纳米流体在电加热器中传热特性的实验研究

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摘要：摘要 对在家用电加热器中使用的4种纳米流体进行对流换热实验研究。采用两步法制备纳米流体，研究不同材料(MgO、SiO2、Al2O3和CuO)和不同浓度(质量分数为0.2%～1.0%)的纳米流体对电加热器换热效率的影响。结果表明，电加热器翅片温度对环境温升影响较大;纳米

　　摘要 对在家用电加热器中使用的4种纳米流体进行对流换热实验研究。采用两步法制备纳米流体，研究不同材料(MgO、SiO2、Al2O3和CuO)和不同浓度(质量分数为0.2%～1.0%)的纳米流体对电加热器换热效率的影响。结果表明，电加热器翅片温度对环境温升影响较大;纳米流体浓度相同时，MgO流体的换热效率最高，SiO2流体的换热效率最低，且电加热器的换热效率随纳米流体浓度的增大而增大;与基液相比，质量分数为1.0%的MgO流体可使环境温度提升约30%。

　　关 键 词 纳米流体;电加热器;自然对流;强化传热

　　引言

　　近年来科学技术迅猛发展，能源需求量大幅增加。电加热器正朝着高效低阻紧凑的方向发展，传统的换热工质(去离子水)已经无法满足使用需求，研制导热系数高、换热性能好的新型换热工质至关重要。纳米流体是将金属或非金属粉末分散到水、醇、油等传统换热工质中，提高流体导热性能的新型换热工质。纳米流体在强化传热的领域有广泛的应用前景，尤其是在能源、汽车、医疗、化工和微型电子等领域。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等[1]首先提出纳米流体的概念。大量研究表明，在液体中加入纳米颗粒后，能显著提高液体的导热系数和换热性能。李强等[2]研究了Cu-水纳米流体随体积分数变化时，对管内对流换热系数和阻力的影响。结果表明，与纯水相比，体积分数为0.5%～2.0%的Cu-水纳米流体的对流换热系数增大的比例为1.037 ～ 1.548。Selvam等[3]研究了石墨烯-水纳米流体体积分数为0.1%～0.5%时对汽车散热器散热效果的影响。结果表明，当石墨烯-水纳米流体体积分数为0.5%、流速为100 g/s、进口温度从35～45°C变化时，石墨烯-水纳米流体的对流换热系数分别提高了20%和51%。李诚展等[4]研究了SiC-水纳米流体体积分数为0.005%、0.01%和0.1%时，在3种不同微翅片扁管中的流动与换热特性。结果表明，在不同种管道内强化换热效果随SiC-水纳米流体浓度的增加而较小。Hussein等[5]分別用实验和数值计算的方法对强制对流下SiO2-水纳米流体在汽车散热器中的换热特性进行了研究。结果表明，体积分数为1%的SiO2-水纳米流体与纯水相比可使汽车散热器的散热效率提高50%。张冀等[6]研究了TiO2-水、SiO2-水和Cu-水纳米流体在小通道平行流扁管中的换热特性。结果表明，与水相比不同体积分数的纳米流体的努塞尔数均增大，体积分数为0.01%的TiO2-水纳米流体在Re为6200时努塞尔数增大了43%。Tijani等[7]运用实验和数值计算的方法研究了水/乙二醇基Al2O3和CuO纳米流体作为汽车散热器冷却剂的传热特性。结果表明，不同浓度的纳米流体的传热性能均好于基液，且水/乙二醇基CuO纳米流体的导热系数、努塞尔数和传热速率均大于水/乙二醇基Al2O3纳米流体。

　　除了上述纳米颗粒种类外，国内外学者对其他种类的纳米流体也进行了大量研究。本文运用实验的方法对比研究了4种纯水基纳米流体在不同浓度下对电加热器换热效率的影响，目的是改善电加热器加热效率低和能源利用率低的问题。

　　1 纳米流体强化传热计算分析

　　1.1 几何模型

　　为了研究电加热器中纳米流体强化传热的机理，本文将其加热棒附近区域简化成二维圆环封闭腔进行研究，在2个圆环中间充满纳米流体。其中，内圆环边界温度为定壁温高温[TH]，外圆环边界为定壁温低温[TL(TL

　　1.2 控制方程和边界条件

　　计算过程中使用如下假设：

　　1) 假设封闭腔内的纳米流体为 不可压缩流体且各向同性;

　　2) 在封闭腔内纳米流体做层流运动;

　　3) 纳米流体为连续性混合物，且纳米粒子均匀的分布于基液中。

　　描述该问题的控制方程如下：

　　模拟过程中选用纳米颗粒为SiO2，基液为去离子水。内壁面温度为400 K，外壁面温度为293 K。采用ANSYS ICEM 18.0建立几何模型和划分网格，采用ANSYS Fluent 18.0对模型进行计算，模型采用Boussinesq假设，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，采用二阶迎风差分格式进行动量和能量方程处理，压力修正采用PRESTO!算法。计算区域采用了非结构化网格，网格数量为3万。

　　1.3 结果与讨论

　　1.3.1 温度云图对比

　　通过对电加热器模型进行简化，分别对去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体进行模拟，得到了2种工况下的温度云图，如图2所示。从图中可以看出，温度的等值线较为均匀，圆环壁面与内部较为一致，圆环的内外壁之间的换热主要以导热为主。由于受重力的影响，温度等值线均向下方突出，这是由于流体在运动过程中受重力的影响。

　　通过对比去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体的温度云图可以发现，在圆环内壁附近，去离子水的温度等值线比SiO2-水纳米流体的温度等值线更加突出，纳米流体的温度等值线更加平缓。这说明与去离子水的流动相比纳米流体更加剧烈。但在圆环外壁附近，纳米流体为工质时的圆环温度更高，并且靠近管壁处的层流底层厚度增大，产生这一现象的原因为：基液中加入纳米颗粒后，在增大导热系数和强化换热的同时，纳米流体的黏度增大，流体流动变缓。

　　1.3.2 速度云图对比

　　图3展示了电加热器内工质为去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体时Y轴的速度云图。从图中可以看出，在整个环形速度场中，速度先增后减，速度沿X轴和Y轴方向呈现对称分布。在近壁面处速度分布变化紊乱，速度变化比较剧烈，且外壁面附近的温度大于内壁面附近的速度;通过对比纳米流体和去离子水的温度云图可以发现，在近壁面处，去离子水的温度变化比纳米流体的速度变化更剧烈，这说明加入纳米颗粒后流体的黏度增大，流动速度较为缓慢。

　　1.3.3 压力云图对比

　　图4展示了电加热器内工质为去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体时的压力云图。从图中可以看出，压力云图沿Y轴呈现出对称的趋势，且压力沿+y方向呈现出先减后增的趋势;SiO2纳米流体的管内压力大于去离子水的管内压力，原因主要为去离子水中加入纳米颗粒后，流体的黏度增大，在流动过程中，纳米流体克服摩擦力所消耗的能量增加，故压力有一定程度提高。结果表明，纳米流体在强化传热的同时，黏度和压力均有不同程度的增大。

　　2 实验研究

　　2.1 纳米流体的制备

　　实验所用纳米颗粒Al2O3、CuO、SiO2、MgO均购置于北京市某有限公司。生产厂家提供的纳米颗粒参数如表1所示。采用两步法[9]制备纳米流体，质量分数ω分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。配制过程如下：将纳米颗粒与基液(纯水)进行混合，机械搅拌1 h，添加分散剂到混合液中，用功率为450 W的超声波震荡器震荡2 h，从而使纳米颗粒稳定的分散在基液中。使用的分散剂有六偏磷酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和柠檬酸三钠，配制好的纳米流体静置7 d之后无明显沉淀。

　　2.2 实验系统

　　为了研究纳米流体在电加热器中的换热性能，电加热器的结构如图5所示。

　　图5中，电加热器的上下铜管长度为720 mm，上下铜管直径为30 mm，加热棒长度为520 mm，翅片厚度为1 mm，翅片高度和宽度分别为480 mm和100 mm，翅片间距为10 mm。电加热器共有7根直径为20 mm的立管，其长度为510 mm。分别在电加热器正反两面的关键温度变化点上布置了16个高精度热电偶，热电偶布置位置如图6所示，在电加热器上方1 m处，布置了4个高精度热电偶来测量电加热器上方环境的温度。

　　实验装置由测试段、数据采集系统和保温装置组成。为真实准确地反映不同种类纳米流体在电加热器中的换热性能，实验采用了仿真房屋大空间，运用绝热板对实验环境进行保温，实验过程中分别对电加热器进行加热、终止加热和二次加热，在不同日期的相同时间段进行5次重复实验，保证了实验数据的可靠性。

　　3 结果与讨论

　　3.1 电加热器翅片区域加热效果对比

　　图7展示了纳米流體质量分数为0.2%时，不同种类的纳米流体对电加热器翅片平均温度的影响。从图7中可以看出，在加热段，翅片平均温度随时间逐渐上升。在加热段前期，翅片平均温度上升速率基本一致，在加热段中期，MgO-水纳米流体为工质的翅片平均温度上升最快，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，工质为SiO2-水时，电加热器翅片平均温度上升的最慢。相同时间内，MgO-水纳米流体在终止加热段翅片平均温度下降最快。与基液相比，纳米流体为工质时翅片平均温度的提升速率均有不同程度提高。到达稳定时，MgO-水纳米流体为工质时翅片平均温度比基液高21.5%，且提前10 min达到稳定，CuO-水和Al2O3-水纳米流体为工质时，翅片平均温度分别提高19%和15%，SiO2-水纳米流体为工质时翅片平均温度提高10.7%。

　　图8展示了不同种类的纳米流体随质量分数变化时，对电加热器翅片稳定平均温度的影响。达到稳定时，翅片的平均温度随质量分数的增大呈现出先增后减的趋势。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体作为工质时，电加热器翅片稳定温度出现转折时纳米流体的质量分数为0.8%，MgO纳米流体为工质时，电加热器翅片稳定温度出现转折时纳米流体的质量分数为0.6%。这是由于纳米流体质量分数较大时，黏度增大较明显，从而使翅片附近温度出现下降的趋势。当浓度相同时，工质为MgO-水纳米流体时翅片平均温度最高，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，SiO2-水纳米流体最低。与基液相比，纳米流体为工质时翅片的稳定平均温度均有不同程度提高。工质为CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体时，翅片平均温度随浓度的增大提升速率基本一致，MgO-水纳米流体随着质量分数的增大翅片平均温度的提升速率逐渐增大，且质量分数为0.6%的MgO-水纳米流体为工质时，翅片平均温度比基液提高30.7%。

　　3.2 电加热器加热棒区域加热效果对比

　　图9展示了纳米流体质量分数为0.2%时，不同种类纳米流体对电加热器加热棒区域温度的影响。从图中可以看出，在加热段，电加热器加热棒区域的温度随时间迅速升高。MgO-水纳米流体为工质时加热棒区域的温度提升最快，CuO-水纳米流体优于Al2O3-水纳米流体，SiO2-水纳米流体为工质时加热棒区域的温度上升最慢。在加热段中期，MgO-水納米流体为工质时加热棒区域的温度出现了较大的越升。与基液相比，纳米流体为工质时加热棒区域的温度均有不同程度提高，MgO-水纳米流体为工质时加热棒区域的稳定温度提高约14 ℃，提升率为34.1%。工质为SiO2-水纳米流体时加热棒区域稳定温度比基液高8 ℃，提升率为13%。

　　图10展示了电加热器加热棒区域的稳定温度随纳米流体质量分数的变化。从图中可以看出，达到稳定时，加热棒区域的温度随质量分数的增大而增大。纳米流体质量分数相同时，MgO-水纳米流体为工质时，加热棒区域的稳定温度最高，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，工质为SiO2-水纳米流体时，加热棒区域的稳定温度最低。与基液相比，纳米流体为工质时加热棒区域的稳定平均温度均有不同程度提高。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体加热棒区域温度随质量分数的增大提升速率基本一致，MgO-水纳米流体质量分数为0.6%-1.0%时，加热棒区域的稳定温度随质量分数的增大提升速率迅速增大。质量分数为1.0%的MgO-水纳米流体作为工质时，加热棒区域的稳定温度比基液高64%。质量分数为1.0%的SiO2-水纳米流体作为工质时，加热棒区域稳定温度比基液高16.5%。

　　推荐阅读：《工业加热》(原《电炉》)杂志，1972年创刊，1991年更名为《工业加热》。由西安电炉研究所有限公司、中国机械工程学会工业炉分会、中国电工技术学会电热专业委员会、中国电器工业协会电炉及工业炉分会合办，国内外公开发行的中央级刊物，是我国电炉行业唯一的专业技术期刊。

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