化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (03): 1207-1217.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-0999
收稿日期:
2018-05-14
修回日期:
2018-07-21
出版日期:
2019-03-05
发布日期:
2019-03-05
通讯作者:
杨迪
作者简介:
基金资助:
Bin SUN1(),Shuang DONG1,Di YANG1,2(
),Hongwei LI1
Received:
2018-05-14
Revised:
2018-07-21
Online:
2019-03-05
Published:
2019-03-05
Contact:
Di YANG
摘要:
实验研究了多壁碳纳米管(MWCNT)-水/乙二醇纳米流体在汽车散热器中的传热特性。在80%/20%的水/乙二醇基液中制备了5种不同体积分数(0.05%,0.1%,0.15%,0.3%和0.5%)的MWCNT纳米流体,通过研究超声波振荡时间对纳米流体稳定性的影响得出,超声波的振荡时间为1h时,纳米流体的稳定性较为良好。将体积分数为0.15%的纳米流体分别添加十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为分散剂进行稳定性实验,分别采用目测法和透射比法来评价纳米流体的稳定性,选出分散效果较好的分散剂种类和添加量并评价了两种纳米流体的稳定性,结果表明:CTAC的添加量为质量分数0.05%、SDBS的添加量为0.1%时,纳米流体的分散效果较好,并且CTAC的分散效果优于SDBS。分别使用单因素实验设计和正交实验设计对不同浓度的纳米流体在不同流速、温度下的传热特性进行分析,纳米流体的体积流量为2~6L/min,入口温度为45~65℃。结果表明,与基液相比,纳米流体的传热速率有了明显的提高,在本实验的最佳工况下(体积分数0.5%,6L/min,65℃),传热速率可提升35.24%。使用熵值法计算出纳米流体的传热速率、压降和有效泵功的权重分别为0.626、0.035、0.340。基于多指标综合评价方法得出,与纳米流体的传热速率增加相比,纳米流体浓度对压降和有效泵功的不利影响可以忽略不计。
中图分类号:
孙斌,董爽,杨迪,李洪伟. 多壁碳纳米管-水/乙二醇纳米流体在汽车散热器中的传热特性[J]. 化工进展, 2019, 38(03): 1207-1217.
Bin SUN,Shuang DONG,Di YANG,Hongwei LI. Heat transfer characteristics of MWCNT-water/ethylene glycol nanofluid flow in automotive radiator[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(03): 1207-1217.
名称 | 种类 | 形状 | 大小 | 商家 | 纯度 |
---|---|---|---|---|---|
纳米颗粒 | MWCNT | 管状颗粒 | 20nm | 上海超威纳米科技有限公司 | ≥99.9% |
表面分散剂 | CTAC | 白色粉末状固体 | — | 上海双龙化学品厂 | ≥99% |
SDBS | 白色粉末状固体 | — | 上海双龙化学品厂 | ≥99% |
表1 纳米颗粒和分散剂的特征
名称 | 种类 | 形状 | 大小 | 商家 | 纯度 |
---|---|---|---|---|---|
纳米颗粒 | MWCNT | 管状颗粒 | 20nm | 上海超威纳米科技有限公司 | ≥99.9% |
表面分散剂 | CTAC | 白色粉末状固体 | — | 上海双龙化学品厂 | ≥99% |
SDBS | 白色粉末状固体 | — | 上海双龙化学品厂 | ≥99% |
种类 | 密度 /kg·m-3 | 比热容 /kJ·kg-1·K-1 | 热导率 /W·m-1·K-1 | 黏度 /mPa·s |
---|---|---|---|---|
MWCNT纳米颗粒 | 2100 | 0.71 | 2860 | — |
基液(水、乙二醇以80%/20%混合液) | 1026.02 | 3.838 | 0.509 | 1.30 |
表2 MWCTN纳米颗粒和基液在30 ℃时的热物理性质
种类 | 密度 /kg·m-3 | 比热容 /kJ·kg-1·K-1 | 热导率 /W·m-1·K-1 | 黏度 /mPa·s |
---|---|---|---|---|
MWCNT纳米颗粒 | 2100 | 0.71 | 2860 | — |
基液(水、乙二醇以80%/20%混合液) | 1026.02 | 3.838 | 0.509 | 1.30 |
编号 | λ/nm | 编号 | λ/nm |
---|---|---|---|
1 | 235 | 5 | 242 |
2 | 242 | 6 | 240 |
3 | 238 | 平均 | 240 |
4 | 243 |
表3 最佳吸收波长重复实验结果
编号 | λ/nm | 编号 | λ/nm |
---|---|---|---|
1 | 235 | 5 | 242 |
2 | 242 | 6 | 240 |
3 | 238 | 平均 | 240 |
4 | 243 |
测量参数(仪器设备) | 精度 |
---|---|
温度(热电偶) | 0℃时精度±0.15K,100℃时精度±0.35K |
流速(流量计) | 1.0% |
压降(罗斯蒙特压差计) | 0.5% |
有效泵功(功率计) | 0.5% |
数据采集器 | 1.0% |
表4 实验中的测量参数和最大测量误差
测量参数(仪器设备) | 精度 |
---|---|
温度(热电偶) | 0℃时精度±0.15K,100℃时精度±0.35K |
流速(流量计) | 1.0% |
压降(罗斯蒙特压差计) | 0.5% |
有效泵功(功率计) | 0.5% |
数据采集器 | 1.0% |
体积分数/% | 热导率增加率/% | 对流传热系数增加率/% |
---|---|---|
0.05 | 0.15 | 5.64 |
0.1 | 0.30 | 8.53 |
0.15 | 0.45 | 10.13 |
0.3 | 0.90 | 17.14 |
0.5 | 1.51 | 20.33 |
表5 纳米流体的热导率和对流传热系数的增加对比
体积分数/% | 热导率增加率/% | 对流传热系数增加率/% |
---|---|---|
0.05 | 0.15 | 5.64 |
0.1 | 0.30 | 8.53 |
0.15 | 0.45 | 10.13 |
0.3 | 0.90 | 17.14 |
0.5 | 1.51 | 20.33 |
测试号码 | A体积分数 | B入口温度 | C纳米流体流速 | 对流传热系数隶属度 | 压降隶属度 | 有效泵功隶属度 | 综合评分 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1(0.15%) | 1(45℃) | 1(2L·min?1) | 0 | 0 | 0.0006 | 0.0003 |
2 | 1 | 2(55℃) | 3(6L·min?1) | 0.4612 | 0.9898 | 0.9908 | 0.9722 |
3 | 1 | 3(65℃) | 2(4L·min?1) | 0.3268 | 0.4008 | 0.2907 | 0.3293 |
4 | 2(0.3%) | 1 | 3 | 0.6886 | 0.9942 | 0.9948 | 0.9839 |
5 | 2 | 2 | 2 | 0.4507 | 0.4029 | 0.2920 | 0.3351 |
6 | 2 | 3 | 1 | 0.1907 | 0.0006 | 0 | 0.0068 |
7 | 3(0.5%) | 1 | 2 | 0.6516 | 0.4058 | 0.2937 | 0.3441 |
8 | 3 | 2 | 1 | 0.2965 | 0.0015 | 0.0003 | 0.0109 |
9 | 3 | 3 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
K 1 | 1.3018 | 1.3283 | 0.018 | ||||
K 2 | 1.3258 | 1.3182 | 1.0085 | ||||
K 3 | 1.3550 | 1.3361 | 2.9561 | ||||
极差 | 0.0532 | 0.0179 | 2.9381 | ||||
主要因素和次要因素排序 | CAB | ||||||
最佳方案 | C 3 A 3 B 3 |
表6 正交实验结果
测试号码 | A体积分数 | B入口温度 | C纳米流体流速 | 对流传热系数隶属度 | 压降隶属度 | 有效泵功隶属度 | 综合评分 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1(0.15%) | 1(45℃) | 1(2L·min?1) | 0 | 0 | 0.0006 | 0.0003 |
2 | 1 | 2(55℃) | 3(6L·min?1) | 0.4612 | 0.9898 | 0.9908 | 0.9722 |
3 | 1 | 3(65℃) | 2(4L·min?1) | 0.3268 | 0.4008 | 0.2907 | 0.3293 |
4 | 2(0.3%) | 1 | 3 | 0.6886 | 0.9942 | 0.9948 | 0.9839 |
5 | 2 | 2 | 2 | 0.4507 | 0.4029 | 0.2920 | 0.3351 |
6 | 2 | 3 | 1 | 0.1907 | 0.0006 | 0 | 0.0068 |
7 | 3(0.5%) | 1 | 2 | 0.6516 | 0.4058 | 0.2937 | 0.3441 |
8 | 3 | 2 | 1 | 0.2965 | 0.0015 | 0.0003 | 0.0109 |
9 | 3 | 3 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
K 1 | 1.3018 | 1.3283 | 0.018 | ||||
K 2 | 1.3258 | 1.3182 | 1.0085 | ||||
K 3 | 1.3550 | 1.3361 | 2.9561 | ||||
极差 | 0.0532 | 0.0179 | 2.9381 | ||||
主要因素和次要因素排序 | CAB | ||||||
最佳方案 | C 3 A 3 B 3 |
A | —— | 面积, m2 |
A s | —— | 散热管面积, m2 |
CS | —— | 综合评分 |
cp | —— | 定压比热容, kJ/(kg·K) |
D | —— | 管外径, mm |
D h | —— | 当量直径, mm |
d | —— | 管边缘小径, mm |
h | —— | 对流传热系数, W/(m2·K) |
k | —— | 热导率, W/(m·K) |
L | —— | 管长, mm |
M | —— | 决策矩阵 |
m | —— | 质量流量, kg/s |
mp | —— | 隶属度 |
Nu | —— | Nusselt数 |
Q | —— | 传热速率, W |
sm | —— | 测试号码 |
T b | —— | 特征温度, K |
T in | —— | 进口温度, K |
T out | —— | 出口温度, K |
T s | —— | 管壁温度, K |
val | —— | 测量值 |
ws | —— | 权重 |
Y | —— | 贡献矩阵 |
ρ | —— | 密度, kg/m3 |
φ | —— | 体积分数 |
? | —— | 形状因子 |
ψ | —— | 颗粒表面球形度 |
下角标 | ||
bf | —— | 基液 |
in | —— | 进口 |
nf | —— | 纳米流体 |
out | —— | 出口 |
p | —— | 纳米颗粒 |
符号说明
A | —— | 面积, m2 |
A s | —— | 散热管面积, m2 |
CS | —— | 综合评分 |
cp | —— | 定压比热容, kJ/(kg·K) |
D | —— | 管外径, mm |
D h | —— | 当量直径, mm |
d | —— | 管边缘小径, mm |
h | —— | 对流传热系数, W/(m2·K) |
k | —— | 热导率, W/(m·K) |
L | —— | 管长, mm |
M | —— | 决策矩阵 |
m | —— | 质量流量, kg/s |
mp | —— | 隶属度 |
Nu | —— | Nusselt数 |
Q | —— | 传热速率, W |
sm | —— | 测试号码 |
T b | —— | 特征温度, K |
T in | —— | 进口温度, K |
T out | —— | 出口温度, K |
T s | —— | 管壁温度, K |
val | —— | 测量值 |
ws | —— | 权重 |
Y | —— | 贡献矩阵 |
ρ | —— | 密度, kg/m3 |
φ | —— | 体积分数 |
? | —— | 形状因子 |
ψ | —— | 颗粒表面球形度 |
下角标 | ||
bf | —— | 基液 |
in | —— | 进口 |
nf | —— | 纳米流体 |
out | —— | 出口 |
p | —— | 纳米颗粒 |
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