周建陽，羅小平，李海燕，郭峰，鄧聰，謝鳴宇

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納米粒子濃度對納米流體流動沸騰傳熱及壓降影響綜合評價

周建陽，羅小平，李海燕，郭峰，鄧聰，謝鳴宇

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

探究納米粒子濃度對納米流體在微細通道內(nèi)流動沸騰傳熱和壓降特性的綜合影響，運用超聲波振動法制備質(zhì)量分數(shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均勻、穩(wěn)定的Al2O3/R141b納米流體制冷劑，在直接激光燒結(jié)（DMLS）微型換熱器內(nèi)，設(shè)計系統(tǒng)壓力為176kPa，納米流體制冷劑入口溫度為40℃、熱流密度24～42kW/m2和質(zhì)量流率183.13～457.83kg/(m2?s)工況下，進行單因素實驗及正交實驗，運用方差齊性檢驗法及多指標綜合評價法研究粒子濃度對納米流體在微細通道內(nèi)流動沸騰傳熱和壓降特性的綜合影響。研究得出：納米粒子濃度對納米流體沸騰傳熱有顯著性影響，對總壓降沒有顯著性影響；納米流體流動沸騰總壓降隨濃度的增加而減少，傳熱性能隨納米顆粒濃度增加成非線性變化，質(zhì)量分數(shù)為0.05%～0.1%之間，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而增加，當質(zhì)量分數(shù)大于0.1%時，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而減少；綜合考慮納米顆粒濃度對傳熱及壓降的影響，運用熵值法得出納米顆粒對傳熱及壓降影響的權(quán)重分別為0.285、0.715，基于多指標綜合評價法得出納米流體顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.2%時，納米流體的傳熱系數(shù)最佳，總壓降最小。

微通道；納米粒子；濃度；傳熱；壓降；綜合評價法

液體傳熱比傳統(tǒng)的風冷具有更好的散熱性能，因此，CHOI[1]首次提出納米流體后，納米流體強化傳熱吸引了國內(nèi)外許多學者，納米顆粒具有較高比表面積，可以增加流體工質(zhì)的導熱性能，因而流體工質(zhì)的傳熱性能得到顯著提高[2-8]。SAIDUR等[9]在R134a中加入POE，研究池沸騰傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)傳熱性能相比純制冷劑提高26.1%。還有許多學者研究發(fā)現(xiàn)在流體中加入納米顆粒都能顯著提高傳熱性能[10-15]；而對于納米流體制冷劑對流動沸騰壓降的影響往往被忽視，特別是納米流體制冷劑中的顆粒濃度對流動沸騰壓降的影響，BARZEGARIAN等[16]在釬焊板式換熱器（BPHE）中，研究納米顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.3%、0.8%、1.5%的TiO2/water納米流體的傳熱及壓降特性，研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒濃度對壓降的影響相比對傳熱影響而言，影響沒有那么大，認為納米顆粒濃度對壓降的影響可以被忽然，而實際運用中往往不能忽視納米顆粒濃度對流動沸騰壓降的影響。

以上在研究納米流體濃度對納米流體流動沸騰特性時，都是將傳熱性能及沸騰壓降特性分開研究，而實際運用中，納米流體的流動沸騰同時包含傳熱性能及壓降特性，納米流體傳熱性能最佳時的顆粒濃度，未必是沸騰壓降最小的顆粒濃度。為解決以上研究問題，尋求最佳納米顆粒濃度值，通過正交實驗，對納米流體的傳熱性能及總壓降進行綜合考慮，運用熵值法得出傳熱及總壓降兩者在流動沸騰過程的權(quán)重，基于多指標考核綜合評價法確定顆粒濃度對納米流體在微細通道中的傳熱性能及總壓降綜合表現(xiàn)最佳時的顆粒濃度。

隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）時代的到來，傳統(tǒng)的加工方式已逐漸無法滿足當代科技的需求，本文使用一種直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）加工方式，制備出一種微型換熱器，使用超聲波振動法制備質(zhì)量分數(shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 的納米流體制冷劑，通過正交實驗，基于多指標評價法研究納米顆粒濃度對納米流體流動沸騰的影響以及確定納米流體在微細通道中的傳熱性能及總壓降綜合表現(xiàn)最佳時的顆粒濃度。

1 實驗設(shè)計

1.1 不同納米顆粒濃度的Al2O3/R141b配置

制備納米流體制冷劑時，選用R141b作為基液，選用的Al2O3納米顆粒為球形，平均直徑為125nm，Al2O3納米顆粒的SEM圖像如圖1所示。為了制備性能良好穩(wěn)定的納米流體制冷劑（Al2O3/R141b），采用28KHz超聲波振動儀振動1h，同時加入SPAN-80分散劑，分散劑的質(zhì)量為總納米流體質(zhì)量的0.05%，制備不同濃度的納米流體制冷劑時所加入的分散劑質(zhì)量相同，忽略分散劑對Al2O3/R141b流動沸騰傳熱及壓降特性的影響，納米流體制冷劑（Al2O3/R141b）如圖2所示，各質(zhì)量分數(shù)納米流體制冷劑在飽和溫度49℃時的物理參數(shù)如表1所示。表1中nf為質(zhì)量分數(shù)，nf為體積分數(shù)，nf為密度，

表1 Al2O3/R141b飽和狀態(tài)物理性能參數(shù)

nf為熱導率，nf為黏度，nf為定壓比熱容。

1.2 DMLS微型換熱器制造成型原理

電腦設(shè)計成型CAD Model后，使用高能量的激光束高溫熔化固化粉末金屬材料，三維模型數(shù)據(jù)控制激光器在加工臺上運動燒結(jié)路線，自動層層堆疊來成型DMLS微型換熱器，成型原理如圖3所示。

1.3 實驗裝置

為有效研究納米流體在微細通道中流動沸騰機理，本文作者課題組搭建如圖4所示的實驗平臺，此系統(tǒng)具體包含：納米流體制冷劑注入系統(tǒng)模塊，由圖4中5-7～5-10、20等組成；制冷劑循環(huán)控制模塊，包含控制制冷劑入口溫度，由圖4中9、10、11等組成；壓力及輸送動力，由圖4中的1磁力泵提供驅(qū)動力；測試實驗段模塊13、其中測試實驗段模塊如圖5所示，包含加熱板、測試實驗段、DMLS微型換熱器、可視化蓋板，其中DMLS微型換熱器長為240mm、寬為40mm、高為8mm，表面包含18個1mm×2mm大小一致相隔1mm的微細通道，測試實驗段及單個微細通道截面尺寸如圖6及表2所示。實驗采集測試系統(tǒng)模塊，包含進出口壓力傳感器14、溫度傳感器15、數(shù)據(jù)采集器16以及計算機17，實驗平臺搭建后，為保證測試數(shù)據(jù)的有效性，需用惰性對測試系統(tǒng)進行泄露檢查，然后將系統(tǒng)抽真空。

測試實驗段模塊中的實驗段進出口分別設(shè)有測溫、測壓孔，側(cè)壁面設(shè)有4 對測溫孔（如圖6 所示）測量壁面溫度（1，2，…，8）和進出口壓力（in 和out），測溫采用Pt1000 熱電阻，測壓采用HC3160-HVG4 壓力傳感器。

1—磁力泵；2-1～2-2—減震軟管；3-1～3-4—壓力表；4-1～4-3—測溫儀；5-1～5-13—手動節(jié)流閥；6—過濾器；7—渦輪流量計；8—流量積算儀；9—預熱水箱；10—信號燈；11—恒溫控制儀；12-1～12-6—視液鏡；13—實驗段；14-1～14-2—壓力傳感器；15—Pt100熱電阻；16—溫度變送器；17—工控機；18—單向針閥；19—真空壓力表；20—注液裝置；21—冷卻水箱；22—儲罐；23—變頻器

1—可視化蓋板；2—DMLS微型換熱器；3—加熱板；4—測試實驗段

表2 換熱通道橫截面尺寸

1.4 實驗步驟

為確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性，在試驗研究納米流體制冷劑納米顆粒濃度對壓降特性之前，使用純制冷劑R141b在微型換熱器中進行單相熱平衡實驗，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以得出，熱平衡偏差隨熱流密度的增加而減少，在熱流密度大于8kW/m2，熱平衡偏差已經(jīng)低于5%，而在兩相流動沸騰實驗中，熱流密度設(shè)計在24～42kW/m2，遠大于8kW/m2，說明熱平衡偏差遠低于5%，說明符合實驗精度要求。

制冷劑R141b吸收的熱量見式(1)。

輸入實驗段微槽道的有效熱流量見式(2)。

(2)

熱平衡偏差見式(3)。

式中，nf為流體工質(zhì)的液相定壓比熱容，kJ/(kg?K）；in為微槽道進口處工質(zhì)的溫度，℃；out為微槽道出口處工質(zhì)的溫度，℃；e為有效熱流密度，kW/m2；為微通道橫截面積，m2。

為綜合評價納米顆粒對納米制冷劑在微細通道中流動沸騰傳熱和壓降特性的影響，設(shè)計系統(tǒng)壓力在176kPa，入口溫度為40℃，在質(zhì)量流量為184.3～432.2kg/(m2?s)、熱流密度為24～42kW/m2工況下，分別運用單因素及正交實驗研究不同納米顆粒濃度制冷劑對納米流體流動沸騰傳熱 特性。

2　數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)果

2.1　數(shù)學模型

實驗段的單個通道截面圖如圖6所示，表2所示為相關(guān)尺寸參數(shù)，基于納米流體在微細通道蒸發(fā)器中能量平衡原理，建立納米流體制冷劑在低表面能微細通道中強化傳熱數(shù)學模型，傳熱系數(shù)見式(4)、式(5)。

(5)

式中，sat為制冷劑飽和溫度，℃；為微細通道之間的肋片傳熱效率；e為熱流密度，kW/m2；w為通道壁面溫度，℃。見式(6)～式(9)。

(7)

(8)

式中，w，up、w，dn分別為上下測量壁面點的溫度，℃；1表示上測溫點到通道壁面距離；℃；為下測溫點到上測溫點的距離，℃。

流動沸騰總壓降通過進出口壓降差得出，見式(10)。

2.2 結(jié)果誤差分析

在測試過程中，溫度測量儀器選用的是PT100熱電阻，最小刻度為0.2℃，測量范圍為0～200℃，測量精度為0.1%，納米制冷劑的流量測量選用LWGY渦輪變量計，實驗段進出口的壓力測量選用HC3160-HVG4壓力傳感器，具體參數(shù)如表3所示。

表3　數(shù)據(jù)采集設(shè)備參數(shù)

因此根據(jù)誤差傳遞原理，可求得納米流體制冷劑（Al2O3/R141b）在微細通道中熱流密度、傳熱系數(shù)、總壓降最大相對誤差為0.57%、3.2%、4.35%。見式(12)～式(14)。

(13)

(14)

2.3 實驗結(jié)果與討論

2.3.1 單因素實驗結(jié)果

為了求取納米流體在微細通道中流動沸騰最佳納米顆粒濃度，給正交實驗作準備，分別定義納米制冷劑的濃度（質(zhì)量分數(shù)）、納米流體制冷劑的質(zhì)量流率、電加熱板給實驗段輸送的熱流量為流動特性影響因素、、，設(shè)計單因素實驗如表4所示。

圖8～圖10表示納米流體制冷劑的質(zhì)量流率、電加熱板給實驗段輸送的熱流量、納米制冷劑的濃度單因素變量對傳熱系數(shù)及總壓降的影響，傳熱系數(shù)及總壓降隨質(zhì)量流量、熱流密度的增加而增加，在實驗條件下，質(zhì)量流率增加60.0%，傳熱系數(shù)及總壓降分別增加11.0%、39.4%，熱流密度增加40.0%，傳熱系數(shù)及總壓降分別增加15.6%、27.9%。

值得注意的是傳熱系數(shù)及總壓降和納米流體制冷劑納米顆粒濃度不呈線性關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)總壓降隨納米顆粒濃度增加而減少，而傳熱系數(shù)在質(zhì)量分數(shù)為0.05～0.1%之間，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而增加，當質(zhì)量分數(shù)大于0.1%時，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而減少。

表4 單因素實驗表

基于以上分析及圖10可得：最佳傳熱效果時的納米流體濃度，并不是總壓降最小。為此，為了得到納米流體在微細通道中流動沸騰最佳納米顆粒濃度，即傳熱系數(shù)最佳，同時總壓降最小，設(shè)計正交實驗，將傳熱系數(shù)及總壓降同時考核，用熵值法算出傳熱系數(shù)及總壓降權(quán)重，同過用多指標綜合評價法計算出納米流體在微細通道中流動沸騰最佳納米顆粒濃度。

2.3.2正交實驗結(jié)果

依據(jù)單因素實驗結(jié)果，在設(shè)計正交實驗時，為了實驗設(shè)計的合理性取3個影響因子的前4個水平設(shè)計正交實驗表頭為L16(45)，具體如表5所示。在評價納米顆粒濃度對傳熱及壓降影響的綜合性能時，使用多指標考核，用綜合評分來表示。見式(15)、式(16)。

單次實驗的綜合評分=傳熱系數(shù)隸屬度×傳熱系數(shù)的權(quán)重+總壓降隸屬度×總壓降的權(quán)重 (15)

指標的隸屬度=(16)

通過熵值法確定傳熱系數(shù)及總壓降在微型換熱器中的流動沸騰各自的權(quán)重，傳熱系數(shù)及總壓降所確定的納米流體在微型換熱器中的決策矩陣如式(17)。

式中，s表示試驗號，然后用建立一個新的貢獻度矩陣，表示第個屬性下第個方案s的貢獻度，則指標的權(quán)重為式(18)。

(18)

式中，d=1–E，其中E表示所有方案對屬性X的貢獻總量，見式(19)。

基于以上計算得出傳熱系數(shù)的權(quán)重為0.285，總壓降的權(quán)重為0.715，正交實驗結(jié)果及綜合評分結(jié)果如表5所示。從表5可以得出：在此實驗工況下，以傳熱系數(shù)及總壓降為考核指標，通過對影響因子的極差分析，質(zhì)量流率和實驗段的熱流密度對納米流體流動沸騰的影響比納米流體的顆粒對納米流體流動沸騰的影響要大；以傳熱系數(shù)及總壓降為考核指標，運用綜合評分法得出單次試驗納米流體在微細通道中流動沸騰最佳組合為132，其綜合評分為0.763，即納米顆粒質(zhì)量分數(shù)0.1%、熱流密度32kW/m2、質(zhì)量流率183.1kg/(m2?s)，值得注意的是：如果以顆粒濃度作為考核因素來綜合評價對微細通道中納米流體流動沸騰的影響，納米顆粒4個水平所對應的綜合評分平均值依次為0.509、0.622、0628、0.529，從綜合分平均值可以得出納米流體在微細通道中流動沸騰最佳納米顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.2%，即此時傳熱系數(shù)最佳，同時總壓降最小。

表5 正交實驗結(jié)果

2.4 實驗結(jié)果分析

為驗證實驗結(jié)果的可靠性，用純制冷劑R141b在質(zhì)量流量為184.3～432.2kg/(m2?s)，熱流密度為24～42kW/m2工況下進行沸騰實驗，將R141b在飽和壓力為176kPa、飽和溫度49℃時的物性參數(shù)代入Lararek模型[17]，對比條件及參數(shù)如表6所示。從表6中可知，兩者的實驗條件相似，將實驗結(jié)果與模型預測傳熱系數(shù)值進行比較，其結(jié)果存在一定的差異，其主要原因是此實驗制冷劑是在微細通道中的流動沸騰傳熱，但是預測模型傳熱系數(shù)值與實驗結(jié)果的平均絕對誤差值MAE為11.48%，說明實驗結(jié)果具有一定的可靠性。

表6 模型對比

通過單因素實驗可知，納米流體制冷劑在微細通道中的傳熱隨顆粒濃度成非線性增加，總壓降隨顆粒濃度的增加而減少，以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是納米制冷劑在微細通道中的流動沸騰過程納米顆粒沉積在換熱通道表面，從使得換熱通道表面的潤濕性發(fā)生變化，如圖11所示，微細通道實驗前后通道表面情況，通過SEM可以看出實驗過程中有納米顆粒沉積在通道表面，圖12表示各質(zhì)量分數(shù)納米制冷劑流動沸騰后通道表面潤濕性情況（靜態(tài)接觸角測試結(jié)果）。

納米顆粒濃度對傳熱影響不成線性增加是因為顆粒沉積引起通道表面的潤濕性增加，生成一個氣泡所需要的焓和表面接觸角之間的關(guān)系為式(20)[18]，從公式(20)可知，接觸角越?。櫇裥栽胶茫┥梢粋€氣泡及脫離需要更多的能量（焓），濃度也高，通道表面沉積越嚴重，潤濕性越好，從而生成氣泡數(shù)量越少，帶走熱量更加少，傳熱性能減少。

(20)

在流動沸騰兩相段，定義單個氣泡的水力直徑為h，氣泡的長度為b，由于表面潤濕性的存在，單個氣泡在流動前進時，表面張力對氣泡前進有一種“阻力”，會使表面接觸角前角和后角不相等，PHAN等[19]將此種工況下單位長度兩相壓降定義為式(21)，從式(21)可以看出，通道表面潤濕性越好，壓降越小。

3 方差分析

分別以正交實驗中4種納米顆粒濃度對納米流體在微細通道中的傳熱系數(shù)及總壓降實驗數(shù)據(jù)，表7表示不同納米顆粒濃度對傳熱系數(shù)影響實驗結(jié)果，用方差齊性檢驗（檢驗）分析納米顆粒濃度對納米流體流動沸騰傳熱及壓降影響的顯著性，根據(jù)方差齊性檢驗（檢驗）分析檢驗過程[式(22)～式(26)]，式中表示離差平方和，表示自由度，表示平均均方，其中A服從自由度為（Ae）的分布，對于給定的顯著性水平=0.05，若A＞α（A，e）=crit，則認為因素A對實驗結(jié)果有顯著影響，否則無顯著影響，可得表8、表9。表8表示納米顆粒濃度對納米流體在微細通道中流動沸騰傳熱的影響，表9表示納米顆粒濃度對納米流體在微細通道中流動沸騰總壓降的影響。從表8、表9可知納米顆粒濃度對納米流體在微細通道中流動沸騰傳熱有顯著性影響，但對總壓降沒有顯著性的影響。

，(23)

，(24)

(26)

表7 不同納米顆粒濃度對傳熱系數(shù)影響實驗結(jié)果

表8 顆粒濃度對傳熱影響方差分析結(jié)果

表9 顆粒濃度對總壓降影響分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過單因素實驗及正交實驗，運用多指標綜合評價法研究納米顆粒濃度對納米流體在微細通道中流動沸騰傳熱及總壓降特性影響，得出以下結(jié)論。

（1）單因素實驗發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)及總壓降和納米流體制冷劑納米顆粒濃度不呈線性關(guān)系，總壓降隨納米顆粒濃度增加而減少，而傳熱系數(shù)在質(zhì)量分數(shù)為0.05%～0.1%之間，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而增加，當質(zhì)量分數(shù)大于0.1%時，傳熱系數(shù)隨顆粒濃度的增加而減少。

（2）通過正交實驗所得數(shù)據(jù)，基于熵值法確定納米顆粒對納米流體流動沸騰傳熱系數(shù)及總壓降的權(quán)重分別為0.215、0.785，用綜合評價法，取納米顆粒濃度對傳熱及壓降影響的綜合評分的平均值，得出納米顆粒對納米流體流動沸騰影響的最佳值為0.2%（質(zhì)量分數(shù)，此濃度值條件下，納米流體的傳熱系數(shù)最好，壓降最小）。

（3）通過方差齊性檢驗（檢驗）發(fā)現(xiàn)納米顆粒對傳熱系數(shù)有顯著性影響，但是對流動沸騰總壓降沒有顯著性影響。

符號說明

Cnf ——定壓比熱容，kJ/(kg?K) Dh——水力直徑，m Fσ——表面張力，N h——傳熱系數(shù)，kW/(m2?K) hcal——模型傳熱系數(shù)值，kW/(m2?K) hexp——實驗傳熱系數(shù)值，kW/(m2?K) ?Ptot，Pin，Pout——分別為總壓降、出口壓力、進口壓力，Pa ——制冷劑吸收的熱量，kW ——槽道吸收的熱量，kW qe——熱流密度，kW/m2 Re——雷諾數(shù) r——氣泡半徑，m Tin，Tsat，Tw,up，Tw,dn——分別為納米流體制冷劑進口溫度、納米流體飽和溫度、上測溫點溫度、下測溫點溫度，℃ w——質(zhì)量分數(shù)，% ε——熱力平衡偏差，% η——肋片的傳熱效率，% θ——接觸角，（°） λ——熱導率，W/(m?K) μ——黏度，Pa?s ρ——密度，kg/m3 ?v——單位質(zhì)量的氣相焓，J/kg ?l——單位質(zhì)量液相焓，J/kg ?Φ——產(chǎn)生一個氣泡的焓，J

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Comprehensive evaluation of the influence of nanoparticle concentrations on heat transfer and pressure drop of nanofluid flow boiling

ZHOU Jianyang，LUO Xiaoping，LI Haiyan，GUO Feng，DENG Cong，XIE Mingyu

（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Uniform and stable Al2O3/R141b for 0.05% to 0.4% was prepared by ultrasonic vibration in order to comprehensively investigate the influence of nanoparticles concentrations on heat transfer and pressure drop of nanofluid. Single-factor test and orthogonal test experiment were investigated in micro heat exchanger by direct metal laser sintering（DMLS） under the conditions of different heat flux from 24—42kW/m2，mass flow rate from 183.13kg/(m2?s) to 457.83kg/(m2?s)，system pressure 176kPa and inlet temperature 40℃，respectively. Meanwhile，comprehensive evaluation of nanoparticles concentration on influence of heat transfer and pressure drop of nanofluid flow boiling by homogeneity of variance test and multi-index comprehensive evaluation method. Results showed that nanoparticles concentrations has significant impact on heat transfer of Al2O3/R141b. The performance is nonlinear with the increase of nanoparticles concentration，heat transfer coefficient increases with the increase of particle concentration between 0.05% and 0.1%，and the heat transfer coefficients decrease with increased concentration while the concentration is greater than 0.1%. Considering the influence ofnanoparticles concentration on heat transfer and pressure drop，and the impact of nanoparticles on heat transfer and pressure drop weight were 0.285，0.715 using entropy value method. Based on the multi-index comprehensive evaluation method for nano fluid particle concentration was 0.2%，in which the heat transfer coefficient of nanofluids is the best，and pressure drop is the minimum.

microchannels；nanoparticles；concentrations；heat transfer；pressure drop；multi-index comprehensive evaluation method

TK124

A

1000–6613（2017）01–0071–10

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.010

2016-05-30；修改稿日期：2016-08-31。

國家自然科學基金項目（21276090）。

周建陽（1986—），男，博士研究生，講師，主要從事納米流體制冷劑相變傳熱研究。聯(lián)系人：羅小平，教授，博士生導師，主要從事微細通道相變傳熱研究。E-mail：mmxpluo@scut.edu.cn。