氧化铜-水纳米流体在双管换热器中的换热性能实验研究

转自Thermal Analysis and Calorimetry

论文信息：Brajesh Kumar Ahirwar .Arvind Kumar .Department of Mechanical Engineering, Maulana Azad National Institute of Technology, Madhya Pradesh, Bhopal 462003, India

论文链接：https://doi.org/10.1007/s10973-024-12947-6

研究背景

当今世界正面临着能源消耗的问题。研究人员热衷于开发能耗更低的设备;因此，利用纳米流体进行换热在换热器中的应用受到了当前研究人员的关注。采用纳米CuO -水纳米流体和十二烷基硫酸钠作为表面活性剂，在双管换热器上进行了热性能因子(TPF)和压降的实验研究。在雷诺数5500 ~ 15000之间的湍流范围内，对体积分数分别为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%的单相完全发育流进行了研究。除导热系数外，布朗运动和界面层厚度也是换热器传热增强的重要因素。当体积分数为0.07%，雷诺数为5500时，努塞尔数的最大增益为67.9%，摩擦因数增加189.47%。在5500雷诺数下，当体积分数为0.07%时，实验记录到的最高TPF为1.18。本研究还建立了努塞尔数与摩擦因数之间的新的相关关系。为了更好地了解CuO纳米颗粒的性质，在实验室进行了XRD, FeSEM和EDS测试。

研究内容

采用液态水纳米流体(热流体)对DPHE进行了逆流实验。实验采用两根同心管:内管为铜管，外管为聚氯乙烯管;测试截面的详细外几何尺寸如图1所示。纳米流体在铜管内流动，冷水在PVC管外流动。PT-100 RTD传感器被用来记录纳米流体和冷水在入口和输出处的温度。内铜管的平均表面温度是用贴在管道表面的10根热电偶线测量的。16通道UniLog版本2.3.1.1数据记录仪具有最小计数0.1°C连接到所有RTD传感器和热电偶线读取温度。用u型管压力计测量了试验段入口和出口纳米流体的压差。

图1 试验段详图

转子流量计用于测量热流体和冷流体的质量流量，如图2(a)所示。热流体流速采用容量为300 LPH的玻璃转子流量计测量，冷流体流速采用容量为200 LPH的丙烯酸转子流量计测量。两台泵，每台容量为0.5 hp，用于维持冷热流体的流动。转子流量计下方采用一个主流球阀和一个旁通球阀控制热流体流量，采用同一组阀门控制冷流体流量。控制热流体的温度在±60°C, 4.5千瓦的功率是通过三个1.5千瓦的加热线圈提供。然后将此电源通过固态继电器(SSR)连接到温度控制器TC 303，当温度超过60℃时，SSR会自动切断电源。热流体在试验段内循环，在泵的作用下形成闭环，冷流体一旦被泵出，将被排除在试验段内的热流体的热量带到大气中，形成如图2(b)所示的开环。为了尽量减少测试部分的热损失，使用了三层保温层。第1层将玻璃棉缠绕在测试段的长度上，第2层将棉绳重叠，第3层添加巴黎石膏，以改善表面绝缘，如图3所示。

图2 (a)DPHE设置示意图 (b)DPHE实验设置实际示意图

图3 不同体积分数的氧化铜-水纳米流体稳定性分析

采用场发射扫描电镜(FeSEM)对合成的CuO-NPs进行形貌分析。图4(a, b)显示了合成的CuO纳米颗粒的FeSEM分析结果。团聚是纳米流体中常见的现象，纳米颗粒由于其强大的表面吸引力而粘在一起，从而降低了它们的高表面能。为了提高纳米颗粒的稳定性，减少纳米颗粒在表面吸引作用下的团聚倾向，采用稳定剂十二烷基硫酸钠作为表面活性剂。纳米颗粒的极性和界面张力可能导致了过度团聚。

为了更好地了解纳米粒子的特性，利用能谱分析(EDS)对纳米粒子的化学组成进行了研究。从图4(d)中可以看出，在0 ~ 10 keV的EDS光谱范围内存在三个铜峰，这表明所研究的材料含有铜。XRD的结果也支持了样品中含有大量的CuO纳米颗粒的团聚。图4(c)显示了选择用于EDS分析的FeSEM显微图区域。

图4 (a)(b)CuO-NPs的FeSEM图像，(c)选择区域的FeSEM显微图进行EDS分析，(d)定量分析CuO-NPs的EDS光谱

图5显示了CuO-NPs的FTIR光谱。FTIR光谱显示在3482、2895、1641、1509、1110、613和509 cm−1处有强峰。纳米粒子在3482 cm−1处表现出最强的吸收峰，表明存在扩展的(N-H)基团和酰胺浓度。纳米粒子在2895 cm−1处的吸收峰表明，氧化铜表面存在水分子和扩展羟基(O-H)。1641 cm−1处的峰表明羧酸盐存在拉伸(C = O)。1509 cm−1处的吸收峰表明存在C = C型化合物。509 cm−1处的吸收峰代表CuO纳米粒子的振动模式。

图5 CuO-NPs的FTIR光谱

图6显示了摩擦系数随雷诺数的变化。当PT的雷诺数从5500增加到15,000时，f减小了31.04%，而当体积分数为0.07%时，f减小了89.66%。摩擦因数受体积分数的显著影响，随着体积分数的增大摩擦因数也随之增大。当雷诺数为5500时，分别为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%时，摩擦因数的提高幅度分别为71.05%、105.26%、144.74%和189.47%。同样，在雷诺数15000时，当VFs分别为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%时，f的增强分别为17.24%、41.38%、68.97%和100.34%。当雷诺数为5500时，0.07% VFs的摩擦系数分别比0.005%、0.02%和0.04%高69.23%、41.03%和18.28%。而在雷诺数为15,000时，0.07%的VFs的摩擦系数分别比0.005%、0.02%和0.04%高70.59%、41.46%和18.37%。上述结果表明，摩擦系数随雷诺数的增加而减小。

与母体流体相比，纳米颗粒具有更大的比面积，这导致了更大的摩擦和粘度。粘度增大导致泵送功率增大，从而导致压降。纳米颗粒的沉降和聚集也是造成压降的主要原因。当纳米颗粒与管道内壁发生碰撞时，管道材料被腐蚀，导致管道内压力下降。由于上述现象，管道内压降增大，随着纳米流体中VF的增大，导致f增大。

图6 不同VFs摩擦系数随雷诺数的变化

图7描述了热性能因子(TPF)随雷诺数的变化情况。TPF定义为在固定泵浦功率下，有纳米流体与无纳米流体对Nu和f的增强之比。TPF值大于1表明，在恒定泵送功率下，纳米流体的使用增加了热阻比。从结果可以看出，TPF随着VF的增大和雷诺数的减小而增大。在目前的研究中，观察到纳米流体的TPF显著增加。在最低雷诺数5500时，VFs分别为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%时，TPF的最大值分别为1.02、1.04、1.10和1.18。同样，在最高雷诺数15000时，当VFs分别为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%时，测得最大TPF分别为0.99、1.01、1.06和1.17。在雷诺数(5500 ~ 15000)范围内，当VF为0.005%、0.02%、0.04%和0.07%时，TPF值分别为0.99 ~ 1.02、1.01 ~ 1.04、1.06 ~ 1.13和1.15 ~ 1.18。在VF为0.07%、雷诺数为5500时，本研究报道的TPH最大值为1.18。

从图7可以看出，TPF值随着雷诺数的增加而减小，这一规律可以用TPF定义为努塞尔数比增强与摩擦因子比之比来解释，因此随着雷诺数的增加，努塞尔数比和摩擦因子比都增加，但摩擦因子比的增加幅度大于努塞尔数比。

图7 不同VFs下TPF随雷诺数的变化

总结与展望

利用纳米液态水对DPHE进行了实验，并从实验结果中得出了以下结论。

•HEs中的传热性能受界面层、布朗运动和导热系数的严重影响。

•当相对于基液体积分数为0.07%时，雷诺数为5500时，努塞尔数的最大增益为67.9%，摩擦系数增加189.47%。

•在最低雷诺数5500和0.07%体积百分比下，实验中观察到的最高TPF为1.18。

•对于Nusselt和摩擦因子，建立了新的相关性，并且观察到对于CuO-water纳米流体，实验结果的变化在±10%的范围内。