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第２７卷第２期 ２０１０年６月 广东工业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ＿２７ ＮＯ．２ Ｊｕｎｅ ２０１０ 纳米制冷剂在水平光管内沸腾换热的实验研究 林成祥，陈 颖，史保新，谭凯 （广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１０００６） 摘要：纳米制冷剂能否强化管内沸腾换热，Ｅｌ前尚无明确的结论．将配制０．１ ｇ／Ｌ的ＣＮＴｓ／Ｒ１４１ｂ纳米制冷剂在内 径为８．１２ ｍｍ的水平光滑圆管内进行沸腾换热实验，光管采用电加热丝进行恒热流密度加热．纳米制冷剂采用 ＨＣＦＣ１４１ｂ混加碳纳米管，体积密度为０．１ ｄＥ．实验测试范围为：（ｉ）质量流速为９５．７～３８２．９ ｋｇ／（ＩＴＩ ・Ｓ）；（ｉｉ）热 流密度为５～２０ ｋＷ／ｍ ；（ｉｉｉ）人口干度为０．１～０．８．考察了质量流速、千度及热流密度等因素对纳米制冷剂管内沸 腾换热的影响．实验结果表明：在低质量流速（９５．７ ｋｇ／（ｍ ・ｓ））下纳米制冷剂能够强化管内沸腾换热，随着流量 及平均干度增加，纳米制冷剂强化换热的效果将会变小，甚至引起换热恶化． 关键词：ＣＮＴｓ／ＲＩ４１ ｂ；沸腾换热系数；水平光滑管 中图分类号：ＴＢ６１ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－７１６２（２０１０）０２－００５０－０４ 沸腾传热以其低温差、高热流密度在动力、冶 子浓度的增加，恶化更加明显．李春辉¨。。等对添加 金、石油、化工和制冷等工业中广泛采用，特别是近 ２５ ｎｍ ＳｉＯ 的悬浮液进行管外沸腾实验，结果使换 年来微电子技术的快速发展，急需高热流、小体积的 热强度下降；而在细铂丝上沸腾时，则可以使沸腾强 冷却换热技术支撑，强化沸腾换热是解决这一难题 化．另外，毕胜山［１１ 等在冰箱制冷系统中注入纳米制 的有效途径¨Ｊ，目前，关于沸腾传热的强化技术主要 冷剂后运行，实验表明最大可使冰箱节能７．４３％． 以强化表面法、添加剂法和外加矢量场法为主 ． 显然，不同研究者的实验结果存在着较大的差 纳米制冷剂是在纳米流体概念的基础上提出 异，对纳米悬浮液到底能否强化沸腾换热尚无明确 的，即将固体纳米颗粒与传统制冷剂混合制备而 的结论： 成…．大量关于纳米颗粒悬浮液的实验研究表 本文对体积浓度为０．１ Ｌ的ｃＭ１ｓ／ＨｃＦＣｌ４１ｂ 明 Ｊ，纳米颗粒的添加能有效地增加液体的导热系 纳米制冷剂在内径为８．１２ ｍｍ的光滑圆管内进行了沸 数和对流换热系数．但是关于纳米颗粒悬浮液的沸 腾换热实验，在质量流速为９５．７—３８２．９ ｋｇ／（ＩＴＩ ・ｓ）、 腾特性，目前国内外还只有很少的研究报道，特别是 热流密度为５～２０ ｋＷ／ｍ 及人口干度为０．１—０．８ 管内沸腾换热．Ｗｅｎ＿６ 等研究了ＡＩ ０ ／水纳米流体 的情况下研究了其沸腾换热性能，考察纳米制冷剂 在水平加热面的池沸腾状况，研究结果发现，纳米颗 的管内沸腾传热系数与流量、热流密度及干度的关 粒可以明显提高流体的换热性能，并且提高的程度 系，从而为纳米制冷剂的应用提供必要的基础数据． 随着颗粒浓度的增大而增加，在高热流密度情况下 更为明显，相对于导热系数的提高程度，沸腾换热系 １ 实验装置及实验方法 数的提高更大．Ｗｉｔｈａｒａｎａ 通过研究Ａｕ／Ｈ ０纳米 本文所选的纳米颗粒为碳纳米管，其直径和长 流体常压下水平圆板上的池沸腾状况，发现质量分 度分别为１０—３０ ａｍ、５～１５ ｍ，制冷剂选用 数为０．００１％的Ａｕ／Ｈ：０纳米流体可提高沸腾换热 ＨＣＦＣ１４１ｂ，测试管采用外径为９．５２ ｍｍ、壁厚为０．７ 系数２ｌ％；但是作者对ＳｉＯ２／Ｈ２０和ＳｉＯ２／乙二醇的 ｍｍ、管长为１ ８００ ｍｍ的光滑圆管．将碳纳米管在超 实验发现，纳米颗粒的添加使得换热性能降低．但鹏 声波震荡器中震荡２ ｈ，静置２０ ｄ以后，发现纳米流 浩 等发现Ｒ１ １３／ＣｕＯ纳米制冷剂可提高管内沸腾 体基本无沉淀、不分层．选取上层均匀液体用红外分 换热，最大幅度可增大２９．７％．Ｄａｓ 等对３８ ａｍ 光光度计测试，２０ ｄ后，透射比从初始的０．３９％变 Ａ１ ０。／水纳米颗粒在加热圆管表面上的沸腾进行了 为８．８２％，总的稳定性良好． 实验，发现纳米颗粒沉积使沸腾换热恶化，且随着粒 实验系统图如图１所示．实验前先对实验系统 收稿日期：２０１０—０３—３０ 基金项目：广东佛山市产学研项目（南科［２００８］５９号） 作者简介：林成祥（１９８５一），男，硕士研究生，主要研究方向为纳米制冷剂传热特性
第２期 林成祥，等：纳米制冷剂在水平光管内沸腾换热的实验研究 ５１ 抽真空，然后注入少量制冷剂，继续抽真空，并不断 式中，Ｄ。、Ｄｉ分别是实验管的管外径和管内径，单位 为ｍｍ；Ａ 是实验管的导热系数，单位为Ｗ／（ｉｎ ・ Ｋ）； 为实验管有效加热长度，单位为ｍ；Ｑ 为实 验段输入的总热量，单位为ｗ； ．将配好的ＣＮＴｓ／ＨＣＦＣ１４１ｂ注入沸腾换热实验系统 中．圆管内沸腾传热实验分别在相同的质量流速、热 流密度及干度下，对纯制冷剂和纳米制冷剂进行对比 实验．主要考察它们的换热系数随质量流量、热流 。 为实验管外壁 温度，由实验直接测得ｌ０个沿长度均匀布置的温度 密度及人口干度变化的规律．实验测试范围如表１ 所示． １：磁力泵；２：调节阀；３：质量流量计；４：视液镜；５：预热器；６： 实验测试段；７：冷凝器；８：恒温水箱；９：储液罐；１０：旁通阀； １１：称重系统 图１实验系统图 表１实验测试范围 温度采用Ｔ型热电偶通过安捷伦数据采集器测 量，水流量通过称重法测量，输入的电功率则由精度 等级为０．５级的功率表直接测量；时间由秒表测量， 水的质量由电子称测量．制冷剂流量采用精度等级 为０．１５级的质量流量计测量．进出口压力由精度等 级为０．４级的精密压力表测量．实验段及预热段均 包有５０ ｍｍ厚的玻璃棉及铝箔进行隔热． ２数据处理及误差分析 ２．１ 纳米制冷剂沸腾传热系数 矗， （１） ３式中， 为管内沸腾传热系数，单位为Ｗ／（ｉｎ ・Ｋ）； ｑ是热流密度，是实验段换热管单位内表面的热量， 单位为Ｗ／ｍ ；Ｔｗ．ｉ 是管内壁温度，单位为℃， 饱 和温度取制冷剂进出口平均温度． 一 ， （２） 布点取平均值，单位为℃． Ｔｗ， ，ｏｕ－， － （３） ２．２制冷剂干度 纯制冷剂干度 是气相质量流量和总质量流量 的比值．即 ＝—：— —．， （／【Ｊ４－） ｍｒ＋ｍｒ．ｖ，１ 式中，Ｘ为制冷剂的干度，ｍ 、ｍ一分别为气相质量 流量及液相质量流量，单位为ｋｇ／ｓ． 各点的干度及焓值由下列各式得到： ， ｒｅ．ｉ ＋ ， （５） ＝ ， ，。 ， ，ｉ ＋ ，（６） ｉ ： ， （７） ： ， （８） ｌｅｓｔ ：华——ｉ一，， （９） 式中，ｈ 。 分别为实验段人口和出１５焓值， ，…ｈ ，ｈ ｒ，ｐｒｅ，ｉｎ为预热段液相入Ｅｌ焓值，Ｑ。 Ｑ 分别为预热 段和测试段所加入的热量，由实验直接测试得到． ｈｓａｔ为液体饱和焓值．ｌ ｘ Ｘ，ｏｕｔ 分别为实验段人口和出口干度，Ｘｔｅｓｔ为实验测试平均干度． ２．３误差分析 整个实验系统的实验误差分析如表２所示 表２误差分析结果 参数 误差 参数 误差 温度 ±５％ 功率 ±０．５％ 压力 ±０．４％ 热流密度 ±１．６％ 制量流量 ±０．１５％ 传热系数 ±６．６％ 实验结果及讨论 ３．１ 两种制冷剂的传热系数与平均干度的关系 对比 传热系数与平均干度的关系见图２．由图２可 知，用ｋａｎｄｌｉｋａｒ经验公式得到的计算结果与实验结 果相差较大，且这个偏差随着平均干度的增加逐渐 增大，最小偏差８．９％，最大偏差２７．９％．这个偏差
５２ 广东工业大学学报 第２７卷 有可能是ｋａｎｄｌｉｋａｒ经验公式并不十分适合于Ｒ１４１ ｂ 这种工质．两种制冷剂在热流密度为５ ｋＷ／ｍ 时， 纳米颗粒的加入将会减小液体表面张力，从而 减小了沸腾过热度，强化了沸腾换热系数．而低质量 流速下的表面张力将会小于高质量流速下的表面张 力，所以纳米颗粒的加人对低质量流速的影响比对 高质量流速的表面张力影响更明显，因此对低质量 质量流速为１９１．５ ｋｇ／（ｍ ・ｓ）时传热系数与平均干 度的关系趋势一致，传热系数均随着平均干度的增加 而增加，且二者之间的差距也几乎相当，在实验范围 内纳米制冷剂的传热系数比纯制冷剂平均低３．８％． 图２传热系数与平均干度的关系 ３．２两种制冷剂的传热系数与质量流速的关系 图３表示两种制冷剂在热流密度均为１５ ｋＷ／ｍ 时的传热系数与流量的关系．由图３可知，二者的传 热系数都随着流量的增加而增加，在９５．７～１９１．５ ｋｇ／（ｍ ・Ｓ）的低质量流速下，二者的传热系数几乎 相当，纳米制冷剂传热系数仅略大于纯制冷剂，但在 质量流速较大的２８７．２～３８２．９ ｋｇ／（ｍ ・ｓ）范围内， 纳米制冷剂的传热系数逐渐低于纯制冷剂，且随着 质量流速增大，这个差距增大．施明恒 等认为纳 米颗粒悬浮液有效导热系数较基液有了很大的提 高，颗粒的加入减小了液体的表面张力，减少了沸腾 过热度，从而使液体内部换热过程强化．另一方面， 由于碳纳米管颗粒团聚和粘度的增大，使汽化核心数 目减少、管壁热阻增大，这些因素对沸腾换热不利． 图３传热系数与质量流速的关系 流速的沸腾换热系数影响也将更明显．这与Ｄａｓ 等＿９ 的研究结果是一致的． ３．３纳米制冷剂的影响因子 为了能够直观反映纳米颗粒对制冷剂传热系数 的影响，引入影响因子， Ｆ 表示纳米颗粒加入 后对纯制冷剂的传热系数影响，即纳米制冷剂沸腾 传热系数与纯制冷剂沸腾传热系数之间的比值． ＦＭ： ， （１０） 式中，Ｏ／ 为纳米制冷剂传热系数，单位为ｗ／（ｍ２・Ｋ）， Ｏｇ 为纯制冷剂传热系数，单位为ｗ／（ｍ ・Ｋ）． 图４表示在热流密度保持１５ ｋＷ／ｍ 不变时， 不同质量流速及干度变化对纳米影响因子的影响． 可以发现，当质量流速较低（９５．７ ｋｇ／（ｍ。・ｓ）时）， 影响因子都大于１，但随着干度的增加而降低．这是 因为，一方面由于干度越大，蒸汽的流量越大，汽液 两相间的剪切力增大，抵消了纳米流体强化传热的 优势，影响因子逐渐减小；另一方面，干度越大，液相 份额相对较少，使得纳米颗粒加入后对液相的导热 系数和对流的增强在沸腾传热时发挥的份额变得有 限，对提高整体传热系数的贡献随着液相比例的减 少而变小，且随着干度增大，产生气泡的程度变得剧 烈，小的气泡会变成大的气泡，最终演变成一层气膜 附于管内壁，增加了实验管壁的热阻，从而使得沸腾 传热不利．在Ｐａｒｋ＿】 的研究中也出现同样的结果． １・０６ ’——１ 一Ｕ－－＇：ｔ．９・， ＼ ＋Ｇ＝Ｉ９１ ５ ｋ １．ｏ４ ｌ・Ｏ２ 。▲＼＼＼ ９ ・ｏ０ Ｏ．９８ ＼ ＼ Ｏ－９６ ．＼ ———●一， ／ ０．９４ ０．２ ０ ３ ０．４ ０．５ ０．６ ０ ７ ０．８ ０．９ 图４影响因子随干度的变化 随着质量流速的增加，影响因子出现大于１（小 干度时）和小于１（大干度时）的情形．也就是说，当 质量流速增大为２８７．２ ｋｇ／（ｍ ・ｓ）和３８２．９ ｋｇ／
第２期 林成祥，等：纳米制冷剂在水平光管内沸腾换热的实验研究 ５３ （ｍ ・ｓ）时，纳米制冷剂出现弱化沸腾传热的结果， １ ３』Ｃｈｏｉ Ｓ Ｕ Ｓ．Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｆｌｕｉｄｓ ｗｉｔｈ 主要原因已经在上一节中作了分析． ｎａｎｏ—ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＡＳＭＥ ＦＥＤ，１９９５，２３１（６６）：９９—１０３． 综上所述，添加纳米颗粒后，不是所有的情况都 ［４］李强．纳米流体强化流体传热机理研究［Ｄ］．南京：南京 恶化，也不是所有的都强化，而是强化因素与恶化因 理工大学动力工程学院，２００４． 素两者合力作用的综合结果．当强化的幅度超过弱 ［５］Ｌｅｅ Ｓ Ｐ，Ｃｈｏｉ Ｕ Ｓ．Ａｐｐ ｌｉｃａｔ