成核剂增强纳米流体在歧管微通道中的流动与传热特性

转自Applied Thermal Engineering应用热能工程

论文信息：

Jinjie Zhang, Guanhua Zhang, Yanping Du, Flow and heat transfer behaviour of nucleating agent-enhanced nanofluids through manifold mini-channels. Applied Thermal Engineering 236 (2024) 121587.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121587

研究背景

随着电子设备小型化的趋势，散热要求急剧增加。微通道散热器可以在紧凑的区域散发高热容量，使其对热管理系统中的冷却设备有效。设计高效的冷却系统以帮助高热流设备的运行非常重要。与传统的风冷技术相比，液体冷是一种更好的冷却方法，具有更高的传热效率。在工作液体（水）中添加纳米材料可以增强复合纳米流体的性能并改善其热性能。通过高能乳化将相变材料（PCM）的液滴分散在液体（如水）中形成的乳液可以通过增加相变材料的浓度来改善热性能。同时为了提高设备的冷却效率并降低能耗，提出了歧管迷你通道（MMC）系统。MMC在传统微通道上应用了歧管层，并集成了歧管流场覆盖，与传统微通道相比，流路相对较短。MMC显著降低了压降。歧管包含两层，顶部是手指形的横流通道，底部是迷你通道。流形通道直径相对较大，以降低泵的功耗。另一方面，迷你通道的直径较窄，以提高传热效率。

研究内容

图1a显示了测试装置的示意图。实验系统由换热器、储水箱、齿轮泵、质量流量计（LZM 6 T）、差压变送器（MIK-P300）、直流电源、数据采集系统（ZEEFAX 1B）、计算机和热电偶（T型）等组成。制造的微通道散热器（MCHS）的几何形状如图4（b）所示。总样本量为50 × 7 × 5 （L × W × H） mm3。在此基础上，MMC的入口设计为1 × 1 mm流道，mini通道阵列设计为1 × 0.67 mm阵列。为了确定温度的分布及其沿流动方向的演变，八个T型热电偶均匀地位于MMC流道的两个流道下方。

图1 （a）测试装置的示意图;（b）通道结构图;（c）测试模块结构。

图2（a）和（b）分别显示了矩形和歧管型迷你通道中各种纳米相变乳液（NPCE）的温升随Re函数的变化。在矩形迷你通道（TMC）和MMC中，温升均随着雷诺数的增加而减小。这是由于随着流量的增加，质量流量增加，同时传热介质较多，导致出口温度降低。添加二十烷后，NPCE吸收的热量以潜热的形式储存在相变材料中，导致出口温度低于水。此外，氧化镁纳米颗粒在NPCE中的分散有效地提高了导热系数，二十烷醇降低了过冷度。MMC将流场分为微通道区和歧管区，因为它具有较大的流场，可以通过传热相互冷却。因此具有更好的散热效果，可以作为高热流设备散热的有效传热结构。

图2（c）和（d）显示了矩形和流形微型通道中各种NPCE的传热系数随雷诺数的变化。6wt%二十烷的纳米乳液和向NPCE中添加金属离子产生了更高的传热系数。平均对流传热系数随Re的增加而增大。传热系数随流量的增加而先增大后减小。这是因为在低流速下，纳米相变材料在NPCE中有足够的停留时间完成相变，从而吸收了大量的潜热，实现了增强的传热系数。另一方面，在高流速下，传热增强显著降低，因为NPCE中的纳米PCM没有足够的停留时间进行相变。这导致了无效的热传递和弱的热传递增强效果。图2（e）和（f）显示了Nu随Re的变化，考虑了矩形和流形微型通道中不同类型的NPCE。结果表明，Nu随Re的增加而增加。与传统的矩形迷你通道相比，歧管型迷你通道产生了更高的Nu。因为它们具有更大的几何特征长度，允许在相同条件下具有更高的质量流量。

图2 温升随Re的变化（a）TMC和（B）MMC;传热系数随Re的变化（c）TMC和（d）MMC; Nu随Re的变化（e）TMC和（f）MMC。

图3（a）和（b）显示了具有纯水和6wt%二十烷的NPCE乳液以及具有纳米-Al2O3、纳米-MgO和二十烷醇的NPCE乳液的压降随Re的变化。与水相比，所有NPCE的压降均随Re的变化呈增大趋势。因为质量流量的增加导致迷你通道内的流体速度随之增加，从而导致压降特性的相应增加。然而，压降的增加主要是由于金属颗粒和醇的加入，这增加了纳米流体的粘度和相应的流动阻力。与TMC相比，MMC由于其更均匀的流动分布和更短的流道，压降更低。图3（c）和（d）显示了所有微型通道和NPCE的散热器摩擦阻力系数随冷却剂Re的变化。与使用水相比，添加成核剂（NA）二十碳六烯酸和金属氧化物略微增加了摩擦。主要是因为NPCE粘度的显著上升和随之而来的压力损失的增加。这反过来又引起更多的碰撞并增加流动阻力。摩擦系数与Re成反比关系。因此，随着Re的增加，摩擦系数随之降低。流速的增加导致NPCE中纳米颗粒的布朗运动增强。这种现象降低了流动阻力。热阻是定义材料热性能的基本参数。冷却系统的效率取决于散热器的热性能，其中较低的热阻表示上级热性能和较高的热效率。图3（e）和（f）显示了对于各种流动配置和冷却剂，散热器热阻随冷却剂Re变化的变化。结果表明，在两种通道中，所有流体的热阻均随Re的增加而减小。这是由于对流传热系数随着流速的增加而增强，这意味着对流热阻和总热阻减小

图3 （a）TMC和（b）MMC纳米流体的压降随Re的变化;（c）TMC和（d）MMC纳米流体的摩擦系数随Re的变化;对于（e）TMC和（f）MMC，纳米流体的热阻随Re的变化。

图4（a）和（b）显示了考虑不同流动配置和冷却剂时，性能系数随冷却剂Re变化的变化。与水相比，纳米流体的使用导致与热性能有关的所有指标的显著增强。随着流量的增加，FOM先增大后减小，这是由于较高的Re数虽然改善了传热性能，但会导致较高的压力损失。随着流量的增加，纳米流体没有得到足够的停留时间来完成相变，从而吸收热量，导致无效传热。存在允许纳米PCM吸收足够热量以完成相变的最佳流速。MMC微通道的最佳流速高于TMC，这是由于其更多的流动通道数量和更大的散热比面积，从而提高了结构的冷却效率。

图4 （a）TMC和（b）MMC的微通道性能系数随Re变化的变化。

总结与展望

在这项工作中，使用复合纳米流体与歧管型MCHS结构相结合进行了研究。提出了相变乳液（6wt%二十烷）和包含不同类型金属离子纳米流体（6wt%二十烷+纳米Al2O3/-MgO）的复合纳米流体与NA（二十烷醇）作为工作流体，旨在提高热导率和降低过冷度。对两种以NPCE为冷却剂的MCHS的传热特性进行了研究和评价。本研究探讨了微通道类型，NPCE类型，和雷诺数对传热速率，热阻，流动阻力和传热性能的影响。根据所取得的结果，本次调查通过对收集到的数据进行统计分析和评价，得出了若干重要结论。

（1）金属颗粒的加入显著提高了NPCE纳米流体的传热性能。纳米MgO比纳米Al2O3具有更好的传热性能，当纳米MgO添加到6wt%的二十烷中时，传热强化系数比水最大增加了17.7%。

(2)NA二十烷醇的加入显著降低了NPCE的过冷度，从而改善了传热。结果发现，与水相比，6wt%二十烷和1wt%纳米MgO与0.6wt% NA的组合将传热增强系数提高了高达29.7%。

(3)与矩形微流体通道相比，MMC具有更低的压降和热阻，从而导致更高的传热增强系数。与矩形微流控通道相比，采用复合NPCE的MMC的压降和热阻分别降低了51.2%和53.9%。此外，强化传热系数提高了17.9%。

因此，NPCE可以作为高效冷却剂应用于热管理设备的制冷系统中。建议将MMC作为换热器设计的最佳结构。这些发现可用于优化散热器的传热性能，从而为高热流设备提供更有效的散热，研究人员可以考虑通过优化微通道结构和纳米流体类型来设计具有更高效散热能力的系统。

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