成果介紹:Si02一DW納米流體重力熱管傳熱性能試驗研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：鄭曉敏
重力熱管和普通熱管相比，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性能優(yōu)良，工作可靠，因此在余熱回收、空調(diào)制冷、電子設(shè)備散熱等傳熱裝置中得到廣泛應(yīng)用。但隨著科技迅速發(fā)展、全球能源緊缺，重力熱管的傳熱性能也需尋求更大的突破。納米顆粒因其具有較高的表面能和很大的比表面積，以及比液體高得多的比熱容等因素，逐漸被引入到換熱領(lǐng)域，用來強化熱管換熱效果，并已有顯著發(fā)現(xiàn)。郭廣亮等用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的納米懸浮液代替水后，熱管蒸發(fā)段性能大幅提高，臨界熱通量最高提高了120%。Firouzfar等將銀一甲醇作為工作液用于空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)冷卻可節(jié)能8. 8%~31. 5%，用于再熱可節(jié)能18%—100%。Noie等將Al2 03納米顆粒添加到純水中作為熱管的工作液，體積分?jǐn)?shù)控制在1%~3%。研究表明，采用Al203 -H20兩相閉式熱虹吸熱管與純水相比，熱效率提高了14.7%，蒸發(fā)段與冷凝段間的溫差小于純水，表明添加納米顆粒工作液替代純水有很大的潛力。
試驗采用Si02 -DW納米流體代替去離子水為工質(zhì)，對重力熱管進行傳熱性能試驗研究，考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體重力熱管與DW熱管對總傳熱系數(shù)和壁面溫度的影響，選出熱管傳熱性能最佳時的納米濃度。以納米流體熱管代替DW熱管，放人氣一氣熱管換熱器中，對比兩者的傳熱性能。
1單管試驗
為了選擇熱管傳熱性能最佳時的納米流體濃度，在單管實驗時，每個不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體熱管各選擇3根與DW熱管的傳熱性能進行對比。
1.1試驗裝置與方法
試驗裝置如圖1所示，重力熱管采用碳鋼加工制作而成，熱管外徑為cp25 mm，壁厚1 mm，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長度分別為500、200、550 mm。在蒸發(fā)段、冷凝段管壁布置了K型熱電偶，熱電偶的軸向位置如圖2所示。蒸發(fā)段采用電加熱爐加熱，冷凝段采用空氣自然對流冷卻。
本實驗采用的Si02納米顆粒平均粒徑為30 nm，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5010、1010、2%的納米流體。熱管的充液量為160 mL，采用電加熱爐加熱，控制爐膛溫度為200℃，待熱管穩(wěn)定運行后，記錄輸入功率及熱電偶讀數(shù)，獲得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體對熱管傳熱性能的影響。每個納米流體熱管都采用3根熱管和DW水管對比，分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體熱管與水管的傳熱性能。
1.2 單管試驗結(jié)果與分析
1.2.1 單管總傳熱系數(shù)
圖3為以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體及去離子水為工質(zhì)的重力熱管的總傳熱系數(shù)隨時間變化關(guān)系圖。從圖3(a)、(c)可以看出，當(dāng)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%、2%時，重力熱管的總傳熱系數(shù)上下起伏，并不穩(wěn)定。而納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，如圖3(b)所示，熱管的傳熱性能相對穩(wěn)定，總傳熱系數(shù)比去離子水重力熱管提高了5. 6%~9.6%。所以本試驗中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%為最佳納米流體濃度。這可能是由于納米流體濃度對重力熱管管內(nèi)的沸騰換熱有所影響。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米流體重力熱管管內(nèi)蒸發(fā)段液池和冷凝段液膜是核態(tài)沸騰，大量的納米顆粒被吸附于管壁上，當(dāng)納米顆粒的粒徑大于液體成核的臨界半徑時，納米顆粒促進了流體內(nèi)的氣泡成核，增加了氣化核心。由于固液接觸角非常小，氣泡脫離尺寸變小，脫離頻率增加，氣泡產(chǎn)生的密度較大，Si02納米顆粒在近壁面的擾動強化了管內(nèi)蒸發(fā)段液膜換熱，為蒸發(fā)段提供了工質(zhì)。
在相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，每個納米流體重力熱管的總傳熱系數(shù)也略有不同，這主要是由于每個試驗時電加熱爐的熱損失不完全相同，造成加熱功率也略有不同。
1.2.2 熱管壁面溫度
圖4是熱管穩(wěn)定運行時工質(zhì)為去離子水的重力熱管和3根質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% Si02 -DW納米流體重力熱管的壁面溫度分布圖。由圖4可知，Si02-DW重力熱管壁面溫度低于DW熱管，且溫度分布相對平緩。3根質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米流體重力熱管管壁溫度分別比DW熱管低1.2~8.2、0.7~4.4、4.6~11. Oo℃。
從圖4可看出，Si02 -DW納米流體重力熱管和去離子水重力熱管的管壁溫度具有相同的分布特征，無異�，F(xiàn)象產(chǎn)生，這說明納米顆粒加入到基液水中形成的納米流體沒有改變水熱管的工作狀態(tài)。但隨著納米顆粒的加入，Si02 -DW納米流體重力熱管的管壁溫度明顯比去離子水重力熱管低，這是由于納米流體的高導(dǎo)熱性、布朗運動等引起的。
2氣-氣納米流體熱管換熱器試驗
由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)lo/o Si02-DW納米流體重力熱管傳熱性能優(yōu)于去離子水重力熱管，將熱管換熱器中去離子水工質(zhì)全部換為Si02 -DW納米流體，在相同的工況下反復(fù)試驗，比較2種工質(zhì)的熱管換熱器的傳熱性能。
2.1試驗裝置與方法
同上方法配置Si02 -DW納米流體，注入熱管中，用熱排法排空氣。將60根熱管全部放人氣一氣熱管換熱器中（如圖5所示），將進氣口閥門打開一個角度，運行熱管換熱器。待熱管換熱器運行穩(wěn)定后，分別測量冷、熱側(cè)的進出口溫度及風(fēng)速。記錄所測數(shù)據(jù)，計算熱管換熱器的傳熱系數(shù)。
2.2試驗結(jié)果與分析
反復(fù)試驗，計算對比試驗中不同工質(zhì)的熱管換熱器的總傳熱系數(shù)。熱管換熱器的總傳熱系數(shù)如表1所示，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米流體熱管換熱器的總傳熱系數(shù)比DW熱管提高了1.63%~1.70%，提高幅度不大，主要是由于在配置60根納米流體工質(zhì)和制作熱管時，耗時較長，最先配置好的納米流體重力熱管內(nèi)的納米顆粒開始團聚，這種團聚只有微弱的布朗運動甚至不會有布朗運動，此時納米流體熱管換熱器只能依靠納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)比DW高來強化換熱。
3結(jié)論
本試驗研究了Si02 -DW納米流體作為工質(zhì)在碳鋼重力熱管及熱管換熱器中的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)重力熱管及熱管換熱器的性能都有所提高。主要結(jié)論如下。
(1)3根質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% S102-DW納米流體重力熱管壁面溫度相比去離子水低1.2~8.2、0.7~
4.4、4.6~11℃，且溫度分布更均勻。
(2)從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、2010的Si02 -DW納米流體重力熱管總傳熱系數(shù)角度來看，發(fā)現(xiàn)本試驗中最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1010，總傳熱系數(shù)相對DW提高了5. 6%~9.6%。
(3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% Si02 -DW納米流體熱管換熱器的總傳熱系數(shù)比去離子水只提高了1.63%~1. 70%。
4摘要：
采用超聲波細(xì)胞破碎儀制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的S10，-DW納米流體，并以S102 -DW納米流體為工質(zhì)在碳鋼重力熱管中進行了傳熱性能試驗研究。結(jié)果表明，工質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% SiO2 -DW納米流體的重力熱管總傳熱系數(shù)比去離子水高5. 6%~9.6qc，傳熱性能增強。納米流體熱管平穩(wěn)運行時，管壁溫度低，分布平緩。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Si02 -DW納米流體為工質(zhì)的重力熱管換熱器，總換熱系數(shù)較普通水工質(zhì)熱管換熱器提高1. 63%~1.70%。
