纳米流体热导率的测量与评价 2005

2024-08-10 来源：客趣旅游网

2005年第4期节　　　能

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(总第273期)—13—

纳米流体热导率的测量与评价

2艹凡,仇中柱李　

(11同济大学机械工程学院,上海200092;21上海电力学院动力工程系,上海200032)

摘要:介绍了运用瞬态热线法测定不同体积份额、不同温度下水-氧化铜纳米流体的热导率。实验结果表明:纳米流体较传统的纯液体具有较高的热导率;体积份额、温度对纳米流体热导率具有一定的影响;温度对纳米流体热导率影响的显著程度与纳米粒子体积份额有密切关系。关键词:纳米流体;温度;体积份额;热导率

中图分类号:D55113　文献标识码:A　文章编号:1004-7948(2005)04-0013-03

1引言

纳米流体是指以一定的方式和比例在水、醇及

油等传统换热介质中添加纳米级金属或金属氧化物粒子而形成的一类新的均匀、稳定,具有高导热性的传热冷却工质。由于固体材料的热导率比液体大两个数量级,在液体中添加固体粒子以强化传热这一技术由来已久,以往的研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中,由于这些毫米或微米级粒子极易沉淀,且在实际应用中容易引起磨损、堵塞及大大增加系统阻力损失等不良后果,大大限制了其在工业实际中的应用。而在液体中添加纳米粒子,由于纳米材料的小尺寸效应,其行为接近于液体分子,不会像毫米或微米级粒子易产生磨损、堵塞及增大阻力等不良结果,同时由于其具有更大的表面积,传热能力及稳定性均得到显著提高。因此,与毫米或微米级粒子相比,在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子的纳米流体更适于实际应用。

实验表明,在液体中添加纳米粒子可以显著增加液体的热导率,提高热交换系统的传热性能。例如:以大约4%的体积份额在乙二醇中添加氧化铜纳米粒子,形成的纳米流体热导率比乙二醇提高20%以上[1];在水中添加1%体积分数的氧化铜纳米粒子,相同流动状态下可提高对流换热系数20%以上[2];在水中添加5%体积分数的铜纳米粒子,相同流动状态下可提高对流换热系数50%以上[3];用纳米流体和微型热交换器构成高效冷却系统以解决在高强度X射线作用下晶体硅镜片的高负荷散热问题,系统的冷却强度可达30MW/m2[4]。这些研究工作显示了纳米流体在强化传热领域中具有广阔的应用前景。

2纳米流体热导率的测量

热导率是物质最基本的热物理性质之一,流体

因为具有流动性,其热导率的测定要比固体困难得多。目前测定流体热导率的方法很多,如水平平板法、圆筒法、热线法等。这些方法基本可分为两类:稳态法和非稳态法。所谓稳态法,就是待流体温度场稳定后,测定其参数,故测定时间较长;非稳态法则没有此限制,所以测定时间较短。在众多的非稳态法中,双热线瞬态热线法具有系统误差小(包括端部热损误差和辐射误差)、设备简单、操作方便等优点,被作为主要的测试方法之一。

精确测量液体热导率的主要困难在于如何将导热从其他传热过程中隔离出来。因为对处于重力场中的可压缩流体,只要流体内部存在温度梯度,就将不可避免地引起自然对流,所以在液体中实现纯导热过程是很困难的。采用瞬态热线法测量纳米流体的热导率,其理论基础在于液体通过浮升力加速的特征时间远远大于由于液体内部存在温度梯度而产生温度波的传播时间[5]。211瞬态热线法原理

一根无限长的、垂直的、热导率无限大和热容量为零的线源竖直插入液体中,液体和线源在初始时刻处于热平衡,平衡温度为T0。当突然给线源加恒定的热流q时,热量完全从线源传递给液体。如果定义距离线源r处的液体温升为ΔT(r,t),Carslaw等[6]给出了如下的表达式:

4atΔT(r0,t)=qln2(1)

λr0C4π

式中　T—温度;

t—时间;λ—热导率;

r0—线源的半径;

C=expγ=11781…,γ—欧拉常数;α—扩散系数;

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q—单位长度铂丝的发热量。

式(1)的适用条件是4at/r20µ1。

对式(1)两边对lnt进行微分得

()λ=q/dT(2)

4πd(lnt)

式(2)就是瞬态热线法的基本方程式。如果获得了ΔT对lnt曲线的斜率,就可以确定流体的热导率。

212实验装置

为了抑制自然对流,准确地测量流体的热导率,将放置铂丝的试料容器做成细长的圆柱形。试料容器本体的设计参数为:压力可达10MPa,温度可达373K。在容器中心张拉两根长短不一的铂丝,以求解决端部效应。两根铂丝既是加热丝,又可作为铂

μm,长、电阻温度计,铂丝直径20短铂丝的有效长

度分别为88mm和48mm。处于细管中试料的热导率可通过铂丝的温度升高和加热量由式(2)来确定。Ω,采用的电路见图1。R2、R3电阻值为100

R1、R4为可调电阻。惠斯通电桥中a、b两点的电

d(Uab)=

dRL-dRSI

(6)

对于铂热电阻,R=ρ

ldT,代入式(6),得A

l(1+αT),则dR=αρA

d(Uab)=

αρ(lL-lS)

IdT(7)

式中　α—铂电阻的温度系数;

ρ—铂丝的电阻率;

A—铂丝的横截面积;

lL、lS—分别为长短铂丝的长度。

压为:

Uab=

(R4+RL)R2-(R1+RS)R3E

(R1+RS+R4+RL)(R2+R3)

(3)

电桥设计时,使R2=R3,则电桥平衡(Uab=0)条件为:

(R1+RS)=R3=(R4+RL)=R2=R(4)

图1　热线法的电路系统

测量前,通入一较小电流(5mA左右),调节R1、R4使电桥达到平衡,Uab=0;测试时,给桥路加入瞬态电流I后,a、b之间的电压变化为

d(Uab)=

R2dRL-R3dRSE

(R1+RS+dRs+R4+RL+dRL)(R2+R3)

(5)

将式(4)代入式(5),同时考虑到dRS、dRL相比RS、RL很小,得

将式(7)代入式(2)得

αρ(LL-LS)qd(Uab)λ=(8)/

4AI4πd(lnt)

实验可以采用数字电压表测量电桥的偏差电压。因为实验时间长了会引起对流的影响,实验时间控制在0～8s范围内,将实验数据代入式(8)计算纳米流体的热导率。

在使用实验装置测量纳米流体的热导率之前,通过测量去离子水的热导率对实验装置进行了校验,检验结果显示该实验装置的测试精度在3%以内,具有较高的精确度。3实验结果与讨论

有关实验中分别测量了几种温度下不同CuO纳米粒子(粒子平均直径80nm)体积份额的去离子水-CuO纳米流体的热导率。测试结果见图2、图3。

由图2、图3可以看出,加入CuO纳米颗粒的纳米流体的热导率都比去离子水的热导率有所增加。体积份额为011%、015%和1%的纳米流体比去离子水的热导率分别增加了0105～011倍、011～0115倍和012～016倍。由图2可以看出,随着温度的增加,体积份额为011%和015%的纳米流体与去离子水的热导率比略有增加,体积份额为1%的纳米流体与去离子水的热导率比有显著增加,由原来的1120增大到1160,增加了3313%。由图3可以看出,随着CuO纳米粒子体积份额的增加,CuO纳米流体与去离子水的热导率比都有所增加,如:在515℃时,当CuO纳米粒子体积份额由011%增加到015%、1%,纳米流体与去离子水的热导率比由1105增大到1110、1120;在55℃时,当CuO纳米粒子体积份额由011%增加到015%、1%,纳米流体与去离子水的热导率比由111增大到1115、1160;同时可以看出,在25℃以下时,温度对CuO纳米流体与去离子水的热导率比随CuO纳米粒子体积份额

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变化的影响较小;在25℃以上时,这一影响较大。

图2　温度对CuO-水纳米流体热导率的影响图3　不同温度下CuO纳米粒子体积份额对纳米流体热导率的影响offluidscontainingoxidenanoparticles[J].J.ofHeatTrans2

fer,1999,(121):280-289.

[2]EastmanJA,ChoiUS,LiS.Developmentofenergy2effi2cientnanofluidsforheattransferapplications[R].ReportofArgonneNationalLaboratory,1998.

[3]HamiltonRL,CrosserOK.Thermalconductivityofhetero2geneonstwo2componentsystems[J].IndustrialandEngi2neeringChemistryFundamentals,1962,1(3):187-191.[4]LeeS,ChoiUS.Applicationofmetallicnanoparticlesuspen2sionsinadvancedcoolingsystems[J].RecentAdvancesinSolids/StructuresandApplicationofMetallicMaterials.PVP2vol.342/MD2vol.72.NewYork:ASME,1996,227-234.

[5]李强,宣益民.纳米流体热导率的测量[J].化工学报,2003,54(1):42-46.

[6]CarslawHS,JaegerJC.ConductionofHeatinSolids.2nded[M].London:OxfordUniversityPress,1959,510.

凡(1972-),女,讲师,现在同济大学机械学院作者简介:李艹

4结论

(1)瞬态热线法测试流体热导率的实验方法,其实验装置的精度较高。(2)经实验研究发现,温度对纳米流体热导率影响的显著程度与纳米粒子体积份额有关系。在CuO纳米粒子(粒子平均直径为30nm)体积份额为011%和015%时,以及在CuO纳米粒子体积份额为1%、温度在25℃以下时,温度对纳米流体热导率的影响都不太显著;CuO纳米粒子体积份额为1%、温度在25℃以上时,纳米流体热导率随着温度的升高急剧升高,温度为55℃时,纳米流体热导率比去离子水提高了116倍以上。

(3)在液体中添加纳米粒子,可以显著增加液体的热导率,提高热交换器的传热性能,并有利于阻力的减小,实现节能。参考文献

[1]LeeS,ChoiUS,LiS,etal.Measuringthermalconductivity

制冷与热工程研究所工作。

(收稿日期:2005-01-17;修回日期:2005-03-08)

(上接第12页)省照明系统的电能,而且能降低空调

冷源、风机和水泵的能耗。商场采用高效照明产品,将具有更多的节能意义。

应该指出,在进行以上估算时,负荷分布难以准确,且没有考虑到冷水机组的台数调节因素,能耗计算较实际情形会有所差异。但通过此例,可以看出照明对于空调系统全年能耗确实有很大的影响。5结语

商场照明采用高效节能型照明产品,不仅能降低照明系统的能耗,而且也能减少空调系统的能耗。照明负荷在空调总冷负荷中的比重与负荷率有关。虽然在设计工况下,比重较小,但在空调运行的大部分时间内,由于人员远没有达到设计工况下的标准,

使得照明冷负荷的比重较大,均在40%左右。因此,商场照明对空调负荷的影响较想像要大。对于与商场负荷特点类似的展览馆等建筑,也可借鉴以上结论。参考文献

[1]OsmanSezgen,JonathanG.Koomey.Interactionsbetween

lightingandspaceconditioningenergyuseinUScommercialbuildings[J].Energy,2000,(25):793-805.

[2]严永红,张伟.大型商厦绿色照明略议[J].照明工程学

报,2003,14(3):58-61.[3]尉迟斌.实用制冷与空调工程手册[M].北京:机械工业

出版社,2003.[4]周一芳,周邦宁.空调冷源的部分负荷性能系数计算分析

[J].暖通空调,2002,32(6):101-103.

作者简介:陈小雁(1982-),女,江苏丹阳人,在读硕士研究

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Conditioningmethodsoftwodifferentdividingdistrict

EnergyConservation(Monthly)

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timetheessayreferstousefreshairforenergysaving.

CHENJian

Theauthoranalyzestheconditioningmethodsoftwodifferentdi2vidingdistrict,whenout2doorclimatedataarechanged.Atthesame

Keywords:conditioning;freshair;energysaving

Theapplicationandtheanalyzingofenergysaving

aboutcondensinggas-firedhotairfurnaceinourcountry’sheatingsystem

23ZHANGXin2qiao,KOUGuang2xiao,YEYong2jun

Thispaperintroducedtheheatingsystemandthecharacteristicofcondensinggas2firedhotairfurnce,analyzeditshighefficienttosaveen2ergyanditsadvantageusinginhousingheatingsystem.Condensinggas2firedhotairfurnacewillusemorewidelyinourcountrystepbystep.

ABSTRACTS

April2005No.4TotalIssueNo.273

Energysavingpotentialoflightingandimpact

onenergyconsumptionofcentralairconditioningsystemsinshoppingmalls

CHENXiao2yan,LISu2longTheenergysavingpotentialoflightinginshoppingmallanddynam2iccharacteristicsofcoolingloadofcentralair2conditioningsystems.Pointsoutthatthecontributionoflightingtoannualtotalenergycon2sumptionofair2conditioningsystemisupto40%.Statesthatemployingefficientlightingproductsissignificantforenergysavinginbothlightingandair2conditioning.

Keywords:condensinghotairfurnace;heating;system;saving

energy25Therelationofsolarraiationgotbyaall-glassvacuumtubeandtheangelofitsinstallation

LIYe2fa,XIEHong,ZHANGYou2wei

Inthispaper,wediscusshowtouseaall-glassvacuumtubetogetmostsolarenergyatdifferentlatitudeandindifferentareaandwithdifferentinclinationandazimuthangleandwegivethecalculateresult.

Keywords:solarenergy;incidentray;inclination;azimuthangle;

radiationintensity

27Keywords:lighting;centralair2conditioning;shoppingmall;ener2

gysaving

11Themeasurementandevaluationofthermal

conductivitiesofnanofluids

LIPeng,CHOUZhong2zhu

Appliationresearchofregenerativecombustionondifferencefurnace

LUOGuo2min,WENZhi2hong,ZHANGShao2zhong,etal.Thispaperintroducestheappliationanalysisofhightemperatureaircombustionofregenerativeondifferencefurnace.Andintroducesthere2searchonappliationwayofhightemperatureaircombustionofregenera2tiveindifferencecondition,andpointoutsomequestionsintheapplica2tion,alsoputforwordsomeadviseforthequestion.

Thetransienthotwiremethodisusedtomeasurethethermalcon2ductivitiesofCuOnanofluidsatthedifferentovlumefractionandtem2perature.Theexperimentalresultsshowthatnanofluidshaveremarkablyhigherthermalconductivitiesthanthoseofconventionalpurefluids,thethermalconductivitiesofnanofluidsareinfluencedbythevolumefractionofnanoparticlesandtemperatureandtheeffectdegreeoftemperatureonthethermalconductivitiesofnanofluidsisassociatedwiththevolumefractionofnanoparticles.

Keywords:regenerative;hightemperatureaircombustion;fur2

nace;appliation

33Thedesignofautomaticflushdeviceinthepublic

lavatoriesbasedonPICmicrocontroller

DONGLei,WANGPing,HUHui2hui

Thepaperintroducesadesignofautomaticflushdeviceinthepubliclavatoriesindetail.IttakestheheartofPICmicrocontrollerandtalksabouttheapplicationtechniqueandsoftwaredesign.

Keywords:nanofluids;temperature;volumefraction;thermal

conductivities

13ZHENGGuo2zhong,JINGYou2yin

Researchandapplicationstatusofdisplacementventilation

Thispapergivesabriefintroductiontotheprincipleofdisplacementventilation,andreviewstheappearanceandapplicationofdisplacementventilation.Thenitsummarizestheadvantagesanddisadvantagesofdis2placementventilation.Designingmethodsandkeyparametersofdesign2ingarerecommendedandmechanismisanalyzed.Thepaperalsointro2ducesresearchonComputationalFluidDynamics(CFD)fordisplace2mentventilationandpointsourthatdisplacementventilationisahigh2ef2ficiencyHVACway.

Keywords:PIC;publiclavatories;infraredtransductionResearchonthermalcharacteristicsofexistingbuildingwithenergysavingreformation

45YUWen2hong,YANGZhao

ThispaperdiscussesunsteadythermalcharacteristicsofexistingbuildingwithenergysavingreformationinnorthcitiesinChina.Thecalculatingresultshowsthatthermalcharacteristicswillhavefavorableimprovementafterenergysavingreformation,suchasthecomfortabilityandstabilityofindoorthermalenvironment,energysavingreformationwithexistingbuildinghasmanythermaladvantages,itwillbegreatlybeneficialtoChineseenergyefficiencymovement.

Keywords:displacementventilation;stratification;designing;

airflowpattern;numericalsimulation

Keywords:existingbuilding;energysavingreformation;energy

efficiencyinbuildings

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