备对传热负荷和传热强度有更高要求的今天，已经无法适用于一些特殊条件下的传热与冷却，这就需要进一步改进强化传热技术，如何更有效地强化换热成为目前亟待解决的问题。 本文采用了SiO2-H2O纳米流体代替传统换热工质，以强化换热管(三角管)代替传统换热器结构，研究了不同质量分数的纳米流体在内置不同孔径及孔距扭带条件下的三角管内SiO2-水纳米流体的传热与流动特性。主要工作及成果： (1)使用两步法配制了不同浓度的SiO2-H2O纳米流体(ω=0wt%、ω=0.1wt%、ω=0.3wt%和ω=0.5wt%)，并运用沉降观测法对其稳定性进行分析。 (2)测量了不同质量分数的SiO2-H2O纳米流体的热物性参数，包括导热系数、粘度等。 (3)设计了三角管的强化换热系统，搭建了三角管强化换热系统的流动与传热特性测试实验台，研究去离子水和纳米流体的传热与流动阻力特性。相比于同等条件下的圆管去离子水，最大综合性能评价指数可提高至1.36。 (4)搭建了内置光滑扭带三角管强化换热系统流动与传热特性测试实验台，研究了去离子水和纳米流体的传热特性与流动阻力特性。相比于同等条件下去离子水，最大综合性能评价指数可提高至1.39。 (5)搭建了内置带有不同孔径圆孔扭带的三角管强化换热系统的流动与传热特性测试实验台，研究了去离子水和纳米流体的传热与流动阻力特性。相比于同等条件下最小孔径，最大换热程度可提高6.498%。 (6)选取其中一种孔径，搭建了内置带有不同孔距圆孔扭带的三角管强化换热系统的流动与传热特性测试实验台，研究了去离子水和纳米流体的传热与流动阻力特性。相比于同等条件下最大孔距，最大换热程度可提高11.309%。 (7)对比圆管无扭带的换热效果，并基于管内的流动与传热进行综合分析，发现最高综合性能评价指数可达1.59。

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

1.2.1纳米流体定义

1.2.2纳米流体配制

1.2.3 纳米流体稳定性

1.2.4 纳米流体物性

1.3 研究现状

1.4主要研究内容

2 SiO2-H2O纳米流体的制备及其热物性研究

2.1 引言

2.2 SiO2-H2O纳米流体的制备及物性参数测量

2.2.1 制备方法

2.2.2 制备过程

2.2.3 稳定性分析

2.3纳米流体热物性研究

2.3.1 导热系数

2.3.2 粘度

2.2.3 其他物性

3 三角管内 SiO2-H2O 纳米流体的传热与流动特性的实验研究

3.1引言

3.2实验系统介绍

3.2.1实验系统构成

3.2.2 实验材料及仪器

3.2.3 实验数据处理

3.2.4 实验系统不确定性分析

3.2.5 实验系统验证

3.3 SiO2-H2O纳米流体的传热特性

3.3.1 实验步骤

3.3.2 三角管内SiO2-H2O纳米流体强化传热特性研究

3.4 SiO2-H2O纳米流体的流动特性

3.5 SiO2-H2O纳米流体的传热-流动特性综合分析

3.6 本章结论

4 无孔扭带对三角管内纳米流体的传热与流动特性影响的研究

4.1引言

4.2实验系统介绍

4.2.1实验系统介绍

4.2.2 实验数据处理

4.3 SiO2-H2O纳米流体的传热特性

4.4 SiO2-H2O纳米流体的流动特性

4.5 SiO2-H2O 纳米流体的传热-流动特性综合分析

4.6 本章结论

5 扭带上圆孔的尺寸对三角管内纳米流体的传热与流动特性影响的研究

5.1引言

5.2 实验系统介绍

5.2.1实验系统

5.2.2 实验数据处理

5.3 SiO2-H2O纳米流体的传热特性

5.4 SiO2-H2O纳米流体的流动特性

5.5 SiO2-H2O纳米流体的传热-流动特性综合分析

5.6 本章结论

6 扭带上圆孔的间距对三角管内纳米流体的传热与流动特性影响的研究

6.1引言

6.2 实验系统介绍

6.2.1实验系统

6.2.2 实验数据处理

6.3 SiO2-H2O纳米流体的传热特性

6.4 SiO2-H2O纳米流体的流动特性

6.5 SiO2-H2O 纳米流体的传热-流动特性综合分析

6.6(火用)效率分析

6.7 本章结论

7 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者简历

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