纳米流体强化传热研究分析_顾雪婷

第
Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的实验结果［１６］ 见图 ４。从图 ４
１
期
中可以看出 ６ 种体积份额的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的努 ·２７·
研究与探讨
塞尔数比相同雷诺数下水的努塞尔数高， Ｆｅ３Ｏ４ 纳米 粒子的体积份额为 ０．３％时增加对流换热系数约为 ６０％， 当体积份额 增 加 到 １．０％时 ， 对 流 换 热 系 数 增 加接近 ９０％， 这些都说明 Ｆｅ３Ｏ４ 纳米粒子的加入增 强了对流换热强度， 有利于强化传热， 且体积份额的 增加也有利于强化传热。
雷诺数范围内的管内对流换热系数。从图 ３ 中可以
看出 ６ 种体积份额的石墨粒子后的纳米流体的努塞
尔数 Ｎｕ 都比相同雷诺数 Ｒｅ 条件下水的努塞尔 数
Ｎｕ 大， 随石墨固相含量的增加， 纳米流体的努塞尔
数 Ｎｕ 近似线性增大， 当石墨纳米颗粒的体积份额
依次从 ０．８７％增加到 ２．０８％， 纳米流体的 Ｎｕ 增加量
关键词： 纳米流体； 强化传热； 物性参数 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｗｅｒｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏ－ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｅ／ｗａｔｅｒ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ａｎｄ Ｆｅ３Ｏ４／ｗａｔｅｒ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｎａｎｏｆｌｕｉｄ； ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ； ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 中图分类号： ＴＫ１２４ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００１－ ５５２３（２００８）０１－ ００２５－ ０４
图 １ 为固相含量不同的石墨／水纳米流体的导
热系数［１６］。随着石墨颗粒固相量的增加， 纳米流体
的导热系数近似线性增大， 由图可见， 当石墨体积分
数为 ２．０％时， 纳米流体导热系数提高 ３０％； 当体积
分数为 １．０％时， 纳米流体导热系数提高 １２％。
图 １ 固相含量不同的石墨／水纳米流体的导热系数
基本上呈比例的增加， 这充分说明石墨纳米颗粒的
加入改变了水内部的热传递过程， 增大了对流换热
系数， 并且在相同的雷诺数条件下， 纳米流体的对流
换热系数随体积份额的增加而增大， 两者有近似线
性的关系。
能 源 研 究 与 利 用
２
图 ３ 体积含量不同的石墨／水纳米流体的
０ ０
８
Ｎｕ 与 Ｒｅ 的关系图
年
质（如水、油、醇等）已很难满足一些特殊条件下的传 局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，
热和冷却要求， 因此， 研制导热系数高、传热性能好 由于固体悬浮粒子尺寸较大， 流动时容易引起管道
的高效新型换热工质是当前强化传热技术的重点。 磨损、堵塞等不良结果， 且无法适用于日益增长的微
众所周知， 常温下固体材料的导热系数要比流 小通道换热系统中， 另外高导热系数的金属颗粒与
研究与探讨
纳米流体强化传热研究分析
顾雪婷， 李茂德 （同济大学机械工程学院， 上海 ２０１８０４）
摘要： 文中综述了目前国内外对于纳米流体强化传热技术的研究情况， 分析了纳米流体的 强化传热机理及添加纳米粒子后对液体的物性参数— ——粘度、比热、密度、流体流动的影响； 说 明了石墨／水纳米流体及 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体导热系数和对流换热系数测量实验的原理及结果， 并 对结果进行了分析， 实验结果表明纳米流体强化了传热。
随着科学技术的发展和能源问题的日益突出， 热 许多。自从 Ｍａｘｗｅｌｌ 理论［１］发表以来， 许多学者对液
交换系统的传热负荷和热强度日益增大， 这就对强化 体中添加固体粒子以提高其导热系数进行了大量的
传热技术提出了更高的要求。而传统的纯液体换热工 理论和实验研究， 并取得了一些成果， 但这些研究都
的温度
Ｔ（ｒ０，
ｔ），
且
ｒ２ ４ａｔ
比较小， 则可以得到：
顾雪婷等， 纳米流体强化传热研究分析
２
ΔＴｌｄ（ｒ０，
ｔ）＝Ｔ（ｒ０，
ｔ）－
Ｔ０＝
ｑ ４πｋ
［
ｌｎ（
４ａｔ
２
ｒ０Ｃ
）＋ ｒ０ ４ａｔ
＋…］
（６）
式中， Ｃ＝ｅｘｐ（γ）。如果线源的半径足够小以至于式（６）
右 边 括 号 内 第 二 项 比△Ｔｌｄ（ｒ０， ｔ）的 ０．０１％还 要 小 ， 则 线源温度的变化与液体导热系数之间的关系式为：
图 ４ 不同体积含量的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的 Ｎｕ 与 Ｒｅ 的关系图
２ 结语
近年来各国研究小组对纳米流体的研究都表 明， 在液体中添加纳米粒子， 可显著增加液体的导热 系数及对流换热系数， 由于纳米材料的小尺寸效应， 不会引起大的阻力损失， 也不会产生磨损、堵塞等不 良结果， 由此不难预料， 在未来的研究中， 纳米流体 强化传热技术将越来越广泛的应用于热交换系统 中， 从而大大提高系统的传热性能。
撞和相互作用， 加强了流体的混合脉动和湍流， 使介
质内横向温度梯度减小， 加大了流道表面和介质内
的温度梯度， 加强了介质内的能量交换。
１．３ 纳米流体导热及对流换热实验研究
本文主要介绍石墨／水纳米流体和 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米 流体的导热以及对流换热实验研究。
１．３．１ 导热系数实验研究
由于纳米颗粒的小尺寸效应和高比表面效应
ρ＝（１－ Φ）ρ０＋Φρｓ
（２）
１．１．３ 比热
同样应用密度计算中的假设条件， 比热用加和
原理计算， 表达式为：
ｃｐ＝
（１－ Φ）ρ０ｃｐ０＋Φρｓｃｐｓ （１－ Φ）ρ０＋Φρｓ
（３）
１．２ 纳米流体流动的影响
纳米流体中的纳米颗粒在流体内无规则运动，
从 而 增 加 了 悬 浮 液 纳 米 颗 粒 、流 体 以 及 流 道 管 壁 碰
利 用
度只与固相体积含量有关， 并且呈线性关系。
１．１．２ 密度
２
０ ０
在实际应用中， 纳米流体的热物性值应该由实
８
年 第
验测定。文献［ ４］ 中假设了纳米流体的热物性满足
１
期 现有的理论关系式， 且物质均为常物性， 则在这两个
·２６· 假设条件下， 纳米流体的密度计算式为：
顾雪婷等， 纳米流体强化传热研究分析
ΔＴｌｄ（ｒ０，
ｔ）＝
ｑ ４πｋ
ｌｎ（
４ａｔ
２
ｒ０Ｃ
）
（７）
对上式ｄ（ｌｎｔ）
（８）
式 （８）就 是 瞬 态 热 丝 法 的 基 本 方 程 式 。 如 果 获 得
了△Ｔ 对 ｌｎｔ 的 曲 线 斜 率 ， 就 可 以 确 定 流 体 的 导 热
系数。
１．３．１．２ 实验结果与分析
图 ２ 为固相含量不同的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的导 热系数（测试温度为 ２０ ℃）［１６］。由图可见， 随着 Ｆｅ３Ｏ４ 固相体积含量的增加， 悬浮液的导热系数呈线性增 加。当纳米 Ｆｅ３Ｏ４ 的体积分数为 １．０％时， 与蒸馏水相 比， 纳米流体的导热系数提高 ４８％。
图 ２ 固相含量不同的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的导热系数
２
即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或
０ ０
８
金属氧化物粒子， 形成一类新的传热冷却工质。Ｃｈｏｉ
年 第
运用传统的液固两相混合物导热系数关联式， 预测
１
期
了纳米流体的导热系数， 计算结果表明在液体中添 ·２５·
研究与探讨
加纳米粒子， 可以提高悬浮液的导热系数。通过比 较纳米流体与传统纯液体工质传热性能的差异， Ｃｈｏｉ 指出 ， 在 同 样 传 热 负 荷 下 ， 如 果 增 加 ２ 倍 传 热 效率， 使用纯液体工质的热交换设备需耗费 １０ 倍的 泵功率， 如果使用增大了 ３ 倍导热系数的纳米流体 作为换热工质， 则几乎不需要增加泵功率， 就可以使 热交换设备的传热效率提高 ２ 倍。因此 Ｃｈｏｉ 认为使 用纳米流体作为换热工质， 可显著提高热交换系统 的传热性能， 节约泵功率， 减小热交换设备的尺寸和 重量， 降低运行成本， 具有许多潜在的优势。目前， 国外在纳米流体强化传热领域的研究已完成了纳米 流 体 制 备 、纳 米 流 体 输 运 参 数 测 定 和 纳 米 流 体 传 热 性能测试， 正在开展纳米流体强化传热机理以及应 用基础的研究工作。国内的一些高校和科研机构也 在强化传热理论和技术方面做了大量的研究工作， 并在传统的强化传热技术领域取得了令人瞩目的 成果。
体材料大几个数量级， 表 １ 对比了固体和液体材料 基液间存在极大的密度差， 悬浮液中微米或毫米级
的导热系数值， 由此可以预计， 悬浮有金属、非金属 的固体颗粒极易沉淀， 限制了这些高导热系数固体
能
或聚合物固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大 颗粒的使用。
源
研
表 １ 几种常用材料的导热系数
究
与
材料
铜
研究与探讨
１．３．２ 对流换热性能实验研究
在供热或制冷的流体介质中加入纳米颗粒，
可以优化流体热物性， 强化颗粒与流体的混合脉动