水基石墨烯纳米流体的热物性及流动换热特性研究

摘要

在换热介质中添加纳米颗粒来增强换热、提高换热效率的方法已经得到了研究者的广泛认可，并应用于化工、能源、建筑等领域。作为21世纪的新材料之王的石墨烯由于其特殊的片层结构、极高的导热系数，在近几年得到了大家的的高度关注，也被做为添加剂应用到换热介质中增强系统的换热特性。　　本文基于两步法自行配制了石墨烯纳米流体，并对其基础热物性进行了测试研究，同时，设计加工了微细槽道对流换热实验台，研究石墨烯纳米流体在水平圆管以及矩形小槽道内的流动换热特性，并通过实验数据的分析，探讨了石墨烯纳米颗粒强化流体的换热机制，并拟合了石墨烯纳米流体在水平圆管内以及矩形小槽道内的对流换热关系式，为石墨烯纳米流体强化换热的研究提供一定的理论基础。本文主要工作内容如下：　　(1) 对实验所用石墨烯进行了相关物性的表征及分析后采用两步法配制了不同质量浓度的水基石墨烯纳米流体，并采用Zeta电势测试仪和导热系数测试仪对其进行了分散稳定性和导热性能的分析：结果表明随着石墨烯浓度的增大，导热系数呈上升的趋势，在0.05%的质量浓度时导热系数相比基液提高了3%，但是随着浓度的增大，其导热系数变差，分析认为是由于石墨烯纳米流体的较差的稳定性导致的。为了进一步分析对比实验结果的正确性，将实验结果与 Maxwell 导热系数计算模型进行了结果对比，发现两个结果具有相同的规律，但由于石墨烯独特的片层结构使得实验结果略高于模型计算结果。　　(2) 自行设计加工了水平圆管对流换热实验台，并对不同浓度的石墨烯纳米流体在其内的换热特性进行了实验研究，结果表明：对流换热强度随溶液浓度的增大而增大，与基液水相比在入口段和充分发展段都有不同程度的提高。当Re处于500—2000区间时，0.01%浓度溶液在入口段最大提高了 6%，在充分发展段最大提高了 19.5%，整条管道相比基液的对流换热强度最大可提高17.7%；0.03%浓度溶液在入口段最大提高了28.2%，在充分发展段由于粘度增加的效果大于导热率的提高，增大了热边界层的厚度从而使对流换热受到了抑制，整条管道的对流换热强度最大可提高 19.5%。并拟合了适用于石墨烯纳米流体在水平圆管内的对流换热关系式。　　(3) 设计并加工了两种尺寸矩形小槽道，研究了石墨烯纳米流体在其内的对流换热特性，结果表明：在实验 Re 数（500—2000）范围内，石墨烯纳米流体表现出比水更好的换热能力，质量浓度为0.03%时，槽肋比为1：1小槽道内壁面温度降低率最高可达16%。加热功率同为 210W 时，以石墨烯纳米流体为换热工质较水的局部换热系数最大可提高36.6%，对比不同槽肋比条件下局部换热系数变化可以看出1：2槽肋比的矩形小槽道的强化换热效果更为明显，分析认为其较1：1槽肋比的矩形小槽道而言，有着更小的尺寸、流体流速较大、掺混更强，实验结果也表明，在相同的条件下，0.03%的石墨烯纳米流体在槽肋比1：1矩形小槽道内的Nu数较同条件下水提高了69.6%。并拟合了石墨烯纳米流体在矩形小槽道内对流换热强度的关系式，和实验数据相比，平均相对误差不超过8.2%。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.1.1 纳米流体的制备

1.1.2 纳米流体的稳定性研究

1.1.3 纳米流体的热物性研究

1.1.4 纳米流体的流动换热特性研究

1.1.5 纳米流体对流换热关系式研究

1.3 本文研究内容

2 石墨烯纳米流体制备热物性研究及流动换热实验介绍

2.1 石墨烯纳米流体的制备

2.1.1 石墨烯材料物性表征

2.1.2 水基石墨烯纳米流体的制备

2.2 溶液稳定性分析

2.3 热物性测量及分析

2.4 流动换热实验系统介绍

2.5 实验误差分析

2.6 本章小结

3 水基石墨烯纳米流体在水平圆管内流动换热实验研究

3.1水平圆管实验段介绍

3.2 实验数据处理与分析

3.3 实验验证

3.4 实验结果与讨论

3.5 对流换热关联式的建立

3.5.1 拟合公式对比

3.5.2 水平圆管对流换热关系式的拟合

3.6 本章小结

4 水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内流动换热实验研究

4.1 实验段设计

4.2 数据处理方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 壁面温度沿流动长度变化关系

4.3.2 流体在小槽道内的换热特性

4.3.2 矩形小槽道对流换热关系式的拟合

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 主要创新点

5.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果