馬明琰，翟玉玲，李法社，姚沛滔，李彥樺

(1.昆明理工大學(xué) 省部共建復(fù)雜有色金屬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明,650093; 2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明,650093)

0 引 言

隨著能源成本的快速上漲，熱力系統(tǒng)優(yōu)化在減少能耗中起重要作用，其中換熱工質(zhì)的性能優(yōu)化是重要研究?jī)?nèi)容之一.針對(duì)傳統(tǒng)熱流體導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題，1993年Choi[1]提出可通過(guò)物理或化學(xué)的手段在基液中添加導(dǎo)熱系數(shù)較高的納米顆粒制備穩(wěn)定的懸浮納米流體，以提高換熱工質(zhì)的傳熱性能.為了進(jìn)一步提高工質(zhì)的傳熱效率，不同種類顆?；旌夏軓浹a(bǔ)單一顆粒所不具有的性質(zhì)[2].與單一納米流體而言，由于固體顆粒與液體分子間的協(xié)同作用使得混合納米流體能提高工質(zhì)的傳熱及流動(dòng)參數(shù)[3-5].作為新一代的傳熱工質(zhì)，混合納米流體受到越來(lái)越多學(xué)者青睞.

目前，對(duì)于混合納米流體的研究主要集中于濃度、溫度及基液種類等對(duì)熱物性參數(shù)的影響.Sundar等[6]研究體積濃度為0.3%的MWCNT-Fe3O4/水混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)和粘度變化情況，由于基液分子的微對(duì)流和顆粒間布朗運(yùn)動(dòng)的影響，當(dāng)溫度分別為20℃和60℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)和粘度提高了13.88%和28.46%、1.27和1.5倍.Esfahani等[7]研究ZnO-Ag/水混合納米流體導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在最高體積分?jǐn)?shù)(2%)與最高溫度(50℃)下，相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)也最高，這主要是因?yàn)殡S著顆粒含量的增加，高溫下溫度對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)有模型加速的效應(yīng).Baby等[8]分別制備了體積分?jǐn)?shù)為0.05%的Ag-HEG/水和Ag-HEG/乙二醇混合納米流體，在25℃下觀察到導(dǎo)熱系數(shù)最高增強(qiáng)25%.

混合納米流體粒子比也會(huì)對(duì)熱物性參數(shù)產(chǎn)生明顯影響.但是，目前關(guān)于粒子比的研究相對(duì)較少，由于顆粒間的協(xié)同作用使其對(duì)熱物性參數(shù)的影響更復(fù)雜.Shahsavar等[9]研究在不同粒子混合比下，濃度和溫度對(duì)CNTs-Fe3O4/水混合納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響.CNTs∶Fe3O4在1.35%∶0.9%混合比下，25～55℃溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)提升34.43%～44.6%.在文獻(xiàn)[10]中，CNTs∶Fe3O4在混合比1.535%∶2.428%下，相同溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)提高26.07%～34.26%.Hamid等[11]研究體積濃度1.0%，TiO2∶SiO2粒子比為20∶80、40∶60、50∶50、60∶40和80∶20的熱物性變化情況.導(dǎo)熱系數(shù)隨著小粒徑的SiO2顆粒含量的增大而增大，但是在粒子比為50∶50時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)值反而最低，文中并沒(méi)有解釋其產(chǎn)生的原因，該現(xiàn)象是否只是特例或者對(duì)于其它種類的氧化物納米顆?；旌衔锒即嬖谶€尚不明確.因此，需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證及解釋其產(chǎn)生的原因.

綜上所述，為了驗(yàn)證氧化物混合納米流體在粒徑比為50∶50是否存在導(dǎo)熱系數(shù)最小值及解釋其產(chǎn)生的原因，在Hamid等[11]的研究基礎(chǔ)上，本文拓寬氧化物混合納米流體的研究范圍.因此，本文的研究重點(diǎn)為首先采用兩步法制備氧化物混合納米流體——Al2O3-CuO/乙二醇-水，研究導(dǎo)熱系數(shù)及粘度隨粒子比的變化規(guī)律；然后，根據(jù)納米層結(jié)構(gòu)及顆粒聚集形態(tài)分析影響納米流體的傳熱機(jī)制；最后，提出綜合傳熱性能參數(shù)定性判斷納米流體是否適合層流與紊流工況，為工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 納米流體制備及參數(shù)測(cè)量

采用兩步法制備體積分?jǐn)?shù)為1.0%的Al2O3/CuO-乙二醇/水混合納米流體，選用20 nmAl2O3和40 nm CuO納米顆粒，純度均為99.9%.這是因?yàn)檠趸锛{米顆?；瘜W(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高 (λAl2O3=40 W/(m·K)和λCuO=77 W/(m·K)且價(jià)格低廉，適合大規(guī)模應(yīng)用[12].乙二醇純度為99%，去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制，制備過(guò)程中不使用分散劑.實(shí)驗(yàn)儀器采用精度為0.000 1 g的XS 403專業(yè)型精密天平，JK-MSH-SH型磁力攪拌器，CP-3010GTS型超聲波振蕩儀.

圖1為Al2O3/CuO-乙二醇/水混合納米流體的制備及熱物性參數(shù)測(cè)量流程圖.如圖1所示，兩步法制備納米流體時(shí)需要先將納米顆粒以不同比例混合，然后使用超聲震蕩和磁力攪拌的物理分散方法使其充分分散在基液(乙二醇∶水=50∶50)中.制備過(guò)程中，首先使用天平分別稱量出Al2O3、CuO顆粒和乙二醇、水的質(zhì)量，再將顆粒按體積比(20∶80、40∶60、50∶50、60∶40、80∶20)與基液混合，然后使用磁力攪拌15 min和超聲波振蕩1 h的方法提高穩(wěn)定性，最終得到均勻穩(wěn)定的Al2O3/CuO-乙二醇/水混合納米流體.最后，用Hot Disk 2500S熱常數(shù)分析儀和DV3T流變儀分別測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)和粘度.

圖1 混合納米流體制備及測(cè)量流程圖Fig.1 Flow chart of preparation and measurement of hybrid nanofluids

1.2 粒徑分布及測(cè)量

納米流體的傳熱機(jī)制可從納米層結(jié)構(gòu)及顆粒聚集形態(tài)兩方面分析，通過(guò)透射電鏡圖(Transmission Electron Microscope, TEM)來(lái)分析納米流體在某時(shí)刻內(nèi)部顆粒的分布情況.納米顆粒分散于流體中，由于微尺寸效應(yīng)(引力)及高表面能，會(huì)有團(tuán)聚的趨勢(shì).納米流體穩(wěn)定時(shí)團(tuán)聚體的尺寸能較真實(shí)地反應(yīng)納米顆粒在流體中的存在情況，而團(tuán)聚體的尺寸大小也會(huì)影響熱物性參數(shù).根據(jù)TEM圖由Images J軟件統(tǒng)計(jì)得到某工況下納米流體粒徑百分比分布，然后根據(jù)式(1)可計(jì)算出該工況下的平均粒徑值:

(1)

式中:∑Ni和di分別表示某一粒徑下的顆粒總數(shù)和單個(gè)團(tuán)聚體的直徑.

1.3 綜合傳熱性能評(píng)價(jià)

一般地，納米流體在增大導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，粘度也會(huì)相應(yīng)地增大.在實(shí)際工程應(yīng)用中，特別是對(duì)流傳熱過(guò)程，納米流體在增強(qiáng)傳熱的同時(shí)也會(huì)使泵功相應(yīng)地增大.因此，有必要先定性評(píng)價(jià)該種納米流體是否適合于實(shí)際應(yīng)用.在層流流動(dòng)與傳熱過(guò)程中，可用公式(2)[13]計(jì)算cμ/ck:

(2)

其中:k和μ分別為導(dǎo)熱系數(shù)和粘度，W/(m·K)、Pa.s；下標(biāo)nf和bf分別表示納米流體和基液.若cμ/ck<4，說(shuō)明該納米流體適合應(yīng)用于層流，傳熱增強(qiáng)效果遠(yuǎn)大于泵功增強(qiáng)效果，其值越小說(shuō)明綜合傳熱性能越強(qiáng)，反之亦然.

在紊流流動(dòng)與傳熱過(guò)程中，可用公式(3)計(jì)算Mo數(shù)[14]:

(3)

式中:ρ和cp分別為密度和比熱容，kg/m3、kJ/(kg·K).若Mo>1，說(shuō)明該納米流體適合于應(yīng)用于紊流，且Mo越大說(shuō)明綜合傳熱效果越好，反之亦然.

2 結(jié)果分析及討論

2.1 粒子比對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)及粘度的影響

圖2為混合納米流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)和相對(duì)粘度隨粒子比及溫度的變化，并與Hamid文獻(xiàn)[11]作對(duì)比.從圖2中可以看出，當(dāng)溫度從20℃升高至60℃，TiO2-SiO2/乙二醇-水和Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)均隨小粒徑納米顆粒含量(50 nm TiO2和22 nm SiO2)的增大而增大，而且溫度越高，導(dǎo)熱系數(shù)增幅越明顯.這是因?yàn)樵趩挝惑w積內(nèi)Al2O3納米顆粒含量增大，大粒徑CuO顆粒之間包裹小粒徑Al2O3顆粒，形成緊密的“20 nm Al2O3粒子-基液分子-40 nm CuO粒子”納米界面層，即在液體分子非常靠近固體顆粒而形成的液層結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在顆粒和液體間搭建“熱橋”.溫度升高時(shí)，顆粒布朗運(yùn)動(dòng)越明顯，增強(qiáng)了顆粒與流體之間的微對(duì)流換熱.但是，在混合比為50∶50時(shí)出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)最低值.對(duì)于粘度而言，TiO2-SiO2/乙二醇-水隨TiO2顆粒含量呈不規(guī)則變化，而Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體隨Al2O3顆粒含量的增大而增大.

圖3為由各種納米顆粒和流體組成的納米層的示意圖.納米層是在液體分子表面和固體顆粒之間形成的類似于固體的結(jié)構(gòu).Keblinsk等[15]認(rèn)為固狀界面納米層內(nèi)的液體分子較純流體有序，界面處固體顆粒間接觸充分，因此納米層可作為固體顆粒與液體分子的熱量交換橋梁，使導(dǎo)熱系數(shù)增大.而且，納米顆粒的比表面積很大(即相同體積濃度下，小粒徑顆粒含量最多，比表面積越大)，因此納米層在界面?zhèn)鬟f中起主要作用[16].

如圖3所示，液體分子緊緊包裹著納米顆粒形成了納米層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在液體和固體顆粒間直接搭建“熱橋”，可以提高導(dǎo)熱系數(shù).Gupta等[17]指出這些納米層間分子表現(xiàn)為液體與顆粒的中間物理狀態(tài)，能極大地提高流體的導(dǎo)熱系數(shù).因此，在相同的體積濃度時(shí)，隨著粒子比的增大，20 nm Al2O3顆粒的含量越多，形成的納米層結(jié)構(gòu)越緊密，導(dǎo)致納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)越高.但是，在粒子比為50∶50時(shí)出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)最低值，因?yàn)榧{米流體的導(dǎo)熱系數(shù)不僅受納米層結(jié)構(gòu)影響，還與顆粒在流體中的分布情況有關(guān).因此，需要結(jié)合TEM圖觀察其內(nèi)部顆粒分布情況.

2.2 納米流體中粒子聚集形態(tài)分析

圖4為各粒子混合比下Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體TEM圖.從圖中可以看到，CuO和Al2O3顆粒形狀近似于棒狀和圓形.圖3(a)由于CuO顆粒含量最多，在范德瓦爾引力作用下形成的較大尺寸的團(tuán)聚體.隨著粒子比的增大，相同體積濃度下20 nm的Al2O3顆粒含量增大，由于CuO顆粒的粒徑大于Al2O3顆粒的，因此Al2O3顆粒能填充于CuO顆粒形成的通道內(nèi)，形成更緊密的納米層結(jié)構(gòu).布朗運(yùn)動(dòng)引起的顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與液體分子的熱運(yùn)動(dòng)形成了更低熱阻的固液界面納米層，使得傳熱增強(qiáng).但是，團(tuán)簇體的大小也會(huì)影響布朗運(yùn)動(dòng)的速率.隨著團(tuán)簇體直徑的增加，特別是混合納米流體中的團(tuán)簇直徑的增加，隨機(jī)運(yùn)動(dòng)速率降低，納米顆粒易形成體積較大的團(tuán)聚體，此時(shí)納米流體中布朗運(yùn)動(dòng)引起的傳熱會(huì)減少，因此研究混合比變化對(duì)顆粒聚集形態(tài)的影響尤為重要.混合比在50∶50時(shí)，如圖3(c)所示，混合比50∶50的顆粒間表面結(jié)合不好，形成的團(tuán)聚體尺寸大，形成粒子空白區(qū)，顆粒間縫隙大并填充液體，導(dǎo)致界面熱阻加大.而且團(tuán)聚體由于質(zhì)量大，容易沉淀，粒子空白區(qū)的熱阻遠(yuǎn)大于粒子富集區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降.由此可見(jiàn)，混合納米流體中粒子比所影響的團(tuán)簇體大小直接影響到了混合納米流體的傳熱增強(qiáng).

圖5為各粒子比下Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體的粒徑分布.從圖中可以看到，粒徑分布范圍分布在20～80 nm，集中在40～50 nm間，說(shuō)明顆粒分散于流體中會(huì)形成團(tuán)聚體.由公式(1)計(jì)算出粒子比為20∶80、40∶60、50∶50、60∶40、80∶20的平均粒徑分別為49.3 nm、46.7 nm、54 nm、42.1 nm和39.4 nm.由此也可驗(yàn)證50∶50混合比的團(tuán)聚體尺寸較大，而80∶20的團(tuán)聚體尺寸較小.Raja等[18]指出在納米流體中，團(tuán)聚體尺寸對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響作用大于顆粒的真實(shí)直徑.團(tuán)聚體尺寸越小，其移動(dòng)速率及碰撞加快，能提高能量傳輸能力，表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)越大[19].

圖5 各混合比下Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體的粒徑分布Fig.5 Nanoparticles diameter of Al2O3-CuO/ethylene glycol-water hybrid nanofluids at different mixture ratios

2.3 綜合傳熱性能結(jié)果分析

圖6為對(duì)流傳熱過(guò)程Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體cμ/ck及Mo數(shù)隨溫度和粒子比的變化.從圖6中可以看到，對(duì)于層流而言，全部混合比在溫度20～60℃內(nèi)cμ/ck均小于4，說(shuō)明它們均可用于層流對(duì)流傳熱過(guò)程中，且混合比為80∶20時(shí)綜合傳熱效果最優(yōu).對(duì)于紊流而言，由于流體擾動(dòng)強(qiáng)度劇烈，流體產(chǎn)生的壓降損失遠(yuǎn)大于傳熱增強(qiáng)的補(bǔ)充效果，而Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體的粘度隨粒子比的增大而增大，因此當(dāng)粒子比小于40∶60時(shí)Mo>1，說(shuō)明適合紊流對(duì)流傳熱過(guò)程.

圖6 Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體cμ/ck及Mo數(shù)隨溫度和混合比的變化Fig.6 Variation of cμ/ck及Mo number as a function of Al2O3-CuO/ethylene glycol-water hybrid nanofluids

3 結(jié) 論

采用兩步法制備Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體，并結(jié)合Hamid等[11]文獻(xiàn)研究的TiO2-SiO2/乙二醇-水混合納米流體，探討氧化物混合納米流體的粒子比對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)及粘度的影響規(guī)律.對(duì)于氧化物混合納米流體而言，Al2O3-CuO/乙二醇-水和TiO2-SiO2/乙二醇-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)均隨小粒徑納米顆粒含量的增大而增大，而且溫度越高，導(dǎo)熱系數(shù)增幅越明顯.但是，在混合比為50∶50時(shí)出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)最低值.這是因?yàn)榧{米流體的傳熱機(jī)制受納米層結(jié)構(gòu)及顆粒聚集形態(tài)的共同影響.一方面，隨著粒子比增大，小粒徑納米顆粒含量增多，形成了越緊密的固液納米層，界面熱阻越低，因此導(dǎo)熱系數(shù)越大.另一方面，混合比為50∶50時(shí)各顆粒間結(jié)合不好，團(tuán)聚體尺寸大，顆粒間縫隙填充液體，導(dǎo)致界面熱阻加大.而且團(tuán)聚體由于質(zhì)量大，容易沉淀，形成粒子空白區(qū)，其熱阻遠(yuǎn)大于粒子富集區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降.總之，由于小粒徑納米顆粒的加入形成了更緊密的納米層結(jié)構(gòu)，降低界面熱阻；但在混合比為50∶50時(shí)，由于顆粒聚集形態(tài)差異引起的粒子空白區(qū)又阻礙了傳熱的傳遞.因此，對(duì)于氧化物混合納米流體而言，不建議使用混合比50∶50，容易沉淀，實(shí)際應(yīng)用中容易堵塞管道.對(duì)比綜合性能傳熱參數(shù)可知，對(duì)于層流而言，Al2O3-CuO/乙二醇-水納米流體在研究工況內(nèi)均適合應(yīng)用于層流流動(dòng)與傳熱過(guò)程；而對(duì)于紊流而言，由于流動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)度大，僅當(dāng)粒子比小于40∶60時(shí)適合應(yīng)用于紊流流動(dòng)與傳熱過(guò)程.