王清清，孫勤，楊阿三，程榕，鄭燕萍（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

孫斌，曲藝，楊迪（東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

研究開發(fā)

纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度及介穩(wěn)區(qū)

王清清，孫勤，楊阿三，程榕，鄭燕萍
（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

采用靜態(tài)平衡法測定纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K的溶解度數(shù)據(jù)，利用Modified Apelblat、NRTL 和λh方程分別對溶解度數(shù)據(jù)進行了關(guān)聯(lián)，并通過van't Hoff分析計算了纈沙坦在溶解過程中的熱力學(xué)參數(shù)（焓變、熵變和吉布斯自由能）。結(jié)果表明，纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度隨著溫度升高而顯著增大，3個模型均具有較好的關(guān)聯(lián)性，平均相對偏差分別為1.03%、3.87%、1.72%，Modified Apelblat方程對溶解度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的效果最好；纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解過程為自發(fā)吸熱熵驅(qū)動過程，焓變在溶解過程中對吉布斯自由能貢獻較大。利用激光法測定了纈沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，研究了不同攪拌速率、降溫速率對結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)的影響。結(jié)果表明，隨飽和溫度的升高，介穩(wěn)區(qū)顯著變寬；攪拌速率越小、降溫速率越快，介穩(wěn)區(qū)越寬，降溫速率的影響相對較小。

纈沙坦；乙酸乙酯；溶解度；超溶解度；介穩(wěn)區(qū)

纈沙坦，白色晶體，化學(xué)名為 N-（1-氧戊基）-N-［［2'-（1H-四唑-5-基）［1，1'-聯(lián)苯］-4-基］甲基］-L-纈氨酸，分子式 C24H29N5O3，相對分子質(zhì)量435.53，熔點383.15K。纈沙坦屬于非肽類、口服有效的血管緊張素Ⅱ（AT）受體拮抗劑，選擇性作用于Ⅰ型受體（AT1），用于治療各種類型高血壓，具有療效顯著、耐藥性好和成本效益低的優(yōu)點，對需要長期治療高血壓的患者來說是一個很好的選擇［1-2］。

乙酸乙酯是纈沙坦工業(yè)結(jié)晶的首選溶劑，研究結(jié)晶體系的介穩(wěn)區(qū)性質(zhì)對優(yōu)化結(jié)晶過程和結(jié)晶器設(shè)計起到重要的作用［3］，特別是超溶解度數(shù)據(jù)對工業(yè)化的實際生產(chǎn)有著更為重要的意義。纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度已有文獻報道［4］，但還未發(fā)現(xiàn)有關(guān)纈沙坦在乙酸乙酯中超溶解度數(shù)據(jù)的報道。

本文通過激光法測定纈沙坦在乙酸乙酯中的超溶解度，采用靜態(tài)平衡法測定纈沙坦在乙酸乙酯溶劑中278.15～323.15K的溶解度，研究攪拌速率和降溫速率對介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。利用Modified Apelblat、NRTL和λh方程對溶解度數(shù)據(jù)進行交叉關(guān)聯(lián)驗證，并采用van't Hoff分析，計算溶解過程中的熱力學(xué)參數(shù)（焓變、熵變和吉布斯自由能）。

1　實　驗

1.1原料和儀器

纈沙坦，純度＞99%，浙江華海藥業(yè)股份有限公司；乙酸乙酯，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；溴百里香酚藍指示劑，灼燒殘渣＜0.3%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氦氖激光器，SPL-HN1.5P型，工作波長632.8nm，杭州譜鐳光電技術(shù)有限公司；低溫恒溫水槽，DC-3010型，寧波天恒儀器廠。

溶解度測定實驗裝置由低溫恒溫水槽、250mL三口燒瓶、精密溫度計和機械攪拌器組成。超溶解度測定實驗裝置由自制夾套冷卻結(jié)晶器、低溫恒溫水槽、激光發(fā)射器、激光接收器、精密溫度計和機械攪拌器組成。

1.2纈沙坦溶解度測定

纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度采用靜態(tài)平衡法測定：置已知量的乙酸乙酯于250mL三口燒瓶中，加入過量纈沙坦，在恒定溫度下，充分攪拌后長時間靜置。移取上層清液精密稱重后加入適量乙醇溶劑，再加入溴百里香酚藍指示劑，用配好的氫氧化鈉滴定液（0.05mol/L）滴定至藍色，并將結(jié)果用空白試驗進行校正。1mL氫氧化鈉滴定液（0.1mol/L）相對于21.78mgC24H29N5O3（來源于中國藥典）。依次測定278.15～323.15K下纈沙坦的溶解度。溶液溫度由恒溫水浴控制，每個點重復(fù)取樣 3次取平均值。

纈沙坦在溶劑中的摩爾分數(shù)x，用式（1）來計算。

式中，mA、mB分別為溶液中纈沙坦和乙酸乙酯的質(zhì)量；MA、MB分別為纈沙坦和乙酸乙酯相對分子質(zhì)量。

1.3纈沙坦超溶解度測定

采用激光法測定超溶解度存在一定的滯后性，但由于纈沙坦在乙酸乙酯中的結(jié)晶速率快且實驗中控制的降溫速率較小，因此激光法的滯后性對實驗結(jié)果的影響較小。

根據(jù)溶解度數(shù)據(jù)，配置成一定溫度下的纈沙坦飽和溶液置于結(jié)晶器中。在攪拌速率恒定時，以一定的降溫速率進行冷卻。激光發(fā)射器發(fā)射激光穿透飽和溶液到達另一端的激光接收器。當接收激光的強度發(fā)生突變時，即有晶體產(chǎn)生，記錄下此時的溫度。則所配的飽和溶液濃度即為纈沙坦此溫度下的超溶解度，與初始飽和溶液的溫度差ΔT即為介穩(wěn)區(qū)寬度。

2　結(jié)果與討論

2.1纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度

雖然LIU等［4］早期采用激光法測定了纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～313.15K的溶解度數(shù)據(jù)，但是經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)利用接收器端激光強度達到最大值來判斷實驗終點一般會產(chǎn)生延后，導(dǎo)致加入的溶劑質(zhì)量偏大，這樣測定的溶解度數(shù)據(jù)相比實際值會偏小。而且在文中只采用Modified Apelblat對實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，得到的均方根偏差（rmsd）為6.0×10-5，計算其平均相對偏差（MD）為1.21%，單個方程的擬合結(jié)果不足以論證實驗的準確性。所以，本文采用靜態(tài)平衡法重新測定了纈沙坦在乙酸乙酯溶劑中278.15～323.15K的溶解度。

圖 1是實驗值與文獻值［4］的對比結(jié)果。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，纈沙坦在乙酸乙酯中的溶解度隨溫度的升高而增大，但增大的幅度不相同，在308.15～323.15K時變化迅速。實驗值基本與文獻值吻合，但略高于文獻值。

圖1　纈沙坦在乙酸乙酯中溶解度實驗值與文獻值比較

2.2溶解度不同模型關(guān)聯(lián)結(jié)果

纈沙坦溶解度分別采用 Modified Apelblat、NRTL和λh方程進行關(guān)聯(lián)，其擬合效果可以用平均偏差（σ）及平均相對偏差（MD）來表示，其定義如式（2）～式（3）。

式中，xexp、xcal分別代表實驗值和理論值；N為實驗點數(shù)。

2.2.1Modified Apelblat 方程

Modified Apelblat 方程廣泛用于溶解度的關(guān)聯(lián)［5-8］，如式（4）所示。

式中，A、B、C為Apelblat關(guān)聯(lián)參數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K。

2.2.2NRTL方程

要研究NRTL方程對溶解度的關(guān)聯(lián)，首先通過熱力學(xué)理論和假設(shè)，可以得到式（5）。

式中，溶劑的摩爾分數(shù) x2=1- x1，g12-g22，

g21-g11和α1（2α12=α2）1為NRTL參數(shù)。

2.2.3λh方程

λh方程也經(jīng)常用于溶解度的關(guān)聯(lián)，方程具體形式如式（9）［12］。

式中，λ和h為方程參數(shù)。

表1～表3分別為上述3種方程回歸得到的模型參數(shù)及平均相對偏差，表4為實驗值與模型計算值的對比。

從表中可以看出，3個方程平均相對偏差≤3.87%，關(guān)聯(lián)較好。其中Modified Apelblat方程關(guān)聯(lián)效果最好，平均相對偏差只有1.03%。

農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣人員的專業(yè)能力將會直接決定我國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的效果，在這樣的情況下，要更好的提升農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的作用，對于農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣人員的專業(yè)能力進行提升是非常有必要的。政府的相關(guān)部門可以通過定期對農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣人員進行培訓(xùn)，組織技術(shù)人員下鄉(xiāng)與弄濕實際溝通等方式，提升其專業(yè)能力。在此基礎(chǔ)上還可以通過編制調(diào)整，更好的引入人才，為農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的開展提供充分支持。

表1　Modified Apelblat方程回歸的參數(shù)值及平均相對偏差

表2　NRTL方程回歸的參數(shù)值及平均相對偏差

表3　λh方程回歸的參數(shù)值及平均相對偏差

表4　纈沙坦的溶解度數(shù)據(jù)及Modified Apelbla、NRTL和λh方程回歸結(jié)果

2.3溶解熱力學(xué)計算

式中，Tmean為平均熱力學(xué)溫度，本研究中Tmean=299.96K。

此外，為了比較溶解過程中焓變和熵變對吉布斯自由能的貢獻大小，引入了ξH和ξS，定義如式（15）、式（16）［15］。

表5　纈沙坦溶解過程中的熱力學(xué)參數(shù)

溶解過程是一個熵驅(qū)動過程。ξH＞0.58，說明溶解過程中焓變對吉布斯自由能的貢獻較大，為焓控制過程。

2.4纈沙坦在乙酸乙酯中結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)分析

介穩(wěn)區(qū)是介于溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區(qū)域。介穩(wěn)區(qū)寬度可以用極限過飽和度 ΔCmax或極限溫度過冷度ΔTmax來表示，本研究采用ΔTmax表示。

對介穩(wěn)區(qū)寬度的影響因素有很多，如降溫速率、攪拌速率、有無晶種、有無外加場及溶液的性質(zhì)等。實驗中采用控制變量法考察攪拌速率和降溫速率對介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。

2.4.1攪拌速率對介穩(wěn)區(qū)的影響

保持降溫速率為0.2K/min恒定，分別設(shè)定攪拌速率為100r/min、200r/min和300r/min，考察攪拌速率對介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。

從圖2中可以看出，纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩(wěn)區(qū)寬度隨著攪拌速率的增大而變窄，而隨飽和溫度的升高，攪拌速率對介穩(wěn)區(qū)的影響增大。這可能由于攪拌速率的變大使得纈沙坦分子碰撞的機會增多，更利于晶體成核，從而使介穩(wěn)區(qū)變窄。此外，從圖中還知，飽和溫度越高，介穩(wěn)區(qū)越寬。在低溫區(qū)（293.15～313.15K）ΔTmax為 3～8K，高溫區(qū)（313.15～323.15K）ΔTmax為8～12K。

2.4.2降溫速率對介穩(wěn)區(qū)的影響

保持攪拌速率為200r/min恒定，分別設(shè)定降溫速率為0.2K/min、0.3K/min和0.4K/min，考察降溫速率對介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。

從圖3可知，纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩(wěn)區(qū)寬度隨著降溫速率的增大而變寬。這是由于降溫速率的增大使得溶質(zhì)經(jīng)過成核溫度區(qū)域過短，不利于緩慢穩(wěn)定成核，從而使介穩(wěn)區(qū)有所變寬，但影響并不明顯。

圖2　不同攪拌速率下纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩(wěn)區(qū)

圖3　不同降溫速率下纈沙坦在乙酸乙酯中的介穩(wěn)區(qū)

3　結(jié)　論

（1）纈沙坦在乙酸乙酯中278.15～323.15K下的溶解度隨著溫度的升高而顯著增大，采用Modified Apelblat、NRTL和λh方程進行擬合，均具有良好的關(guān)聯(lián)性，其中Modified Apelblat方程關(guān)聯(lián)效果最好，平均相對偏差僅有1.03%。

（2）通過van't Hoff分析得到纈沙坦在乙酸乙酯溶解過程中的熱力學(xué)參數(shù)：焓變、熵變和吉布斯自由能均為正值，說明此過程為熵驅(qū)動自發(fā)吸熱過程。而ξH＞0.58說明焓變在溶解過程中對吉布斯自由能貢獻較大。

（3）纈沙坦在乙酸乙酯中的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度隨著飽和溫度的升高、降溫速率的增大而變寬，隨著攪拌速率的增大而變窄，其中飽和溫度影響顯著，而降溫速率的影響不太明顯。

T —— 熱力學(xué)溫度，K

Tmean—— 熱力學(xué)平均溫度，K

Tmi—— 組分i的熔點溫度，K—— 標準摩爾溶解熵，J/（mol·K）

參考文獻

［1］NIXON R M，MULLER E，LOWY A，et al. Valsartan vs. other aongiotensinⅡ receptor blockers in the treatment of hypertension：a meta-analytical approach［J］. Int. J. Clin. Pract.，2009，63（5）：766-775.

［2］NEUTEL J，WEBER M，POOL J，et al. Valsartan，a new angotensin Ⅱ antagonist：antihypertensive effects over 24 hours［J］. Clin. Ther.，1997，19（3）：447-458.

［3］馬勇，朱家文，陳蔡，等. 磷酸結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)性質(zhì)的研究［J］. 高校化學(xué)工程學(xué)報，2010，24（2）：331-335.

［4］LIU Y，WANG J K，WANG X B，et al. Solubility of valsartan in ethyl acetate + hexane binary mixtures from（278.15 to 313.15）K［J］. J. Chem. Eng. Data，2009，54（4）：1412-1414.

［5］王小敏，汪全義，彭琦，等. 對乙酰氨基苯甲酸在甲醇+乙醇混合溶劑中溶解度測定及關(guān)聯(lián)計算［J］. 化工進展，2015，34（3）：647-651.

［6］TSONOPOULOS C. Thermodynamic analysis of the mutual solubilities of normal alkanes and water［J］. Fluid Phase Equilibr.，1999，156（1）：21-33.

［7］MANZUROLA E，APELBLAT A. Solubilities of L-glutamic acid，3-nitrobenzoic acid，p-toluic acid，calcium-L-lactate，calcium gluconate，magnesium-DL-aspartate，and magnesium-L-lactate in water［J］. J. Chem. Thermodyn.，2002，34（7）：127-136.

［8］HUANG C，XIE Z P，XU J C，et al. Experimental and modeling studies on the solubility of d-pantolactone in four pure solvents and ethanol-water mixtures［J］. J. Chem. Eng. Data，2015，60（3）：870-875.

［9］MARTI E E. Crystalline salt forms of valsartan：US 6869970［P］. 2005-03-22.

［10］宋微微，馬沛生，相政樂. 丁二酸在五種有機溶劑中溶解度測定及關(guān)聯(lián)［J］. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2007，21（2）：341-344.

［11］李柏春，杜東雪，張文林，等. 氯化鋰、氯化鈉在NMP中溶解度的測定與關(guān)聯(lián)［J］. 化工學(xué)報，2014，65（12）：4664-4668.

［12］張迪，肖清貴，張炳燭，等. 氯氧化鉍在鹽酸溶液中溶解度的測定和關(guān)聯(lián)［J］. 化工學(xué)報，2014，65（6）：1987-1992.

［13］SU J H，QIAN C，LUO N Z，et al. Experimental measurement and modeling of the solubility of biotin in six pure solvents at temperatures from 298.15 K to 333.85 K［J］. J. Chem. Eng. Data，2014，59（11）：3894-3899.

［14］SHAKEEL F， HAQ N，SIDDIQUI N A，et al. Solubility and thermodynamic behavior of vanillin in propane-1，2-diol + water cosolvent mixtures at different temperatures［J］. Food Chem.，2015，188：57-61.

［15］YU C，ZENG Z X，XUE W L. Measurement and correlation of the solubility of hexaquonickel（Ⅱ） bis（ptoluenesul-fonate） in water + ethanol solvents within 288.15-333.15 K［J］. Ind. Eng. Chem. Res.，2015，54（15）：3961-3967.

研究開發(fā)

納米流體沖擊射流換熱特性實驗

孫斌，曲藝，楊迪
（東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

摘要：以納米流體為工質(zhì)對沖擊射流冷卻系統(tǒng)的綜合性能進行實驗，主要研究了添加納米顆粒的納米流體與水在不同流速、不同射流高度等條件下沖擊射流的傳熱效率，同時也對不同種類的納米流體的換熱效率進行了對比。結(jié)果表明：對于添加了納米顆粒的沖擊射流冷卻系統(tǒng)，傳熱效率得到顯著提高，但當質(zhì)量分數(shù)達到0.5%時，傳熱系數(shù)變化不明顯。對于不同種類的納米流體：Cu-水、Al2O3-水和Al-水納米流體，其中Cu-水的換熱效率最高，存在一個特定的射流高度，使傳熱系數(shù)達到最大值。研究結(jié)果對設(shè)計制造輕型緊湊的高效換熱器有實用的工程價值。

關(guān)鍵詞：納米粒子；多相流；傳熱；沖擊射流

中圖分類號：TK 121文獻標志碼：A文章編號：1000-6613（2016）08-2334-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.05

Experimental study on heat transfer characteristics of nanofluids impacted jet

SUN Bin，QU Yi，YANG Di
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Abstract：In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimentally studied using nanofluids. The heat transfer efficiencies were compared for nanofluids of different flow rates，jet height and types . The results revealed that heat transfer efficiency significantly increased with the introduction of nanofluids in jet，but，when the mass percentage of nanofluids exceeded of 0.5%，the heat transfer coefficient did not change significantly. For different types of nanofluids：Cu- water，Al2O3-water，Al-water nanofluids，the highest heat transfer efficiency was observed for Cu- water. In addition，there was a particular jet height，where the maximum heat transfer coefficient could be reached. The results would be practically valuable in designing and manufacturing light and efficient heat exchanger.

Key words：nanoparticles；multiphase flow；heat transfer；impinging jet

換熱設(shè)備是在航天、電子、化工、原子能、動力等眾多領(lǐng)域中廣泛使用的一種通用設(shè)備，其主要作用是實現(xiàn)物料之間的熱量傳遞［1］。沖擊射流是一種極其有效的局部強化換熱方法。由于沖擊射流在換熱面上形成的流動邊界層較薄，沖擊射流的傳熱系數(shù)比常規(guī)的對流傳熱系數(shù)高幾倍甚至一個數(shù)量級［2］。

以往的研究主要針對沖擊射流的流速、沖擊距離、射流角度、噴嘴孔徑等的運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。BARDBURY［3］對單孔自由射流的流動機理進行了探索，研究了單孔自由射流典型的速度分布形式及軸向速度的衰減規(guī)律，實驗結(jié)果表明，在單孔自由射流的中心區(qū)，流體的速度高、波動大，而且湍流度非常高，因此具有極大的強化換熱潛力。

收稿日期：2016-01-11；修改稿日期：2016-03-16。
基金項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCET-12- 0727）。
第一作者及聯(lián)系人：孫斌（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為多相流理論及應(yīng)用。E-mail sunbin@nedu.edu.cn。

BAONGA等［4］利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)和圖像處理在圓形水平加熱盤上進行自由液體射流沖擊試驗測得的局部溫度和速度曲線，通過求解逆熱傳導(dǎo)問題建立了徑向分布的局部傳熱系數(shù)，結(jié)果表明該噴嘴到熱交換面間距對換熱影響不大，雷諾數(shù)相同的情況下噴嘴直徑的改變使得Nu數(shù)發(fā)生明顯變化，并且液體流速影響局部傳熱系數(shù)。KATTI等［5］研究了圓形直管噴嘴沖擊噴氣到光滑平整表面的局部發(fā)熱理論，研究了局部傳熱噴射到板間距和雷諾數(shù)的影響。近幾年，冷卻射流被應(yīng)用到精密元件及微小空間散熱的問題中。NAPHON等［6］進行了關(guān)于個人計算機中央處理器沖擊射流強化傳熱的實驗，利用小型矩形翅片板進行噴射液體的冷卻實驗，實驗證明，冷卻效果確實要比常規(guī)冷卻方式要好，但是需要較高的能量消耗。GUO等［7］使用微針噴頭進行沖擊射流研究強化流動沸騰換熱過程，結(jié)果表明該沸騰傳熱可以通過提高增加的總面積及射流沖擊速度來提高傳熱系數(shù)。當噴射速度過高時，對流換熱占主導(dǎo)地位；當沖擊速度過高時，滯流區(qū)的熱傳遞與渦擴大了散熱面積并增加了紊流，影響微對流過程，影響換熱。

納米流體是以一定的方式和比例在基液（水、酒精等）中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子，形成的一類具有高熱導(dǎo)率的均勻穩(wěn)定的新型傳熱工質(zhì)［8］。納米流體以優(yōu)異的導(dǎo)熱性與穩(wěn)定性，為沖擊射流的工質(zhì)提供了新的選擇［9］。凌智勇等［10］對納米流體的黏度進行了研究；李強等［11］發(fā)現(xiàn)，納米流體的熱導(dǎo)率通常比基液高。采用納米流體代替常規(guī)的流體對具有高熱量輸出的設(shè)備冷卻有特別的效果。

本實驗在一個典型的射流冷卻系統(tǒng)中研究沖擊射流的傳熱特性，通過使用不同的納米顆粒制備的納米流體進行實驗，對不同納米流體的熱導(dǎo)率進行對比，得到的一些相關(guān)結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)和納米流體的傳熱特性進行討論，具有較高的工程實用意義。

1　實驗系統(tǒng)及流程

1.1納米流體制備

實驗采用Cu、Al和Al2O3納米粒子，其基本物性如表1所示，基液為去離子水，采用十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為分散劑［12］。采用“兩步法”［13］，按照1∶1的比例加入納米流體和分散劑，此時納米流體穩(wěn)定性最佳［14］。配置質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體。隨后在超聲波震蕩儀中震蕩60min，得到穩(wěn)定的納米流體。

表1　納米流體熱物性

1.2納米流體穩(wěn)定性分析

采用透射比法分別對質(zhì)量分數(shù) 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al-水、Al2O3-水納米流體的穩(wěn)定性進行分析。透射比法即分光光度計法，又稱濁度法，是將分散體系經(jīng)過重力沉降或離心沉降等手段處理后，吸取上層清液，在分光光度計上測定其透過率或吸收率。一般來說，穩(wěn)定分散的懸浮液，其上層清液的透過率較低，吸收率較高［15］。

圖1為重力沉降出來后的納米流體，吸取上層清液，在分光光度計中進行透射率測定，所用儀器為752型分光光度計，所用波長為540nm，每隔12h測量并記錄一次數(shù)據(jù)，重復(fù)3～4次，測定結(jié)果如圖2所示。

采用上述實驗方法，實驗范圍內(nèi)各質(zhì)量分數(shù)的Cu-水、Al-水、Al2O3-水納米流體均具有很強的穩(wěn)定性，在較長時間內(nèi)不易沉積，適于后期的實驗研究及應(yīng)用。

2　實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖3所示，由儲液箱、磁力循環(huán)泵、預(yù)熱段、實驗測試段、冷卻水箱及數(shù)據(jù)采集部分組成。

實驗流程：將制備好的納米流體放入儲液箱中，由揚程為30m的磁力泵提供循環(huán)動力，采用渦輪流量變送器測量流體體積流量。納米流體經(jīng)預(yù)熱段預(yù)熱為恒定25℃后進入實驗測試段進行換熱實驗。將4個熱電阻分別布置在射流入口處、射流出口處和紫銅圓柱中心及二分之一半徑處，從而測量流體入口溫度、流體出口溫度以及紫銅圓柱的溫度。兩個功率為 50W 的陶瓷加熱芯對稱放置在紫銅圓柱二分之一半徑處，用來提供熱量。為降低測量誤差，紫銅柱體內(nèi)部的陶瓷加熱芯以及熱電阻都涂抹導(dǎo)熱膏減小其傳熱熱阻。紫銅柱體外包裹石棉進行保溫，紫銅換熱面進行鏡面打磨處理。Rosemount 3051S電容式差壓變送器連接在進出口位置用來測量流體進出口兩端的壓力差。壓差計、流量計和熱電阻所采集的數(shù)據(jù)通過 USB-4716數(shù)據(jù)采集器輸入計算機，進行實時檢測記錄。

圖1　3種納米流體的重力沉降觀測照片

圖4為實驗測試段結(jié)構(gòu)示意圖。實驗段采用法蘭盤與長徑螺栓進行連接固定，橡膠墊圈進行防水密封，易于拆卸組裝。實驗射流距離分別設(shè)定為3mm、6mm、9mm進行對比實驗。射流進口管外側(cè)加工出螺紋，通過螺紋調(diào)整射流距離，既保證了密封性能，也易于實驗參數(shù)的變更。實驗段采用有機玻璃設(shè)計，可以調(diào)整射流距離以及觀察實驗中流體流動情況。

3　數(shù)據(jù)處理與不確定性分析

采用牛頓（Newton）冷卻公式，流體流動的傳熱系數(shù)可寫為式（1）。

流體的平均溫度采用式（2）計算。

式中，Tin是射流實驗段納米流體進口溫度；Tout射流實驗段納米流體出口溫度。由于熱電阻測點與換熱面具有一定距離，可能導(dǎo)致熱電阻測溫面與實際的射流沖擊換熱表面溫度不一致，而且這種溫度不一致性隨著熱流密度的增大而增大。為了減少實驗誤差，應(yīng)考慮紫銅塊熱阻的影響如式（3）、式（4）。

圖2　3種納米流體的穩(wěn)定性

圖3　實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4　測試段結(jié)構(gòu)示意圖

式中，Tw是換熱面的溫度；T'w是熱紫銅塊的實測溫度的平均值；ΔT是換熱面溫度與納米流體平均溫度的溫差。

努塞爾數(shù)Nu定義見式（5）。

本實驗使用的不同濃度的納米流體熱導(dǎo)率 knf均由DRE-Ш型熱導(dǎo)率測定儀測量。雷諾數(shù)定義如式（6）。

式中，納米流體的密度ρnf定義如式（7）［16］。）

由于納米流體的體積分數(shù)難以精準測定，本實驗由納米流體質(zhì)量分數(shù)進行計算，如式（8）。

為了得到更準確的實驗結(jié)果，需要對系統(tǒng)進行誤差分析及不確定度評估［17］，使用儀器的參數(shù)及不確定度見表2，變量的不確定度見表3。

4　實驗結(jié)果及分析

4.1傳熱特性

在實驗前，對試驗系統(tǒng)進行熱平衡計算，計算輸入功率Q與測試段工質(zhì)獲得的熱功率Ql的偏差。熱平衡偏差如式（9）［18］。

表2　儀器的參數(shù)及不確定度

表3　實驗變量及其不確定度

經(jīng)計算，熱平衡偏差小于 7%，因此工質(zhì)能夠獲得的總功率非常接近100W。

4.2納米流體沖擊射流換熱性能分析

實驗中，分別測試了質(zhì)量分數(shù)分別是 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體的射流傳熱系數(shù)，分析了納米粒子體積分數(shù)、種類、射流速度以及射流高度對沖擊射流換熱性能的影響。

4.2.1質(zhì)量分數(shù)對納米流體換熱的影響

圖5、圖6和圖7分別給出了3種不同種類的納米流體在不同質(zhì)量分數(shù)下的沖擊射流傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化情況。從圖中可以看出，沖擊射流的傳熱系數(shù)隨著 Re數(shù)的增加而增大；另外，在相同的Re數(shù)情況下，沖擊射流傳熱系數(shù)h隨著濃度的增加而增加。這是因為在液體中添加納米粒子，增加了液體的表面積和熱容量，在液體中添加納米粒子，增加了液體的熱導(dǎo)率，由于粒子與粒子、粒子與液體及粒子與壁面間的相互作用及碰撞，傳熱效果增強。由圖可以發(fā)現(xiàn)，3種納米流體在質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，傳熱系數(shù)提升最為明顯，而質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，相對于質(zhì)量分數(shù) 0.4%的納米流體的傳熱系數(shù)變化較小。這是因為納米粒子的質(zhì)量分數(shù)過大，會導(dǎo)致納米流體的黏度過大，射流路徑中的能量衰減加快，出口射流速度相同時，沖擊到換熱面的速度減小，對換熱效果起負面作用。另外，當納米流體質(zhì)量分數(shù)過大時，納米顆粒更易發(fā)生沉淀現(xiàn)象，會有少部分納米顆粒沉淀到儲液箱底部，導(dǎo)致實際參與換熱的納米流體質(zhì)量分數(shù)下降。另外，在 Re數(shù)較小的區(qū)域，傳熱系數(shù)相差不大，因此低流速下，納米流體對傳熱系數(shù)提高的效果不明顯；而在較高的流速下，傳熱系數(shù)提升顯著。這是因為在流速較高的情況下，紊流度增加，顯著提升了傳熱系數(shù)，所以高速射流應(yīng)用納米流體更為有利。

實驗中使用了較高比例的分散劑，考慮到分散劑對去離子水換熱性能的影響現(xiàn)作如下實驗分析：將質(zhì)量分數(shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%SDBS分散劑加入去離子水中制備為射流工質(zhì)，進行沖擊射流實驗，如圖8所示。

圖5　Cu-水納米流體與水傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

圖6　Al2O3-水納米流體與水傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

圖7　Al-水納米流體與水傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

圖8　只添加分散劑SDBS的去離子水的傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

從圖8可以看出，隨著分散劑質(zhì)量分數(shù)的增加，該射流工質(zhì)的傳熱系數(shù)隨之減??；同時，隨著射流流速的增加，傳熱系數(shù)呈近似線性增加。對于只加入分散劑的去離子水為射流工質(zhì)，傳熱系數(shù)較去離子水稍有下降，最大降幅 4%。這是因為分散劑的熱導(dǎo)率較低，使得只添加分散劑的去離子水換熱性能略降低。與文獻［19］的研究結(jié)果一致。

納米流體作為換熱工質(zhì)，結(jié)合沖擊射流高效冷卻方式，可以顯著提高換熱效率。主要原因如下：懸浮顆粒增加了兩相混合物的熱導(dǎo)率；納米顆粒加快了納米顆粒、去離子水和換熱壁面三者之間能量的傳遞速率；由于流速加快，單個納米顆粒強力沖擊換熱面，使換熱流體更好的接觸換熱壁面，明顯降低了換熱壁面上流體層的厚度。此外，本實驗使用的是圓形漸縮噴嘴，更利于沖擊射流的強化換熱。由于上述原因，導(dǎo)致本實驗中傳熱系數(shù)增加較大，質(zhì)量分數(shù)為0.5%的Cu-水納米流體增幅最大，傳熱系數(shù)最大增加54%。文獻［20］也給出了相近的結(jié)果。

4.2.2不同納米流體對傳熱系數(shù)的影響

圖9描述的是質(zhì)量分數(shù)為0.4%的Cu-水、Al2O3-水和 Al-水納米流體在不同 Re數(shù)下的射流傳熱系數(shù)。由圖9中實驗數(shù)據(jù)可以看出，添加了納米顆粒的納米流體，傳熱系數(shù)明顯高于去離子水。其中，Cu-水納米流體的傳熱系數(shù)相對于其他兩種納米流體相對較高，說明 Cu-水納米流體更適宜應(yīng)用在沖擊射流的實際應(yīng)用中。這是因為Cu納米顆粒的熱導(dǎo)率比Al納米顆粒以及 Al2O3納米顆粒的熱導(dǎo)率大，另外本實驗使用的Al2O3納米顆粒粒徑較另外兩種納米顆粒粒徑大，對傳熱系數(shù)具有一定影響［21］。

圖9　相同質(zhì)量分數(shù)不同種類的納米流體與水傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

4.2.3不同射流參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響

由于3種納米流體中質(zhì)量分數(shù)為0.4%的Cu-水納米流體的換熱效果最好，因此選用Cu-水納米流體進行射流距離對比實驗。圖10給出在3種射流高度下0.4%質(zhì)量分數(shù)的Cu-水納米流體傳熱系數(shù)隨Re的變化。從圖10中可以看出，射流高度存在一個特定的使傳熱系數(shù)達到最高的值。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在射流高度為3mm時，傳熱系數(shù)較小。這是因為沖擊射流的流場決定了換熱效果，而射流高度決定了流場的形態(tài)。當射流高度很小的時候，沖擊在射流面的流體會有一部分反彈到射流噴嘴處，明顯降低正向射流的流速，使得圖10中射流高度3mm的曲線在高Re數(shù)狀態(tài)下傳熱系數(shù)提升不明顯。隨著射流高度的增加，射流得到充分的發(fā)展，紊流度增加，換熱效果增強。另外，當射流高度繼續(xù)增大至9mm時，由于射流高度過大，導(dǎo)致了在此過程中一定的能量損失，使得傳熱系數(shù)不升反降。

4.3納米流體沖擊射流的流動特性

圖10　不同射流高度下Cu-水納米流體傳熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

圖11展示了不同納米流體的射流壓力隨Re數(shù)的增大而增大，添加了納米顆粒的納米流體的壓降高于去離子水的壓降，這是由于濃度增加而導(dǎo)致黏度增大等原因，使得壓降也相應(yīng)的有所提高。圖11中，3種納米流體，Al2O3-水納米流體壓降最大，Al-水納米流體和Cu-水納米流體的壓降基本相同，表明添加了 Al2O3顆粒的納米黏度增大較為明顯導(dǎo)致流體流動阻力大，因此壓降較大。

圖12展示了Cu-水納米流體的噴射壓力隨Re數(shù)和濃度的變化。由圖12中可以看出，較去離子水的壓降相比，在相同雷諾數(shù)下，濃度越大，壓降越大。這是由于納米顆粒濃度的增大，使納米流體的黏度增大，管內(nèi)流動阻力與噴嘴射流阻力都隨之增大，使壓降增大。

圖11　不同納米流體的射流壓降隨Re數(shù)的變化

圖12　不同質(zhì)量分數(shù)下Cu-水納米流體的射流壓降隨Re數(shù)的變化

5　結(jié)　論

本實驗中，通過利用去離子水、Cu-水、Al2O3-水、Al-水納米流體研究了納米流體沖擊射流的傳熱特性。使用不同種類的納米顆粒以及對應(yīng)其不同的質(zhì)量分數(shù)進行實驗研究，Re數(shù)的范圍在 2000～8000，Nu數(shù)的范圍在10～70，經(jīng)實驗測得數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

（1）3種納米流體中，Cu-水納米流體的射流冷卻效果要稍強于Al2O3-水納米流體，Al相對較差。但是添加了納米顆粒的納米流體的換熱效果都遠好于去離子水的換熱效果。

（2）在同一種納米顆粒制備的納米流體中，質(zhì)量分數(shù)的增大使傳熱效果有明顯的提升。當質(zhì)量分數(shù)達到0.5%時，由于黏度和懸浮性的影響，傳熱效果的變化明顯減小。以 Cu-水納米流體為例，質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Cu-水納米流體，傳熱系數(shù)分別提升 12.6%、34.6%、41%、51.2%、54.5%。

（3）在Re＜3000時，納米流體相對于去離子水的換熱優(yōu)勢不明顯，所以在實際應(yīng)用中，應(yīng)保證有較高的流速。

（4）實驗中測量了不同射流高度對傳熱系數(shù)的影響。無論是納米流體還是水，都存在一個特定的高度，即本實驗中高度為6mm時，傳熱系數(shù)達到最大值。

符號說明

A—— 換熱面積，m2

D —— 噴嘴直徑，mm

H —— 射流距離，mm

h——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

k——熱導(dǎo)率，W/（m·K）

Nu—努塞爾數(shù)

Q—輸入功率，W

Ql—工質(zhì)獲得的功率，W

q—熱量，J

Re——雷諾數(shù)

T——溫度，℃

—平均溫度，℃

ΔT —— 溫差，℃

u——

μ——動力黏度，Pa/s

ρ—密度，kg/m3

φ—體積分數(shù)，%

下角標

bf—— 基液

in—— 入口

nf—— 納米流體

out——出口

p—納米顆粒

w—— 壁面

［1］WANG J C. L- and U- shaped heat pipes thermal modules with twin fans for cooling of electronic system under variable heat source areas［J］. Heat & Mass Transfer，2014，50（11）：1487-1498.

［2］SUFIAN S F，ABDULLAH M Z，MOHAMED J J. Effect of synchronized piezoelectric fans on microelectronic cooling performance ［J］. International Communications in Heat & Mass Transfer，2013，43（4）：81-89.

［3］BRADBURY L J S. The structure of a self-preserving turbulent plane jet［J］. Journal of Fluid Mechanics，1965，23（1）：31-64.

［4］BAONGA J B，LOUAHLIA-GUALOUS H，IMBERT M. Experimental study of the hydrodynamic and heat transfer of free liquid jet impinging a flat circular heated disk［J］. Applied Thermal Engineering，2006，26（11/12）：1125-1138.

［5］KATTI V，PRABHU S V. Experimental study and theoretical analysis of local heat transfer distribution between smooth flat surface and impinging air jet from a circular straight pipe nozzle［J］. International Journal of Heat & Mass Transfer，2008，51：4480-4495.

［6］NAPHON P，WONGWISES S. Investigation on the jet liquid impingement heat transfer for the central processing unit of personal computers［J］. International Communications in Heat & Mass Transfer，2010，37（7）：822-826.

［7］GUO D，WEI J J，ZHANG Y H. Enhanced flow boiling heat transfer with jet impingement on micro-pin-finned surfaces［J］. Applied Thermal Engineering，2011，31（11）：2042-2051.

［8］CHOI S U S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles［J］. ASME，1995，231：99-106.

［9］WANG X，XU X，CHOI S U S. Thermal conductivity of nanoparticle -fluid mixture［J］. Journal of Thermophysics & Heat Transfer，1999，13 （13）：474-80.

［10］凌智勇，鄒濤，丁建寧，等. 納米流體黏度特性［J］. 化工學(xué)報，2012，63（5）：1409-1414.

［11］李強，宣益民. 納米流體熱導(dǎo)率的測量［J］. 化工學(xué)報，2003，54 （1）：42-46.

［12］WUSIMAN K，JEONG H，TULUGAN K，et al. Thermal performance of multi-walled carbon nanotubes （MWCNTs） in aqueous suspensions with surfactants SDBS and SDS［J］. International Communications in Heat & Mass Transfer，2013，41（1）：28-33.

［13］HADDAD Z，ABID C，OZTOP H F，et al. A review on how the researchers prepare their nanofluids［J］. International Journal of Thermal Sciences，2014，76（76）：168-189.

［14］徐小嬌，劉妮，王玉強，等. 納米流體懸浮液穩(wěn)定性的最新研究進展［J］. 流體機械，2012，40（10）：46-49.

［15］毋偉，陳建峰，盧壽慈. 超細粉體表面修飾［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版，2004：301-301.

［16］SUNDAR L S，NAIK M T，SHARMA K V，et al. Experimental investigation of forced convection heat transfer and friction factor in a tube with Fe3O4magnetic nanofluid［J］. Experimental Thermal & Fluid Science，2012，37（2）：65-71.

［17］VENKATESHAN S P. Mechanical Measurements［M］. 2nd Edition. New York：John Wiley & Sons，Ltd.，2015：3-45.

［18］TRCALA M，?ERMáK J. Nonlinear finite element analysis of thermal inertia in heat-balance sap flow measurement［J］. International Journal of Thermal Sciences，2014，76（2）：200-207.

［19］WUSIMAN K，JEONG H，TULUGAN K，et al. Thermal performance of multi-walled carbon nanotubes （MWCNTs） in aqueous suspensions with surfactants SDBS and SDS ［J］. International Communications in Heat & Mass Transfer，2013，41 （1）：28-33.

［20］LI Q，XUAN Y，YU F. Experimental investigation of submerged single jet impingement using Cu-water nanofluid［J］. Applied Thermal Engineering，2012，36（2）：426-433.

［21］KELLY K L，CORONADO E，LIN L Z，et al. The optical properties of metal nanoparticles：the influence of size，shape，and dielectric environment［J］. Cheminform，2003，34（16）：668-677.

Solubility and metastable zone of valsartan in ethyl acetate

WANG Qingqing，SUN Qin，YANG Asan，CHENG Rong，ZHENG Yanping
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The solubility of valsartan in ethyl acetate was measured by a static equilibrium method at temperatures from 278.15K to 323.15K. The solubility data were correlated by the modified Apelblat equation，the NRTL equation，and the λh equation. In addition，the thermodynamic parameters （including the enthalpy，entropy and Gibbs energy） were calculated by the van't Hoff analysis. The results showed that the solubility of valsartan obviously increased with an increase of temperature. The experimental data were well correlated with the above models because the mean deviation values of these three models were 1.03%，3.87%，and 1.7%，respectively. Therefore，the modified Apelblat equation was the best choice in the correlation of the solubility data of valsartan. The values of thermodynamic parameters proved that the dissolution process of valsartan in ethyl acetate was endothermic，spontaneous and entropy-driven. The main contributor to the standard molar Gibbs energy of solution was the enthalpy change during the dissolution process. Furthermore，the supersolubility of valsartan in ethyl acetate was measured at different stirring rates and cooling rates by the laser method. The results indicated that the metastable zone was wider under the condition of low stirring rate，high temperature and large cooling rate. Meanwhile，the temperature effect was remarkable but the cooling rate had little effect on the metastable zone.

valsartan；ethyl acetate；solubility；correlation；metastable zone

O 795

A

1000-6613（2016）08-2329-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.04

2016-01-11；修改稿日期：2016-01-27。

王清清（1991—），男，碩士研究生，研究方向為結(jié)晶動力

學(xué)。聯(lián)系人：孫勤，副教授，研究內(nèi)容為結(jié)晶與干燥器設(shè)計。E-mail qins@zjut.edu.com。