李九如 杨献亮 陈巨辉
摘 要：为了研究纳米流体的换热特性，依据纳米流体换热理论，研制了纳米流体换热特性实验台，介绍了该实验台的设计方案和主要构成。对实验台的准确性进行了实验验证，并进行了纳米流体的换热特性测定的实验。绘制了实验结果的图表，进行了相关的分析，得出相应结论与理论实际相符合，证明了实验结果的正确性，可为纳米流体换热特性的研究提供可靠的依据。
关键词：实验台；纳米流体；换热特性
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.009
中图分类号： TK124
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0051-04
Abstract：In order to study the heat transfer characteristics of nanofluids， an experimental platform is built based on the theory of nanafluids heat exchange. This paper is an attempt to introduce a design plan and major structure of the experimental platform. The accuracy of the experimental platform has been proved and some experiments related to heat transfer characteristics of nanofluids were carried out. The charts of the experimental results are drawn， and relevant analysis is made to draw the corresponding conclusions. The conclusions are in good agreement with the theoretical results and prove the correctness of the experimental results， which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluids.
Keywords：experiment platform；nanofluids；heat transfer characteristics
0 引 言
20世纪80年代以来，随着纳米科学和技术的大力发展，纳米材料的变革为高效强化传热带来了新的机遇，使得液-固两相强化传热再次成为工程热物理領域的发展方向[1-2]。纳米流体作为一种新型的换热工质，目前被越来越多的应用到强化换热技术领域[3]。近些年的实验研究表明在其他条件相同的前提下，液体中纳米粒子的添加明显的增强了能量的扩散过程，进一步证明了纳米流体作为强化传热工质是可行的[4-5]。纳米流体作为一种新兴的换热工质，其导热系数非常高，在换热领域具有非常巨大的发展潜力[6-8]。
为了研究纳米流体的换热特性，自行设计并搭建了纳米流体换热特性实验台[9-10]。并分别介绍了实验台原理、实验台系统的组成与实验步骤。同时还对实验台进行了准确性验证，并对四种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体进行了换热特性测定的相关实验，将得到的实验数据进行制图并分析得出结论[11-12]。
1 实验台的设计与搭建
1.1 实验台原理
本实验台参考其它简易纳米流体实验台，结合实际情况进行设计、修改和完善，来达到预期设计目的，并自主进行搭建。实验台原理如图1所示。
1.2 实验仪器与设备
实验台搭建所需的设备如表1所示。
1.3 实验台组成及优点
整个实验台主要由3部分构成。首先将制备好的成品纳米流体溶液储存在储液罐中，并与截止阀，泵和热电偶相连构成第1部分。第2部分为实验段，这一部分作用是测量纳米流体的换热系数，也是本实验装置中最为重要的环节。实验段为长度1500mm，外径15mm，内径10mm的紫铜管，紫铜管外部为直径50mm的套管，并在两管之间充满乙二醇液体，套管被绝热材料包裹且两端由法兰盘固定（中间有石棉网）。电源与加热装置相连用来加热实验段，并且在实验段添加了一个旁路。在实验段还装有2个精度为1℃和1个精度为0.1℃的热电传感器分别用来测量管壁和流体的温度，在实验段的上方还装有数字微压计以便测量进出口的压差。在第1部分和第2部分之间，我们装有调节阀和流量计来控制和观察流体的流速。第3部分则是由热交换器和冷却箱构成，主要是用来冷却被加热的纳米流体来使其温度恢复到常温。
本实验台与传统实验台相比的优点如下：
1）在第1部分与第2部分之间添加了流量计，可以直接观测出流量的大小。
2）在实验段的两端安装了数字微压计来测量进出口压差。
3）加热部分由传统实验装置的电阻丝改为套管，使得加热部分的受热更加均匀，也更加贴近于实际工况。
4）阀门1以及阀门2的存在可以更加方便的测量管壁的温度变化情况。
5）旁路的添加有助于实验后的液体排放及回收。
1.4 实验步骤
1）用两步法制备所需浓度的纳米流体，分散剂采用十二烷基本磺酸钠（SDBS）。
2）在冷却箱中加满淡水。
3）在中间层液体储存槽中加入水直至溢口。
4）加热中间管层液体至80℃。
5）打开纳米流体循环水泵与中间层加热液体水泵。
6）待实验数据稳定，观察并记录数据。
2 实验台准确性验证
为确保实验系统的准确性，先对纯水的努塞尔数进行了相应的测量。并将得到的实验数据与SeiderTate公式比较并进行校核。
通过将实验数据与公式中的曲线进行比较，可知二者偏差在±3%以内，实验台精度较高，实验数据可靠。
3 实验数据分析
本文用两步法制备了4种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体用于实验。得到不同雷诺数下的换热系数曲线关系如图4所示。
由图4可知，在雷诺数相同的情况下，当纳米流体浓度较低时，其换热系数较基液相比并没有显著提升。但随着雷诺数的增大，质量分数较高的纳米流体的换热系数增加的幅度也较大。实验段纳米流体的进出口压差如图5所示。
在常温下，随着纳米流体浓度的增大，压差也随之增大。1.5%、0.80%、0.50%、0.25%浓度的纳米流体压降与基液相比，压差分别增加了大概21.5%、18.3%、8.23%以及3.04%，而传热系数则分别增大了31.67%、27.60%、23.18%和4.56%。由于纳米流体浓度的增大导致压差的增大，代表沿程阻力也进一步增大，而浓度过低的纳米流体又无法达到理想的换热效果。综上所述，可知在质量分数为0.50%时的综合效果最佳。
根据不同雷诺数和浓度的纳米流体与管壁温度关系可得图6。
虽然在纳米流体质量分数相对较低时，对管壁的温度影响不明显。但是当纳米流体的质量分数增大时，对管壁温度的影响还是十分显著的。
进一步研究纳米流体的换热特性（Re=2000），得出了实验段管内不同位置处的换热系数。结果如图7所示。
由上图可知，当Re=2000时，随着位置的深入纳米流体的换热系数逐渐减小。并且由于布朗运动的作用，纳米流体在实验段入口处的换热系数要比其他区域大很多。
同时还制作了实验段位置与努塞尔数的曲线关系图，如图8所示。
由图8可见，常温下质量分数较低的纳米流体对换热系数的影响并不明显，但随着纳米流体质量分数的增大努塞尔数也逐渐增大。
4 结 论
本文針对如何研究纳米流体的换热特性，自主搭建了纳米流体换热特性实验台，介绍了实验台的设计组成及优点。 通过对纯水的努塞尔数的实验测定并与经验公式相比较，实验台误差小于±3%，完全符合研究纳米流体换热特性的要求。对4种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体进行了换热特性测定实验，综合分析并得出了以下结论。
1）在基液中添加CuO纳米颗粒可使流体的换热效果得到显著提升，而且随着雷诺数的增大，纳米流体的换热系数也随之增大；
2）CuO-乙二醇纳米流体质量分数的加大使得管壁温度降低幅度愈发明显，同时换热系数和努塞尔数也有明显增加；
3）相同质量分数的纳米流体，压降随着雷诺数的增大而增大。
上述结论与理论分析相符，具有十分重要的现实意义，并可为纳米流体换热特性的研究提供重要的依据。
参 考 文 献：
[1] ASHRAFMANSOURI SeyedehSaba， ESFAHANY Mohsen Nase.Masstransfer in Nanofluids： A Review[J]. International Journal of ThermalScience， 2014（82）： 84-99.
[2] PANG Changwei， LEE Jae Won， KANG Yong Tae. Review on Combined Heat and Mass Transfer Characteristics in Nanofluids[J].International Journal of Thermal Science， 2015（87）： 49-67.
[3] 宣益民，李强.纳米流体强化传热研究[J].工程热物理学报，2000，21（4）：466-470.
[4] 王彩霞，黄云.纳米流体研究进展[J].储能科学与技术，2017，6（1）：1-8.
[5] 宣益民，李强. 纳米流体强化传热研究[J]. 工程热物理学报， 2000， 21（4）：466-470.
[6] 夏国栋，杜墨，刘冉.微通道内纳米流体的流动与换热特性[J]. 北京工业大学学报，2016，42（3）：55-66.
[7] ARAVIND S. S. Jyothirmayee， RAMAPRABHU S.Graphenemultiwalled Carbon Nanotubebased Nanofluids for Improved Heat Dissipation[J].RSC Advances， 2013（3）：4199-4206.
[8] ABBASSI Y.Experimental Investigation of TiO2/Water Nanofluid Effects on Heat Transfer Characteristics of a Vertical Annulus with Nonuniform Heat Flux in Nonradiation Environment[J]. Aannals of Nuclear Energy， 2014（69）： 7-13.
[9] 杨波，王姣. 碳纳米流体强化传热研究[J]. 强激光与粒子束， 2014，26（5）：1-3.
[10]陈俊，史林.利用分子动力学模拟纳米流体有效导热系数[J]. 清华大学学报， 2010，50（12）： 1983-1987.
[11]CORCIONE M， Empirical Correlating Equations for Predicting the Effective Thermal Conductivity and Dynamic Viscosity of Nanofluids[J]. Energy Conversion and Management， 2011，52（1）：789-793.
[12]BENJAMIN R， TAM C Nguyen， NICOLAS G. Experimental Investigation of CuOwater Nanofluid Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel Heat Sink[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014（84）：275-292.
（编辑：温泽宇）
摘 要：为了研究纳米流体的换热特性，依据纳米流体换热理论，研制了纳米流体换热特性实验台，介绍了该实验台的设计方案和主要构成。对实验台的准确性进行了实验验证，并进行了纳米流体的换热特性测定的实验。绘制了实验结果的图表，进行了相关的分析，得出相应结论与理论实际相符合，证明了实验结果的正确性，可为纳米流体换热特性的研究提供可靠的依据。
关键词：实验台；纳米流体；换热特性
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.009
中图分类号： TK124
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0051-04
Abstract：In order to study the heat transfer characteristics of nanofluids， an experimental platform is built based on the theory of nanafluids heat exchange. This paper is an attempt to introduce a design plan and major structure of the experimental platform. The accuracy of the experimental platform has been proved and some experiments related to heat transfer characteristics of nanofluids were carried out. The charts of the experimental results are drawn， and relevant analysis is made to draw the corresponding conclusions. The conclusions are in good agreement with the theoretical results and prove the correctness of the experimental results， which can provide a reliable basis for the study of the heat transfer characteristics of nanofluids.
Keywords：experiment platform；nanofluids；heat transfer characteristics
0 引 言
20世纪80年代以来，随着纳米科学和技术的大力发展，纳米材料的变革为高效强化传热带来了新的机遇，使得液-固两相强化传热再次成为工程热物理領域的发展方向[1-2]。纳米流体作为一种新型的换热工质，目前被越来越多的应用到强化换热技术领域[3]。近些年的实验研究表明在其他条件相同的前提下，液体中纳米粒子的添加明显的增强了能量的扩散过程，进一步证明了纳米流体作为强化传热工质是可行的[4-5]。纳米流体作为一种新兴的换热工质，其导热系数非常高，在换热领域具有非常巨大的发展潜力[6-8]。
为了研究纳米流体的换热特性，自行设计并搭建了纳米流体换热特性实验台[9-10]。并分别介绍了实验台原理、实验台系统的组成与实验步骤。同时还对实验台进行了准确性验证，并对四种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体进行了换热特性测定的相关实验，将得到的实验数据进行制图并分析得出结论[11-12]。
1 实验台的设计与搭建
1.1 实验台原理
本实验台参考其它简易纳米流体实验台，结合实际情况进行设计、修改和完善，来达到预期设计目的，并自主进行搭建。实验台原理如图1所示。
1.2 实验仪器与设备
实验台搭建所需的设备如表1所示。
1.3 实验台组成及优点
整个实验台主要由3部分构成。首先将制备好的成品纳米流体溶液储存在储液罐中，并与截止阀，泵和热电偶相连构成第1部分。第2部分为实验段，这一部分作用是测量纳米流体的换热系数，也是本实验装置中最为重要的环节。实验段为长度1500mm，外径15mm，内径10mm的紫铜管，紫铜管外部为直径50mm的套管，并在两管之间充满乙二醇液体，套管被绝热材料包裹且两端由法兰盘固定（中间有石棉网）。电源与加热装置相连用来加热实验段，并且在实验段添加了一个旁路。在实验段还装有2个精度为1℃和1个精度为0.1℃的热电传感器分别用来测量管壁和流体的温度，在实验段的上方还装有数字微压计以便测量进出口的压差。在第1部分和第2部分之间，我们装有调节阀和流量计来控制和观察流体的流速。第3部分则是由热交换器和冷却箱构成，主要是用来冷却被加热的纳米流体来使其温度恢复到常温。
本实验台与传统实验台相比的优点如下：
1）在第1部分与第2部分之间添加了流量计，可以直接观测出流量的大小。
2）在实验段的两端安装了数字微压计来测量进出口压差。
3）加热部分由传统实验装置的电阻丝改为套管，使得加热部分的受热更加均匀，也更加贴近于实际工况。
4）阀门1以及阀门2的存在可以更加方便的测量管壁的温度变化情况。
5）旁路的添加有助于实验后的液体排放及回收。
1.4 实验步骤
1）用两步法制备所需浓度的纳米流体，分散剂采用十二烷基本磺酸钠（SDBS）。
2）在冷却箱中加满淡水。
3）在中间层液体储存槽中加入水直至溢口。
4）加热中间管层液体至80℃。
5）打开纳米流体循环水泵与中间层加热液体水泵。
6）待实验数据稳定，观察并记录数据。
2 实验台准确性验证
为确保实验系统的准确性，先对纯水的努塞尔数进行了相应的测量。并将得到的实验数据与SeiderTate公式比较并进行校核。
通过将实验数据与公式中的曲线进行比较，可知二者偏差在±3%以内，实验台精度较高，实验数据可靠。
3 实验数据分析
本文用两步法制备了4种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体用于实验。得到不同雷诺数下的换热系数曲线关系如图4所示。
由图4可知，在雷诺数相同的情况下，当纳米流体浓度较低时，其换热系数较基液相比并没有显著提升。但随着雷诺数的增大，质量分数较高的纳米流体的换热系数增加的幅度也较大。实验段纳米流体的进出口压差如图5所示。
在常温下，随着纳米流体浓度的增大，压差也随之增大。1.5%、0.80%、0.50%、0.25%浓度的纳米流体压降与基液相比，压差分别增加了大概21.5%、18.3%、8.23%以及3.04%，而传热系数则分别增大了31.67%、27.60%、23.18%和4.56%。由于纳米流体浓度的增大导致压差的增大，代表沿程阻力也进一步增大，而浓度过低的纳米流体又无法达到理想的换热效果。综上所述，可知在质量分数为0.50%时的综合效果最佳。
根据不同雷诺数和浓度的纳米流体与管壁温度关系可得图6。
虽然在纳米流体质量分数相对较低时，对管壁的温度影响不明显。但是当纳米流体的质量分数增大时，对管壁温度的影响还是十分显著的。
进一步研究纳米流体的换热特性（Re=2000），得出了实验段管内不同位置处的换热系数。结果如图7所示。
由上图可知，当Re=2000时，随着位置的深入纳米流体的换热系数逐渐减小。并且由于布朗运动的作用，纳米流体在实验段入口处的换热系数要比其他区域大很多。
同时还制作了实验段位置与努塞尔数的曲线关系图，如图8所示。
由图8可见，常温下质量分数较低的纳米流体对换热系数的影响并不明显，但随着纳米流体质量分数的增大努塞尔数也逐渐增大。
4 结 论
本文針对如何研究纳米流体的换热特性，自主搭建了纳米流体换热特性实验台，介绍了实验台的设计组成及优点。 通过对纯水的努塞尔数的实验测定并与经验公式相比较，实验台误差小于±3%，完全符合研究纳米流体换热特性的要求。对4种不同浓度的CuO-乙二醇纳米流体进行了换热特性测定实验，综合分析并得出了以下结论。
1）在基液中添加CuO纳米颗粒可使流体的换热效果得到显著提升，而且随着雷诺数的增大，纳米流体的换热系数也随之增大；
2）CuO-乙二醇纳米流体质量分数的加大使得管壁温度降低幅度愈发明显，同时换热系数和努塞尔数也有明显增加；
3）相同质量分数的纳米流体，压降随着雷诺数的增大而增大。
上述结论与理论分析相符，具有十分重要的现实意义，并可为纳米流体换热特性的研究提供重要的依据。
参 考 文 献：
[1] ASHRAFMANSOURI SeyedehSaba， ESFAHANY Mohsen Nase.Masstransfer in Nanofluids： A Review[J]. International Journal of ThermalScience， 2014（82）： 84-99.
[2] PANG Changwei， LEE Jae Won， KANG Yong Tae. Review on Combined Heat and Mass Transfer Characteristics in Nanofluids[J].International Journal of Thermal Science， 2015（87）： 49-67.
[3] 宣益民，李强.纳米流体强化传热研究[J].工程热物理学报，2000，21（4）：466-470.
[4] 王彩霞，黄云.纳米流体研究进展[J].储能科学与技术，2017，6（1）：1-8.
[5] 宣益民，李强. 纳米流体强化传热研究[J]. 工程热物理学报， 2000， 21（4）：466-470.
[6] 夏国栋，杜墨，刘冉.微通道内纳米流体的流动与换热特性[J]. 北京工业大学学报，2016，42（3）：55-66.
[7] ARAVIND S. S. Jyothirmayee， RAMAPRABHU S.Graphenemultiwalled Carbon Nanotubebased Nanofluids for Improved Heat Dissipation[J].RSC Advances， 2013（3）：4199-4206.
[8] ABBASSI Y.Experimental Investigation of TiO2/Water Nanofluid Effects on Heat Transfer Characteristics of a Vertical Annulus with Nonuniform Heat Flux in Nonradiation Environment[J]. Aannals of Nuclear Energy， 2014（69）： 7-13.
[9] 杨波，王姣. 碳纳米流体强化传热研究[J]. 强激光与粒子束， 2014，26（5）：1-3.
[10]陈俊，史林.利用分子动力学模拟纳米流体有效导热系数[J]. 清华大学学报， 2010，50（12）： 1983-1987.
[11]CORCIONE M， Empirical Correlating Equations for Predicting the Effective Thermal Conductivity and Dynamic Viscosity of Nanofluids[J]. Energy Conversion and Management， 2011，52（1）：789-793.
[12]BENJAMIN R， TAM C Nguyen， NICOLAS G. Experimental Investigation of CuOwater Nanofluid Flow and Heat Transfer Inside a Microchannel Heat Sink[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014（84）：275-292.
（编辑：温泽宇）
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