高文忠柳建華鄔志敏張 青

(1上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306；2上海理工大學(xué)能動學(xué)院 上海 200093；3上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

1995 年美國Argonne 國家實(shí)驗(yàn)室的Choi等[1]提出了納米流體的概念，即將1～100nm的金屬或者非金屬粒子懸浮放在基液中形成的穩(wěn)定懸浮液。諸多學(xué)者[2-6]研究成果表明，在液體中添加納米流體的應(yīng)用也日趨廣泛，應(yīng)用過程也反饋了其納米粒子可以顯著增加液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能，因其在提高流體傳熱效率和導(dǎo)熱系數(shù)、減小與壁面的摩擦阻力等方面的優(yōu)點(diǎn)，納熱性能的優(yōu)異性，比如:傳熱性能和濃度之間存在非線性關(guān)系；比傳統(tǒng)的固/液懸浮物的傳熱性能好；導(dǎo)熱系數(shù)的提高存在很強(qiáng)的溫度依賴關(guān)系；池內(nèi)沸騰換熱中臨界熱流量顯著增加等。

液體除濕是傳熱和傳質(zhì)相互耦合的過程，除濕過程產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱被溶液吸收后，無法及時(shí)傳出，氣液接觸表面溫度升高，減弱了其除濕能力；再生過程因吸收汽化潛熱，溶液表面溫度降低，熱量無法及時(shí)補(bǔ)充，減弱了溶液的再生能力[7]。故因熱質(zhì)交換造成液膜表面和液膜底層存在一定的溫差，限制了其傳質(zhì)能力的發(fā)揮，除濕內(nèi)冷過程和再生內(nèi)熱過程更需要加強(qiáng)傳熱以減弱因熱質(zhì)交換而降低的氣液傳質(zhì)勢。這里借鑒納米流體的強(qiáng)化傳熱的思路，將除濕溶液加入納米粒子以強(qiáng)化與空氣之間熱質(zhì)傳遞的傳熱效率，以達(dá)到提高液體除濕空調(diào)的熱質(zhì)傳遞性能。

納米粒子在溶液中分散性的優(yōu)劣是影響其強(qiáng)化傳熱能力的重要因素，因?yàn)榧{米流體不是簡單的固液混合物，固體顆粒表面的活性使它們比較容易凝聚，形成若干具有連接界面的聚集團(tuán)，因此獲得分散性較好的納米流體是制備過程關(guān)鍵一步，為了減弱納米顆粒的凝聚，一般采用三種方法來解決顆粒物的穩(wěn)定性:1)改變懸浮液的PH值；2)超聲振動處理；3)添加表面活性劑。

目前常用的制備方法有單步法和兩步法[8]，單步法把納米粒子的制備與納米流體的制備結(jié)合在一起，所制得的納米顆粒粒徑小，納米顆粒在流體中分散性好，無需加入分散劑或改性處理就能得到穩(wěn)定懸浮的納米流體。兩步法則用惰性氣體凝聚或者化學(xué)蒸氣分解等方法制備納米粒子，然后通過適當(dāng)?shù)姆稚⑹侄?，分散到液體介質(zhì)中，獲得懸浮穩(wěn)定的懸浮液。該方法制備過程比較簡單。

室溫下銅的導(dǎo)熱系數(shù)是水的700倍，將納米銅粒子加入溶液中制成納米流體，可以提高流體的導(dǎo)熱性能。Eastman等[9]用單步物理法制得銅/乙二醇納米流體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:體積分?jǐn)?shù)0.3%銅納米顆粒(小于10nm)，能提高導(dǎo)熱系數(shù)40%。Liu等[11]采用化學(xué)還原法合成Cu納米流體，乙酸銅水溶液和還原劑肼反應(yīng)制得Cu納米流體，體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，采用瞬態(tài)熱線法測得熱傳導(dǎo)提高23.8%。鑒于銅納米流體在化工領(lǐng)域的突出傳熱性能，這里委托上海理工大學(xué)納米流體研究所制作氯化鋰納米流體，并實(shí)驗(yàn)測試了納米銅粒子對氯化鋰溶液傳熱性能的影響。

1 納米流體的熱導(dǎo)率

學(xué)者們通過納米流體的傳熱性能實(shí)驗(yàn)，證明了其對傳熱效果的影響，然而到目前為止，還沒有可靠的理論用于計(jì)算納米流體的熱傳導(dǎo)，原因在于，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)受諸多因素的影響，難于用同一的理論來分析，影響因素主要包括[10]:

1)納米流體中納米粒子的體積分?jǐn)?shù)；

2)表面活性劑或分散劑的影響；

3)納米流體的懸浮穩(wěn)定性；

4)納米粒子的團(tuán)聚程度；

5)納米粒子的表面特性，如比表面積、比表面能；

6)納米顆粒的形狀，如規(guī)則的圓形顆粒或不規(guī)則形態(tài)等；

7)基液的影響；

8)納米粒子的粒徑大??；

9)納米流體的黏度；

10)納米粒子本身的導(dǎo)熱系數(shù)；

11)固液界面的特性，如界面阻抗，界面層液體的狀態(tài)等；

12)納米粒子的布朗運(yùn)動。

從目前化工領(lǐng)域的研究成果來看，在其它條件相同的情況下，納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的提高程度與添加納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)、體積分?jǐn)?shù)成正比，而與基液的關(guān)系尚沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

雙組分混合物的導(dǎo)熱計(jì)算多采用半經(jīng)驗(yàn)公式，基本以式(1)的雙組分混合物的有效導(dǎo)熱系數(shù)keff的定義為基礎(chǔ)，根據(jù)具體情況推理演化。

Maxwell[11]在此基礎(chǔ)上建立了球形大顆粒、低濃度的納米流體導(dǎo)熱計(jì)算模型，即Maxwell模型。

式(1)和(2)中，ks、kf分別為純?nèi)芤汉图{米粒子的導(dǎo)熱系數(shù)；φs、φf分別為純?nèi)芤汉图{米粒子所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可由式(3)計(jì)算。

式中，N為單位容積的納米粒子數(shù)；df為納米粒子的平均粒徑。

Maxwell模型適合較低體積分?jǐn)?shù)納米粒子的流體，納米粒子含量較高時(shí)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較明顯，而Bruggeman[12]提出的如式(4)的隨機(jī)分布粒子模型不僅能適合低濃度，還適合高濃度范圍。

和球形顆粒相比，非球形納米顆粒的棱角同樣影響其傳熱效果，因此引入棱角因子來表征其影響，那么有效導(dǎo)熱系數(shù)的表達(dá)式為(kf/ ks＞100) :

式中，n為棱角因子，n=ω/3，ω為非球形粒子的表面積與和它等體積的球形粒子的表面積之比。

2 納米溶液強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

將納米銅粒子直接加入到氯化鋰溶液中，會在溶液底部和表面形成大量的聚集，而通過在溶液中加入十二烷基硫酸鈉(SDS)表面活性劑，采用單步法則可獲得分散性較好的納米除濕溶液。添加納米粒子前后溶液傳熱性能的變化采用對比實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device of heat transfer performance

圖2 純?nèi)芤汉图{米溶液加熱過程表面溫度對比Fig.2 Surface temperature Comparison of two solutions under heating condition

2.1 加熱傳熱過程

兩個(gè)量杯中分別加入100mL的氯化鋰濃度為0.34的純?nèi)芤汉图{米銅粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03的氯化鋰溶液，液面距底部高6cm，兩溶液初始溫度均為30℃。設(shè)定恒溫水浴鍋溫度為70℃，待溫度穩(wěn)定后，將兩量杯同時(shí)放入恒溫水浴內(nèi)的平板上，左側(cè)為純氯化鋰溶液，右側(cè)為納米溶液。為了減少熱量在量杯內(nèi)的橫向傳遞，僅量杯底面浸入熱水中。量杯放入后即開始計(jì)時(shí)，使用SC600紅外成像儀拍攝圖1(a)的正面紅外成像，圖像記錄溶液的表面溫度，分別取60s、120s和200s三個(gè)時(shí)刻的圖象進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。

由于實(shí)驗(yàn)過程，除量杯底部加熱部分外，均暴露在恒溫水浴內(nèi)的空氣中，與空氣之間的溫差也在一定程度上影響其內(nèi)部傳熱，由于空氣的熱容量較小，且恒溫水浴內(nèi)空氣流動較小，因此忽略其影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只做比較、定性分析。

圖2(a)顯示，60s時(shí)，純氯化鋰溶液的表面溫度L101沒有變化，為30℃，而此時(shí)納米溶液表面溫度L102已經(jīng)有所升高，約32℃，兩者溫差約2℃；120s時(shí)，兩表面溫度均升高，溫差也拉大到約3.5℃；200s時(shí)，兩表面溫差繼續(xù)升高，約5℃。以上現(xiàn)象說明，相同條件下，氯化鋰納米溶液的傳熱能力明顯高于純氯化鋰溶液，納米銅粒子因其較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能有效促進(jìn)溶液的內(nèi)部熱量傳遞。

2.2 冷卻傳熱過程

溶液底部加熱實(shí)驗(yàn)過程，整個(gè)量杯內(nèi)形成由底部到表面的溫度梯度，易引發(fā)溶液內(nèi)部對流，強(qiáng)化了內(nèi)部的換熱，使溶液表面溫度升高較快，熱量傳遞為對流和銅粒子同時(shí)作用的結(jié)果。為了規(guī)避熱對流影響，測試了兩種溶液的冷卻過程，冷卻過程因底部溫度較低、密度較大，傳熱基本以導(dǎo)熱形式進(jìn)行，這里不考慮因納米銅粒子引起的布朗運(yùn)動、溶液黏度變化等影響。實(shí)驗(yàn)過程同加熱過程類似，溶液初始溫度為66℃，恒溫水浴溫度30℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3中，60s時(shí)兩表面溫度基本一致，約等于初始溫度，說明冷量還基本沒有傳到液體表面；120s時(shí)，兩平面出現(xiàn)溫差，平均約1.2℃；200s時(shí)，表面溫差繼續(xù)擴(kuò)大，平均約2.2℃。納米溶液的溫度降低速度快于純氯化鋰溶液，納米銅粒子強(qiáng)化了純導(dǎo)熱過程的熱量傳遞。與圖2相比，相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，兩液面溫差較小，雖然純導(dǎo)熱過程銅粒子對傳熱能力的提高低于對流熱交換過程，但其強(qiáng)化傳熱的效果依然比較明顯。

圖3 純?nèi)芤汉图{米溶液冷卻過程表面溫度對比Fig.3 Surface temperature Comparison of two solutions under cooling condition

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)受體積分?jǐn)?shù)的影響

氯化鋰溶液中銅粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是影響其熱量傳遞的重要因素，測試計(jì)算了不同納米銅粒子體積分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)與純?nèi)芤旱膶?dǎo)熱系數(shù)之比，結(jié)果見圖4。隨著銅粒子體積分?jǐn)?shù)的增加，納米溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨之增加，體積分?jǐn)?shù)小于0.03時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Maxwell計(jì)算值比較接近，體積分?jǐn)?shù)大于0.03后，銅粒子含量越高，兩者偏差越大。證明Maxwell模型應(yīng)用范圍的局限性。

圖4 納米流體的導(dǎo)熱性能和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between nano-fluid thermal conductivity and volume fraction

圖4還比較了納米銅粒子在不同基液(油、水)以及不同粒徑時(shí)的導(dǎo)熱性能，相同粒徑的納米銅粒子(100nm)對氯化鋰溶液和水的導(dǎo)熱能力的提高相差不大，而對油的導(dǎo)熱性能的提高則明顯小于前兩者，且粒子體積分?jǐn)?shù)越大，差距越大。而粒徑大小的影響，在小體積分?jǐn)?shù)時(shí)，導(dǎo)熱性能差別較小。對于大體積分?jǐn)?shù)的情況，沒有找到相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，這里不作結(jié)論。

液體除濕(再生)過程，液膜流動不僅存在層流導(dǎo)熱過程，更多的是湍流流動，湍流熱質(zhì)交換過程中，納米銅粒子對換熱的強(qiáng)化作用更為明顯，文獻(xiàn)[13-16]分析了Al2O3、CuO和TiO2等納米粒子對水溶液對流傳熱性能的影響，結(jié)果顯示納米粒子對換熱無量綱數(shù)Nu有15%～40%的提高。納米銅粒子對氯化鋰溶液對流換熱過程換熱能力的強(qiáng)化作用是該研究方向的重點(diǎn)，將在后續(xù)研究中單獨(dú)分析。

3 結(jié)論

文章分析了納米流體強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，并分別實(shí)驗(yàn)并對比了在加熱和冷卻條件下，純氯化鋰溶液與納米氯化鋰溶液的(傳)導(dǎo)熱性能；測試了納米銅粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，得到主要結(jié)論如下:

1)加熱條件下，在納米銅粒子和對流作用下，納米溶液的傳熱性能明顯高于純氯化鋰溶液，納米銅粒子因其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶液的導(dǎo)熱系數(shù)，促進(jìn)了溶液的內(nèi)部熱量交換，對流作用更進(jìn)一步促進(jìn)了其傳熱強(qiáng)化作用的發(fā)揮；

2)冷卻條件下，純導(dǎo)熱過程，納米溶液的導(dǎo)熱性能仍明顯優(yōu)于純氯化鋰溶液，但傳熱效果明顯不如加熱過程；

3)納米氯化鋰溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨著銅粒子在溶液中體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，體積分?jǐn)?shù)小于0.03時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Maxwell模型計(jì)算值比較接近，體積分?jǐn)?shù)大于0.03后，銅粒子含量越高，兩者偏差越大。

4)納米銅粒子對于液體傳熱性能的改變受基液類型影響較大，有一定的選擇性。

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