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纳米流体热导率的测量

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纳米流体热导率的测量 第 54卷 第 1期 2003年 1月 化 工 学 报 Journal of Chemical Industry and Engineering (China) Vo1.54 No1 January 2003 纳米流体热导率的测量 李 强 宣益民 (南京理工大学动力工程学院,江苏 南京 210094) 摘 要 运用瞬态热线法测定了不同种类、不同体积份额配比的纳米流体的热导率,分析了纳米粒子属性、份 额、尺度等因素对纳米流体热导率的影响.实验结果表明,在液体中添加纳米粒子显著增加了液体的热导率....
纳米流体热导率的测量
第 54卷 第 1期 2003年 1月 化 工 学 报 Journal of Chemical Industry and Engineering (China) Vo1.54 No1 January 2003 纳米流体热导率的测量 李 强 宣益民 (南京理工大学动力工程学院,江苏 南京 210094) 摘 要 运用瞬态热线法测定了不同种类、不同体积份额配比的纳米流体的热导率,分析了纳米粒子属性、份 额、尺度等因素对纳米流体热导率的影响.实验结果表明,在液体中添加纳米粒子显著增加了液体的热导率. 通过对实验结果进行分析 ,提出了计算纳米流体热导率的关联式. 关键词 纳米流体 强化传热 热导率 中图分类号 TK 124 文献标识码 A 文章编号 O438—1157(2003)01—0042—05 M EASUREM ENT OF THERMAL CoNDUCTIVITIES oF NANoFLUIDS LI Qiang and XUAN Yimin (School of Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China) Ahslr~t The transient hot-wire method iS used to me~sure the the-m al conductivities O{nanofluid&The experimental results show that nanofiuids have remarkably higher thermal conductivities than those of conventional pure fluid~The thermal conductivities of nanofiuids are not only influenced by the volume fraction of na noparticles,but also by other factors such as properties and dimensions of nanoparticles.By ana lyzing the experimental results,a correlation of thermal conductivity of nanofiuid is presented. Keyv~ras nanofluid,enhanced heat transfer,thermal conductivity 引 言 纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加 纳米级金属或金属氧化物粒子而形成的一类新的传热 冷却工质.纳米流体的制备有几种不同的方法,例如 气相沉积法、直接共混法等.相比较而言,通过气相 沉积法制备的纳米流体悬浮液粒子分散性较好、悬浮 稳定性较高,纳米流体可稳定悬浮几天甚至 1星期左 右[1],但这种方法费用高,且不适宜于实际应用的需 要;采用纳米粒子与液体介质直接混合的方法来制备 纳米流体虽然较适合于实际应用,但其悬浮稳定性不 及气相沉积法,必须在悬浮液中添加一定数量的表面 活性剂或分散剂,以使纳米粒子均匀、稳定地分散在 2oo1一O5一O8收到初稿,2001一O9—29收到修改稿. 联系人:宣益民.第一作者:李强,男,3O岁,硕士,讲师 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (№ 59976012). 液体介质中,形成分散性好、稳定性高、持久及低团 聚的纳米流体 ]. 在液体中添加固体粒子以强化传热这一技术的研 究由来已久.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或堵塞等不良结果. 因此,与在液体中添加毫米或微米级粒子相比,纳米 流体更适于实际应用. 在液体中添加纳米粒子可以显著增加液体的热 Reoeived date:2oo1— 05--08. Corresponding author:XUAN Yimin. E— mail:rngc808@ mail.njust.edu.ca. Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (No.59976012). 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 54卷 第 1期 李强等 :纳米流体热导率的测量 · 43 · 导率,提高热交换系统的传热性能.例如,以大约 4 的体积分数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 以上嘲; 在水中添加小于 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 ; 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 ,系统的冷却强度可达 30 MW ·m [5].这 些研究工作显示了纳米流体在强化传热领域具有广 阔的应用前景. 本文的主要 目的在于实验测试不同种类 、不同 体积份额配比的纳米流体的热导率,定量分析纳米 材料属性、纳米粒子份额、纳米粒子尺度等因素对 纳米流体热导率的影响. 1 纳米流体热导率的测量 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.因为对于处于重力 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 纯导热过程是很难达到的.本文采用瞬态热线法测 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. 1.1 瞬态热线法 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 丁0,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 △T(r,£), Carslaw等[6 给出了如下的表达式 AT(r,£)一T(r,£)一To一一 El( ) (1) 式 中 T为温度 ;t为时间 ;k为热导 率 ;E (z) 为指数积分,由下式求得 El(z)一 -dy一--7-- lnx+O(x2) (2) 式中 y是 Euler常数 (其值为0.5772157⋯).如 果线源的半径为 ro,假定 r—ro处线源表面与液体 具有相同的温度 T(r。,£),且 r。/4口£《1,则线源 温度的变化与液体热导率之间的关系式为 AT(to’f)一 nf ) (3) 式 中 C— exp7 对式 (3)两边进行微分得 n / d丁 七 一 /—d(1—nt) (4) 式 (4)就是 瞬态热线法的基 本方程式.如果 获得了△T对 lnt曲线的斜率,就可以确定流体的 热导率. 1.2 实验 系统 瞬态热线装置采用两根长度分别为 0.153 m 和 0.063 m、直径为 50~tm的铂丝分别插入两个直 径为30 mm的盛有被测液体样品的圆筒形玻璃容 器内,容器由从恒温水浴来的循环水保持恒温.铂 丝既作为加热线源又作为温度计 ,两根铂丝除长度 不同外完全一样.当同时给两根热丝加相同的电流 时 ,两根热丝产生同样的端部效应,这样 ,两根热 丝的温度差就等同于一根无限长热线的有限部分的 温度上升,于是就消除了热丝的端部影响. 测量系统见图 1.实验采用惠斯通 电桥来 精确 测量两根热丝的电阻差,也就是两热丝的温度差. 图中 R 为 ll'l的 0.01级精密电阻 ,其两端的电压 降即为恒流源输出的电流 I;R。、R 为阻值等于 100Q的 0.01级精密 电阻;R 、R 为电阻温度 系 数极低的锰铜 可调 电阻;R 、R。分别表示长 、短 铂丝的电阻.测试前先输出 5 mA 的小电流至桥 路,调节 R;、R 使电桥处于平衡,即 (R:+R )R 一(R +R )R2 (5) Fig.1 Experimental system of hot-wire method 实验时恒流源输出一恒定电流 I至桥路,长、 短热丝的电阻值分别升高 dR 、dR 。,电桥输出电 压 dU 与两热丝电阻变化量 dR 之间的关系为 dUbd一÷J(R:+R+(LR )一百1 I(R +R。+dR ) 一 ÷J(dR 一dR。)一÷JdR (6) 而铂丝电阻与温度 的关系为 R(T)一R(0)[1+口(T--273.15)] (7) 对上式微分得 维普资讯 http://www.cqvip.com · 44 · 化 工 学 报 2003年 1月 dR — (O)ad』 (8) 式中 a为铂丝电阻温度系数 ,可预先标定;R(0) 为 0℃时长度为 L(L等于两热丝长度之差)的铂 丝的电阻.于是 一 / 一——— —一/丽 实验采用 HP34401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 0~5 S范围内,将实验数据代入式 (9)计算纳米流体的热导率.另外,为了保证对桥 路的通电和测量 同步,实验采用 HG一64/1型继 电 器控制通电电路和测量电路 ,也即在通电电路闭合 的同时给数字电压表发送一触发信号,使数字电压 表开始数据. 在使用实验装置测量纳米流体的热导率之前, 通过测量去离子水和机油的热导率对实验装置进行 了校验,校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.实验中分别测量了 不同纳米粒子体积份额的去离子水一Cu纳米流体、 机油一Al纳米流体和去离子水一Al纳米流体的热导 率 (Cu粒子粒径有 100 nm和 20 nm两种,Al粒 子粒径 20 nm左右). 1.3 实验结果与讨论 1.3.1 纳米粒子属性对纳米流体 热导率的影响 图 2给出了去离子水一Al纳米流体和去离子水一Cu (Cu粒子粒径 20 nm左右)纳米流体热导率随粒子 体积份额的变化情况.实验结果显示,在液体中添 加纳米粒子显著增加了液体的热导率,粒子的体积 份额是影响纳米流体热导率的因素之一,纳米流体 的热导率随纳米粒子体积份额的增加而增大.例 如,在去离子水中添加 5%体积分数的 Al纳米粒 子,形成 的纳米 流体 热导率 比去 离子水 提高 菩 毒 害 重 号 Fig.2 Thermal conductivity of deionized water-Al nanofluid and deionized water-Cu nanofluid r—_一 一 一一 22.5 ;如果 Al纳米粒子的体积分数由 1 增大 到5 ,则形成的去离子水一Al纳米流体的热导率 与去离子水的热导率之比从 1.037增大到 1.225. 通过比较图 2中去离子水一Al和去离子水一Cu 两种纳米流体热导率的实验数据,不难看出,虽然 纳米流体的热导率几乎随纳米粒子的体积分数呈线 性增加,但对于不同的纳米粒子,其增加的比例不 同.例如,在去离子水中添加 2 体积分数的 Al 纳米粒子,所形成的纳米流体热导率比去离子水提 高6.3 ;而在去离子水中添加2 体积分数的Cu 纳米粒子,所形成的纳米流体热导率比去离子水提 高23 .这表明,在相同的液体中添加 Cu纳米粒 子形成的纳米流体热导率的增加率比添加 Al纳米 粒子大,其原因是 Cu的热导率比 Al大.因此, 可以得出结论,纳米粒子的属性是影响纳米流体热 导率的因素之一. 1.3.2 纳米粒子尺度对纳米流体热导率 的影响 实验分别测试了粒径为 100 nm和 20 nm的 Cu纳 米粒子形成的两种去离子水一Cu纳米流体的热导 率,图3给出了这两种纳米流体热导率随粒子体积 分数的变化情况.可以看出,纳米粒子尺度也是纳 米流体热导率的影响因素之一.例如在相同的纳米 粒子体积分数条件下,悬浮有 20 nm的 Cu纳米粒 子的纳米流体热导率比悬浮有 100 nm的 Cu纳米 粒子的纳米流体热导率大.其原因之一可能是由于 液体与粒子间的热传递过程是发生在液体与粒子的 界面上,而 20 nm的 Cu纳米粒子的表面积一体积 比比100 nm的 Cu纳米粒子的表面积一体积比大, 即悬浮有 20 nm的Cu纳米粒子的纳米流体具有较 大的液体与粒子的界面积,因此其间的热传递就越 快、越有效,即热导率越高. 鼋 量 宝 雪 弓 Fig.3 Thermal conductivity of two types of deionized water-Cu nanofluids 另外,相比较而言,由于粒径为 100 nm的Cu 纳米粒子在液体中较易沉淀,即悬浮稳定性没有悬 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 54卷 第 1期 李强等 :纳米流体热导率的测量 ·45 · 浮有 20 nm的Cu纳米粒子的纳米流体好,所 以 其热导率较低.这也从一个方面说 明了纳米流 体的悬浮稳定性是纳米流体热导率的影响因素 之一. 1.3.3 纳米流体 悬浮稳定性对纳米流体热导率的 影响 前面已经提到,纳米流体的悬浮稳定性是纳 米流体热导率的影响因素之一,纳米流体的悬浮稳 定性越好,纳米流体热导率增大的比例就越高.这 一 点也可以从图 4给出的实验结果得到验证.图 4 显示了机油一Al纳米流体和去离子水一Al纳米流体 在不同纳米粒子体积分数条件下的热导率,如图所 示,在机油和去离子水中添加相同体积分数的 Al 纳米粒子,机油一Al纳米流体热导率增大的比例比 去离子水一Al纳米流体热导率增大的比例大.例 如,当粒子的体积分数为 4 时,机油一Al纳米流 体的热导率是机油的 1.19倍,而去离子水一Al纳 米流体的热导率是水的 1.14倍.这说明,仅就增 大热导率而言,在机油中添加纳米粒子的效果比在 水中添加纳米粒子的效果好.造成这种现象的原因 是机油一Al纳米流体的分散性及悬浮稳定性比去离 子水一Al纳米流体好.实验中观测到,机油一Al纳 米流体的分散性、稳定性较好,可稳定存在 2天左 右,而去离子水一Al纳米流体的分散性、稳定性就 差一 . Fig.4 Thermal conductivity of deionized water-Al nanofluid and mineral oil—Al nanofluid 2 纳米流体热导率关联式 到 目前为止,还没有一个 比较精确 的理论描述 纳米流体的热导率.一些半经验的用来计算悬 浮有微米或毫米级固体粒子的液一固混合物的热 导率. MaxwellL7 提出了一个模型,用来计算悬浮有 球形固体粒子的液一固混合物的热导率 一 £± 二 二 f1n1 kt kp+2kt+ ( f— kp) ⋯ 式中 k 是不连续粒子相的热导率,k 是介质液体 的热导率,声是粒子的体积分数. Hamilton和 CrosserL8]在考虑粒子表面形状 的 基础上 ,对 Maxwell模型进行 了改进 一 £± !二 二 != [ ⋯ 、 kt kp+ ( 一 1)kt+ ( 一 k ) ⋯ 式 中 是经验形状 因子 , 一31~. 指粒子 的球 形度,定义为体积和粒子相等的球的表面积与粒子 表面积之比. 当 / 》 1且 声非 常 小 时 ,式 (11)可 简 化为 一 kdf 一 1+ (12) k r 。 ⋯ ⋯ 运用以上模型来分析实验中的纳米流体的热导 率,可以看出,在给定纳米粒子球形度的情况下, 纳米流体的热导率仅随纳米粒子体积分数的变化而 变化,未能反映出纳米粒子的属性和尺度等因素对 纳米流体热导率的影响.同时,通过计算得出的纳 米流体热导率比实验结果小.这些都表明,由于纳 米粒子的小尺寸效应,纳米流体内部的动量及能量 传递的机理与悬浮有微米或毫米级固体粒子的液一 固混合物不同.因此,不能简单地将计算悬浮有微 米或毫米级固体粒子的液一固混合物热导率的公式 直接用于计算纳米流体的热导率. 通过对实验测得的几种纳米流体热导率结果进 行分析,本文提出了用于计算悬浮有球形金属纳米 粒子的纳米流体热导率的关联式 百keff一1.o+ 0 . 006275 (n--1)--0.00121655~, 。十 dp luu l k p f 一 (13) 式 中 d。为纳米粒子 的直径(nm). 图 5给出了运 用式 (13)计算的水-Cu纳米流体和水一Al纳米流 体的热导率.可以看出,相对于以往的计算液一固 两相混合物热导率的模型,式 (13)较全面地反映 了纳米流体热导率随纳米粒子体积分数、属性及尺 度等因素的变化关系.当然,由于实验数据还不够 丰富,对式 (13)还待进一步修正. 另外,在运用式 (13)计算机油一Al纳米流体 热导率时发现计算结果比实验结果大得多,此关联 式并不适用于机油一纳米粒子类纳米流体.其原因 可能是由于机油的黏度比水大几个数量级,导致纳 米粒子在机油 中的布朗扩散 、热扩散等运动不如在 维普资讯 http://www.cqvip.com · 46 · 化 工 学 报 2003年 1月 Fig.5 Calculated results of thermal conductivity of several sample nanofluids with Eq.(13) 水中剧烈,影响了纳米流体内部的动量及能量传 递.也就是说,除了式 (13)中提到的几种影响因 素外,还有其他影响纳米流体热导率的因素,有待 进一步研究. 3 结 论 运用瞬态热线法测量了去离子水一Cu纳米流 体、机油一Al纳米流体和去离子水一Al纳米流体的 热导率.实验结果表明,在液体中添加少量纳米粒 子可以增加流体的热导率,纳米流体的热导率随纳 米粒子体积分数的增加呈线性增大,但对于不同类型 的纳米流体,由于纳米粒子属性、尺度及纳米流体悬 浮稳定性的影响,纳米流体热导率增加的比例不同. 通过分析实验数据,提出了计算悬浮有金属纳 米粒子的纳米流体热导率的关联式. Refefences 1 Eastman J A,Choi U S,Li S,Thompson L J,Lee S Enhanced Thermal Conductivity Through the Development of Nanofluids. In: Komameni S,Parker J C,Wollenberger H J,eds- Proceedings of the Symposium on Nanophase and Nanoeomposite Materials. Boston:Materials Research Society,Pittsburgh,PA,1997.3— 11 2 Xuan Y,Li Q Heat Transfer Enhancemem of Nanofluids. /nt.J. ofHeat and Fluid FlOZO,2000,21(1):58— 64 3 Lee S, Choi U S, “ S, Eastman J Measuring Therm al Co nductivity of Fluids Containing Oxide Nanoparticles.J.of Heat 了 35fer,1999,121:28O一289 4 Ea stman J A。 Choi US。 Ij S De velopment of Energy-efficient Nanofluids for Heat Transfer Applications. Report of Argonne National Laboratory 5 Lee S.Choi U S Application of Metallic Nanopartide Suspensions in Advanced Cooling Systems.In:Kwon Y,Davis D,Chuug H,eds- Recent Advances in Solids/Structures and Application of Metallic Ma terials.PVP-vo1.342/ vo1.72.New York:ASM旺,1996. 227— 234 6 Carslaw H S, Jaeger J C. Co nduction of Heat in Solids.2nd ed. London:Oxford University Press,1959.510 7 Ma xwell J C A Treatise on Electricity and Magnetisrm 2nd ed.U K:Clarendon Press,1881.435 8 Hamilton R L.Crosser O K.Thermal Conductivity of Heterogeneous Two—component Systems. Industrial arm Engineering Chemistry Fundamentals,1962,1(3):187— 191 中国化学会喜庆 70华诞 中国化学会庆祝成立 7O周年、第七次全国会员代表大会以及 2002年学术会议等活动于不久前在浙江 省杭州市落下帷幕.参加本次会议的代表 300余人,分别来自全国170余个高等学校、科研单位,来 自台 湾的化学会理事长应邀出席了会议. 中国化学会理事长、中国科学院副院长白春礼院士做了题为 “化学的发展与化学会的进步”的主题报 告,概括了中国化学特别是新中国成立后的发展与成就,回顾了中国化学会 7O年的成长历程. 会议期间邀请著名学者、企业家做了大会邀请报告,报告题目分别为 “21世纪是信息科学、合成化 学和生命科学共同繁荣的世纪”、“化工创新趋势”、“从金属绳状络合物到金属导线”、“新世纪有机化学与 可持续发展的思考”、“积极开拓国家 自然科学基金工作的新局面”、“有机光电信息功能材料”、“物理有机 化学前沿领域两个重要方面——有机分子簇集和自由基化学的研究”等.学术会议编印了文集,收录 16O余篇,并在会上进行了交流. (摘 自 “中国化工信 息网”) 一 ,^1 —0I1暑 l^I1uT1口口0u口 一T1u一 u 维普资讯 http://www.cqvip.com
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