翟鄭佳，李國龍，朱恒宣，楊 歷，王 進(jìn)

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300400）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問題日益突出，傳統(tǒng)的傳熱工質(zhì)已經(jīng)無法滿足市場的需求，研制導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱能力強(qiáng)的新型流體和新型的相變材料變得十分重要[1-3]。納米流體是將金屬或非金屬納米顆粒按照一定比例分散到水或醇類等傳統(tǒng)換熱工質(zhì)中，制備成穩(wěn)定新型換熱工質(zhì)。納米流體與傳統(tǒng)換熱工質(zhì)相比，由于粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面之間的相互碰撞，流動邊界層被破壞，減小了傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效率，從而降低了循環(huán)過程中能量的消耗。

美國Argonne國家實驗室的S.U.S.Choi[4]首先提出納米流體的概念。此后，眾多研究學(xué)者對不同種類納米流體的制備及換熱性能進(jìn)行了大量研究。劉玉娟等[5]綜述了氧化鈰納米材料的合成方法，包括水熱法、沉淀法、微波法和溶膠凝膠法等。A.S.Tijani等[6]運用實驗和數(shù)值計算的方法研究了水/乙二醇基Al2O3和CuO納米流體作為汽車散熱器冷卻劑的傳熱特性。結(jié)果表明，不同濃度的納米流體的傳熱性能均高于基液，并且CuO-水/乙二醇基納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、努塞爾數(shù)和傳熱速率均大于Al2O3-水/乙二醇基納米流體。M.Abdollahi-Moghaddam等[7]運用實驗的方法研究了Cu-水納米流體對水平管內(nèi)的能量效率的影響。結(jié)果表明，在雷諾數(shù)為14 200時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的CuO-水納米流體的傳熱效率和壓降分別是基液的3.40倍和1.45倍。A.S?zen等[8]對水基沸石納米流體在熱管中的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值計算和實驗研究。結(jié)果表明，在400 W加熱負(fù)荷下，熱管加熱效率由86.2%提高到94.5%。李誠展等[9]研究了體積分?jǐn)?shù)為0.005%、0.010%和0.100%的SiC-水納米流體在三種不同微翅片扁管中的流動與換熱特性。結(jié)果表明，在不同種管道內(nèi)強(qiáng)化換熱效果均隨SiC-水納米流體濃度的增加而下降。Y.Ma等[10]研究了磁場作用下Ag-MgO/水混合納米流體在有熱源的加熱器和冷卻器通道中的傳熱。結(jié)果表明，與基液相比，體積分?jǐn)?shù)為0.02%的Ag-MgO/水混合納米流體的平均努賽爾數(shù)增加了17.9%。張冀等[11]研究了TiO2-水、SiO2-水和Cu-水納米流體在小通道平行流扁管中的換熱特性。結(jié)果表明，與水相比，不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體的努塞爾數(shù)（Nu）均增大，體積分?jǐn)?shù)為0.01%的TiO2-水納米流體在雷諾數(shù)（Re）為6 200時努塞爾數(shù)增大了43%。沙麗麗等[12]運用實驗的方法研究了不同溫度和不同磁場強(qiáng)度情況下，體積分?jǐn)?shù)為3%的Fe3O4-水納米流體的對流換熱情況。結(jié)果表明，在垂直磁場作用下，納米流體對流換熱系數(shù)與基液相比提高了5.2%。吳治將等[13]運用實驗的方法研究了磁場強(qiáng)度和磁場方向?qū){米流體對流換熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明，磁場方向與流動方向一致時，F(xiàn)e3O4-水磁性流體的對流換熱系數(shù)與基液相比提高了17.5%。張云峰等[14]對太陽能集熱器中納米流體的對流換熱過程進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，太陽能集熱器采用納米流體作為工質(zhì)時的熱損失更低，效率更高。

目前，家用電加熱器仍然存在加熱效率較低、能源浪費嚴(yán)重的問題。通過利用相變材料的儲熱能力和納米流體的高導(dǎo)熱性能均可提高電加熱器的能源利用率，但納米流體在不同條件下的換熱性能仍然存在很大差異[15-16]。因此，本文提出了磁性納米流體外加磁場的組合強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)，將Fe3O4-水納米流體應(yīng)用于外加磁場的電加熱器中，開辟了納米流體作為電加熱器工質(zhì)強(qiáng)化換熱的新途徑，為進(jìn)一步提高電加熱器的散熱性能提供了新思路。

1 納米流體制備及熱物理性質(zhì)

1.1 納米流體的制備

采用兩步法制備Fe3O4-水納米流體。其中，F(xiàn)e3O4納米顆粒購置于北京市德科島金有限公司，納米顆粒的純度為99%。該公司提供了25℃時Fe3O4納米顆粒的部分物性參數(shù)（見表1），但導(dǎo)熱系數(shù)并沒有提供，故參考同種顆粒相似粒徑文獻(xiàn)[17]中的數(shù)據(jù)。配置納米流體所用的主要儀器有電子天平、超聲波振蕩器、機(jī)械攪拌器和量筒等。儀器的型號及生產(chǎn)廠家等信息如表2所示。

表1 去離子水和Fe3O4納米顆粒的物性參數(shù)

表2 實驗儀器

采用兩步法制備納米流體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

（1）首先將購買的Fe3O4納米顆粒與乙醇（防止納米顆粒氧化）的混合溶液倒入量筒中，加入足量去離子水清洗，將清洗好的納米顆粒烘干備用；

（2）按所配置的濃度稱量Fe3O4納米顆粒，將其與基液(去離子水)進(jìn)行混合；

（3）為了獲得均一穩(wěn)定的納米流體，將分散劑檸檬酸三鈉加入混合溶液中，先進(jìn)行1 h的機(jī)械攪拌，再用功率為450 W的超聲波震蕩器超聲處理2 h，使納米顆粒均勻分散在基液中。配制的Fe3O4-水納米流體如圖1所示。

圖1 Fe3O4納米顆粒在基液中的分布

1.2 納米流體的熱物理性質(zhì)

納米流體的換熱效果與納米流體的熱物性有很大關(guān)系，其中包括納米流體的密度（ρ）、比熱容（cp）、黏度（μ）以及導(dǎo)熱系數(shù)（k）等。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，納米流體的密度可由公式（1）得出。納米流體的比熱容[18]、黏度[19]和導(dǎo)熱系數(shù)[20]分別由公式（2）-（4）計算得出。為了衡量納米流體的換熱效果，納米流體對電加熱器加熱效果的增加率由公式（5）計算得出。

式中，下標(biāo)w為水；下標(biāo)p為納米顆粒；下標(biāo)nf為納米流體；φ為納米流體的體積分?jǐn)?shù)；θ為電加熱器加熱效率的增加率；Tnf為工質(zhì)為納米流體時環(huán)境的平衡溫度，°C；Tw為工質(zhì)為水時環(huán)境的平衡溫度，°C。

為了更好地研究納米流體的相關(guān)物理性質(zhì)，使用美國Brookfield工程實驗室生產(chǎn)的Brookfield DV2T型數(shù)顯轉(zhuǎn)子黏度儀分析了Fe3O4-水納米流體的黏度，納米流體黏度隨溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖2所示。

圖2 納米流體黏度隨溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

從圖2可以看出，納米流體的黏度隨溫度的升高呈現(xiàn)出先減后增的趨勢。隨著溫度的升高，分子熱運動及布朗運動加劇，粒子之間的相互作用力逐漸減弱，從而導(dǎo)致納米流體的黏度降低；當(dāng)溫度超過40°C后，納米流體的黏度隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高后納米粒子的布朗運動加劇，納米流體配置過程中添加的分散劑吸附在納米粒子表面，增加了納米粒子運動的阻力[21]。使納米流體黏度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的溫度稱為納米流體黏度的臨界溫度。

2 實驗裝置和誤差分析

2.1 實驗裝置

電加熱器結(jié)構(gòu)和翅片俯視圖如圖3所示。圖3展示了電加熱器以及翅片的結(jié)構(gòu)和尺寸。電加熱器的主體部分包括2根壁厚為2.0 mm、直徑為26 mm的水平管和7根壁厚為1.5 mm、直徑為20 mm的垂直管。每個垂直管上有一組散熱翅片，相鄰兩組散熱翅片之間的距離為1 mm。在每組翅片左側(cè)的上下位置均放置兩塊條形磁鐵，共14塊條形磁鐵。條形磁鐵的尺寸為50 mm×10 mm×5 mm，磁場強(qiáng)度為90 mT，分別安裝在距散熱翅片上下兩端50 mm處。

圖3 電加熱器結(jié)構(gòu)和翅片俯視圖（單位：mm）

為準(zhǔn)確測量Fe3O4-水納米流體對電加熱器換熱性能的影響，實驗裝置采用保溫隔熱板（導(dǎo)熱系數(shù)為 0.034 W/（m·K)）對實驗環(huán)境進(jìn)行保溫。功率為500 W的加熱棒作為熱源放入底部水平管中，利用220 V的交流電源為其供電。在進(jìn)行實驗測試前，向電加熱器中分別加入1.5 L基液或Fe3O4-水納米流體。將電加熱器放入尺寸為1.0 m×1.0 m×1.5 m的隔熱腔中，在隔熱腔的4個頂端分別布置1個高精度熱電偶（A、B、C、D）來測量電加熱器周圍的環(huán)境溫度，如圖4（a）所示。在電加熱器的關(guān)鍵溫度變化點上布置了15個熱電偶，熱電偶位置如圖4（b）所示。

圖4 電加熱器溫度測點布置圖（單位：mm）

2.2 磁場力和浮升力計算

實驗中所用磁鐵的規(guī)格為50 mm×10 mm×5 mm，條形磁鐵的磁場強(qiáng)度（Br）為90 mT，磁鐵固定在電加熱器垂直管的一側(cè)，管壁厚為1.5 mm，磁鐵與管之間的縫隙約為0.5 mm，磁鐵與管內(nèi)粒子的距離（x）為2 mm。粒子所受磁場強(qiáng)度大小為：

式中，Br為剩余磁通密度；L、W、H分別為條形磁鐵的長度、寬度和高度。經(jīng)計算得，距離磁鐵2 mm處的磁場強(qiáng)度（B）約為0.021 T。納米粒子所受的最小磁場力（F1）約為：

式中，μ0為磁鐵的磁導(dǎo)率（μ0＞1）；B為磁場強(qiáng)度，T；S為作用面的面積，m2。

納米粒子浸在液體里受到液體向上托的力稱為納米粒子所受的浮升力。納米粒子的直徑為30 nm，則納米粒子的體積約為4.71×10-26m3。納米粒子受到的浮升力（F2）最大值約為：

式中，ρ為納米流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；V為納米粒子的體積，m3。

經(jīng)過計算可知，納米粒子所受的磁場力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浮升力。

2.3 實驗的不確定度分析

在實驗過程中，受實驗儀器精度、實驗人員和實驗環(huán)境的影響，實驗結(jié)果存在一定的誤差。在本次實驗中Fe3O4-水納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，納米顆粒最小用量（w）為1.5 g。納米流體配置過程中存在的誤差有電子天平的儀器誤差和量取去離子水時量筒的讀數(shù)誤差。其中，量筒的量程（E）為1 500 mL，量筒的讀數(shù)誤差（δE）為±1 mL。所以配置的納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大不確定度（δω）為：

實驗環(huán)境溫度為14.5°C。在實驗過程中，實驗所在環(huán)境溫度會有小范圍波動，波動范圍為±0.50°C，所以實驗環(huán)境的不確定度為±0.50°C。

標(biāo)定后熱電偶的精度為0.10°C，安捷倫數(shù)據(jù)采集器的精度為±0.001°C，所以溫度測量的不確定度（δT）為：

實驗過程中工質(zhì)為納米流體和去離子水時，所測得的電加熱器上方環(huán)境溫度最小溫差為(Tnf-Tw)min=3.0°C，所以電加熱器加熱效率的最大不確定度（δθ）為：

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗可重復(fù)性驗證

將1.5 L的基液或Fe3O4-水納米流體充入電加熱器中進(jìn)行實驗。實驗測試包括三部分：第一次加熱段、加熱間隔段和第二次加熱段。在不同日期的相同時間段分別進(jìn)行三次實驗，以保證實驗的正確性，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，實驗的初始溫度為14.5°C。當(dāng)基液為工質(zhì)時，電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度為48.6°C。電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度是基于最高溫度范圍內(nèi)前/后5 min的溫度平均值。當(dāng)電加熱器周圍環(huán)境達(dá)到平衡溫度后，停止加熱20～25 min，再進(jìn)行5～10 min的第二次加熱。實驗結(jié)果表明，當(dāng)電加熱器中充入的工質(zhì)相同時，環(huán)境溫度具有良好的一致性。

圖5 電加熱器周圍環(huán)境溫度隨時間變化

3.2 有/無外加磁場對電加熱器加熱效果的影響

無磁場時不同工質(zhì)對周圍環(huán)境溫度的影響如圖6所示。從圖6可以看出，在第一次加熱段前期，電加熱器周圍環(huán)境溫度迅速升高；在第一次加熱段后期，電加熱器周圍環(huán)境溫度逐漸趨于穩(wěn)定。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Fe3O4-水納米流體為工質(zhì)時，電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度最高。從圖6還可以看出，當(dāng)Fe3O4-水納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～1.0%時，電加熱器周圍環(huán)境溫度隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Fe3O4-水納米流體對環(huán)境溫度的加熱效率最高。因為基液中加入納米顆粒會增加流體的導(dǎo)熱系數(shù)，但納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值后，會增強(qiáng)Fe3O4納米顆粒之間的團(tuán)聚效果，同時納米流體的黏度增加，邊界層增厚，使流體流動變緩，流體傳遞熱量的能力降低。部分納米顆粒會粘附在加熱棒上，嚴(yán)重影響熱量的傳遞。因此，納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響其換熱效果的重要因素。

外加磁場時不同工質(zhì)對周圍環(huán)境溫度的影響如圖7所示。在外部磁場強(qiáng)度相同的情況下，電加熱周圍環(huán)境的平衡溫度不隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而單調(diào)增加，呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的Fe3O4-水納米流體作為加熱工質(zhì)時，電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度最高。與基液相比，可使電加熱器加熱效率提升35.1%。

圖7 外加磁場時不同工質(zhì)對周圍環(huán)境溫度的影響

3.2.1 外加磁場條件下傳熱機(jī)理 由于條形磁鐵固定在管壁一側(cè)，納米粒子在磁場力作用下朝管壁方向發(fā)生偏移，破壞了內(nèi)壁面附近的邊界層，同時納米粒子攜帶的熱量增加了納米流體與管壁之間的換熱量。納米粒子對壁面附近的邊界層產(chǎn)生擾動是Fe3O4-水納米流體強(qiáng)化換熱的主要因素。本實驗中，在外磁場條件下，當(dāng)Fe3O4-水納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～1.0%時，電加熱器的加熱效率隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；Fe3O4-水納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%時，電加熱器的加熱效率隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加出現(xiàn)下降的趨勢。結(jié)果表明，納米流體的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。這是由于當(dāng)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，納米粒子破壞邊界層所起到的強(qiáng)化換熱作用，不足以抵消納米流體黏度提高帶來的惡化傳熱的影響。

3.2.2 浮升力相對大?。ㄏ鄬τ诖艌隽Γ{米流體強(qiáng)化傳熱的影響 當(dāng)納米流體在層流狀態(tài)、熱流密度增大時，自然對流造成的浮升力的相對大小也逐漸增大，近壁面附近流體的流速增加，主流速度較小，從而主流區(qū)域和近壁面區(qū)域的速度梯度逐漸增大。流層間的表面摩擦力逐漸增大，從而使努賽爾數(shù)（Nu）增大，換熱增強(qiáng)[22]。

電加熱器工質(zhì)為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體時，加熱棒表面納米顆粒的沉積效果如圖8所示。

圖8 加熱棒表面納米顆粒的沉積效果

從圖8可以看出，2.0%的Fe3O4-水納米流體中的納米顆粒更易沉積在加熱棒表面，使電加熱器的換熱效果下降。納米流體黏度越小，納米流體的動能（納米流體以一定流速流動而具有的能量）越大，對加熱棒上熱量的傳遞有積極作用。

3.2.3 納米流體動能去除加熱棒表面顆粒沉積機(jī)理 由于流體各層流速的不同，相鄰流層間有相對運動，在兩個層流的接觸面上會產(chǎn)生一種相互作用的剪切力，也稱為流體的內(nèi)摩擦力，其公式為F3=μAυ/h，其中μ為流體的動力黏度，Pa·s；A為接觸面積，m2；υ為流體的速度，m/s；h為兩板的間距，m。由此可知，流體內(nèi)摩擦力的大小與流體速度成正比。納米流體的動能越大，說明納米流體的速度越大。當(dāng)主流速度較大時，近壁面處受到的流體內(nèi)摩擦力（剪切力）較大，納米流體拖拽牽引沉積物運動，納米顆粒容易再次進(jìn)入主流區(qū)，從而達(dá)到去除納米顆粒沉積的目的。

無磁場時不同工質(zhì)的電加熱器的平衡溫度和增加率（與去離子水相比）如表3所示。當(dāng)基液為工質(zhì)時，加熱88 min后電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度達(dá)到48.5°C。與基液相比，1.0%的Fe3O4-水納米流體使電加熱器的加熱效率增加最大，為18.2%。這是因為隨著Fe3O4納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米粒子的聚集更加嚴(yán)重，從而使納米流體的黏度增大，換熱效率降低。

表3 無磁場時不同工質(zhì)的電加熱器的平衡溫度和加熱效率

表4顯示了外磁場條件下工質(zhì)為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%～2.0%）的Fe3O4-水納米流體時，電加熱器周圍環(huán)境溫度的變化。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度45.5°C時，F(xiàn)e3O4-水納米流體所用時間基本一致，比基液提前18～20 min達(dá)到設(shè)定溫度。與基液相比，在外磁場作用下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Fe3O4-水納米流體的電加熱器的加熱效率提升最大，為35.1%。

表4 外加磁場時不同工質(zhì)的電加熱器的平衡溫度和加熱效率

3.3 電加熱器的局部溫度

不同工質(zhì)的電加熱器各部位的溫度分布如圖9所示。

圖9 不同工質(zhì)的電加熱器各部位的溫度分布

考慮到1.0%Fe3O4-水納米流體對電加熱器周圍環(huán)境溫度加熱效果最明顯，故采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Fe3O4-水納米流體和基液進(jìn)行對比。從圖9可以看出，上部水平管的溫度與翅片的溫度相比具有更高的升溫速率。與基液為工質(zhì)時達(dá)到的平衡溫度(84.7 °C)相比，1.0%Fe3O4-水納米流體的上部水平管溫度提高了21.2%(18.0°C)。這是因為隨著納米流體溫度的升高，流體黏度的影響逐漸減弱，隨著納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的增加，上部水平管內(nèi)流體傳熱系數(shù)增強(qiáng)。

工質(zhì)為1.0%Fe3O4-水納米流體時，電加熱器下部水平管壁面的平均溫度與翅片壁面的平均溫度相比，溫升速度略有提高。這是因為加熱棒位于下部水平管中，由于流動空間狹窄和較大的黏度，納米流體的流動速度較為緩慢，導(dǎo)致傳熱速度下降。故相比于電加熱器翅片的平均溫度，下部水平管壁面的平均溫度提高并不明顯。

4 結(jié) 論

通過對Fe3O4-水納米流體在電加熱器中的傳熱特性的實驗研究，分析了有/無磁場條件下電加熱器的加熱效率，得到如下結(jié)論：

(1)本實驗測試Fe3O4-水納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～2.0%，其最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。當(dāng)Fe3O4-水納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～1.0%時，電加熱器的加熱效率隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

(2)無外磁場情況下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Fe3O4-水納米流體為工質(zhì)時，電加熱器的加熱效率提升最大，與基液相比提高了18.2%。

(3)Fe3O4-水納米流體在有磁場條件下，電加熱器周圍環(huán)境的平衡溫度均大于無磁場情況；與基液相比，1.0%的Fe3O4-水納米流體在磁場作用下使電加熱器加熱效率提高35.1%。